专题五 常见气体的制法及反应原理

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  高考动向
  1. 掌握常见气体:H2、O2、C12、SO2、NH3、NO2、NO、CO2、C2H4、C2H2等的制备方法(包括所用试剂、仪器,反应原理和收集方法)。
  2.(1)以常见气体的制备为知识载体考查学生的综合实验能力;(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;(4)结合元素化合物性质进行综合考查。
  考点分析
  考点1. 常见气体发生装置与制备原理
  (1) 常见发生装置示例。
  (2)常见气体制备的原理。
  具体化学反应方程式自行查阅其他一轮复习资料,不再赘述!注意有些气体制取的化学反应原理不同,选用的装置不同(如O2、Cl2、NH3等可能有多种常见制法)。
  ① 固体 固体气体,见装置A,常见适用气体有O2、NH3、CH4等。
  ②固体 液体气体,见装置B-K,常见适用气体有H2、CO2、SO2、NO、NO2、C2H2(O2、Cl2、NH3一些原理的方法也可以)等。其中B-D原理相同,但C用的是长颈漏斗,必须液封,且长颈漏斗不好控制滴加用量和速率;E是B的改进,构成恒压漏斗,便于漏斗内液体滴下来;F是启普发生器,其特点是:随开随用、随关随停;G-J是F的简易装置,注意其适用对象是:块状不溶于水的固体,且反应时无大量的热效应,且气体不溶于水(常见气体仅适用于H2、CO2、H2S);K适合制备NO、NO2等。
  ③ 固体 液体或液体 液体气体,见装置L-O,常见适用的Cl2、HCl、CO、C2H4等。N用温度计控制温度,如制备乙烯,O是构成恒压漏斗。
  考点2. 仪器的连接
  (1)安装顺序。
  ①由下到上(如制氯气的发生装置安装顺序是:放铁架台→摆酒精灯→固定铁圈→放置石棉网→固定圆底烧瓶)。
  ②从左到右(如制氯气:发生装置→净化装置→收集装置→吸收装置)。
  ③先塞后定(把带导管的胶塞在烧瓶固定前塞好,以免烧瓶固定后因不宜用力而塞不紧或因用力过猛而损坏仪器)。
  (2)加试剂顺序。
  固体先放入,液体后滴加(即先固后液)。
  (3)其他操作顺序。
  先检验气密性,后装入药品(便于在装置漏气时进行调整或更换仪器),最后点燃酒精灯(所有准备工作完毕后);在连接导管时,应长进短出;量气装置的导管应短进长出;干燥管应大口进,小口出。
  考点3. 装置气密性的检查
  凡是有导气管的实验装置,装配好后均须检查气密性。常见的检查方法有如下5种:
  (1)简单装置气密性的检查方法(如图A):用双手(或用酒精灯微热或用湿毛巾)捂住烧瓶,烧杯内水中有气泡产生,过一会双手离开,烧杯内的导管中有稳定水柱形成,说明不漏气,反之,说明漏气。
  (2)带有长劲漏斗的装置检查气密性的方法(如图B):①向导气管吹气,长劲漏斗下端形成水柱,说明不漏气,反之漏气;②用止水夹夹紧橡皮管,向长劲漏斗中注入水,静止片刻,长劲漏斗中水柱不下降,说明不漏气;否则说明漏气。
  (3)检验量气装置气密性(如图C):连接好仪器,向乙管中注入适量水,使乙管液面高于甲管液面,静置一段时间,若液面位置保持不变,证明装置气密性良好。
  (4)分段法:如图D,分别关闭K1或K2,分段检查。
  (5)变压法:如图E,推或拉注射器,导管内水柱上升或有气泡。
  考点突破
  1. 制备实验仪器的安装技巧。
  通常根据实验的目的和反应的原理,结合所给仪器的操作特点,组装成恰当的仪器装置,进行安装和创新使用,大致思维模式如下:
  【例1】下列说法是否正确,正确的打“√”,错误的打“×”。
  (1)要制备某种气体,首先研究生成气体的化学性质( )
  (2)根据生成物的状态和反应条件选择并安装实验仪器设备,而且要先装药品后检查装置的气密性( )
  (3)实验室制备气体时根据气体的密度和溶解性确定气体的收集方法( )
  (4)某学生在实验室用KClO3和MnO2共热制取O2的实验时,设计如下步骤进行操作的:①连接仪器;②装药品;③将装药品的试管固定在铁架台上;④检查装置气密性;⑤加热;⑥用排水法收集氧气;⑦熄灭酒精灯;⑧将导管移出水面( )
  (5)加热固体制备气体时,试管外壁要干燥,试管口略向上倾斜( )
  (6)试管或烧瓶做发生装置时可用酒精灯直接加热加,加热时先均匀加热再固定加热( )
  (7)液体和液体加热制备气体时,烧瓶或试管内要加碎瓷片( )
  (8)实验室制备O2、H2、CO2均需要发生氧化还原反应
  ( )
  (9)用过氧化钠与水反应制O2、电石与饱和食盐水制乙炔均可用启普发生器( )
  (10)Cl2、NH3的制备可以选用相同的发生装置( )
  【答案】(1)×,研究生成气体的化学反应原理;(2)×,根据反应物的状态,应先检查装置气密性后装药品;(3)√;(4)×,连→查→装→定→点→收→移→熄,可得题中正确的操作顺序是:①④②③⑤⑥⑧⑦;(5)×,加热固体试管口一般向下倾斜;(6)×,烧瓶垫上石棉网;(7)√;(8)×,CO2不是;(9)×,都不能用;(10)√
  2. 一种装置多种用途。
  很多仪器,使用方式不一样,用途也不一样。大家在复习过程中注意积累一些仪器的非常规使用,学会变通思想,关注器材的创新使用在高考中的考查。下面举例如下:
  (1)干燥管除用于干燥气体外,还可以用于防倒吸装置(如图A)、过滤器或净水器(如图B)、组装类似启普发生器装置(如图C)。   (2)集气瓶除用于收集气体(如图D,排气法不同管子进出收集不同气体;图E,排液法,短进长出)外,还可作洗气瓶(如图E,长进短出)、用于贮存气体(如图F)、安全瓶(防止倒吸,如图G或H)、测量气体体积(如图I)、缓冲和防止堵塞(如图J)等。
  【例2】化学是一门以实验为基础的学科,试回答以下问题。
  (1)实验室中制取并收集少量氨气,可选用上述 (填装置序号)装置,氨气应从收集装置的 (填字母序号)导管进气。
  (2)选用装置乙、丙、戊制备、收集一氧化氮气体,乙中塑料板上若放置石灰石,戊中盛满稀NaOH溶液,正确的连接顺序为 (用接口字母表示),装置乙的作用是 ,丙中产生NO的离子方程式为 。
  (3)若某实验要用丁装置加热控制温度在60~80℃之间,丁装置加热的优点为: ;
  该装置缺少的一种必需的玻璃仪器名称是 。
  【解析】(1)根据提给装置,结合制备NH3的原理,采用固固加热的发生装置,选择甲;收集装置选择戊,注意NH3用向上排空气法,即先充满上部,故e管进;(2)根据组装的仪器顺序可知,先利用乙装置制备CO2排净整套装置内的空气(因为NO通常用排水法收集,会与空气中的O2反应),将丙中插入铜丝与稀硝酸反应产生NO,再利用向上排CO2的方法收集NO故组装顺序为:abce;(3)丁装置是水浴加热,其特点是能使烧瓶内的液体受热均匀,并且准确控制所需温度;缺少的仪器是温度计。
  【答案】(1)甲、戊;e;(2)abce;利用碳酸钙与盐酸产生的CO2排尽装置中的空气;3Cu 8H 2NO- 3=3Cu2 2NO↑ 4H2O;(3)使烧瓶内的液体受热均匀,并且准确控制所需温度;温度计。
  【方法技巧】气体的收集装置的演绎与拓展创新
  决胜高考
  1. (2015·重庆第4题改编)下列实验中,所使用的装置(夹持装置略)、试剂和操作方法都正确的是
  2. (2014·上海高考第15题) 右图是模拟“侯氏制碱法”制取NaHCO3的部分装置。下列操作正确的是
  A. a通入CO2,然后b通入NH3,c中放碱石灰
  B. b通入NH3,然后a通入CO2,c中放碱石灰
  C. a通入NH3,然后b通入CO2,c中放蘸稀硫酸的脱脂棉
  D. b通入CO2,然后a通入NH3,c中放蘸稀硫酸的脱脂棉
  3.(2016届深圳科学高中模拟题)利用如图所示装置进行下列实验,能得出相应实验结论的是
  4.(2015·全国卷I第26题第2问节选)乙组同学认为草酸晶体分解的产物中含有CO,为进行验证,选用甲组实验中的装置A、B和图8中所示的部分装置(可以重复选用)进行实验。
  乙组同学的实验装置中,依次连接的合理顺序为A、B、________________________。装置H反应管中盛有的物质是____________。
  5.(2015·广东第33题第(1)节选)NH3及其盐都是重要的化工原料。用NH4Cl和Ca(OH)2制备NH3,反应发生、气体收集和尾气处理装置依次为 (见图9)。
  6.(2015·北京第27题第(3) ①节选) 海水中溶解无机碳占海水总碳的95%以上,其准确测量是研究海洋碳循环的基础,测量溶解无机碳,可采用如下方法:气提、吸收CO2。用N2从酸化后的海水中吹出CO2并用碱液吸收(装置示意图10),将虚线框中的装置补充完整并标出所用试剂。
  7.(2016届深圳科学高中模拟题节选)实验室中用如图11所示的装置流程进行气体性质实验。图中箭头表示的是气体的流向,A为一种纯净干燥的气体,B是另一种气体,己中有红棕色气体出现。实验中所用的药品只能从下列物质中选取:NaHCO3、Ca(OH)2、Na2O2、无水CaCl2、NH4Cl、碱石灰等固体和蒸馏水。
  根据图中装置和现象回答:
  (1)如何检查整套装置的气密性 。
  (2)甲和丙中反应的化学方程式分别是____________、_________________。
  答案点拨
  1. B解析:碳酸钠易溶于水,不能用简易启普发生器,可用CaCO3代替Na2CO3,A错误;利用液封法,关闭止水夹从长颈漏斗加水,加到一定高度,长颈漏斗中液面高度保持不变,说明装置不漏气,B正确;NH3不能用排水法收集,C错误;制备乙烯时温度计测混合液的温度,导出气体中通过NaOH溶液吸收SO2、CO2、C2H5OH(g)等之后再通过酸性KMnO4溶液,D错误。
  2. C解析:CO2在水中溶解度远小于NH3,若先通CO2则不可能在溶液中生成大量的NaHCO3析出,故先通入溶解度较大的NH3,再通入CO2,有利于吸收更多的CO2,才能使溶液中析出NaHCO3;由于NH3极易溶于水,在溶于水时会倒吸,则通入NH3的导管末端不能插入液面以下,即a先通入NH3,然后a通入CO2,NH3是有毒的碱性气体,过量的NH3可用稀硫酸来吸收,综上可知,C正确。
  3. C解析:浓盐酸和MnO2反应需要加热,该装置不加热,不能产生Cl2,A错误;浓氨水和CaO可以快速制备NH3,NH3通入硝酸银溶液先生成AgOH,后转化为Ag(NH3)2OH,不能说明AgOH的两性,B错误;浓硫酸与Na2SO3可以制备SO2,SO2与FeCl3发生氧化还原反应,作还原剂,C正确;稀盐酸与Na2CO3可以制备CO2,CO2通入Na2SiO3生成硅酸沉淀,若不考虑HCl挥发,则(最好用稀硫酸)能够说明酸性:盐酸>碳酸>硅酸,可说明非金属性C>Si,但不能说明Cl>C,应用最高价氧化物对应的水化物,而不是氢化物对应的水溶液。
  4. F、D、G、H、D、I;CuO(氧化铜)
  解析:A中发生分解:H2C2O4·2H2OCO↑ CO2↑ 3H2O↑,由于升华而挥发出来的草酸蒸汽和部分水蒸汽在B中冷凝,要检验3种产物中CO,则先除去CO2(选F),验证CO2除尽(选D),再除去H2O(选G),接着用CuO与CO反应(装置H),检验生成的CO2(装置D),未反应完的CO在I中收集,故顺序见答案所示;验证CO存在的现象为:H中黑色粉末逐渐变为红色,H前的装置D中石灰水无变化,H后的装置D中石灰水变浑浊。
  5. ACG
  解析:固固加热制备气体,向下排气法,防止倒吸,易得ACG;
  6. 见图12所示
  解析:根据题意,可通过分液漏斗滴加稀硫酸(不用挥发性酸盐酸和硝酸等,不用长颈漏斗,不好控制加速和用量)来酸化海水,用N2从酸化后的海水中吹出CO2并用碱液吸收。
  7.(1)先关闭止水夹a,打开止水夹b、c、d,用酒精灯微热丙装置;然后关闭止水夹b,打开止水夹a、c、d,用酒精灯微热甲装置,若两次均看到烧杯中导管口处有气泡冒出,且停止加热后导管中能形成一段稳定的水柱,说明整套装置气密性良好;(2)2Na2O2 2H2O=4NaOH O2↑;Ca(OH)2 2NH4ClCaCl2 2NH3↑ 2H2O;
  解析:(1)装置气密性的检查,采用分段检查法,见答案所示;(2)采用逆推法,己中出现红棕色气体推测是NO2,则戊中反应为:4NH3 5O24NO 6H2O ,根据限选试剂可知,原来甲和丙分别制备O2和NH3(方程式见答案所示),乙中可用碱石灰或无水氯化钙干燥O2;丁中应该用碱石灰干燥NH3,因为CaCl2会和NH3发生络合反应,不能用于氨气的干燥。
  (作者单位:深圳科学高中)
  责任编校 李平安
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