第十章化学实验与化工流程.docx

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第十章化学实验与化工流程

第十章化学实验与化工流程

第1讲

常见气体的实验室制法

考纲定标

热点定位

1.掌握常见气体的实验室制法（包括所用试剂、仪器，反应原理和收集方法>。

2．能识别或绘制简单的实验仪器装置图。

1.以常见气体的制备为载体考查综合实验能力。

2．气体制备实验的创新设计，考查装置和仪器药品的替代应用。

3．气体制备中的实验安全问题。

常见气体的实验室制法

[基础全扫描]

实验室需要制备的气体有：

①O2、②H2、③NH3、④CO2、⑤Cl2、⑥SO2、⑦NO。

（1>用化学方程式表示制取下列气体的反应原理：

①O2：

2KClO3

2KCl＋3O2↑；

②H：

Zn＋H2SO4===ZnSO4＋H2↑；

③NH3：

2NH4Cl＋Ca（OH>2

CaCl2＋2H2O＋2NH3↑；

④CO2：

CaCO3＋2HCl===CaCl2＋H2O＋CO2↑；

⑤Cl2：

MnO2＋4HCl（浓>

MnCl2＋Cl2↑＋2H2O；

⑥SO2：

Na2SO3＋H2SO4===Na2SO4＋H2O＋SO2↑；

⑦NO：

3Cu＋8HNO3（稀>===3Cu（NO3>2＋2NO↑＋4H2O。

（2>有下列三套制取气体的发生装置：

依据气体的制备原理，上述七种气体中能用A装置制取的气体有①、③（填序号，下同>。

能用B装置制取的气体有①、②、③、④、⑥、⑦。

能用C装置制取的气体有⑤。

（3>上述气体中，能用排水法收集的是①、②、⑦。

能用向下排空气法收集的是②、③。

（4>上述气体中，能用浓H2SO4干燥的是①、②、④、⑤、⑥、⑦。

能用碱石灰干燥的是①、②、③、⑦。

能用无水氯化钙干燥的是①、②、④、⑤、⑥、⑦。

[认知无盲区]

（1>制取O2，除用MnO2与KClO3混合共热外，还可以用加热分解KMnO4，或用Na2O2与水反应，或MnO2催化分解H2O2的方法制取。

（2>棉花团在气体制取装置中的作用：

①加热KMnO4制备O2时，应在加热的试管管口放一团棉花，以防止KMnO4粉末随气流进入导管。

②制取NH3时，药品要干燥，收集时试管管口常堵一团蘸有稀硫酸的棉花，可以减少对流，增大氨气的浓度，稀硫酸可以吸收氨气，防止污染环境。

（3>气体的收集方法：

常用收集气体的方法，如右图装置：

A装置从a管进气是向上排空气法，从b管进气是向下排空气法。

B装置从b管进气是排液法集气。

①如果液体为水，可以收集H2、NO、O2等气体；②如果液体为饱和食盐水，可以收集Cl2；③如果液体为饱和NaHCO3溶液，可以收集CO2；④如果液体为CCl4，可以收集NH3。

[练习点点清]

1．如图所示装置可以用来制取、洗涤、收集（不考虑尾气处理>气体。

该装置可用于（　　>

A．锌和盐酸生成氢气

B．二氧化锰和浓盐酸加热生成氯气

C．碳酸钙和盐酸生成二氧化碳

D．氯化钠和浓硫酸加热生成氯化氢

解读：

选A由题中制备气体的装置图可知，与该装置相适应的气体的特点是常温反应制取，难溶于水，可用浓H2SO4干燥，可用向下排空气法收集。

综上可知，答案为A。

2．实验室制备H2和Cl2通常采用下列反应：

Zn＋H2SO4===ZnSO4＋H2↑

MnO2＋4HCl（浓>

MnCl2＋Cl2↑＋2H2O

据此，从下列所给仪器装置中选择制备并收集H2的装置________（填代号>和制备并收集干燥、纯净Cl2的装置________（填代号>。

可选用制备气体的装置：

解读：

根据题给反应可知，制备氢气采用的是固体和液体不加热的方法，可以采用简易启普发生器，收集氢气可以采用向下排空气法或排水法，结合题给装置，在e、f中可以确定e制备氢气；用二氧化锰和浓盐酸制氯气需要加热，所以在a、b、c、d中排除a，装置b、c不能除杂、干燥，故选d，其集气瓶瓶中盛放的药品是（按先后顺序>饱和NaCl溶液、浓硫酸、空瓶（收集>、NaOH溶液。

答案：

ed

—————————

————————

————

1．牢记常见气体实验室制法的5个反应原理：

（1>O2：

2H2O2

2H2O＋O2↑。

（2>H2：

Zn＋H2SO4===ZnSO4＋H2↑。

（3>CO2：

CaCO3＋2HCl===CaCl2＋CO2↑＋H2O。

（4>Cl2：

MnO2＋4HCl（浓>

MnCl2＋Cl2↑＋2H2O。

（5>NH3：

2NH4Cl＋Ca（OH>2

CaCl2＋2NH3↑＋2H2O。

2．掌握气体制备的3类发生装置、干燥方法、收集方法：

（1>3类发生装置：

固＋固

气体、固（或液>＋液

气体、固（或液>＋液―→气。

（2>3类干燥剂：

酸性干燥剂（浓H2SO4>、碱性干燥剂（碱石灰>、中性干燥剂（无水CaCl2>。

（3>3类气体收集方法：

排水法、向上排气法、向下排气法。

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[考点一　常见气体的制备与收集][动态课件＋flash演示见光盘]

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1．实验室里能否用大理石和稀硫酸反应制取二氧化碳气体？

为什么？

答案：

不能；因为CaCO3与稀H2SO4反应生成的CaSO4微溶于水，会覆盖在石灰石的表面，阻止反应的继续进行。

2．实验室里除用NH4Cl和熟石灰混合共热制取氨气外，还有哪些方法能制取氨气？

答案：

加热浓氨水或浓氨水与生石灰混合。

图1图2

3．实验室里能否用图1装置制取氯气？

若能，试写出反应的化学方程式。

答案：

能，2KMnO4＋16HCl===2KCl＋2MnCl2＋5Cl2↑＋8H2O

4．选择合适的试剂，能否用图2所示的装置分别制取少量NO和O2？

为什么？

答案：

不能制取NO，原因是NO不能用排空气法收集。

1．常见气体制备的发生装置

选择反应装置一般需从反应物的状态、溶解性和反应条件确定制气装置类型，具体如下：

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加热时先预热再固定加热

④用KMnO4制取O2时，需在管口处塞一小团棉花

固、液加热型或液、液加热型

Cl2等

①加热烧瓶时要隔石棉网

②反应物均为液体时，烧瓶内要加碎瓷片

固、液不加热型

O2、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

2．气体的收集方法

收集方法

排水法

向上排空气法

向下排空气法

收集原理

收集的气体不与水反应且难溶于水

收集的气体密度比空气大，且与空气密度相差较大，不与空气中成分反应

收集的气体密度比空气小，且与空气密度相差较大，不与空气中成分反应

收集装置

适用的气体

H2、O2、NO、CH4

Cl2、CO2、NO2、SO2

H2、NH3

[例1]（2018·大纲全国卷>请回答下列实验室中制取气体的有关问题。

（1>如图是用KMnO4与浓盐酸反应制取适量氯气的简易装置。

装置B、C、D的作用分别是：

B________________________________________________________________________；

C________________________________________________________________________；

D________________________________________________________________________。

（2>在实验室欲制取适量NO气体。

①下图中最适合完成该实验的简易装置是________（填序号>；

②根据所选的装置完成下表（不需要的可不填>：

应加入的物质

所起的作用

A

B

C

③简单描述应观察到的实验现象___________________________________________

________________________________________________________________________。

[解读]本题主要考查常见气体的制备，意在考查考生根据反应原理和气体的性质进行化学实验的能力。

高锰酸钾具有强氧化性，能将浓盐酸中的氯离子氧化为氯气，装置B用来收集比空气重的氯气，装置D吸收尾气，装置C起到了防倒吸的作用。

一氧化氮的密度与空气接近，不能用排空气法收集，一氧化氮不与水反应，可以用排水法收集，选用装置Ⅰ，A装置中盛放铜片和稀硝酸，B装置中盛放水，C装置接收排出的水。

[答案]（1>向上排气收集氯气安全作用，防止D中的液体倒吸进入集气管B中吸收尾气，防止氯气扩散到空气中污染环境

（2>①Ⅰ②

应加入的物质

所起的作用

A

铜屑和稀硝酸

产生NO气体

B

水

排水收集NO气体

C

主要是接收B中排出的水

③反应开始时，A中铜表面出现无色小气泡，反应速率逐渐加快；A管上部空间由无色逐渐变为浅棕红色，随反应的进行又逐渐变为无色；A中的液体由无色变为浅蓝色；B中的水面逐渐下降，B管中的水逐渐流入烧杯C中

1．（2018·上海高考>草酸晶体（H2C2O4·2H2O>100℃开始失水，101.5℃熔化，150℃左右分解产生H2O、CO和CO2。

用加热草酸晶体的方法获取某些气体，应该选择的气体发生装置是（图中加热装置已略去>（　　>

解读：

选D草酸晶体加热过程中有水生成，不能利用A、B，否则生成的水冷凝后令仪器炸裂；因草酸晶体在101.5℃熔化，在试管中流到管口，而发生堵塞，C错误。

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[考点二　气体的净化与尾气的吸收][动态课件见光盘]——————————————————————————————————————

1．二氧化硫具有还原性，浓硫酸具有强氧化性，能否用浓H2SO4干燥二氧化硫气体？

答案：

能。

2．如何除去CO2中混有的少量HCl气体？

答案：

将混合气体通过盛有饱和NaHCO3溶液的洗气瓶。

3．不能用浓H2SO4干燥的气体有哪些？

答案：

碱性气体（如NH3>，还原性气体（如H2S、HI等>。

4．NO有毒，能产生环境污染，如何除去尾气中的NO气体？

答案：

通入O2（或空气>，再将混合气体通入足量NaOH溶液中吸收。

1．常见气体的净化方法和净化装置

（1>常见气体的净化方法：

气体的净化可分为物理方法和化学方法。

遵循的原则：

不损失主体气体，不引入新杂质。

①物理方法：

a．液化法：

利用沸点不同从空气中分离出N2和O2。

b．水洗法：

利用溶解度不同从N2和NH3的混合气体中除去NH3；利用与H2O的反应从NO和NO2的混合气体中除去NO2。

②化学方法：

a．氧化还原法：

通过灼热的铜丝网除去混合气体中的O2；通过灼热的CuO除去H2、CO等。

b．酸碱法：

将NH3和CO2的混合气体通过碱石灰除去CO2。

c．沉淀法：

除去CO2中的H2S可利用CuSO4溶液，H2S＋CuSO4===CuS↓＋H2SO4。

（2>常见净化装置：

a装置为加热固态试剂以除去气体中杂质的装置，为防止固体“流动”，两端用石棉或玻璃棉堵住，但要使气流通畅。

b装置一般盛液体试剂，用于洗液。

c装置一般盛固体试剂，用于气体除杂和定量计算。

（3>常见干燥剂：

液态干燥剂

固态干燥剂

装置

常见干燥剂

浓硫酸（酸性、强氧化性>

无水氯化钙<中性）

碱石灰<碱性）

不可干燥的气体

NH3、H2S、HBr、HI等

NH3

Cl2、H2S、HCl、SO2、CO2等

2．尾气的处理

（1>转化处理：

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。

实验室中常见有毒气体的处理方法如下表：

Cl2

SO2

NO2

H2S

HCl

NH3

CO

NO

NaOH溶液

CuSO4

溶液

或NaOH溶液

水

水或浓

硫酸

点燃

与O2混合后通入NaOH溶液

（2>直接排空处理：

主要是针对无毒、无害气体的处理。

如N2、O2、CO2等。

（3>尾气处理装置：

①在水中溶解度较小的有毒气体，多数可通入烧杯中的溶液中，用某些试剂吸收除去（如图甲>。

如Cl2、NO2均可通入NaOH溶液中除去。

②某些可燃性气体可用点燃或转化的方法，如图丙，如CO、H2可点燃或通过灼热的CuO除去。

③收集法，如图丁，尾气也可以采用收集的方法，如CH4、C2H4、H2、CO等。

④对于溶解度很大吸收速率很快的气体，吸收时应防止倒吸，典型装置如图乙。

常见的防倒吸装置还有如下改进图（以NH3的吸收为例，未注明的液体为水>。

[例2]下列有关图示装置的叙述不正确的是（　　>

A．装置①可用于吸收实验中多余的SO2

B．装置②可用于收集H2、NH3、Cl2、NO2等

C．装置③中X为苯，可用于吸收NH3或HCl气体

D．装置④可用于收集NH3，并吸收多余的NH3

[解读]SO2和NaOH溶液会发生反应，故用NaOH溶液吸收SO2可以防止污染，A选项正确。

装置②中如果气体从长导管通入，只能收集密度比空气大且不能与空气中的成分发生反应的气体，此时可以收集Cl2、NO2等；如果气体从短导管通入，只能收集密度比空气小且不能与空气中的成分发生反应的气体，此时可以收集H2、NH3等，B选项正确。

装置③中如果X为苯，因为苯的密度比水的小，故苯应该在上层，C选项错误。

装置④中先用盛有碱石灰的干燥管除去氨气中的水蒸气，然后用排空气法收集NH3，最后用防倒吸的装置吸收多余的NH3，故D选项正确。

[答案]C

2．为制备干燥、纯净的CO2，将大理石和盐酸反应生成的气体先后通过装有下列物质的两个吸收装置，两个装置应依次装入（　　>

A．饱和NaHCO3溶液；碱石灰

B．饱和NaHCO3溶液；浓硫酸

C．浓硫酸；饱和NaHCO3溶液

D．饱和Na2CO3溶液；浓硫酸

解读：

选B用大理石和盐酸反应制得的CO2中，含有少量HCl，可用饱和NaHCO3溶液除去；干燥CO2可用浓硫酸或无水CaCl2固体作干燥剂，不能用碱石灰。

（2018·四川高考>下图A、B、C为甲、乙两小组制取氨气时可能用到的装置，D为盛有浓硫酸的洗气瓶。

甲、乙两小组选择了不同的方法制取氨气，请将实验装置的字母编号和制备原理填写在下表的空格中。

实验装置

实验药品

制备原理

甲小组

A

氢氧化钙、

硫酸铵

反应的化学方程式为：

①____________________

乙小组

②_________________

浓氨水、

氢氧化钠

用化学平衡原理分析氢氧化钠的作用：

③_____________________

教材中制备气体的三类发生装置：

[高考源于教材]

气体的实验室制法，包括反应原理、实验装置是考纲明确要求的重要考点，特别是H2、NH3、CO2、O2、Cl2的实验室制备原理和装置更是每年高考命题的热点。

初中教材详细介绍H2、CO2、O2的制备，高中教材详细介绍NH3、Cl2的制备。

而高考命题却将这些知识拓展到依据反应物的状态、反应条件来选择气体的发生装置，以及利用实验装置寻找实验室制取氨气的其他方法，从而开阔了考生的视野，提高了考生的创新意识及创新思维。

[尝试解题]①仿照NH4Cl和Ca（OH>2混合共热制取氨气的原理可书写出反应的化学方程式：

（NH4>2SO4＋Ca（OH>2

CaSO4＋2H2O＋2NH3↑。

②依据实验药品的状态及常温下就能反应可选择B装置。

③固体NaOH溶于浓氨水后，放出大量的热，促使NH3的挥发，溶液中OH－浓度的增大，这两个因素都能使NH3＋H2ONH3·H2ONH

＋OH－向逆反应方向移动，从而加快了氨气的逸出。

[迁移·发散·整合]

一、高考还可能这样考

1．用实验室制NH3的气体发生装置还可以制备哪些气体？

其反应原理是什么？

提示：

制O2：

2KClO3

2KCl＋3O2↑或2KMnO4△,K2MnO4＋MnO2＋O2↑。

2．能否用加热分解NH4Cl制备NH3？

解释原因。

提示：

不能。

NH4Cl△,HCl↑＋NH3↑，NH3＋HCl===NH4Cl（遇冷>。

3．用浓盐酸和浓硫酸可以制备HCl，应选用哪个装置？

提示：

液＋液―→气体，不需加热。

4．制备Cl2时，连接好装置并检查气密性，后续操作是什么？

提示：

加入固体药品―→加入液体药品―→加热。

5．如图为一种“随开随用，随关随停”的气体发生装置，利用该装置制备气体时，所制气体需要满足什么条件？

提示：

（1>原理：

固＋液―→气体，不需要加热；

（2>固体形状必须为块状；

（3>产生的气体不溶于水。

二、相关实验知识归纳

利用2018四川高考的装置（

>，实验室里还能制取的气体有：

（1>H2：

Zn——稀H2SO4

（2>CO2：

CaCO3——稀盐酸

（3>O2：

H2O2——MnO2或Na2O2——H2O

（4>Cl2：

KMnO4——浓盐酸

（5>SO2：

Na2SO3——H2SO4

（6>NO：

Cu——稀HNO3

（7>NO2：

Cu——浓HNO3。

1．（2018·重庆联考>在实验室可用氧化还原反应制取的气体是（　　>

①NO2②O2③CO2④Cl2⑤NO⑥H2

A．①②④⑤⑥B．仅①②④⑥

C．仅①③D．仅③④⑤

解读：

选A③中CO2制取：

2HCl＋CaCO3===CaCl2＋CO2↑＋H2O，无元素化合价变化，不是氧化还原反应。

2.如图是制取和收集某气体的实验装置，该装置可用于（　　>

A．浓盐酸和二氧化锰反应制取Cl2

B．过氧化钠固体和水反应制取O2

C．浓硝酸与铜反应制取NO2

D．浓氨水和生石灰反应制取NH3

解读：

选BA项，浓盐酸和二氧化锰反应制取Cl2需要加热；C项，NO2与水反应生成NO气体，不能用排水法收集；D项，NH3易溶解于水，不能用排水法收集。

3．（2018·广州测试>下列制备和收集气体的实验装置合理的是（　　>

解读：

选D用氯化铵和氢氧化钙固体制氨气时有水生成，试管口应向下倾斜；NO能和空气中的氧气反应生成NO2，应用排水法收集；氢气密度比空气小，收集氢气时导管应短进长出。

4．（2018·孝感模拟>如图为中学化学实验中的常见实验装置。

（1>装置A可用于制备多种气体，请写出用A装置制备下列气体时，圆底烧瓶和分液漏斗中应装的化学试剂。

气体

O2

CO2

NH3

SO2

试剂

（2>装置B可用于收集多种气体，若要用于收集氨气，则进气管为________；若要收集NO，简述用装置B收集NO的方法_________________________________________________。

解读：

（2>氨气的密度比空气小，应“短进长出”；NO能与O2反应，不能用排空气法而应该用排水法收集，但要注意“短进长出”。

答案：

（1>

MnO2和H2O2或Na2O2和

H2O

CaCO3和稀盐酸

碱石灰和浓氨水或NaOH固体和浓氨水等

Na2SO3固

体和

浓H2SO4

（2>b将集气瓶中装满水，塞上塞子，从b端通入NO气体，从a端排出水

一、选择题（本题包括10小题，每小题5分，共50分>

1．关于下列各装置图的叙述中，正确的是（　　>

A．装置①是洗气装置，除去氯气中的氯化氢

B．实验室用装置②制取氨气

C．装置③可用于制备氢氧化亚铁并观察其颜色

D．装置④中X若为四氯化碳，可用于吸收氨气，并防止倒吸

解读：

选D装置①作洗气装置时，应长进短出；制取氨气时的药品不能选择氯化铵，因为加热生成的氯化氢和氨气在试管口处反应重新生成氯化铵；制备氢氧化亚铁时，胶头滴管要伸入溶液中；由于氨气在四氯化碳中溶解度很小，可以防止倒吸，D正确。

2．以下各种尾气吸收装置中，不适合于吸收HCl气体，而且不能防止倒吸的是（　　>

解读：

选BB选项中，倒扣的漏斗伸入液面以下太多，不能起到防倒吸的作用。

3．用下列装置制取并收集NO2气体，其中最合理的是（　　>

解读：

选C二氧化氮的密度比空气大，因此用排空气法收集二氧化氮气体时，导气管应该长进短出，这样有利于把试管中的空气排尽。

4．实验室对制备气体反应的基本要求是“反应条件易满足、能平稳地产生气流、所得气体中尽可能不含杂质成分（除少量水蒸气及少量原料汽化形成的物质>”，下列反应一般能用于实验室制备气体的是（　　>

A．Na2O2与CO2反应制备O2

B．H2O2与MnO2混合制备O2

C．加热浓硝酸制备NO2

D．浓NaOH与NH4Cl溶液混合加热制备NH3

解读：

选BA项易引入较多的CO2杂质；C项加热浓HNO3制NO2时还会产生O2，C项错；氨气易溶于水，用浓NaOH溶液与NH4Cl溶液反应制得的NH3量较少，D项错。

5.下列气体组（括号内为杂质>可用如图装置提纯的是（　　>

A．H2S（HCl>　　B．NO2（CO2>

C．C2H6（C2H4>D．CO2（H2S>

解读：

选C分析该装置的特点，其由一个洗气瓶和一个干燥管组成。

洗气瓶中溶液用来除去杂质气体，干燥管用来除去由洗气瓶中引入的水蒸气，但要注意碱石灰不能干燥酸性气体。

碱石灰在吸收水蒸气的同时，H2S、NO2、CO2等酸性气体也可被吸收，故A、B、D选项不正确。

6．下列能达到实验目的的是（　　>

A．除去杂质气体CO2B．收集并吸收多余的Cl2

C．干燥Cl2D．吸收HCl制盐酸

解读：

选CA选项，导气管应该“长进短出”；B选项，Cl2密度比空气密度大，Cl2会直接进入NaOH溶液，收集不到气体；D选项，HCl易溶于水，发生倒吸。

7.如图装置可用于制取、提纯并收集表格中的四种气体（a、b、c表示相应仪器中加入的试剂>，其中可行的是（　　>

选项

气体

a

b

c

A

NO2

浓硝酸

铜片

NaOH溶液

B

SO2

浓硫酸

Cu

酸性KMnO4溶液

C

NH3

浓氨水

生石灰

碱石灰

D

CO2

稀硝酸

CaCO3

浓硫酸

解读：

选DA项，氢氧化钠溶液会吸收生成的NO2，不正确；B项，铜与浓硫酸反应需要加热，且酸性高锰酸钾能氧化SO2，该装置不可行；C项，碱石灰是固体干燥剂，而题给的装置适用于液体干燥剂，不正确。

8．（2018·大连双基测试>用如图所示装置制取表中的四种气体（图中加热及气体收集装置均已略去；必要时可以加热；a、b、c、d表示相应仪器中加入的试剂>。

选项

气体

a

b

c

d

A

CO2

稀盐酸

CaCO3

饱和Na2CO3溶液

浓H2SO4

B

Cl2

浓盐酸

MnO2

NaOH溶液

浓H2SO4

C

SO2

稀H2SO4

Cu

品红溶液

浓H2SO4

D

H2

稀盐酸

锌粒

NaOH溶液

浓H2SO4

上述方法中可以得到