高中化学物质制备型综合实验.docx

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高中化学物质制备型综合实验

物质制备型综合实验

1．（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室制备氮化镓，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）该套装置中存在的一处明显的错误是___________________________________。

（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．为了能更好形成原电池，加快反应速率

（4）步骤③中制备氮化镓，则判断该反应接近完成时，观察到的现象是________________________________________________________________________。

（5）请写出步骤⑤中检验产品氮化镓固体洗涤干净的操作：

________________________________________________________________________。

（6）镓元素与铝同族，其性质与铝类似，请写出氮化镓溶于热的浓NaOH溶液的离子方程式：

________________________________________________________________________。

解析：

（1）根据题中信息可知，装置A制取氢气，装置C制取氨气，液体与固体作用且不需要加热的条件下制氨气，则仪器X中的试剂是浓氨水。

（2）过量的氨气进入装置F与稀硫酸反应，则装置F中会产生倒吸。

（3）NiCl2溶液在加热时，先转化为Ni（OH）2，后分解为NiO，可增大接触面积，加快Ga与NiO制取催化剂Ni的化学反应速率；生成的镍能均匀附着在镓粉的表面，提高催化效率。

（4）步骤③中制备氮化镓，发生的反应为2Ga＋2NH3

2GaN＋3H2，过量的氨气被硫酸迅速吸收，氢气不溶于水，会产生气泡，故反应接近完成时，可观察到装置F中几乎不再产生气泡。

（6）可以理解成GaN与水反应生成Ga（OH）3和NH3，虽然很难，但在热的浓NaOH溶液的环境下，NaOH与Ga（OH）3反应生成GaO

，促进了反应的进行。

答案：

（1）浓氨水　球形干燥管

（2）装置F中会产生倒吸

（3）ab

（4）装置F中几乎不再产生气泡

（5）取最后一次的洗涤液于试管中，滴加AgNO3溶液，若无白色沉淀产生，则证明产品氮化镓固体已洗涤干净

（6）GaN＋OH－＋H2O

GaO

＋NH3↑

2．己二酸是一种重要的有机二元酸，能够发生成盐反应、酯化反应、酰胺化反应等，并能与二元胺或二元醇缩聚成高分子聚合物等，是合成尼龙66的原料，工业上环己醇用硝酸氧化可得到己二酸，是典型的氧化还原反应。

相关物理常数：

名称

相对

分子

质量

密度

（20℃）

（g·cm－3）

熔点

（℃）

沸点

（℃）

溶解度

S（g/100g溶剂）

水

乙醇

乙醚

环己醇

100

0.96

25.2

161

可溶

易溶

己二酸

146

1.36

151

265

可溶（S随温度降低而减小）

易溶

微溶

Ⅰ.己二酸粗产品的制备

操作步骤：

装置C中加入50mL中等浓度的硝酸（过量），投入沸石，并逐一安装装置A、装置B和温度计，磁力搅拌，将溶液混合均匀，并加热到80℃。

用装置A滴加2滴环己醇，反应立即开始，温度随即上升到85～90℃，从装置A中小心地逐滴加入环己醇，将混合物在85～90℃下加热2～3分钟，共加入1.000g环己醇。

请回答下列问题：

（1）反应需维持温度在85～90℃，最好采取________控温；试分析维持温度在85～90℃的原因：

________________________________________________________________________

________________________________________________________________________。

（2）装置右侧烧杯中的NaOH溶液的作用是：

________________________________________________________________________

________________________________________________________________________。

Ⅱ.己二酸粗产品的提纯及应用

操作流程：

趁热倒出装置C中的产品，在冷水中降温冷却，析出的晶体在布氏漏斗上进行抽滤，将晶体进行重结晶，再分别用3mL冰水和乙醚洗涤己二酸晶体，继续抽滤，晶体再用3mL冰水洗涤一次，再抽滤。

取出产品，干燥后称重，得干燥的己二酸0.860g。

请回答下列问题：

（3）相比于普通过滤，抽滤的优点在于______________________________________

________________________________________________________________________。

（4）在抽滤过程中，用冰水洗涤析出的己二酸晶体的原因：

_________________________________________________。

（5）该实验的产率为________%（结果保留3位有效数字）。

（6）工业上用己二酸与乙二醇反应形成链状高分子化合物，写出化学方程式：

________________________________________________________________________。

解析：

（1）反应需维持温度在85～90℃，低于100℃，最好采取水浴控温。

维持温度在85～90℃的原因：

维持反应速率（或温度过低反应速率慢），减少HNO3的分解和挥发（或温度过高HNO3分解和挥发），减少副反应的发生。

（2）在反应中环己醇被氧化，HNO3被还原成氮氧化物，右侧烧杯中的NaOH溶液的作用是吸收HNO3被还原生成的氮氧化物，防止污染大气。

（3）相比于普通过滤，抽滤的优点在于：

减小压强加快过滤速率，减少过滤过程中产品的变质，得到较干燥的产品。

（4）己二酸中混有环己醇和HNO3，环己醇易溶于乙醚，己二酸微溶于乙醚，抽滤时用乙醚洗涤除去环己醇。

HNO3易溶于水，己二酸在水中的溶解度随温度降低而减小，用冰水洗涤析出的己二酸晶体的原因：

除去残留的HNO3，减少己二酸的损失。

（5）n（环己醇）＝1.000g÷100g·mol－1＝0.01mol，理论上生成己二酸物质的量为0.01mol，生成己二酸的质量为0.01mol×146g·mol－1＝1.46g，该实验的产率为

×100%≈58.9%。

（6）己二酸属于二元酸，乙二醇属于二元醇，两者发生缩聚反应形成高分子化合物，反应的化学方程式为

答案：

（1）水浴　维持反应速率，并减少HNO3的挥发及分解，减少副反应的发生

（2）吸收HNO3被还原生成的氮氧化物，防止污染空气

（3）加快过滤速度，减少过滤过程中产品的变质，得到较干燥的产品

（4）除去残留的HNO3，减小己二酸的损失

（5）58.9

3．三氯氧磷（POCl3）是一种重要的化工原料，工业上可以直接氧化PCl3制备POCl3，反应原理为P4（白磷）＋6Cl2===4PCl3,2PCl3＋O2===2POCl3。

PCl3、POCl3的部分性质如下：

物质

熔点/℃

沸点/℃

其他

PCl3

－112

75.5

遇水生成H3PO3和HCl

POCl3

2

105.3

遇水生成H3PO4和HCl

某兴趣小组模拟该工艺设计实验装置如下（某些夹持装置、加热装置已略去）：

（1）仪器a的名称为________________，B装置中长颈漏斗的作用是________________。

（2）装置E用来制取Cl2，反应的离子方程式为________________________________

________________________________________________________________________。

（3）为使实验顺利进行，还需补充的装置为_____________。

（4）反应时，需严格控制三个条件：

①先制取__________，缓慢地通入C中，直至C中的白磷消失后，再通入另一种气体。

②C装置用水浴加热控制温度为60～65℃，除加快反应速率外，另一目的是________________________________________________________________________。

③反应物必须干燥，否则会在C装置中产生大量的白雾，其主要成分为________（写化学式）。

（5）反应结束后通过下面步骤测定POCl3产品中Cl的含量，元素Cl的质量分数为____________（写出计算式）。

Ⅰ.取xg产品于锥形瓶中，加入足量NaOH溶液，POCl3完全反应后加稀硝酸至酸性；

Ⅱ.向锥形瓶中加入0.1000mol·L－1的AgNO3溶液40.00mL，使Cl－完全沉淀；

Ⅲ.再向锥形瓶中加入20mL硝基苯，振荡，使沉淀表面被有机物覆盖；

Ⅳ.然后加入指示剂，用cmol·L－1NH4SCN溶液滴定过量Ag＋至终点，记下所用体积为VmL。

[已知：

Ag3PO4溶于酸，Ksp（AgCl）＝3.2×10－10，

Ksp（AgSCN）＝2×10－12]

解析：

（1）仪器a的名称是冷凝管（或球形冷凝管），装置A中产生氧气，发生反应的化学方程式为2Na2O2＋2H2O===4NaOH＋O2↑（或2H2O2

2H2O＋O2↑）；B装置的作用除观察O2的流速之外，还有平衡气压、干燥O2（或平衡气压和除去水，防止PCl3和POCl3遇水反应引入杂质）。

（2）二氧化锰与浓盐酸加热反应生成氯化锰、氯气和水，反应的离子方程式为4H＋＋

2Cl－＋MnO2

Mn2＋＋Cl2↑＋2H2O。

（3）C装置为氯气和白磷发生反应的装置，反应结束后会有氯气从冷凝管a中溢出，污染空气，需要吸收处理；同时，POCl3和PCl3遇水会发生反应，为使实验顺利进行，需要在a仪器后连接装有碱石灰的干燥管，防止外界中水蒸气进入C装置内。

（4）根据题意可知，要先制备出三氯化磷，然后其被氧化为POCl3，所以先制取氯气，缓慢地通入C中，直至C中的白磷消失后，再通入氧气。

②由于PCl3的沸点是75.5℃，因此控制温度60～65℃，其主要目的是加快反应速率，同时防止PCl3气化。

③POCl3和PCl3遇水会发生反应，均生成氯化氢，遇到水蒸气产生大量的白雾，所以反应物必须干燥。

（5）根据题意可知，NH4SCN的物质的量为0.001cVmol，则与之反应的银离子的物质的量为0.001cVmol，而总的银离子的物质的量为0.004mol，所以与氯离子反应的银离子的物质的量为0.004mol－0.001cVmol，因此氯离子的物质的量为0.004mol－0.001cVmol，则产品中Cl元素的含量为

×100%。

答案：

（1）球形冷凝管　平衡气压

（2）4H＋＋2Cl－＋MnO2

Mn2＋＋Cl2↑＋2H2O

（3）在a仪器后连接装有碱石灰的干燥管

（4）①Cl2　②防止PCl3气化　③HCl

（5）

×100%

4．实验室制备苯甲酸乙酯的反应装置示意图和有关数据如下：

名称

相对分子质量

密度/（g·cm－3）

沸点/℃

水中溶解性

苯甲酸

122

1.266

249

微溶

乙醇

46

0.789

78.3

溶

苯甲酸乙酯

150

1.045

213

难溶

环己烷

84

0.779

80.8

难溶

环己烷、乙醇和水可形成共沸物，其混合物沸点为62.1℃。

合成反应：

向圆底烧瓶中加入6.1g苯甲酸、20mL无水乙醇、25mL环己烷和2片碎瓷片，搅拌后再加入2mL浓硫酸。

按图组装好仪器后，水浴加热回流1.5小时。

分离提纯：

继续水浴加热蒸出多余乙醇和环己烷，经分水器放出。

剩余物质倒入盛有60mL冷水的烧杯中，依次用碳酸钠、无水氯化钙处理后，再蒸馏纯化，收集210～213℃的馏分，得产品5.0g。

回答下列问题：

（1）仪器A的名称为________，冷却水应从________（填“a”或“b”）口流出。

（2）加入环己烷的目的为__________________________________________________。

（3）合成反应中，分水器中会出现分层现象，且下层液体逐渐增多，当下层液体高度距分水器支管约2cm时开启活塞放出少量下层液体。

该操作的目的为________________________________________________________________________

________________________________________________________________________。

（4）实验中加入碳酸钠的目的为____________________________________________；

经碳酸钠处理后，若粗产品与水分层不清，可采取的措施为

________________________________________________________________________。

（5）在该实验中，圆底烧瓶的容积最适合的是__________（填字母）。

A．50mL　　　　　　　　B．100mL

C．200mLD．300mL

（6）本实验的产率为____________________。

解析：

（2）根据题给信息“环己烷、乙醇和水可形成共沸物，其混合物沸点为62.1℃”可知环己烷在合成反应中的作用为在较低温度下带出生成的水，促进酯化反应向右进行，提高产率。

（3）分水器中上层是油状物，下层是水，当油层液面高于支管口时，油层会沿着支管流回烧瓶，达到了使反应物冷凝回流，提高产率的目的。

因此当下层液体高度距分水器支管约2cm时，应开启活塞，放出下层的水，避免水层升高流入烧瓶。

（4）合成反应结束后，圆底烧瓶中主要含有苯甲酸乙酯（产物）、苯甲酸（未反应完）、硫酸（催化剂）、乙醇、环己烷，水浴加热除去乙醇和环己烷，剩余的物质主要为苯甲酸乙酯、苯甲酸、硫酸。

加入碳酸钠溶液可中和苯甲酸、硫酸，生成易溶于水的盐，溶液分层；经碳酸钠溶液处理后，若粗产品与水分层不清，可加入食盐，进一步降低酯的溶解，该操作为盐析；然后用分液漏斗分出有机层，加入无水氯化钙吸收部分的水，再进行蒸馏，接收210～213℃的馏分。

（5）由题表中的数据可计算出苯甲酸的体积约为5mL，则圆底烧瓶中溶液的体积约为5mL＋20mL＋25mL＋2mL＝52mL，而圆底烧瓶中所能盛放的溶液的体积应不超过圆底烧瓶的2/3，故应选择容积为100mL的圆底烧瓶。

（6）m（乙醇）＝（0.789×20）g＝15.78g，设苯甲酸乙酯的理论产量为x，则

122g　　46g　　　　　150g

6．1g　　15.78g（过量）　　　x

解得x＝7.5g，则产率＝

×100%＝

×100%≈66.7%。

答案：

（1）球形冷凝管　b

（2）在较低温度下除去产物水，提高产率

（3）确保乙醇和环己烷及时返回反应体系而下层水不会回流到体系中

（4）中和苯甲酸和硫酸　加氯化钠进行盐析

（5）B

（6）66.7%

5．一氯化碘（沸点97.4℃）是一种红棕色易挥发的液体，不溶于水，溶于乙醇和乙酸。

某校研究性学习小组的同学拟制备一氯化碘。

回答下列问题：

（1）甲组同学拟利用干燥、纯净的氯气与碘反应制备一氯化碘，其装置如下：

（已知碘与氯气的反应为放热反应）

①各装置连接顺序为A→______________；A装置中发生反应的离子方程式为________________________________________________________________________。

②B装置烧瓶需放在冷水中，其目的是________________，D装置的作用是________________________________________________________________________。

③将B装置得到的液态产物进一步提纯可得到较纯净的ICl，则提纯采取的操作方法是________________。

（2）乙组同学采用的一种制一氯化碘的方法为：

在三颈烧瓶中加入粗碘和盐酸，控制温度约50℃，在不断搅拌下逐滴加入氯酸钠溶液，生成一氯化碘。

则发生反应的化学方程式为________________________________________________________________________。

（3）设计实验证明：

①ICl的氧化性比I2强：

_________________________________________________

________________________________________________________________________。

②ICl与乙烯作用发生加成反应：

__________________________________________

________________________________________________________________________。

解析：

（1）A装置用于制备Cl2，Cl2中含HCl气体和水蒸气，用C装置除HCl，用E装置干燥Cl2，将干燥的Cl2通入B中与碘反应，制备ICl。

由于ICl易挥发，所以B装置应放在冷水中。

Cl2可能未完全反应，用D装置吸收尾气，防止污染。

（3）②ICl不溶于水，溶于乙醇和乙酸，所以先将ICl溶于乙醇中配成溶液，再通入乙烯，ICl呈红棕色，通过颜色褪去，证明其与乙烯发生了加成反应。

答案：

（1）①C→E→B→D

MnO2＋4H＋＋2Cl－

Mn2＋＋Cl2↑＋2H2O

②防止ICl挥发　吸收未反应的氯气，防止污染空气　③蒸馏

（2）3I2＋6HCl＋NaClO3

6ICl＋NaCl＋3H2O

（3）①用湿润的KI淀粉试纸检验一氯化碘蒸气，试纸变蓝

②在ICl的乙醇溶液中通入乙烯，溶液褪色

6．实验室制备硝基苯的反应原理和实验装置如下：

反应中存在的主要副反应有：

在温度稍高的情况下会生成间二硝基苯。

有关数据如下表：

物质

熔点/℃

沸点/℃

密度/（g·cm－3）

溶解性

苯

5.5

80

0.88

微溶于水

硝基苯

5.7

210.9

1.205

难溶于水

间二硝基苯

89

301

1.57

微溶于水

浓硝酸

83

1.4

易溶于水

浓硫酸

338

1.84

易溶于水

实验步骤如下：

①取100mL烧杯，用20mL浓硫酸与18mL浓硝酸配制混合酸，将混合酸小心加入B中；②把18mL（15.84g）苯加入A中；③在室温下，向苯中逐滴加入混合酸，边滴边搅拌，混合均匀。

在50～60℃下发生反应，直至反应结束；④将反应液冷却至室温后倒入分液漏斗中，依次用少量水、5%NaOH溶液、水洗涤并分液；⑤分出的产物加入无水CaCl2颗粒，静置片刻，然后倒入蒸馏烧瓶，弃去CaCl2，进行蒸馏纯化，收集205～210℃馏分，得到纯硝基苯18g。

回答下列问题：

（1）图中装置C的作用是___________________________________________________。

（2）配制混合酸时，能否将浓硝酸加入到浓硫酸中，说明理由：

________________________________________________________________________。

（3）为了使反应在50～60℃下进行，常用的方法是____________________________。

反应结束并冷却至室温后A中液体就是粗硝基苯，粗硝基苯呈黄色的原因是________________________________________________________________________

________________________________________________________________________。

（4）在洗涤操作中，第二次水洗的目的是____________________________________。

（5）在蒸馏纯化过程中，因硝基苯的沸点高于140℃，应选用空气冷凝管，不选用水直形冷凝管的原因是__________________________________________________________

________________________________________________________________________。

（6）本实验所得到的硝基苯产率是_________________________________________。

解析：

（1）由仪器的结构特征分析，装置C为冷凝管，其作用为冷凝回流。

（2）浓硝酸与浓硫酸混合会放出大量的热，若将浓硝酸加入到浓硫酸中，硝酸的密度小于浓硫酸，会导致液体迸溅。

（3）因为反应在50～60℃下进行，低于水的沸点，可以利用水浴加热。

反应后硝基苯中溶有浓硝酸分解产生的NO2（或硝酸）等杂质，使硝基苯显黄色。

（4）先用水洗除去浓硫酸和硝酸，再用NaOH除去溶解的少量的酸，最后水洗除去未反应的NaOH以及生成的盐。

（5）硝基苯沸点高用空气冷凝与水冷凝相比效果几乎无差异，且冷凝管通水冷却时导致温度差过大可能发生炸裂，所以选用空气冷凝。

（6）苯完全反应生成硝基苯的理论产量为15.84×

g，所以硝基苯的产率为

×100%≈72.06%。

答案：

（1）冷凝回流　

（2）不能，易暴沸飞溅

（3）水浴加热　溶有浓硝酸分解产生的NO2（或硝酸）等杂质

（4）洗去残留的NaOH及生成的钠盐

（5）硝基苯沸点高用空气冷凝与水冷凝相比效果几乎无差异；通水冷却时温差过大易炸裂冷凝管

（6）72.06%