（新課改省份專版）2020高考化學(xué)一輪復(fù)習(xí) 4.10 題型研究 以氣體制備為主體的綜合實驗學(xué)案（含解析）.doc

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第10課時　題型研究——以氣體制備為主體的綜合實驗 考點一　常見氣體的制備、凈化和收集 1．氣體的制備裝置 依據(jù)制備氣體所需的反應(yīng)物狀態(tài)和反應(yīng)條件，可將制備氣體的發(fā)生裝置分為三類： (1)固體＋固體氣體 發(fā)生裝置 制備氣體 O2、NH3等 (2)固體＋液體(或液體＋液體)氣體 發(fā)生裝置 制備氣體 Cl2、SO2等 (3)固體＋液體(不加熱)―→氣體 發(fā)生裝置 制備氣體 選擇合適的試劑和裝置能制取中學(xué)化學(xué)中常見的氣體，如NH3(生石灰、濃氨水)、O2(MnO2、雙氧水)、Cl2(KMnO4、濃鹽酸)、NO2(Cu、濃HNO3)、NO(Cu、稀HNO3)、SO2(Na2SO3、較濃硫酸)、H2S(FeS、稀硫酸) 2．氣體的除雜方法 (1)除雜試劑選擇的依據(jù) 主體氣體和雜質(zhì)氣體性質(zhì)上的差異，如溶解性、酸堿性、氧化性、還原性。 (2)除雜原則 ①不損失主體氣體；②不引入新的雜質(zhì)氣體；③在密閉裝置內(nèi)進行；④先除易除的雜質(zhì)氣體。 (3)氣體干燥、凈化裝置 類型 液體干燥劑 固體干燥劑 固體干燥劑 固體，加熱 裝置 常見 干燥劑 濃H2SO4 (酸性、強氧化性) 堿石灰 (堿性) 除雜試劑Cu、CuO、Mg等 當CO2中混有O2雜質(zhì)時，應(yīng)選用上述Ⅰ～Ⅳ中的Ⅳ裝置除O2，除雜試劑是Cu粉。 3．氣體的收集方法 收集 方法 收集氣體 的類型 收集裝置 可收集的氣體 (舉例) 排水法 難溶于水或微溶于水，又不與水反應(yīng)的氣體 O2、H2、NO、CO、C2H4等 排空氣法 向上排空氣法 密度大于空氣且不與空氣中的成分反應(yīng) Cl2、SO2、 NO2、CO2 向下排空氣法 密度小于空氣且不與空氣中的成分反應(yīng) H2、NH3 4．尾氣處理的原因、方法及裝置 (1)原因：有些氣體有毒或有可燃性，任其逸散到空氣中，會污染空氣或者引發(fā)火災(zāi)、爆炸等災(zāi)害。 (2)處理方法：一般根據(jù)氣體的相關(guān)性質(zhì)，使其轉(zhuǎn)化為非氣態(tài)物質(zhì)或無毒物質(zhì)，如酸性有毒氣體用堿溶液吸收，可燃性氣體用點燃等措施。 (3)尾氣處理裝置(見圖a、b、c) ①實驗室制取Cl2時，尾氣的處理可采用b裝置。 ②制取CO時，尾氣處理可采用a、c裝置。 ③制取H2時，尾氣處理可采用a、c裝置。 [典例]　實驗室常用的幾種氣體發(fā)生裝置如圖A、B、C所示： (1)實驗室可以用B或C裝置制取氧氣： ①如果用B裝置，通常使用的試劑是____________________________________； ②如果用C裝置，通常使用的試劑是_____________________________________； ③檢查B裝置氣密性的操作方法是_____________________________________ ________________________________________________________________________。 (2)氣體的性質(zhì)是氣體收集方法選擇的主要依據(jù)。下列性質(zhì)與收集方法無關(guān)的是________(填字母，下同)。 a．密度　　　　　　　　 b．顏色 c．溶解性 d．熱穩(wěn)定性 e．與氧氣反應(yīng) (3)若用A裝置與D裝置相連制取并收集X氣體，則X可能是下列氣體中的________。 a．CO2　　　　　 b．H2　　　　　　c．Cl2 ①寫出A裝置中發(fā)生反應(yīng)的離子方程式： __________________________________ ________________________________________________________________________。 ②D裝置中燒杯中應(yīng)盛放________，目的是____________________________________。 ③若要收集干燥純凈的X氣體，上述裝置應(yīng)如何改進： ________________________________________________________________________。 [解析]　(1)①如果用B裝置，實驗室制取氧氣常用高錳酸鉀或氯酸鉀與二氧化錳在加熱條件下分解制備氧氣；②如果用C裝置，反應(yīng)不需要加熱，則可以用過氧化氫溶液在二氧化錳作催化劑條件下分解制備氧氣；③檢查B裝置氣密性是否良好的操作方法是連接一段導(dǎo)氣管并將其插入水中，用酒精燈微熱(或用手捂住)試管，如果導(dǎo)管口有氣泡產(chǎn)生，松開手或停止加熱，冷卻后，在導(dǎo)管里回升一段水柱，且保持一段時間不下降則說明B裝置氣密性良好。(2)收集氣體的方法的選擇可依據(jù)氣體的密度、溶解性、和是否與氧氣反應(yīng)，如氣體與氧氣反應(yīng)則只能用排水法收集，氣體是否有顏色、氣體熱穩(wěn)定性與收集方法無關(guān)。(3)A與D連接是利用向上排氣法收集氣體；吸收裝置是用液體吸收氣體防止污染空氣；制取CO2時不需要加熱也不必處理尾氣，H2不能用向上排空氣法收集，且尾氣處理時一般采用點燃的方法，故X可能是Cl2。①A裝置中二氧化錳和濃鹽酸加熱反應(yīng)生成氯氣、氯化錳和水。②D裝置中連接燒杯的目的是用來吸收尾氣，防止污染空氣，實驗室一般用NaOH溶液吸收多余的Cl2。③生成的氯氣中含氯化氫氣體和水蒸氣，通過飽和食鹽水除去HCl，通過濃硫酸除去水蒸氣，若要收集干燥純凈的X氣體，裝置應(yīng)在盛有濃硫酸的洗氣瓶前加一個裝有飽和NaCl溶液的洗氣瓶。 [答案]　 (1)①氯酸鉀(或高錳酸鉀)和二氧化錳　②過氧化氫溶液和二氧化錳?、圻B接一段導(dǎo)氣管并將其插入水中，用酒精燈微熱(或用手捂住)試管，如果導(dǎo)管口有氣泡產(chǎn)生，松開手或停止加熱，冷卻后，在導(dǎo)管里回升一段水柱，且保持一段時間不下降則說明B裝置氣密性良好 (2)bd　(3)c ①MnO2＋4H＋＋2Cl－Mn2＋＋Cl2↑＋2H2O ②NaOH溶液　吸收尾氣Cl2，防止污染空氣 ③在盛有濃硫酸的洗氣瓶前加一個裝有飽和NaCl溶液的洗氣瓶 [易錯警示]　有氣體參與的實驗中的注意事項 (1)操作順序問題 與氣體有關(guān)的實驗操作順序： ????? (2)加熱操作要求 ①使用可燃性氣體(如H2、CO、CH4等)，先用原料氣趕走系統(tǒng)內(nèi)的空氣，再點燃酒精燈加熱，以防止爆炸。 ②制備一些易與空氣中的成分發(fā)生反應(yīng)的物質(zhì)(如H2還原CuO的實驗)，反應(yīng)結(jié)束時，應(yīng)先熄滅酒精燈，繼續(xù)通原料氣至試管冷卻。 (3)尾氣處理方法 有毒氣體常采用溶液(或固體)吸收或?qū)⒅c燃的方法，不能直接排放。 (4)特殊實驗裝置 ①制備在空氣中易吸水、潮解以及水解的物質(zhì)(如Al2S3、AlCl3等)，往往在裝置的末端再接一個干燥裝置，以防止空氣中水蒸氣的進入。 ②用液體吸收氣體，若氣體溶解度較大，要加防倒吸裝置。 ③若制備物易被空氣中氧氣氧化，應(yīng)加排空氣裝置。 [綜合訓(xùn)練] 1．實驗室中某些氣體的制取、收集及尾氣處理裝置如圖所示(省略了凈化裝置)。僅用此裝置和表中提供的物質(zhì)完成相關(guān)實驗，最合理的選項是(　　) 選項 a中的物質(zhì) b中的物質(zhì) c中收集 的氣體 d中的物質(zhì) A 濃氨水 CaO NH3 H2O B 濃硫酸 Na2SO3 SO2 NaOH溶液 C 濃硝酸 Cu NO2 H2O D 濃鹽酸 MnO2 Cl2 NaOH溶液 解析：選B　NH3的密度比空氣密度小，應(yīng)該采用向下排空氣法收集，裝置c中的導(dǎo)管應(yīng)改為短進長出，故A錯誤；濃硫酸可以與Na2SO3反應(yīng)生成SO2，SO2氣體的密度比空氣大，能使用向上排空氣法，SO2氣體能與NaOH溶液迅速反應(yīng)，所以吸收裝置中要防倒吸，圖示收集裝置和尾氣吸收裝置都合理，故B正確；銅與濃硝酸反應(yīng)生成產(chǎn)物為NO2，NO2與水反應(yīng)生成HNO3的同時，還有NO有毒氣體，不能用水進行NO2的尾氣吸收，故C錯誤；用MnO2和濃鹽酸制取Cl2時需要加熱，故D錯誤。 2.用如圖所示裝置進行實驗(夾持儀器省略)。將液體A逐滴加入到固體B中，回答下列問題： (1)圖中D裝置在實驗中的作用是______________________ ________________________。 (2)若A為30%H2O2溶液，B為MnO2，C盛有氫硫酸(H2S)飽和溶液，旋開E后，C中的現(xiàn)象為______________，C中發(fā)生反應(yīng)的化學(xué)方程式為___________________________ ________________________________________________________________________。 (3)若A為濃鹽酸，B為KMnO4，C中盛有KI淀粉溶液，旋開E后，C中的現(xiàn)象是________________________________________________________________________； 繼續(xù)通氣體于C中，足夠長的時間后，發(fā)現(xiàn)C中溶液的顏色消失，這是因為在溶液中I2能被Cl2氧化為HIO3，寫出該反應(yīng)的化學(xué)方程式： __________________________________。 (4)若A為濃氨水，B為生石灰，C中盛有AlCl3溶液，旋開E，足夠長的時間后，C中的現(xiàn)象是____________________________________________________________________， C中發(fā)生反應(yīng)的離子方程式為___________________________________________。 解析：(1)如果B中生成的氣體極易溶于C中液體，則D可起到防止倒吸作用。(2)O2和H2S發(fā)生氧化還原反應(yīng)可生成S單質(zhì)。(3)Cl2能置換出碘化鉀中的碘，I2能被Cl2氧化為HIO3，Cl2被還原為HCl，根據(jù)得失電子守恒、原子守恒配平化學(xué)方程式。(4)NH3溶于水生成NH3H2O，與AlCl3反應(yīng)生成Al(OH)3沉淀。 答案：(1)防倒吸 (2)產(chǎn)生淡黃色沉淀　2H2S＋O2===2S↓＋2H2O (3)溶液由無色變成藍色　6H2O＋I2＋5Cl2===2HIO3＋10HCl (4)有白色沉淀生成　Al3＋＋3NH3H2O===Al(OH)3↓＋3NH 考點二　氣體制備裝置的創(chuàng)新連接 1．氣體制備裝置的創(chuàng)新 (1)試管形狀的創(chuàng)新 改進的目的：用于加熱易熔化的固體物質(zhì)的分解，這樣可有效地防止固體熔化時造成液體的倒流，如草酸晶體受熱分解制取CO2氣體。 (2)“固(液)＋液氣體”裝置的創(chuàng)新 圖A的改進優(yōu)點是能控制反應(yīng)液的溫度。 圖B的改進優(yōu)點是使蒸餾燒瓶和分液漏斗中的氣體壓強相等，便于液體順利流下。 (3)“固體＋液體―→氣體”裝置的創(chuàng)新 2．集氣裝置的創(chuàng)新——排液集氣裝置 裝置Ⅰ從a管進氣b管出水可收集難溶于水的氣體，如H2、O2等。若將廣口瓶中的液體更換，還可以收集以下氣體。 飽和食鹽水 收集Cl2 飽和NaHCO3溶液 收集CO2 飽和NaHS溶液 收集H2S 四氯化碳 收集HCl或NH3 裝置Ⅱ儲氣式集氣。氣體從橡膠管進入，可將水由A瓶排入B瓶，在瓶A中收集到氣體。 3．常見氣體制備裝置的連接 (1)Cl2的實驗室制備系統(tǒng) (2)SO2的實驗室制備系統(tǒng) (3)NH3的實驗室制備系統(tǒng) [考法精析] 考法一　氣體制備裝置的創(chuàng)新 [典例1]　利用如圖所示裝置模擬工業(yè)NaClO3與Na2SO3在濃H2SO4存在下制備ClO2，并以ClO2為原料制備NaClO2(已知：高于60 ℃時，NaClO2分解生成NaClO3和NaCl)。 下列說法不正確的是(　　) A．逐滴加入濃硫酸可提高ClO2的利用率 B．裝置④中所得產(chǎn)物中可能含有Na2SO4雜質(zhì) C．從裝置④反應(yīng)后的溶液中獲得晶體，可采用常壓蒸發(fā)結(jié)晶 D．制備NaClO2結(jié)束時，應(yīng)關(guān)閉分液漏斗活塞，打開K1，關(guān)閉K2 [解析]　逐滴加入濃硫酸可以控制生成ClO2的速率，使ClO2與NaOH、H2O2溶液充分反應(yīng)，提高ClO2的利用率，故A正確；裝置②中能生成少量的SO2，SO2與NaOH、H2O2溶液反應(yīng)生成Na2SO4，故B正確；高于60 ℃時，NaClO2分解生成NaClO3和NaCl，若采用常壓蒸發(fā)結(jié)晶，NaClO2易發(fā)生分解反應(yīng)，故C錯誤；制備NaClO2結(jié)束時，應(yīng)關(guān)閉分液漏斗活塞，打開K1，關(guān)閉K2，用①中NaOH溶液吸收尾氣，故D正確。 [答案]　C [歸納總結(jié)]　球形干燥管多種應(yīng)用 (1)干燥管可作干燥、吸收及檢驗裝置 ①干燥管內(nèi)盛無水硫酸銅時，可用于檢驗水蒸氣。 ②干燥管內(nèi)盛堿石灰可吸收HCl、Cl2、SO2等有毒氣體。 ③可用于定量測定氣體的質(zhì)量，定量測定時，有時需要考慮空氣中的成分對測定的影響，所以吸收氣體的裝置后還要另接一個干燥管，目的是防止空氣中的水蒸氣、二氧化碳等對定量測定產(chǎn)生干擾。 (2)球形干燥管用途的創(chuàng)新 創(chuàng)新裝置 使用說明 裝置為尾氣吸收裝置，原理類似于倒置在水中的漏斗 裝置為簡易的過濾器，可凈化天然水。如果去掉上邊兩層，可用于活性炭對液體中色素的吸附實驗 裝置為一簡易的啟普發(fā)生器，可用于H2、CO2的制取，也可用于銅與硝酸的反應(yīng) 考法二　與氣體制備有關(guān)的裝置連接 [典例2]　根據(jù)實驗?zāi)康脑O(shè)計如下裝置的連接中，正確的是(　　) A．制備收集C2H4：連接a→c→g B．制備收集NO：連接b→c→e→d C．制備收集NH3：連接b→d→e→c D．制備收集Cl2：連接a→f→c→e→d [解析]　制備C2H4沒有控制溫度的溫度計，A錯誤；NO與O2反應(yīng)，不能用排空氣法收集，B錯誤；濃硫酸吸收多余的NH3，易產(chǎn)生倒吸，C錯誤；飽和食鹽水除去HCl氣體，濃硫酸吸收水蒸氣，堿石灰吸收多余的Cl2，D正確。 [答案]　D [備考方略]　按氣體流向連接裝置的基本思路 [綜合訓(xùn)練] 1．下列實驗方案最合理的是(　　) 解析：選B　A項，Cl2的密度比空氣大，收集時應(yīng)用向上排空氣法；B項，濃氨水滴入CaO中，CaO與水反應(yīng)放熱，NH3H2O受熱分解并揮發(fā)出NH3，可以制取NH3；C項，NO2能與水反應(yīng)，不能用排水法收集；D項，Na2O2為粉末狀固體，不能用啟普發(fā)生器的簡易裝置制取氧氣。 2．二氧化氯(ClO2)是極易溶于水且不與水發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的黃綠色氣體，沸點為11 ℃，可用于處理含硫廢水?；卮鹣铝袉栴}： ClO2的制備： 已知：SO2＋2NaClO3＋H2SO4===2ClO2＋2NaHSO4。 (1)裝置A中反應(yīng)的化學(xué)方程式為_______________________________________ ________________________________________________________________________。 (2)欲收集ClO2，選擇圖中的裝置，其連接順序為 a→________(按氣流方向，用小寫字母表示)。 (3)裝置D的作用是____________________________________________________。 解析：(1)裝置A中Cu與濃硫酸反應(yīng)制備二氧化硫，化學(xué)方程式為Cu＋2H2SO4(濃)CuSO4＋SO2↑＋2H2O。(2)二氧化硫從a進入裝置B中反應(yīng)，為防止倒吸，故應(yīng)在之前有安全瓶，則a→g→h，為反應(yīng)充分，故再連接B裝置中的b，二氧化氯沸點較低，故在D中冰水浴收集，為充分冷卻，便于收集，故連接e，最后用NaOH溶液吸收未反應(yīng)完的二氧化硫，防止污染空氣，連接順序為：a→g→h→b→c→e→f→d。(3)裝置D的作用為冷凝并收集ClO2。 答案：(1)Cu＋2H2SO4(濃)CuSO4＋SO2↑＋2H2O (2)g→h→b→c→e→f→d (3)冷凝并收集ClO2 3．PCl3有毒，在潮濕的空氣中可發(fā)生水解反應(yīng)產(chǎn)生大量的白霧。它在實驗室和工業(yè)上都有重要的應(yīng)用。在實驗室中制取PCl3，在D中放入足量白磷，將Cl2迅速而且不間斷地通入D中，氯氣與白磷會發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生火焰。 三氯化磷和五氯化磷的物理常數(shù)如下： 物質(zhì) 熔點 沸點 三氯化磷 －112 ℃ 76 ℃ 五氯化磷 140 ℃ 200 ℃分解 注：常溫下五氯化磷不溶于三氯化磷。 (1)寫出A中發(fā)生反應(yīng)的化學(xué)方程式： _____________________________________ ________________________________________________________________________。 (2)反應(yīng)開始前需要檢查裝置氣密性，檢查方法為__________________________ ________________________________________________________________________。 (3)氯氣和白磷反應(yīng)放出大量的熱，為使儀器D不致因局部過熱而炸裂，實驗開始前應(yīng)在D的底部放少量__________________________________________________________。 (4)在燒杯E中加入冰鹽水，其作用是_______________________________________。 (5)白磷與氯氣反應(yīng)產(chǎn)物中可能含有一定量的PCl5，從中分離出三氯化磷的方法是________。經(jīng)過一段時間反應(yīng)發(fā)現(xiàn)B中豎直導(dǎo)管液面上升，可能的原因是_________________ ______________________________________________________________________________。 (6)裝置F的作用是_____________________________________________________。 解析：(1)A中制備氯氣，發(fā)生反應(yīng)的化學(xué)方程式為2KMnO4＋16HCl(濃)===2KCl＋2MnCl2＋5Cl2↑＋8H2O。(3)氯氣和白磷反應(yīng)放出大量的熱，為使儀器D不致因局部過熱而炸裂，實驗開始前應(yīng)在D的底部放少量干沙。(4)根據(jù)表中數(shù)據(jù)可知三氯化磷的熔、沸點較低，所以在燒杯E中加入冰鹽水的作用是使三氯化磷蒸氣充分冷凝。(5)由于常溫下五氯化磷不溶于三氯化磷，且常溫下五氯化磷是固體，所以從中分離出三氯化磷的方法是過濾。經(jīng)過一段時間反應(yīng)發(fā)現(xiàn)B中豎直導(dǎo)管液面上升，說明壓強增大，因此可能的原因是產(chǎn)生的PCl5在導(dǎo)管中冷卻成固體，堵塞導(dǎo)管。(6)由于氯氣有毒，PCl3在潮濕的空氣中可發(fā)生水解反應(yīng)產(chǎn)生大量的白霧，所以裝置F的作用是防止空氣中水蒸氣的進入，同時吸收過量的氯氣。 答案：(1)2KMnO4＋16HCl(濃)===2KCl＋2MnCl2＋5Cl2↑＋8H2O (2)關(guān)閉兩個活塞，微熱燒瓶，觀察B中導(dǎo)管液面上升，則氣密性良好 (3)干沙 (4)使三氯化磷蒸氣充分冷凝 (5)過濾　產(chǎn)生的PCl5在導(dǎo)管中冷卻成固體，堵塞導(dǎo)管 (6)防止空氣中水蒸氣的進入；吸收過量的氯氣