Điều chế chlorine theo tỉ lượng, hiệu suất và bài toán chuỗi

Cho $\mathrm{HCl}$ đặc tác dụng với chất oxi hoá mạnh:

$$\mathrm{MnO_2} + \mathrm{4HCl} \text{ (đặc)} \xrightarrow{t^\circ} \mathrm{MnCl_2} + \mathrm{Cl_2} + \mathrm{2H_2O}$$

$$\mathrm{2KMnO_4} + \mathrm{16HCl} \text{ (đặc)} \rightarrow \mathrm{2KCl} + \mathrm{2MnCl_2} + \mathrm{5Cl_2} + \mathrm{8H_2O}$$

$\mathrm{MnO_2}$ cần đun nóng; $\mathrm{KMnO_4}$ phản ứng ngay ở nhiệt độ thường. Cân bằng chi tiết đã làm ở phần Oxi hoá – khử: chỉ một phần $\mathrm{HCl}$ là chất khử, phần còn lại làm môi trường.

Thu và làm sạch khí. Khí ra lần lượt qua bình chứa dung dịch $\mathrm{NaCl}$ bão hoà (giữ lại hơi $\mathrm{HCl}$), bình chứa $\mathrm{H_2SO_4}$ đặc (làm khô), rồi thu bằng cách đẩy không khí vì $\mathrm{Cl_2}$ nặng hơn không khí và tan trong nước. Khí thừa dẫn vào dung dịch $\mathrm{NaOH}$ để khử độc (bài 3).

Phản ứng thực tế không hoàn toàn nên lượng sản phẩm thu được ít hơn lí thuyết:

$$H\% = \frac{\text{lượng thực tế}}{\text{lượng lí thuyết}} \times 100\%.$$

• Biết chất đầu, cần sản phẩm thực tế: nhân $H$ vào lượng sản phẩm lí thuyết.
• Biết sản phẩm thực tế, cần chất đầu: chia cho $H$ (cần nhiều chất đầu hơn lí thuyết).

Khi sản phẩm bước 1 là chất đầu bước 2 (ví dụ $\mathrm{KMnO_4} \rightarrow \mathrm{Cl_2} \rightarrow \mathrm{FeCl_3}$) thì lượng thực tế của bước 1 là lượng đưa vào bước 2, rồi lại nhân hiệu suất bước 2. Hiệu suất chung:

$$H = H_1 \times H_2.$$

Phản ứng $\mathrm{2Fe} + \mathrm{3Cl_2} \rightarrow \mathrm{2FeCl_3}$ với $\mathrm{Fe}$ dư: $\mathrm{Cl_2}$ là chất giới hạn, nên hiệu suất tính theo $\mathrm{Cl_2}$. Mỗi bước cần ghi rõ "tính theo chất nào".

Trong công nghiệp $\mathrm{Cl_2}$ thu từ điện phân dung dịch $\mathrm{NaCl}$ có màng ngăn: $\mathrm{2NaCl} + \mathrm{2H_2O} \rightarrow \mathrm{2NaOH} + \mathrm{Cl_2} + \mathrm{H_2}$ (điện phân, có màng ngăn). Từ $11{,}7$ g $\mathrm{NaCl}$ ($0{,}2$ mol) lí thuyết thu $0{,}1$ mol $\mathrm{Cl_2}$ ($2{,}479$ L).