高考化学专题讲座2 常见气体的实验室制法及其性质探究.docx
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高考化学专题讲座2常见气体的实验室制法及其性质探究
(二) 常见气体的实验室制法及其性质探究
(对应学生用书第78页)
[整合归纳]
1.气体制备及其性质探究的基本思路
2.常见气体的发生装置
反应装置类型
反应装置图
适用气体
操作注意事项
固、固加热型
O2、NH3等
①试管要干燥;
②试管口略低于试管底;
③加热时先均匀加热再固定加强热
固、液加热型或液、液加热型
Cl2、HCl等
①烧瓶加热时要隔石棉网;
②反应物均为液体时,烧瓶内要加碎瓷片(或沸石)
固、液不加热型或液、液不加热型
H2、CO2、SO2、NO、NO2等
①使用长颈漏斗时,要使漏斗下端插入液面以下;
②启普发生器只适用于块状固体和液体反应,且气体不溶于水;
③使用分液漏斗既可以增强气密性,又可控制液体流速
3.常见气体的除杂装置
(1)除杂试剂选择的依据:
主体气体和杂质气体性质上的差异,如溶解性、酸碱性、氧化性、还原性。
除杂原则:
①不损失主体气体;②不引入新的杂质气体;③在密闭装置内进行;④先除易除的杂质气体。
(2)气体干燥净化装置
提醒:
气体除杂的注意事项
(1)需净化的气体中含有多种杂质时,除杂顺序:
一般先除去酸性气体,如氯化氢气体、CO2、SO2等,水蒸气要在最后除去;
(2)除杂选用方法时要保证杂质完全除掉,如除CO2最好用NaOH不用Ca(OH)2溶液。
有时候为了保证气体除尽,还要验证一步,如验证混合气体中既有CO2,又有SO2,通常用品红溶液检验SO2,然后用溴水或酸性KMnO4溶液除去SO2,再用品红溶液检验是否除尽,最后用澄清石灰水检验CO2。
4.常见气体的收集方法
(1)排水法:
收集难溶于水的气体,如O2、H2、N2、NO、CO、C2H4等。
(2)排液法:
收集难溶于所选溶液的气体,如Cl2用排饱和食盐水法收集。
(3)向上排空气法:
收集气体密度比空气的大且相差较大的气体,如Cl2、CO2、NO2等。
(4)向下排空气法:
收集气体密度比空气的小的气体,如CH4、H2、NH3等。
提醒:
(1)排液集气收集装置的创新
装置(Ⅰ)从a管进气b管出水可收集难溶于水的气体,如H2、O2等。
若将广口瓶中的液体更换,还可以收集以下气体。
①饱和食盐水——收集Cl2。
②饱和NaHCO3溶液——收集CO2。
③饱和NaHS溶液——收集H2S。
④四氯化碳——收集HCl或NH3。
装置(Ⅱ)储气式集气。
气体从橡胶管进入,可将水由A瓶排入B瓶,在A瓶中收集到气体。
(2)排空法收集的连接
5.尾气处理分析
对有毒、有害的气体必须用适当的方法予以吸收或点燃变为无毒、无害的气体,再排放到空气中。
(1)用水吸收的是:
NH3、HCl(注意防倒吸)。
(2)用烧碱溶液吸收的是:
Cl2、HCl、H2S、SO2、NO2。
(3)用硫酸铜溶液或醋酸铅溶液吸收的是:
H2S。
(4)用点燃法除去的是:
CO、H2、CH4。
(5)用收集法除去的是:
NO。
提醒:
溶液或水吸收尾气时防倒吸装置
[试题分类探究]
常见仪器的连接顺序
[典例导航]
(2018·专家原创)某化学小组在实验室制备CO,用制备的CO还原氧化铜,并检验反应产物。
可能用到的装置如图所示。
查阅资料:
实验室制备CO的原理:
HCOOH
CO↑+H2O,反应过程可能有SO2、CO2生成。
请回答下列问题:
(1)为了达到实验目的,装置接口的连接顺序是______;E装置内加入的试剂为________。
(2)甲同学提出从环保角度考虑,装置不完善,改进措施为________________;乙同学认为A装置可能发生副反应生成CO2、SO2等酸性气体,理由可能是______________________________________________
___________________________________________________________(用化学方程式表示)。
[思路点拨] ①各仪器的作用:
A生成CO,B验证CO还原性,C检验CO的氧化产物CO2,D安全瓶,E吸收杂质气体(如SO2、CO2、H2O)。
②制取CO时可生成杂质气体SO2、CO2、H2O。
③验证CO还原CuO应用干燥纯净的CO,在进入B装置前应除去SO2、CO2、H2O(g)等。
④吸收SO2、CO2、H2O(g)可以用碱石灰固体干燥剂。
解析:
(1)用甲酸与浓硫酸共热制取CO,制取的CO中可能含有挥发出来的HCOOH与水蒸气,需要除去杂质后才能用于还原氧化铜,可用碱石灰除去杂质气体,则E装置应连接在A、B装置之间,C装置可用于检验氧化产物CO2,D装置为安全瓶,则接口连接顺序为a→h→i→b→c(或c→b)→f→g(或g→f)→d→e,E装置中加入的试剂为碱石灰(或生石灰、烧碱)。
(2)尾气中含有有毒的CO,排放到空气中会污染环境,题图中缺少一个尾气处理装置,可用燃烧法或用气球收集等方法处理尾气;甲酸与浓硫酸在加热条件下可能生成CO2、SO2和H2O。
答案:
(1)a→h→i→b→c→f→g→d→e(b与c、f与g可互换) 碱石灰(或生石灰、烧碱)
(2)在最后导管口处放置一个点燃的酒精灯(或用气球收集尾气,其他合理方案均可) HCOOH+H2SO4(浓)CO2↑+SO2↑+2H2O
(1)制CO反应过程中有SO2生成,体现浓硫酸的______性。
(2)D装置的作用是________。
(3)该实验证明CO还原性的现象是________________________________。
答案:
(1)强氧化
(2)安全瓶,防倒吸 (3)B中黑色物质变红,C中溶液变浑浊
―→
―→
―→
―→
说明:
(1)注意两处的防倒吸问题,一是气体发生和气体的除杂之间,二是气体收集或性质验证与尾气处理之间,为了防倒吸,常加一安全瓶。
(2)防堵塞安全装置
(3)防污染安全装置
[对点训练]
1.氢化钙是重要的生氢剂,遇水或酸能够引起燃烧。
利用下列装置制备CaH2固体(提供的实验仪器不得重复使用),下列说法正确的是( )
① ② ③ ④
A.装置①在加入试剂前无需检查气密性
B.各个装置仪器接口的连接顺序为a→c→b→f→g→d→e
C.加热装置④之前必须检查气体的纯度
D.装置③的主要作用是防止空气中的CO2、H2O(g)进入装置④中
C [装置①为启普发生器,加入试剂之前必须检查装置的气密性,A错误;装置①中产生的氢气会混有HCl、H2O(g),通过装置③可以除去这两种杂质,所以仪器接口的连接顺序为a→d→e→f→g(或g→f)→b→c,B错误;在加热前需通入氢气排尽装置④硬质玻璃管中的空气,通过检查氢气的纯度确定是否将空气排尽,C正确;装置③的作用是除去氢气中混有的HCl、H2O(g),D错误。
]
2.(2019·长郡中学模拟)实验室制备卤砂(NH4Cl)所需的装置如图所示,装置可重复选用。
A B C D
(1)装置接口连接顺序是________→a;b←________。
(2)C装置的作用是________,D装置盛装的物质是________。
(3)写出用上述装置制备氨气的一组试剂:
___________________________________________________________。
解析:
(1)结合实验目的及题给装置可知,从a、b接口分别向锥形瓶中通入HCl和NH3,可用B装置制备HCl,经D装置干燥后通入a,装置接口连接顺序为c→f→g→a;也可用B装置制备NH3,经C装置干燥后通入b,装置接口连接顺序为c→d→e→b。
(2)C装置用于干燥NH3,D装置用于干燥HCl,盛装的物质是浓硫酸。
(3)用B装置制备NH3可选用浓氨水和碱石灰。
答案:
(1)c→f→g e←d←c
(2)干燥氨气 浓硫酸
(3)浓氨水和碱石灰(或其他合理答案)
以气体性质验证和物质制备为目的的综合实验探究
[典例导航]
(2019·黄冈调研)氮化镓(GaN)被称为第三代半导体材料,其应用已经取得了突破性的进展。
已知:
(ⅰ)氮化镓性质稳定,不与水、酸反应,只在加热时溶于浓碱。
(ⅱ)NiCl2溶液在加热时,先转化为Ni(OH)2,后分解为NiO。
(ⅲ)制备氮化镓的反应为2Ga+2NH3
2GaN+3H2。
某学校化学兴趣小组实验制备氮化镓,设计实验装置如图所示:
设计实验步骤如下:
①滴加几滴NiCl2溶液润湿金属镓粉末,置于反应器内。
②先通入一段时间的H2,再加热。
③停止通氢气,改通入氨气,继续加热一段时间。
④停止加热,继续通入氨气,直至冷却。
⑤将反应器内的固体转移到盛有盐酸的烧杯中,充分反应后过滤、洗涤、干燥。
(1)仪器X中的试剂是______,仪器Y的名称是______。
(2)该套装置中存在一处明显的错误是____________________________
___________________________________________________________。
(3)步骤①中选择NiCl2溶液不选择氧化镍的原因是________。
a.增大接触面积,加快化学反应速率
b.使镍能均匀附着在镓粉的表面,提高催化效率
c.能更好地形成原电池,加快反应速率
(4)请写出步骤⑤中检验产品氮化镓固体洗涤干净的操作___________________________________________________________
___________________________________________________________。
(5)镓元素与铝元素同族,其性质与铝类似,请写出氮化镓溶于热NaOH溶液的离子方程式:
______________________________________________
__________________________________________________________。
[思路点拨] ①部分装置作用:
A装置产生H2排空气,C装置产生NH3与Ga反应,B、Y装置除杂,E装置为反应器,F装置吸收尾气NH3。
解析:
(1)实验前先通入一段时间H2可排出装置中的空气,故A装置用来制备H2,停止通入H2后改通NH3,则装置C用来制备NH3,故仪器X中的试剂应为浓氨水。
仪器Y为球形干燥管,可装碱石灰,目的是干燥NH3。
(2)直接将过量的NH3通入装置F中的稀硫酸中,NH3极易溶于稀硫酸,会引起倒吸。
(3)步骤①中选择NiCl2溶液而不选择氧化镍,一方面因为能增大接触面积,从而加快反应速率;另一方面可使镍能均匀地附着在镓粉表面,提高催化效率。
(4)制备的氮化镓固体表面会含有杂质Cl-,故检验产品氮化镓固体洗涤干净的操作为:
取最后一次洗涤液于试管中,滴加AgNO3溶液,若无白色沉淀,则证明产品氮化镓固体已洗涤干净。
(5)根据Ga与Al性质相似,类比可知,GaN与热NaOH溶液反应的离子方程式为GaN+OH-+H2OGaO
+NH3↑。
答案:
(1)浓氨水 球形干燥管
(2)装置F中的溶液会发生倒吸
(3)ab
(4)取最后一次洗涤液于试管中,滴加AgNO3溶液,若无白色沉淀,则证明产品氮化镓固体已洗涤干净
(5)GaN+OH-+H2OGaO
+NH3↑
(1)A、C装置中连接分液漏斗上口的橡胶管作用是:
_______________
___________________________________________________________。
(2)若C中固体为CaO,则C中反应方程式为___________________________
___________________________________________________________。
(3)Y中试剂为________。
答案:
(1)保证上下压强相同,便于液体顺利流下
(2)CaO+2NH3·H2O===2NH3↑+Ca(OH)2
(3)碱石灰(或CaO或NaOH)
(1)爆炸:
可燃性气体的点燃、不纯气体受热、气体导管堵塞导致。
(2)炸裂:
玻璃仪器的骤冷骤热、受热不均等导致。
(3)倒吸:
气体在用液体吸收或与液态试剂反应时,由于极易溶解或反应导致。
(4)堵塞:
生成的蒸气易凝结、生成气体的同时产生粉尘等导致。
(5)空气污染:
生成的气体有毒、缺少尾气处理措施或措施不当导致。
(6)若制备物质易水解,要注意防止外界空气进入。
(7)实验开始时先检查装置气密性,再加药品,后点燃酒精灯。
[对点训练]
3.(2017·全国卷Ⅰ,T10)实验室用H2还原WO3制备金属W的装置如图所示(Zn粒中往往含有硫等杂质,焦性没食子酸溶液用于吸收少量氧气)。
下列说法正确的是( )
A.①、②、③中依次盛装KMnO4溶液、浓硫酸、焦性没食子酸溶液
B.管式炉加热前,用试管在④处收集气体并点燃,通过声音判断气体纯度
C.结束反应时,先关闭活塞K,再停止加热
D.装置Q(启普发生器)也可用于二氧化锰与浓盐酸反应制备氯气
B [A项,若③中为焦性没食子酸溶液,则进入④中的气体还会有水蒸气,错误;B项,若在④处收集气体点燃,发出“噗”声,则证明制取的氢气较纯,可以加热管式炉,正确;C项,为了防止生成的W被氧化,反应结束时应先停止加热,待管式炉冷却后再关闭活塞K,错误;D项,二氧化锰与浓盐酸反应制取氯气需要加热,而启普发生器不能加热,错误。
]
4.(2018·专家原创)磺酰氯(SO2Cl2)是一种重要的有机合成试剂,实验室可利用SO2与Cl2在活性炭作用下反应制取少量的SO2Cl2,装置如图所示(部分夹持装置省略)。
已知SO2Cl2的熔点为-54.1℃,沸点为69.1℃,遇水能发生剧烈的水解反应,并产生白雾。
(1)SO2Cl2中S元素的化合价为________。
(2)仪器B的名称为________,由仪器B的使用可知SO2与Cl2反应的ΔH________0(填“>”或“<”),仪器C的作用是___________________________________________________________。
(3)试剂X、Y的组合最好是________。
a.18.4mol·L-1H2SO4溶液+Cu
b.4mol·L-1HNO3溶液+Na2SO3
c.75%H2SO4溶液+K2SO3
(4)本实验中制取Cl2的离子方程式为____________________________
___________________________________________________________。
(5)反应结束后,将丙中产物分离的实验操作是________。
(6)分离产物后,向获得的SO2Cl2中加入足量NaOH溶液,振荡、静置得到无色溶液w。
①写出该反应的离子方程式:
__________________________________。
②检验溶液w中存在SO
的方法是_____________________________
___________________________________________________________。
(7)若反应中消耗的氯气的体积为896mL(已转化为标准状况,SO2足量),最后得到纯净的磺酰氯3.3g,则磺酰氯的产率为________(保留三位有效数字)。
解析:
(1)根据化合物中各元素化合价的代数和为0,可判断出S的化合价为+6,注意书写规范,“+”不能省略。
(2)球形冷凝管B起冷凝回流作用,故可推出丙中SO2与Cl2的反应为放热反应,ΔH<0,仪器C为盛有碱石灰的干燥管,其作用一是可吸收未反应完的污染性气体SO2与Cl2,二是可避免空气中的水蒸气进入丙装置引起SO2Cl2的水解。
(3)由题图可知,甲为SO2的发生装置。
a项,Cu与浓硫酸反应制取SO2需要加热;b项,HNO3与Na2SO3会发生氧化还原反应;c项,涉及的反应为H2SO4+K2SO3===K2SO4+SO2↑+H2O,故本题选c。
(4)本实验制取Cl2的离子方程式为MnO2+4H++2Cl-Mn2++Cl2↑+2H2O。
(6)①根据信息SO2Cl2遇水剧烈水解并产生白雾可推知SO2Cl2+2H2O===H2SO4+2HCl,进而可推出SO2Cl2与NaOH溶液反应的化学方程式为SO2Cl2+4NaOH===Na2SO4+2NaCl+2H2O。
②由题可知,溶液中可直接加入BaCl2溶液检验。
(7)n(Cl2)=0.04mol,根据化学方程式SO2+Cl2===SO2Cl2可计算出理论上生成m(SO2Cl2)=135g·mol-1×0.04mol=5.4g,则磺酰氯的产率为
×100%≈61.1%。
答案:
(1)+6
(2)球形冷凝管 < 吸收尾气Cl2、SO2,防止污染环境,同时防止空气中的水蒸气进入反应体系,引起磺酰氯水解
(3)c
(4)MnO2+4H++2Cl-Mn2++Cl2↑+2H2O
(5)蒸馏
(6)①SO2Cl2+4OH-===SO
+2Cl-+2H2O ②取少量w溶液于试管中,加入BaCl2溶液,有白色沉淀生成,则溶液w中存在SO
(7)61.1%