第十章 第32讲.docx
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第十章第32讲
热点一 以“模拟工业生产”为载体的综合实验题
化工流程的命题来源很广,与各个知识模块的结合点较多,因此分析工业生产化工流程题时,应将流程路线、试题设问和理论知识有机结合起来,它常常结合工艺流程考查基本化学实验问题,可以说它是无机框图题的创新。
流程的呈现形式有①操作流程;②物质变化流程;③装置流程。
解题时首先要明确原料和产品(包括副产品),即箭头进出方向,其次依据流程图分析反应原理,紧扣信息,搞清流程中每一步发生了什么反应——知其然,弄清有关反应原理,明确目的(如沉淀反应、除杂、分离)——知其所以然,最后联系储存的知识,有效地进行信息的利用,准确表述和工整书写。
由于化工流程常与溶液的配制、物质的分离及定量测定等基本操作有机结合起来,所以只有复习时牢固掌握实验基础知识,才能有效结合题中的信息,准确答题。
[典例剖析] (2016·四川理综,9)CuCl广泛应用于化工和印染等行业。
某研究性学习小组拟热分解CuCl2·2H2O制备CuCl,并进行相关探究。
【资料查阅】
该小组用下图所示装置进行实验(夹持仪器略)
请回答下列问题:
(1)仪器X的名称是________。
(2)实验操作的先后顺序是a→________→e(填操作的编号)。
a.检查装置的气密性后加入药品
b.熄灭酒精灯,冷却
c.在“气体入口”处通入干燥HCl
d.点燃酒精灯,加热
e.停止通入HCl,然后通入N2
(3)在实验过程中,观察到B中物质由白色变为蓝色,C中试纸的颜色变化是________________________________________________________________________。
(4)装置D中发生的氧化还原反应的离子方程式是_____________________________
________________________________________________________________________。
【探究反思】
(5)反应结束后,取出CuCl产品进行实验,发现其中含有少量的CuCl2或CuO杂质。
根据资料信息分析:
①若杂质是CuCl2,则产生的原因是___________________________________________
________________________________________________________________________。
②若杂质是CuO,则产生的原因是____________________________________________
________________________________________________________________________。
[审题流程]
第1步:
审题干信息,本题题干信息很简单,提取实验目的:
用热分解CuCl2·2H2O晶体制取CuCl。
第2步:
(1)审“流程”,获取反应条件等有效信息:
CuCl2·2H2O要在HCl气流中加热先脱结晶水,再继续加热使无水CuCl2分解,若不在HCl气流中加热,CuCl2·2H2O将会水解,最终产物为CuO。
(2)审“装置图”,获取每个仪器的作用等有效信息:
①A为CuCl2·2H2O分解产生CuCl的装置,气体入口必须通入HCl气体;
②X干燥管中盛放的无水CuSO4检验分解产生的水蒸气;
③C中湿润的红色石蕊试纸检验HCl以及反应产生的Cl2;
④D为尾气处理装置,吸收HCl和Cl2。
第3步,审问题信息:
结合第1步、第2步提取的有效信息,结合题目提出的具体问题,联想已学过的知识,规范解答题目中的具体问题。
如本题第
(2)问,结合第2步中获取的流程信息的条件控制,必须先通HCl排尽空气,防止O2影响产品纯度,然后点燃酒精灯,在HCl气流中加热分解CuCl2·2H2O,最后在HCl气流中冷却生成CuCl,即可顺利选择操作顺序:
a→c→d→b→e。
第(3)问,结合第2步获取的有效信息,知通入C装置的气体有HCl和Cl2,再根据HCl和Cl2的性质,即可得出石蕊试纸“先变红后褪色”的实验结论。
第(4)问中NaOH吸Cl2属于氧化还原反应,即可写离子方程式。
第(5)问,结合流程信息,可知有CuCl2的原因,是分解不完全,肯定是“加热时间不够”;产生CuO肯定是CuCl2·2H2O发生水解,肯定是“HCl通入的量不足”。
答案
(1)干燥管
(2)cdb
(3)先变红后褪色
(4)Cl2+2OH-===Cl-+ClO-+H2O
(5)①加热时间不足或温度偏低 ②通入HCl的量不足
1.(2016·安徽皖南六校第一次联考)纳米碳酸钙广泛应用于橡胶、塑料、造纸、化学建材、油墨、涂料、密封胶与胶粘剂等行业。
在浓CaCl2溶液中通入NH3和CO2可以制得纳米级碳酸钙。
某校学生实验小组设计如图所示装置制取该产品。
D中装有蘸稀硫酸的脱脂棉,图中夹持装置已略去。
可选用的药品有a.石灰石 b.饱和氯化钙溶液
c.6mol·L-1盐酸 d.氯化铵固体 e.氢氧化钙固体
(1)A中制备气体时,所需的药品是________(填字母)。
(2)B中盛有________溶液,其作用是________________________________。
(3)写出制取氨气的化学方程式:
_________________________________________________
________________________________________________________________________。
(4)在实验过程中,向C中通入气体是有先后顺序的,应先通入的气体是________________(写化学式)。
(5)检验D出口处是否有氨气逸出的方法是________________________________________
________________________________________________________________________。
(6)写出制纳米级碳酸钙的化学方程式:
___________________________________________
________________________________________________________________________。
答案
(1)ac
(2)饱和NaHCO3 除去CO2中的HCl
(3)2NH4Cl+Ca(OH)2
CaCl2+2H2O+2NH3↑
(4)NH3
(5)将湿润的红色石蕊试纸放在D出口处,若试纸变蓝,则证明有氨气逸出;若试纸不变蓝,则证明没有氨气逸出(答案合理即可)
(6)CaCl2+CO2+H2O+2NH3===2NH4Cl+CaCO3↓
解析
(1)由图可知,A制备的气体为CO2,所以选择药品为石灰石和6mol·L-1盐酸。
(2)制出的CO2中不能有HCl,否则会在C中与NH3反应,除去HCl应该用饱和NaHCO3溶液。
(4)NH3的溶解度大于CO2,所以先通入NH3使溶液呈碱性,CO2才能被充分的吸收参与反应。
(5)检验NH3时将湿润的红色石蕊试纸放在D出口处,若试纸变蓝,则证明有氨气逸出;如果试纸不变蓝,则证明没有氨气逸出。
2.实验室中以粗铜粉(含杂质Fe)为原料,制备铜的氯化物的流程如下:
请按要求回答下列问题:
(1)现用如图所示的实验仪器和药品来制备纯净、干燥的Cl2并与粗铜粉反应(铁架台和加热装置等省略)。
①按气流方向连接各仪器接口,正确的顺序是a→________→________→________→________→________→____________________
→________。
实验中硬质玻璃管加热前要进行一步重要操作,该操作是________________________________________________________。
②反应时,盛放粗铜粉的硬质玻璃管中的现象是_____________________________________
________________________________________________________________________。
(2)上述流程中,所得固体Ⅰ需要加稀盐酸溶解,其目的是________________________;
溶液Ⅰ可加试剂X用于调节pH以除去杂质,X最好选用下列试剂中的________(填字母)。
a.Cub.NH3·H2O
c.CuOd.Cu2(OH)2CO3
e.H2S
(3)向溶液Ⅱ中通入一定量的SO2,加热一段时间后生成CuCl白色沉淀,写出该反应的离子方程式:
________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
答案
(1)①d e h i f g b(f、g可调换顺序) 通入一段时间的Cl2,使装置中充满黄绿色的气体(排出装置中的空气) ②产生大量棕黄色的烟
(2)防止CuCl2和FeCl3水解 cd
(3)SO2+2H2O+2Cu2++2Cl-
2CuCl↓+SO
+4H+
解析
(1)要利用图中所给实验仪器和药品来制备纯净、干燥的Cl2并与粗铜粉反应,首先要找到Cl2的发生装置(A),然后将制得的Cl2净化(除去HCl,用装置C)、干燥(用装置E),并使其与粗铜粉反应(用装置D),最后进行尾气吸收(用装置B)。
①按气流方向连接各仪器接口,正确的顺序是a→d→e→h→i→f→g→b(f、g可调换顺序)。
实验中硬质玻璃管加热前要通入一段时间的Cl2,使装置中充满黄绿色的气体,以防止O2与铜粉反应。
②Cl2与Cu反应生成棕黄色的CuCl2固体小颗粒,故盛放粗铜粉的硬质玻璃管中的现象是产生大量棕黄色的烟。
(2)题给流程中,所得固体Ⅰ是CuCl2和FeCl3的混合物,加稀盐酸而不加水溶解,是为了防止CuCl2和FeCl3水解;向溶液Ⅰ中加入试剂X用于调节溶液的pH以除去Fe3+,故X最好是能与H+反应、但不与Cu2+反应且不引入新杂质的试剂,题给选项中符合要求的有CuO和Cu2(OH)2CO3。
(3)向溶液Ⅱ(CuCl2溶液)中通入一定量的SO2,加热一段时间后生成CuCl白色沉淀,该过程中发生SO2还原Cu2+的反应,SO2被氧化为SO
。
3.TiO2既是制备其他含钛化合物的原料,又是一种性能优异的白色颜料。
(1)实验室利用反应TiO2(s)+CCl4(g)
TiCl4(g)+CO2(g),在无水无氧条件下制备TiCl4,实验装置示意图如下:
有关物质性质如下表:
物质
熔点/℃
沸点/℃
其他
CCl4
-23
76
与TiCl4互溶
TiCl4
-25
136
遇潮湿空气产生白雾
仪器A的名称是________。
装置E中的试剂是________。
反应开始前依次进行如下操作:
组装仪器、________、加装药品、通N2一段时间后点燃酒精灯。
反应结束后的操作包括:
①停止通N2 ②熄灭酒精灯 ③冷却至室温。
正确的顺序为________(填序号)。
欲分离D中的液态混合物,所采用操作的名称是________。
(2)工业上由钛铁矿(FeTiO3)(含Fe2O3、SiO2等杂质)制备TiO2的有关反应包括:
酸溶 FeTiO3(s)+2H2SO4(aq)===FeSO4(aq)+TiOSO4(aq)+2H2O(l)
水解 TiOSO4(aq)+2H2O(l)
H2TiO3(s)+H2SO4(aq)
简要工艺流程如下:
①试剂A为________(填化学符号)。
钛液Ⅰ需冷却至70℃左右,若温度过高会导致产品TiO2收率降低,原因是
________________________________________________________________________。
②取少量酸洗后的H2TiO3,加入盐酸并振荡,滴加KSCN溶液后无明显现象,再加H2O2后出现微红色,说明H2TiO3中存在的杂质离子是________。
这种H2TiO3即使用水充分洗涤,煅烧后获得的TiO2也会发黄,发黄的杂质是________(填化学式)。
答案
(1)干燥管 浓硫酸 检验装置气密性 ②③① 分馏(或蒸馏)
(2)①Fe 温度过高会导致TiOSO4提前水解,产生H2TiO3沉淀 ②Fe2+ Fe2O3
解析
(1)制取TiCl4需要在无水无氧的环境中进行,实验中用N2排出装置内的空气,干燥管A中盛有的试剂是为了除去空气中的O2和水蒸气。
E中应盛有浓硫酸,防止空气中的水蒸气进入装置,使TiCl4发生水解,反应前,先组装仪器、检查装置的气密性,再装入药品。
反应后,应先熄灭酒精灯,待装置冷却至室温,再停止通入N2。
D中的液态混合物为生成的TiCl4和挥发出的CCl4,由表中信息可知,二者互溶但沸点相差较大,可采取分馏(或蒸馏)的方法予以分离。
(2)①钛铁矿中含有Fe2O3、SiO2等杂质,用硫酸溶解时,溶液中生成Fe2(SO4)3,则钛液Ⅰ中含有TiOSO4、FeSO4和Fe2(SO4)3,加入试剂A后,结晶、过滤得到的是FeSO4·7H2O,所以试剂A是铁粉,把Fe3+还原为Fe2+;由于TiOSO4容易水解,若温度过高,则会有较多的TiOSO4水解为固体H2TiO3,过滤后混入FeSO4·7H2O中,导致TiO2产率降低。
②先加KSCN溶液无现象,加H2O2后出现红色,说明存在Fe2+;经加热后Fe2+被氧化为Fe2O3而使产品发黄。
热点二 有机物的制备与基本操作的融合
把握三个关键,突破有机物制备实验
1.把握制备过程
2.盘点常用仪器
3.熟悉常考问题
(1)有机物易挥发,因此在反应中通常要采用冷凝回流装置,以减少有机物的挥发,提高原料的利用率和产物的产率。
(2)有机反应通常都是可逆反应,且易发生副反应,因此常使某种价格较低的反应物过量,以提高另一反应物的转化率和产物的产率,同时在实验中需要控制反应条件,以减少副反应的发生。
(3)根据产品与杂质的性质特点选择合适的分离提纯方法,如蒸馏、分液等。
[典例剖析] 醇脱水是合成烯烃的常用方法,实验室合成环己烯的反应和实验装置如下:
可能用到的有关数据如下:
相对分子质量
密度/g·cm-3
沸点/℃
溶解性
环己醇
100
0.9618
161
微溶于水
环己烯
82
0.8102
83
难溶于水
合成反应:
在a中加入20g环己醇和2小片碎瓷片,冷却搅动下慢慢加入1mL浓硫酸。
b中通入冷却水后,开始缓慢加热a,控制馏出物的温度不超过90℃。
分离提纯:
反应粗产物倒入分液漏斗中分别用少量5%碳酸钠溶液和水洗涤,分离后加入无水氯化钙颗粒,静置一段时间后弃去氯化钙。
最终通过蒸馏得到纯净环己烯10g。
回答下列问题:
(1)装置b的名称是________。
(2)加入碎瓷片的作用是_____________________________________________________;
如果加热一段时间后发现忘记加瓷片,应该采取的正确操作是________(填字母,下同)。
A.立即补加B.冷却后补加 C.不需补加 D.重新配料
(3)本实验中最容易产生的副产物的结构简式为____________________________________。
(4)分液漏斗在使用前须清洗干净并________;在本实验分离过程中,产物应该从分液漏斗的________(填“上口倒出”或“下口放出”)。
(5)分离提纯过程中加入无水氯化钙的目的是______________________________。
(6)在环己烯粗产物蒸馏过程中,不可能用到的仪器有________。
A.圆底烧瓶 B.温度计 C.吸滤瓶
D.球形冷凝管 E.接收器
(7)本实验所得到的环己烯产率是________。
A.41%B.50%C.61%D.70%
[审题流程] 有机物制备实验一般包括制备过程和提纯过程。
本题给出了详细的实验过程,可对题干信息解读如下:
制备过程
提纯过程
①醇脱水是合成烯烃的常用方法→制备原理;
②20g环己醇→反应物用量,用于计算;
③碎瓷片→防止暴沸;
④冷却搅拌下,加入浓硫酸→浓硫酸溶解放热;
⑤通入冷却水,产物冷却→产物呈液态,利于分离;
⑥缓慢加热→反应开始;
⑦馏出物的温度不超过90℃→产物环己烯的沸点为83℃,环己醇的沸点为161℃,可分离出环己烯
①粗产物用5%碳酸钠溶液洗涤→除去少量的酸;
②粗产物用水洗→使粗产物中的无机物进入水层;
③分离→得到较纯的环己烯;
④加入无水氯化钙→干燥产品(环己烯);
⑤蒸馏→得到纯净的环己烯(除去环己醇);
⑥10g环己烯→产物量,用于计算
解析
(1)装置b为直形冷凝管,可用于冷凝回流。
(2)加入碎瓷片的作用是防止有机物在加热时发生暴沸。
如果在加热时发现忘记加碎瓷片,这时必须停止加热,待冷却后补加碎瓷片。
(3)醇分子间最容易发生脱水反应生成醚类化合物。
(4)分液漏斗在使用前必须要检漏。
实验生成环己烯的密度比水的要小,所以环己烯应从上口倒出。
(5)加入无水氯化钙的目的:
除去水(作干燥剂)和除去环己醇(因为乙醇可以和氯化钙反应,类比推知,环己醇和氯化钙也可以反应)。
(6)观察题中实验装置图知蒸馏过程中不可能用到吸滤瓶及球形冷凝管。
(7)加入20g环己醇的物质的量为
=0.2mol,理论上生成环己烯的物质的量为0.2mol,环己烯的质量为0.2mol×82g·mol-1=16.4g,实际得到环己烯的质量为10g,则产率为
×100%≈61%。
答案
(1)直形冷凝管
(2)防止暴沸 B
(3)
(4)检漏 上口倒出
(5)干燥(或除水除醇)
(6)CD
(7)C
1.1,2二溴乙烷可作抗爆剂的添加剂。
如图为实验室制备1,2二溴乙烷的装置图,图中分液漏斗和烧瓶a中分别装有浓H2SO4和无水乙醇,d装置试管中装有液溴。
已知:
CH3CH2OH
CH2===CH2↑+H2O
2CH3CH2OH
CH3CH2OCH2CH3+H2O
相关数据列表如下:
乙醇
1,2二
溴乙烷
乙醚
溴
状态
无色液体
无色液体
无色液体
红棕色液体
密度/g·cm-3
0.79
2.18
0.71
3.10
沸点/℃
78.5
131.4
34.6
58.8
熔点/℃
-114.3
9.79
-116.2
-7.2
水溶性
混溶
难溶
微溶
可溶
(1)实验中应迅速将温度升高到170℃左右的原因是______________________________
________________________________________________________________________。
(2)安全瓶b在实验中有多重作用。
其一可以检查实验进行中d装置中导管是否发生堵塞,请写出发生堵塞时瓶b中的现象:
______________________________________________;
如果实验时d装置中导管堵塞,你认为可能的原因是__________________________________
________________________________________________________________________;
安全瓶b还可以起到的作用是__________________________________________________。
(3)容器c、e中都盛有NaOH溶液,c中NaOH溶液的作用是_______________________。
(4)某学生在做此实验时,使用一定量的液溴,当溴全部褪色时,所消耗乙醇和浓硫酸混合液的量,比正确情况下超过许多,如果装置的气密性没有问题,试分析可能的原因:
________________________________________________________________________
_________________________________________________________(写出两条即可)。
(5)除去产物中少量未反应的Br2后,还含有的主要杂质为________,要进一步提纯,下列操作中必需的是______________________________________________________
(填字母)。
A.重结晶B.过滤C.萃取D.蒸馏
(6)实验中也可以撤去d装置中盛冰水的烧杯,改为将冷水直接加入到d装置的试管中,则此时冷水除了能起到冷却1,2二溴乙烷的作用外,还可以起到的作用是
________________________________________________________________________。
[解题导引] 结合实验原理分析可能发生的副反应―→分析1,2二溴乙烷的性质―→挖掘已知表格中的信息
答案
(1)减少副产物乙醚生成
(2)b中长直玻璃管内液柱上升 过度冷却,产品1,2二溴乙烷在装置d中凝固 防止倒吸
(3)吸收乙烯气体中含有的CO2、SO2等酸性气体
(4)①浓硫酸将部分乙醇氧化;②发生副反应生成乙醚;③乙醇挥发;④乙烯流速过快,未完全发生加成反应(写出两条即可)
(5)乙醚 D
(6)液封Br2及1,2二溴乙烷
解析
(1)该实验需用乙烯作反应物,而当温度为140℃时乙醇在浓硫酸作用下会生成副产物乙醚,所以应迅速将温度升高到170℃。
(2)当d装置中导管发生堵塞时,气体流动不畅,安全瓶b中压强增大,导致安全瓶b中长直玻璃管内液柱上升。
由于1,2二溴乙烷的熔点为9.79℃,如果d装置烧杯中冰水温度过低,1,2二溴乙烷凝固,d装置导管中发生堵塞。
因此安全瓶b还可以起到防倒吸的作用。
(3)浓硫酸与乙醇能发生氧化还原反应,因而有SO2、CO2等酸性气体生成,容器c内NaOH溶液可将其除去。
(4)实验时所消耗乙醇和浓硫酸混合液的量比正常情况下多,可从浓硫酸与部分乙醇发生氧化还原反应、乙烯气流过快难以被液溴全部吸收、加热温度控制不当造成部分乙醇挥发、发生其他副反应等方面分析。
(5)除去产物中少量未反应的Br2后,还含有的主要杂质是乙醚,根据表中数据知1,2二溴乙烷的沸点与乙醚的沸点相差较大,可用蒸馏的方法进行分离。
(6)直接将冷水加入d装置的试管中,此时冷水会起到液封的作用。
2.某化学小组采用类似制乙酸乙酯的装置用环己醇制备环己烯,装置如图所示。
已知:
。
密度/
g·cm-3
熔点/℃
沸点/℃
溶解性
环己醇
0.96
25
161
能溶于水
环己烯
0.81
-103
83
难溶于水
(1)制备粗品
将12.5mL