高考化学一轮复习第十章实验方案的设计与评价学案
展开第十章 实验方案的设计与评价
考点一 物质的组成、性质实验探究(命题指数★★★★★)
命题角度1:物质性质验证实验
【典例1】(2020·全国Ⅲ卷) 氯可形成多种含氧酸盐,广泛应用于杀菌、消毒及化工领域。实验室中利用下图装置(部分装置省略)制备KClO3和NaClO,探究其氧化还原性质。
回答下列问题:
(1)盛放MnO2粉末的仪器名称是__________,a中的试剂为__________。
(2)b中采用的加热方式是__________,c中化学反应的离子方程式是___________________________________________________________________,
采用冰水浴冷却的目的是____________。
(3)d的作用是________,可选用试剂________(填标号)。
A.Na2S B.NaCl C.Ca(OH)2 D.H2SO4
(4)反应结束后,取出b中试管,经冷却结晶,____________,______________,干燥,得到KClO3晶体。
(5)取少量KClO3和NaClO溶液分别置于1号和2号试管中,滴加中性KI溶液。1号试管溶液颜色不变,2号试管溶液变为棕色,加入CCl4振荡,静置后CCl4层显________色。可知该条件下KClO3的氧化能力__________NaClO(填“大于”或“小于”)。
实验目的:利用氯气与碱的反应制备KClO3和NaClO。
实验原理:
制备装置1:利用MnO2与浓盐酸反应制取氯气。
净化装置:由于浓盐酸的挥发性导致氯气中含有杂质HCl,会影响后续的反应。
制备装置2:根据装置中的药品,可以得知制取KClO3的原理为3Cl2+6KOH5KCl+KClO3+3H2O,制取NaClO的原理为Cl2+2NaOH===NaCl+NaClO+H2O。
吸收装置:氯气有毒,为防止污染空气,应用还原性物质或碱液除去。
【解析】(1)盛放MnO2粉末的仪器为圆底烧瓶;由于盐酸易挥发,所以制得的Cl2中含有HCl杂质,由于饱和食盐水既可除去HCl又可降低Cl2在水中的溶解度,所以a中的试剂为饱和食盐水。(2)由图可知b中采用的加热方式为水浴加热;由题意知c中制备的是NaClO,所以反应的离子方程式为Cl2+2OH-===ClO-+
Cl-+H2O,由题意知b中制备的是KClO3,而b、c显著差别为条件分别为热水和冰水,可见温度不同时Cl2与碱反应的产物不同,据此可知c中采取冰水浴冷却的目的是避免温度较高时发生副反应生成NaClO3。(3)Cl2有毒能污染环境,所以d的作用是除去多余的Cl2以防污染。由于Na2S和Ca(OH)2均可与Cl2反应,所以可使用二者进行尾气处理。(4)要在b中试管获得KClO3晶体,可采用冷却结晶,过滤、洗涤、干燥等步骤。其中洗涤时为了防止KClO3晶体溶解损失,最好选用冷水进行洗涤。(5)NaClO溶液中加入中性KI溶液变为棕色,可见发生了氧化还原反应:ClO-+2I-+H2O===2OH- +Cl-+I2,加入CCl4振荡后,将生成的I2萃取到CCl4中,故静置后CCl4层显紫色。由于1号试管溶液颜色不变,可知该条件下KClO3不能将KI氧化,故KClO3的氧化能力小于NaClO。
答案:(1)圆底烧瓶 饱和食盐水 (2)水浴加热 Cl2+2OH-===ClO-+Cl-+H2O 避免生成NaClO3 (3)吸收尾气(Cl2) AC (4)过滤 少量(冷)水洗涤 (5)紫 小于
【备选例题】
(2021·南昌模拟)某实验小组为探究KI与Cu(NO3)2的反应,进行实验一:
注:本实验忽略Cu2+在此条件下的水解。
(1)取棕黄色清液,加入少量__________溶液(试剂a),清液变为__________色,说明生成了I2。
(2)探究生成I2的原因。
①甲同学进行如下实验:向2 mL 1 mol·L-1KI溶液中加入1 mL__________溶液(硝酸酸化,pH=1.5),再加入少量试剂a,观察到与(1)相同的现象。甲同学由此得出结论:实验一中生成I2的原因是酸性条件下,NO氧化了I-。
②乙同学认为仅由甲同学的实验还不能得出相应结论。他的理由是该实验没有排除_________________________________________氧化I-的可能性。
③若要证明实验一中是NO氧化了I-,应在实验一的基础上进行检验__________________________的实验。
(3)探究棕黑色沉淀的组成。
①查阅资料得知CuI为难溶于水的白色固体。于是对棕黑色沉淀的组成提出两种假设:
a.CuI吸附I2;
b.__________吸附I2。
为证明上述假设是否成立,取棕黑色沉淀进行实验二:
已知:CuI难溶于CCl4;I2+2S2O===2I-+S4O(无色);Cu++2S2O===Cu(S2O3)(无色)。
由实验二得出结论:棕黑色沉淀是CuI吸附I2形成的。
②现象ⅲ为____________________________。
③用化学平衡移动原理解释产生现象ⅱ的原因: _______________________。
④由实验二可推知,Cu(NO3)2与KI反应过程中,一定发生反应的离子方程式为____________________。
【解析】(1)此步骤的目的是验证题述实验中发生氧化还原反应产生了I2,利用淀粉遇碘变蓝的性质进行验证,即试剂a为淀粉溶液,清液变为蓝色说明生成了I2。(2)①实验一中Cu2+有可能氧化I-得到I2,因此需要排除Cu2+的干扰,可向2 mL 1 mol·L-1KI溶液中加入1 mL 2 mol·L-1KNO3溶液(硝酸酸化,pH=1.5),再加入少量淀粉溶液;②溶液中的Cu2+和溶液中溶解的一部分氧气都有可能氧化I-;③根据实验目的,需要检验NO的还原产物。(3)①根据假设a,Cu2+的化合价降低到+1价形成CuI,则也有可能降低到0价形成Cu,因此假设b为Cu吸附I2;②由已知信息知,I2易溶于有机溶剂,而CuI难溶于CCl4,因此实验ⅲ的现象是棕黑色固体颜色变浅,液体变为紫红色;③CuI在溶液中存在沉淀溶解平衡CuI(s) Cu+(aq)+I-(aq),加入足量Na2S2O3溶液后,S2O与
Cu+反应生成Cu(S2O3),使c(Cu+)减小,平衡正向移动,从而使白色沉淀溶解;④因为不考虑Cu2+的水解,根据实验二,Cu2+把I-氧化成I2,自身被还原成+1价的Cu+,Cu+与I-结合形成沉淀,因此反应的离子方程式为2Cu2++4I-===
2CuI↓+I2。
答案:(1)淀粉 蓝 (2)①2 mol·L-1KNO3 ②溶液中的Cu2+及空气中的O2 ③NO的还原产物(或NO、NO2等) (3)①Cu ②棕黑色固体颜色变浅,液体变为紫红色 ③CuI在溶液中存在沉淀溶解平衡CuI(s) Cu+(aq)+I-(aq),加入足量Na2S2O3溶液后,S2O与Cu+反应生成Cu(S2O3),使c(Cu+)减小,平衡正向移动,从而使白色沉淀溶解 ④2Cu2++4I-===2CuI↓+I2
命题角度2:定性探究“物质组成”型实验
【典例2】(2020·北京等级考)探究Na2SO3固体的热分解产物。
资料:①4Na2SO3Na2S+3Na2SO4;②Na2S能与S反应生成Na2Sx,Na2Sx与酸反应生成S和H2S;③BaS易溶于水。
隔绝空气条件下,加热无水Na2SO3固体得到黄色固体A,过程中未检测到气体生成。黄色固体A加水得到浊液,放置得无色溶液B。
(1)检验分解产物Na2S:取少量溶液B,向其中滴加CuSO4溶液,产生黑色沉淀,证实有S2-。反应的离子方程式是________________________________________。
(2)检验分解产物Na2SO4:取少量溶液B,滴加BaCl2溶液,产生白色沉淀,加入盐酸,沉淀增多(经检验该沉淀含S),同时产生有臭鸡蛋气味的气体(H2S),由于沉淀增多对检验造成干扰,另取少量溶液B,加入足量盐酸,离心沉降(固液分离)后,________________________(填操作和现象),可证实分解产物中含有SO。
(3)探究(2)中S的来源。
来源1:固体A中有未分解的Na2SO3,在酸性条件下与Na2S反应生成S。
来源2:溶液B中有Na2Sx,加酸反应生成S。
针对来源1进行如图实验:
①实验可证实来源1不成立。实验证据是____________________________。
②不能用盐酸代替硫酸的原因是______________________________________。
③写出来源2产生S的反应的离子方程式:______________________________。
(4)实验证明Na2SO3固体热分解有Na2S、Na2SO4和S产生。运用氧化还原反应规律分析产物中S产生的合理性:___________________________________。
【解析】(1)Na2S和CuSO4溶液反应生成硫化铜和硫酸钠,反应的离子方程式是S2-+Cu2+===CuS↓;(2)根据题干资料:Na2S能与S反应生成Na2Sx,Na2Sx与酸反应生成S和H2S,取少量溶液B,滴加BaCl2溶液,产生白色沉淀,加入盐酸,沉淀增多(经检验该沉淀含S),同时产生有臭鸡蛋气味的气体(H2S),说明B溶液中含有Na2Sx,Na2Sx与酸反应生成S和H2S,由于沉淀增多对检验造成干扰,另取少量溶液B,加入足量盐酸,离心沉降(固液分离)后,滴加BaCl2溶液,产生白色沉淀,可证实分解产物中含有SO;(3)①实验可证实来源1不成立。根据分析,溶液2为H2SO3,向溶液2中加入少量KMnO4溶液,H2SO3具有还原性,酸性条件下KMnO4具有强氧化性,二者混合后应发生氧化还原反应,KMnO4溶液应该褪色,但得到的仍为紫色,说明溶液B中不含Na2SO3;②不能用盐酸代替硫酸的原因是盐酸中氯元素为-1价,是氯元素的最低价,具有还原性,会与KMnO4溶液发生氧化还原反应,使KMnO4溶液褪色,干扰实验现象和实验结论;③来源2认为溶液B中有Na2Sx,加酸反应生成S,反应的离子方程式:S+2H+===
H2S↑+(x-1)S↓;(4)根据已知资料:4Na2SO3Na2S+3Na2SO4,亚硫酸钠中硫为+4价,硫酸钠中硫为+6价,硫化钠中硫为-2价,根据反应可知Na2SO3发生歧化反应,其中的硫元素化合价既可升高也可降低,能从+4价降为-2价,也应该可以降到0价生成硫单质。
答案:(1)S2-+Cu2+===CuS↓ (2)滴加BaCl2溶液,产生白色沉淀 (3)①向溶液2中加入KMnO4溶液,溶液没有褪色 ②盐酸中氯元素为-1价,是氯元素的最低价,具有还原性,会与KMnO4溶液发生氧化还原反应,使KMnO4溶液褪色,干扰实验现象和实验结论 ③S+2H+===H2S↑+(x-1)S↓ (4)根据反应4Na2SO3Na2S+3Na2SO4可知,Na2SO3发生歧化反应,其中的硫元素化合价既可升高也可降低,能从+4价降为-2价,也应该可以降到0价生成硫单质
【备选例题】
(2021·皖南模拟)实验室在500 ℃时隔绝空气加热硫酸亚铁铵[(NH4)2Fe(SO4)2]至分解完全并确定分解产物成分的装置如图所示(已知分解的固体产物中可能有FeO、Fe2O3和Fe3O4,气体产物中可能有NH3、N2、H2O、SO3和SO2)。下列说法正确的是( )
A.装置②用于检验分解产物中是否有水蒸气生成,试剂X最好选用碱石灰
B.装置③用于检验分解产物中是否有SO3气体生成并除去SO3和NH3
C.取①中固体残留物与稀硫酸反应并滴加KSCN溶液,溶液变血红色,则残留物一定为Fe2O3
D.装置④用于检验分解产物中是否有SO2气体生成,装置⑤用于收集生成的NH3和N2
【解析】选B。装置②的作用是检验分解产物中是否有水蒸气生成,故试剂X应选用无水CuSO4,A错误;装置③用于检验分解产物中是否有SO3气体生成,若有SO3气体生成,则装置③中产生白色沉淀硫酸钡,并用氯化钡和盐酸除去SO3和NH3,B正确;①中固体残留物中可能还含有FeO,可能不含有Fe2O3而含有Fe3O4,不一定为Fe2O3,C错误;NH3极易溶于水,若分解产物中有NH3,则NH3被装置③中的溶液吸收,装置⑤中不可能收集到NH3,D错误。
命题角度3:定量探究“物质组成”型实验
【典例3】(2018·全国卷Ⅱ)K3[Fe(C2O4)3]·3H2O(三草酸合铁酸钾)为亮绿色晶体,可用于晒制蓝图。回答下列问题:
(1)晒制蓝图时,用K3[Fe(C2O4)3]·3H2O作感光剂,以K3[Fe(CN)6]溶液为显色剂。其光解反应的化学方程式为:2K3[Fe(C2O4)3]2FeC2O4 +3K2C2O4 +2CO2↑;显色反应的化学方程式为________________________________________。
(2)某小组为探究三草酸合铁酸钾的热分解产物,按下图所示装置进行实验。
①通入氮气的目的是__________________________________________。
②实验中观察到装置B、F中澄清石灰水均变浑浊,装置E中固体变为红色,由此判断热分解产物中一定含有________、________。
③为防止倒吸,停止实验时应进行的操作是____________________________。
④样品完全分解后,装置A中的残留物含有FeO和Fe2O3,检验Fe2O3存在的方法是:______________________________________________________________。
(3)测定三草酸合铁酸钾中铁的含量。
①称量m g样品于锥形瓶中,溶解后加稀硫酸酸化,用c mol·L-1 KMnO4溶液滴定至终点。滴定终点的现象是____________________________________。
②向上述溶液中加入过量锌粉至反应完全后,过滤、洗涤,将滤液及洗涤液全部收集到锥形瓶中。加稀H2SO4酸化,用c mol·L-1 KMnO4溶液滴定至终点,消耗KMnO4溶液V mL。该晶体中铁的质量分数的表达式为______________________。
【规范答题】滴定终点现象准确判断的答题模板[针对问题(3)①]
答题
模板
当滴入最后一滴××标准溶液后,溶液由××色变为××色,且半分钟之内不变色,或者××色褪去,且半分钟之内不恢复原色
模板
示例
用a mol·L-1的盐酸滴定未知浓度的NaOH溶液,用酚酞作指示剂,达到滴定终点的现象:当滴入最后一滴盐酸标准液,溶液由红色变为无色,且半分钟内不恢复红色
模板
应用
用标准碘溶液滴定溶有SO2的水溶液,以测定水中SO2的含量,应选用_____作指示剂,达到滴定终点的现象是_____。
提示:淀粉溶液 当滴入最后一滴标准液,溶液由无色变为蓝色,且半分钟内不褪色
【解析】(1)题目给出K3[Fe(CN)6]溶液为显色剂,因此显色反应只能为FeC2O4与K3[Fe(CN)6]反应,其方程式为3FeC2O4+2K3[Fe(CN)6]===Fe3[Fe(CN)6]2+3K2C2O4。
(2)①三草酸合铁酸钾的化学式为K3[Fe(C2O4)3]·3H2O,根据题目中②和④的叙述其分解产物中含有CO、CO2、FeO和Fe2O3等,因此通入氮气的作用是将装置内的空气排出以隔绝空气,同时将产生的气体全部赶到后续的实验装置中。
②B中澄清石灰水变浑浊,说明三草酸合铁酸钾分解产生了CO2;装置E中的CuO固体变为红色,F中澄清石灰水变浑浊,说明三草酸合铁酸钾分解产生了CO。
③停止实验时,若先使装置A、E处的酒精灯停止加热,会使装置内的温度降低,导致装置内的压强减小,从而产生倒吸,因此为防止产生倒吸,应继续通入氮气直至装置冷却。
④装置A中的残留物含有FeO和Fe2O3,因此应先取少许固体粉末于试管中,加稀硫酸溶解,然后再滴入KSCN溶液,溶液变红色,证明含有Fe2O3。
(3)①滴定至终点时溶液中的Fe2+消耗完,因此再滴入KMnO4不再反应,此时溶液中呈浅红色或粉红色,且半分钟内不褪色。
②在此滴定反应中KMnO4作氧化剂将Fe2+氧化为Fe3+,而自身被还原为Mn2+,因此根据氧化还原反应中的电子守恒可以得出5n(KMnO4)=n(Fe2+),因此有5×
c mol·L-1 ×V×10-3L=n(Fe2+),所以晶体中铁的质量分数的表达式为:
×100%=×100%。
答案:(1)3FeC2O4+2K3[Fe(CN)6]=== Fe3[Fe(CN)6]2+3K2C2O4
(2)①隔绝空气、使反应产生的气体全部进入后续装置
②CO2 CO
③先熄灭装置A、E的酒精灯,冷却后停止通入氮气
④取少许固体粉末于试管中,加稀硫酸溶解,滴入1~2滴KSCN溶液,溶液变红色,证明含有Fe2O3
(3)①粉红色出现 ②×100%(合理即可)
物质性质实验探究常见命题角度:
(1)物质氧化性、还原性的判断。如探究SO2具有还原性的方法是将SO2气体通入酸性KMnO4溶液中,通过KMnO4溶液褪色来说明SO2具有还原性。
(2)物质氧化性强弱、还原性强弱的判断。如探究Fe3+的氧化性强于I2时,可利用FeCl3与KI淀粉溶液反应,通过溶液变蓝色来说明Fe3+的氧化性强于I2。
(3)同周期、同主族元素性质的递变规律一般通过设计元素金属性、非金属性的强弱实验来完成,如通过Mg、Al与同浓度盐酸反应产生H2的快慢来说明Mg的活泼性强于Al。
(4)电解质强弱的判断。如探究一元酸HA是弱酸的方法是在常温下配制NaA的溶液,测该溶液的pH,若pH>7,则说明HA为弱酸。
(5)物质酸性强弱的判断。如探究碳酸和硅酸的酸性强弱,可利用相对强的酸制备相对弱的酸的反应原理,将CO2气体通入Na2SiO3溶液,有白色沉淀生成说明碳酸酸性比硅酸强。
(6)钢铁发生电化学腐蚀的规律探究。可以通过控制所含的杂质是否与空气接触、所接触的电解质溶液的酸碱度、钢铁在腐蚀过程中体系内的气压变化等角度设计实验,找出规律。
命题点1:物质性质验证实验(基础性考点)
1.(2021·衡阳模拟)下列实验操作能达到实验目的的是( )
选项
实验目的
实验操作
A
除去MgCl2溶液中的少量FeCl3
向含有少量FeCl3的MgCl2溶液中加入足量Mg(OH)2粉末,搅拌一段时间后,过滤
B
检验溶液中是否含有SO
取少量溶液于试管中,先加入BaCl2溶液,再滴加稀盐酸,若产生的白色沉淀不溶解,则说明溶液中含有SO
C
比较HCl和CH3COOH的酸性强弱
用pH试纸测定浓度均为0.1 mol·L-1的NaClO溶液和CH3COONa溶液的pH
D
验证H2O2的氧化性比Fe3+强
将硫酸酸化的H2O2滴入
Fe(NO3)2溶液,溶液变黄色
【解析】选A。Mg(OH)2促进铁离子水解转化为沉淀,则反应后过滤可分离,故A正确;先加入BaCl2溶液,可生成AgCl沉淀或硫酸钡沉淀,不能确定是否含硫酸根离子,故B错误;NaClO溶液具有漂白性,不能选pH试纸测定pH,故C错误;酸性条件下亚铁离子、硝酸根离子发生氧化还原反应,不能说明H2O2的氧化性比Fe3+强,故D错误。
命题点2:定性探究物质的组成(综合性考点)
2.(2021·无锡模拟)为落实“五水共治”,某工厂拟综合处理含NH废水和工业废气(主要含N2、CO2、SO2、NO、CO,不考虑其他成分),设计了如下流程:
下列说法不正确的是( )
A.固体1中主要含有Ca(OH)2、CaCO3、CaSO3
B.X可以是空气,且需过量
C.捕获剂所捕获的气体主要是CO
D.处理含NH废水时,发生反应的离子方程式为NH+NO===N2↑+2H2O
【解析】选B。工业废气中CO2、SO2可被石灰乳吸收,生成固体CaCO3、CaSO3,因氢氧化钙过量,则固体1主要含有Ca(OH)2、CaCO3、CaSO3,故A正确;由分析可知,气体1是不能被过量石灰水吸收的N2、NO、CO,气体1通入气体X,用氢氧化钠溶液处理后得到NaNO2,X可为空气,但不能过量,否则得到硝酸钠,故B错误;气体2含有CO、N2,经捕获剂得到氮气和CO,所捕获的气体主要是CO,防止污染空气,故C正确;NaNO2与含有NH的溶液反应生成无污染气体,应生成氮气,发生氧化还原反应,离子方程式为NH+NO===N2↑+2H2O,故D正确。
命题点3:定量探究物质的组成(应用性考点)
3.(2021·银川模拟)碱式碳酸钴[Cox(OH)y(CO3)z]常用作电子材料、磁性材料的添加剂,受热时可分解生成三种氧化物。为了确定其组成,某化学兴趣小组的同学设计了如图所示装置进行实验。
(1)请完成下列实验步骤:
①称取3.65 g样品置于硬质玻璃管内,称量乙、丙装置的质量;
②按如图所示装置组装好仪器,并检验装置的气密性;
③加热甲中玻璃管,当乙装置中__________________(填实验现象),停止加热;
④打开活塞a,缓缓通入空气数分钟后,称量乙、丙装置的质量;
⑤计算。
(2)步骤④中缓缓通入空气数分钟的目的是______________________________。
(3)某同学认为上述实验装置中存在一个明显缺陷,为解决这一问题,可选用下列装置中的__________(填字母)连接在__________(填装置连接位置)。
(4)若按正确装置进行实验,测得如下数据:
乙装置的质量/g
丙装置的质量/g
加热前
80.00
62.00
加热后
80.36
62.88
则该碱式碳酸钴的化学式为____________________________________。
【解析】(1)加热甲中玻璃管,当乙装置中不再有气泡产生,说明碱式碳酸钴分解完毕。(2)步骤④中缓缓通入空气数分钟,将装置中生成的CO2和H2O全部排入乙、丙装置中,以免影响测量结果。(3)在活塞a前,加装装置D,装置中盛放的碱石灰可吸收空气中的水蒸气和二氧化碳。(4)碱式碳酸钴样品的质量为
3.65 g,反应前乙装置的质量为80.00 g,反应后乙装置的质量为80.36 g,故生成水的质量为80.36 g-80.00 g=0.36 g,其物质的量为=
0.02 mol,则碱式碳酸钴样品中含OH-的物质的量为0.04 mol;反应前丙装置的质量为62.00 g,反应后丙装置的质量为62.88 g,生成二氧化碳的质量为
62.88 g-62.00 g=0.88 g,其物质的量为=0.02 mol,则碱式碳酸钴样品中含CO的物质的量为0.02 mol,故样品中钴离子的质量为
3.65 g-17 g·mol-1×0.04 mol-60 g·mol-1×0.02 mol=1.77 g,其物质的量为=0.03 mol,根据Co、H、C原子守恒可知,x∶y∶z=
0.03 mol∶(0.02 mol×2)∶0.02 mol=3∶4∶2,故碱式碳酸钴的化学式为Co3(OH)4(CO3)2。
答案:(1)③不再有气泡产生时
(2)将装置中产生的H2O(g)和CO2全部排入乙、丙装置中
(3)D 活塞a前(或装置甲前) (4)Co3(OH)4(CO3)2
4.(2021·廊坊模拟)Na2O2具有强氧化性,H2具有还原性,某同学根据氧化还原反应的知识推测Na2O2与H2能发生反应。为了验证此推测结果,该同学设计并进行如下实验。
步骤1:按如图所示的装置组装仪器(图中夹持仪器已省略)并检查装置的气密性,然后装入药品。
步骤2:打开K1、K2,在产生的氢气流经装有Na2O2的硬质玻璃管的过程中,未观察到明显现象。
步骤3:进行必要的实验操作,淡黄色的粉末慢慢变成白色固体,无水硫酸铜未变蓝色。
(1)组装好仪器后,要检查装置的气密性。简述检查虚线框内装置气密性的方法:________________。
(2)B装置中所盛放的试剂是________,其作用是________________。
(3)步骤3中的必要操作为打开K1、K2,________(请按正确的顺序填入下列步骤的字母)。
A.加热至Na2O2逐渐熔化,反应一段时间
B.用小试管收集气体并检验其纯度
C.关闭K1
D.停止加热,充分冷却
(4)由上述实验可推出Na2O2与H2反应的化学方程式为____________________。
【解析】(1)关闭K1,向A装置中的漏斗中加水至漏斗内液面高于漏斗外液面,并形成一段水柱,一段时间后水柱稳定不下降,说明启普发生器的气密性良好;(2)A中生成的H2中混有水蒸气和挥发出的HCl,应利用B装置中所盛放的碱石灰吸收氢气中的水和氯化氢;(3)步骤3中的必要操作为打开K1、K2,应先通一会儿氢气并用小试管收集气体并检验其纯度,当装置内空气完全除去后,加热C装置至Na2O2逐渐熔化,反应一段时间,然后停止加热,充分冷却,最后关闭K1,故操作顺序为BADC;(4)Na2O2与H2反应无水生成,说明产物为NaOH,发生反应的化学方程式为Na2O2+H22NaOH。
答案:(1)关闭K1,向A装置中的漏斗中加水至漏斗内液面高于漏斗外液面,并形成一段水柱,一段时间后水柱稳定不下降,说明虚线框内的装置气密性良好 (2)碱石灰 吸收氢气中的水和氯化氢 (3)BADC (4)Na2O2+H22NaOH
考点二 实验的设计与评价(命题指数★★★★★)
命题角度1:定性实验方案的设计与评价
【典例1】(2020·全国Ⅰ卷)为验证不同化合价铁的氧化还原能力,利用下列电池装置进行实验,回答下列问题:
(1)由FeSO4·7H2O固体配制0.10 mol·L-1FeSO4溶液,需要的仪器有药匙、玻璃棒、________(从下列图中选择,写出名称)。
(2)电池装置中,盐桥连接两电极电解质溶液。盐桥中阴、阳离子不与溶液中的物质发生化学反应,并且电迁移率(u∞)应尽可能地相近。根据下表数据,盐桥中应选择________作为电解质。
阳离子
u∞×108/
(m2·s-1·V-1)
阴离子
u∞×108/
(m2·s-1·V-1)
Li+
4.07
HCO
4.61
Na+
5.19
NO
7.40
Ca2+
6.59
Cl-
7.91
K+
7.62
SO
8.27
(3)电流表显示电子由铁电极流向石墨电极。可知,盐桥中的阳离子进入________电极溶液中。
(4)电池反应一段时间后,测得铁电极溶液中c(Fe2+)增加了0.02 mol·L-1。石墨电极上未见Fe析出。可知,石墨电极溶液中c(Fe2+)=________。
(5)根据(3)、(4)实验结果,可知石墨电极的电极反应式为________________,铁电极的电极反应式为________________。因此,验证了Fe2+氧化性小于________,还原性小于____。
(6)实验前需要对铁电极表面活化。在FeSO4溶液中加入几滴Fe2(SO4)3溶液,将铁电极浸泡一段时间,铁电极表面被刻蚀活化。检验活化反应完成的方法是________________________________________________________________。
【解析】(1)由FeSO4·7H2O固体配制0.10 mol·L-1FeSO4溶液的步骤为计算、称量、溶解并冷却至室温、移液、洗涤、定容、摇匀、装瓶、贴标签,由FeSO4·7H2O固体配制0.10mol·L-1 FeSO4溶液需要的仪器有药匙、托盘天平、合适的量筒、烧杯、玻璃棒、合适的容量瓶、胶头滴管。(2)Fe2+、Fe3+能与HCO反应,Ca2+能与SO反应,FeSO4、Fe2(SO4)3都属于强酸弱碱盐,水溶液呈酸性,酸性条件下NO能与Fe2+反应,根据题意“盐桥中阴、阳离子不与溶液中的物质发生化学反应”,盐桥中阴离子不可以选择HCO、NO,阳离子不可以选择Ca2+,另盐桥中阴、阳离子的迁移率(u∞)应尽可能地相近,根据表中数据,盐桥中应选择KCl作为电解质。(3)电流表显示电子由铁电极流向石墨电极,则铁电极为负极,石墨电极为正极,盐桥中阳离子向正极移动,则盐桥中的阳离子进入石墨电极溶液中。(4)根据(3)的分析,铁电极的电极反应式为Fe-2e-===Fe2+,石墨电极上未见Fe析出,石墨电极的电极反应式为Fe3++e-===Fe2+,电池反应一段时间后,测得铁电极溶液中c(Fe2+)增加了0.02 mol·L-1,根据得失电子守恒,石墨电极溶液中c(Fe2+)增加0.04 mol·L-1,石墨电极溶液中c(Fe2+)=
0.05 mol·L-1+0.04 mol·L-1=0.09 mol·L-1。(5)根据(3)、(4)实验结果,可知石墨电极的电极反应式为Fe3++e-===Fe2+,铁电极的电极反应式为Fe-
2e-===Fe2+;电池总反应为Fe+2Fe3+===3Fe2+,根据同一反应中,氧化剂的氧化性强于氧化产物、还原剂的还原性强于还原产物,则验证了Fe2+氧化性小于
Fe3+,还原性小于Fe。(6)在FeSO4溶液中加入几滴Fe2(SO4)3溶液,将铁电极浸泡一段时间,铁电极表面被刻蚀活化,发生的反应为Fe+Fe2(SO4)3===3FeSO4,要检验活化反应完成,只要检验溶液中不含Fe3+即可,检验活化反应完成的方法是取活化后溶液少许于试管中,加入KSCN溶液,若溶液不出现血红色,说明活化反应完成。
答案:(1)烧杯、量筒、托盘天平 (2)KCl (3)石墨
(4)0.09 mol·L-1 (5)Fe3++e-===Fe2+ Fe-2e-===Fe2+ Fe3+ Fe (6)取少许溶液,加入KSCN溶液,不出现血红色
命题角度2:定量实验方案的设计与评价
【典例2】(2020·天津等级考)为测定CuSO4溶液的浓度,甲、乙两同学设计了两个方案。回答下列问题:
Ⅰ.甲方案
实验原理:CuSO4+BaCl2===BaSO4↓+CuCl2
实验步骤:
(1)判断SO沉淀完全的操作为________________。
(2)步骤②判断沉淀是否洗净所选用的试剂为___________________________。
(3)步骤③灼烧时盛装样品的仪器名称为________。
(4)固体质量为w g,则c(CuSO4)=________mol·L-1。
(5)若步骤①从烧杯中转移沉淀时未洗涤烧杯,则测得c(CuSO4)__________(填“偏高”“偏低”或“无影响”)。
Ⅱ.乙方案
实验原理:Zn+CuSO4===ZnSO4+Cu
Zn+H2SO4===ZnSO4+ H2↑
实验步骤:
①按如图安装装置(夹持仪器略去)
②……
③在仪器A、B、C、D、E中加入图示的试剂
④调整D、E中两液面相平,使D中液面保持在0或略低于0刻度位置,读数并记录
⑤将CuSO4溶液滴入A中搅拌,反应完成后,再滴加稀硫酸至体系不再有气体产生
⑥待体系恢复到室温,移动E管,保持D、E中两液面相平,读数并记录
⑦处理数据
(6)步骤②为____________________。
(7)步骤⑥需保证体系恢复到室温的原因是____________________(填序号)。
a.反应热受温度影响 b.气体密度受温度影响
c.反应速率受温度影响
(8)Zn粉质量为a g,若测得H2体积为b mL,已知实验条件下ρ(H2)=d g·L-1,则c(CuSO4)=_______________________________mol·L-1(列出计算表达式)。
(9)若步骤⑥E管液面高于D管,未调液面即读数,则测得c(CuSO4)__________(填“偏高”“偏低”或“无影响”)。
(10)是否能用同样的装置和方法测定MgSO4溶液的浓度:__________(填“是”或“否”)。
【解析】(1)判断SO沉淀完全,可以用BaCl2溶液检验溶液中无SO,操作为向上层清液中继续滴加BaCl2溶液,无白色沉淀生成,则沉淀完全。(2)步骤②判断沉淀是否洗净,可以检验最后一次洗涤液中是否含有Cl-,所选用的试剂为AgNO3溶液。(3)灼烧固体在坩埚中进行,故步骤③灼烧时盛装样品的仪器名称为坩埚。(4)所得固体为BaSO4,n(BaSO4)= mol,根据CuSO4+BaCl2===
BaSO4↓+CuCl2,n(CuSO4)=n(BaSO4)= mol,故c(CuSO4)==
mol·L-1。(5)若步骤①从烧杯中转移沉淀时未洗涤烧杯,则沉淀质量偏小,测定结果偏低。(6)组装完实验装置后,需要检查装置气密性,因此步骤②为检查装置气密性。(7)步骤⑥是测定生成的氢气的体积,需要恢复到室温,是因为气体密度受温度影响。(8)根据Zn+CuSO4===ZnSO4+Cu、Zn+H2SO4===ZnSO4+
H2↑,则n(Zn)=n(CuSO4)+n(H2),故n(CuSO4)=n(Zn)-n(H2)=-=(-) mol,故c(CuSO4)=(-)mol÷(25×10-3 L)= mol·L-1。(9)若步骤⑥E管液面高于D管,未调液面即读数,则压强偏大,导致氢气体积偏小,n(CuSO4)偏大,故测定结果偏高。(10)Mg的活动性比Zn强,Zn不能与MgSO4溶液发生置换反应,故不能用同样的装置和方法测定MgSO4溶液的浓度。
答案:(1)向上层清液中继续滴加BaCl2溶液,无白色沉淀生成,则沉淀完全
(2)AgNO3溶液 (3)坩埚 (4)
(5)偏低 (6)检查装置气密性 (7)b
(8)
(9)偏高 (10)否
1.化学实验方案的设计:
(1)化学实验方案设计的基本思路。
根据实验目的和原理及所选用的药品和仪器,设计合理的装置,并且从几种方案中分析选择出最佳方案。
(2)实验方案设计的基本原则。
a.基本原则:科学性实验原理。b.实验流程:科学合理。c.安全性:保护人身、仪器、环境安全。d.可行性:仪器、条件、试剂在中学现有条件下能满足要求。e.简约性:步骤少、仪器装置简单、节省药品、效果好。
(3)化学实验方案设计的步骤。
2.化学实验方案的评价:
(1)实验评价的主要形式。
从评价的主要针对点来看,实验综合题可分为装置评价型和原理评价型两类。
①实验装置的评价。
对比各方案装置,从装置的合理性、操作的简便可行性等方面进行全面分析,选出最佳装置。
②实验原理的评价。
紧扣实验目的,对各方案的原理综合考虑,从原理是否科学、原料是否节约、误差是否较小等方面进行全面分析,选出最佳方案。
(2)实验方案评价的解题思路。
一个实验方案的优劣主要从实验原理是否科学合理,操作与装置是否简单可行,以及绿色化学和安全性的角度去评价。
①从“科学性”和“可行性”方面对实验方案作出评价。
评价时可从以下4个方面分析:实验原理是否科学;实验操作是否合理;实验步骤是否简单、方便;实验效果是否明显。
②从“绿色化学”视角对实验方案作出评价。
反应原料是否易得、安全、无毒;原料利用率以及生成物的产率是否较高;实验过程中是否造成环境污染。
③从“安全性”方面对实验方案作出评价。
化学实验从安全角度常考虑的因素主要有防倒吸、防爆炸、防吸水、防泄漏、防着火、防溅液、防破损等。
命题点1:客观题中定性实验的设计与评价(综合性考点)
1.(2021·南京模拟)河水中含有一些悬浮物和胶体,用自然沉降法难以除去,常加入混凝剂使其聚集成较大颗粒而沉淀除去。现有盛有河水的三个烧杯,做如下实验,下列说法不正确的是( )
实验
现象
烧杯1
加入FeSO4·7H2O,搅拌静置
一段时间河水仍然浑浊
烧杯2
加入适量NaOH溶液调整pH=9,然后加入FeSO4·7H2O,搅拌静置
一段时间河水变得澄清
烧杯3
加入Fe2(SO4)3,搅拌静置
河水迅速变得澄清
A.混凝剂除去悬浮物质的过程既有物理变化又有化学变化
B.FeSO4·7H2O是常用的混凝剂,它在水中最终生成Fe(OH)2沉淀
C.Fe2+在碱性条件下更易被氧化
D.除去河水中的Ca2+、Mg2+,可向水中加入生石灰后再加入纯碱
【解析】选B。混凝剂FeSO4·7H2O,被氧化、水解生成Fe(OH)3,Fe2(SO4)3水解生成Fe(OH)3,Fe(OH)3胶体具有吸附作用,因此除去悬浮物质的过程既有物理变化又有化学变化,故A正确;根据A中分析FeSO4·7H2O是常用的混凝剂,它在水中最终生成Fe(OH)3,故B错误;根据烧杯2中实验Fe2+在碱性条件下更易被氧化,生成Fe(OH)3,故C正确;除去河水中的Ca2+、Mg2+,可向水中加入生石灰除掉Mg2+,反应后再加入纯碱除掉Ca2+,故D正确。
命题点2:客观题中定量实验的设计与评价(综合性考点)
2.为检验某加碘食盐中是否含有KIO3,取相同食盐样品进行下表所示实验:
实验①
实验②
实验③
振荡,溶液迅
速变为蓝色
振荡,一段时间后
溶液变为浅蓝色
振荡,溶液变
为浅黄色
下列说法不正确的是( )
A.仅由实验①不能证明食盐样品中存在KIO3
B.实验②中发生反应的离子方程式为4I-+O2+4H+===2I2+2H2O
C.实验③变为浅黄色是因为Fe2+被氧化
D.以上实验说明离子的还原性:I->Fe2+
【解析】选D。实验①中溶液迅速变为蓝色,说明溶液中有I2,但仅由实验①不能说明是碘化钾在酸性条件下被KIO3氧化,不能证明食盐中存在KIO3,A说法正确;实验②碘化钾在酸性条件下被空气中的氧气氧化,则一段时间后变蓝,反应的离子方程式为4I-+O2+4H+===2I2+2H2O,B说法正确;实验③溶液呈浅黄色,为铁离子的颜色,说明亚铁离子被氧化,可能是被空气中的氧气氧化或被碘酸钾氧化,C说法正确;②中说明碘离子能够被氧气氧化,③中说明亚铁离子能够被氧气或碘酸钾氧化,以上实验不能判断I-和Fe2+的还原性强弱,D说法错误。
命题点3:主观题中定性实验的设计与评价(应用性考点)
3.(2021·安庆模拟)实验室以绿矾(FeSO4·7H2O)制备补血剂甘氨酸亚铁[(NH2CH2COO)2Fe],有关物质性质如下:
甘氨酸
(NH2CH2COOH)
柠檬酸
甘氨酸亚铁
易溶于水,难溶于乙醇,两性化合物
易溶于水和乙醇,有强酸性和还原性
易溶于水,难溶于乙醇
实验过程:
Ⅰ.配制含0.10 mol FeSO4的绿矾溶液。
Ⅱ.制备FeCO3:向配制好的绿矾溶液中,缓慢加入200 mL 1.1 mol·L-1NH4HCO3溶液,边加边搅拌,反应结束后过滤并洗涤沉淀。
Ⅲ.制备(NH2CH2COO)2Fe:实验装置如图(夹持和加热仪器已省略),将实验Ⅱ得到的沉淀和含0.20 mol甘氨酸的水溶液混合后加入C中,然后利用A中的反应将C中空气排净,接着滴入柠檬酸溶液并加热。反应结束后过滤,滤液经蒸发结晶、过滤、洗涤、干燥得到产品。
回答下列问题:
(1)实验Ⅰ中:实验室配制绿矾溶液时,为防止FeSO4被氧化变质,应加入的试剂为_______________(写化学式)。再滴加少量稀硫酸的作用是_____________。
(2)实验Ⅱ中:生成沉淀的离子方程式为____________________。
(3)实验Ⅲ中:①C中盛柠檬酸溶液的仪器名称为________________。
②装置A中所盛放的药品是________。(填序号)
A.Na2CO3和稀H2SO4
B.CaCO3和稀H2SO4
C.CaCO3和稀盐酸
③确认C中空气排尽的实验现象是________________________________。
④加入柠檬酸溶液一方面可调节溶液的pH促进FeCO3溶解,另一个作用是____________________________。
⑤洗涤实验Ⅲ中得到的沉淀,所选用的最佳洗涤试剂是________。(填序号)
A.热水 B.乙醇溶液 C.柠檬酸溶液
⑥若产品的质量为17.34 g,则产率为________%。
【解析】(1)Fe2+具有还原性,能被空气中的氧气氧化,因此需要加入Fe粉,防止Fe2+被氧化;Fe2+能发生水解,加入稀硫酸的目的是抑制Fe2+的水解;(2)实验Ⅱ制备的是FeCO3,所用试剂为FeSO4和NH4HCO3,利用HCO的电离HCOCO+H+,Fe2+结合CO,促使平衡向正反应方向进行,H+浓度增大,
H+与HCO反应生成CO2,因此离子方程式为Fe2++2HCO===FeCO3↓+CO2↑+H2O;(3)①根据仪器的特点,盛放柠檬酸的仪器是恒压滴液漏斗;②装置A制备CO2,装置A为启普发生器的简易装置,因此盛放的药品是CaCO3和盐酸,故C正确;③空气排尽,CO2充满装置,即装置D中出现白色沉淀或溶液变浑浊;④根据信息,柠檬酸具有还原性和强酸性,能够促进FeCO3的溶解,防止Fe2+被氧化;⑤甘氨酸亚铁易溶于水,难溶于乙醇,因此用乙醇溶液洗涤,故选项B正确;⑥甘氨酸亚铁的物质的量为0.2÷2=0.1(mol),质量为20.4 g,产率为×100%=85%。
答案:(1)Fe 防止Fe2+水解 (2)Fe2++2HCO===FeCO3↓+CO2↑+H2O (3)①恒压滴液漏斗 ②C ③D中澄清石灰水变浑浊 ④防止二价铁被氧化 ⑤B ⑥85
命题点4:主观题中定量实验的设计与评价(应用性考点)
4.(2021·西安模拟)Mn2O3是一种重要的工业原料,在电磁和有机合成等领域应用广泛。某学习小组在实验室用CH4还原MnO2制备Mn2O3,并测定产品纯度。请回答下列问题:
Ⅰ.制备Mn2O3(实验装置如图所示)。已知:Al4C3+12H2O===4Al(OH)3+3CH4↑
(1)仪器a的名称为________。
(2)连接好实验装置,检验装置的气密性,加入试剂,_______________(填操作步骤),点燃装置C处酒精灯。
(3)仪器b中同时生成两种能参与大气循环的物质,该反应的化学方程式为________________________。
(4)上述实验装置有一处明显的缺陷,改进措施为__________________。
Ⅱ.测定产品中Mn2O3的纯度(只考虑产品中混有少量未参与反应的MnO2)
ⅰ.实验结束后,取仪器b中所得固体7.19 g,加入足量硫酸酸化的KI溶液,使固体中锰元素全部转化为Mn2+;
ⅱ.将所得溶液稀释至500 mL;
ⅲ.取25.00 mL稀释后的溶液,滴加淀粉溶液作指示剂,用0.200 mol·L-1的Na2S2O3标准溶液滴定,达到滴定终点时,消耗25.00 mL Na2S2O3标准溶液。
(2Na2S2O3+I2===Na2S4O6+2NaI)
(5)步骤ⅰ中发生反应的离子方程式为____________________。
(6)步骤ⅲ中滴定终点的现象为________________________________________。
(7)所取固体中Mn2O3的质量分数为________(计算结果精确到0.1%)。
【解析】(1)根据图中信息得到仪器a的名称为球形干燥管;(2)连接好实验装置,检验装置的气密性,加入试剂,打开分液漏斗的活塞,一段时间后,在干燥管末端收集气体并验纯,点燃装置C处酒精灯;(3)仪器b中同时生成两种能参与大气循环的物质,根据元素守恒得到二氧化碳和水,因此该反应的化学方程式为8MnO2+CH44Mn2O3+CO2+2H2O;(4)甲烷是可燃性气体,反应时还有甲烷未参与反应,因此上述实验装置有一处明显的缺陷,改进措施为在整套装置末端对未参与反应的CH4进行点燃处理或用气囊收集;(5)步骤ⅰ中发生的是MnO2在酸性条件下氧化碘离子,Mn2O3在酸性条件下氧化碘离子,因此反应的离子方程式为MnO2+4H++2I-===Mn2++2H2O+I2、Mn2O3+6H++2I-===2Mn2++3H2O+I2;(6)开始溶液是蓝色,开始滴定,颜色逐渐变浅,因此步骤ⅲ中滴定终点的现象为溶液蓝色消失,且30 s不恢复原色;(7)根据2Na2S2O3+I2===Na2S4O6+2NaI得到n(I2)=×0.200 mol·L-1×0.025 L×20=0.05 mol,设Mn2O3物质的量为x mol,MnO2物质的量为y mol,根据反应方程式MnO2+4H++2I-===Mn2++2H2O+I2、Mn2O3+6H++2I-===2Mn2++3H2O+I2,则有x mol+y mol=0.05 mol,158 g·mol-1×x mol+87 g·mol-1×y mol=7.19 g,得到x=0.04,Mn2O3的质量分数为w=×100%≈87.9%。
答案:(1)球形干燥管 (2)打开分液漏斗的活塞,一段时间后,在干燥管末端收集气体并验纯
(3)8MnO2+CH44Mn2O3+CO2+2H2O
(4)在整套装置末端对未参与反应的CH4进行点燃处理或用气囊收集
(5)MnO2+4H++2I-===Mn2++2H2O+I2、
Mn2O3+6H++2I-===2Mn2++3H2O+I2
(6)溶液蓝色消失,且30 s不恢复原色 (7)87.9%
【加固训练—拔高】
1.(2021·东营模拟)化学小组探究FeCl3溶液与Na2S溶液的反应产物,利用如图装置进行以下实验:
Ⅰ.向盛有0.1 mol·L-1FeCl3溶液的三颈瓶中,滴加一定量0.1 mol·L-1Na2S溶液,搅拌,能闻到臭鸡蛋气味,产生沉淀A。
Ⅱ.向盛有0.1 mol·L-1Na2S溶液的三颈瓶中,滴加少量0.1 mol·L-1FeCl3溶液,搅拌,产生沉淀B。
已知:①FeS2为黑色固体,且不溶于水和盐酸。
②Ksp(Fe2S3)=1×10-88,Ksp(FeS2)=6.3×10-31,Ksp[Fe(OH)3]=1×10-38,Ksp(FeS)=4×10-19
回答下列问题:
(1)NaOH溶液的作用是_________________________________________。
小组同学猜测,沉淀A、B可能为S、硫化物或它们的混合物。他们设计如下实验进行探究:
实验一、探究A的成分
取沉淀A于小烧杯中,进行如下实验:
(2)试剂X是________________。由此推断A的成分是________________(填化学式)。
实验二、探究B的成分
取沉淀B于小烧杯中,进行如下实验:
(3)向试管a中加入试剂Y,观察到明显现象,证明溶液中存在Fe2+,试剂Y是________,明显现象是________________________。由此推断B的成分是________________________(填化学式)。
(4)请分析Ⅱ中实验未得到Fe(OH)3的原因是____________________________。
【解析】(1)实验中产生了臭鸡蛋气味的H2S有毒气体,为避免污染环境,用氢氧化钠吸收;(2)实验现象中分离出淡黄色固体硫,硫的溶解度是易溶于二硫化碳、微溶于酒精、不溶于水,固体加盐酸后溶解闻到臭鸡蛋气味,说明是FeS;(3)亚铁离子和K3[Fe(CN)6]溶液反应生成蓝色沉淀,亚铁离子遇到NaOH溶液生成白色沉淀,转化为灰绿色、最后变为红褐色;FeCl3溶液和Na2S溶液间可发生复分解反应生成Fe2S3也可发生氧化还原反应生成FeS和S的混合物,根据加试剂X得溶液甲加热无淡黄色固体,说明无硫单质,及后续实验和现象,故FeCl3溶液和Na2S溶液间发生复分解反应生成Fe2S3;(4)已知Ksp[Fe(OH)3]=10-38,Ksp(Fe2S3)=10-88,可知Fe2S3的溶解度远小于Fe(OH)3,则Fe3+更容易生成Fe2S3沉淀。
答案:(1)吸收H2S有毒气体 (2)二硫化碳 FeS和S的混合物 (3)K3[Fe(CN)6]溶液或NaOH溶液 生成蓝色沉淀或生成白色沉淀,转化为灰绿色、最后变为红褐色 Fe2S3 (4)由溶度积数据知,Fe2S3的溶解度远小于Fe(OH)3,Fe3+更容易生成Fe2S3沉淀
2.(2021·天山模拟)中美贸易战的矛盾激化,让我们看到了中国半导体产业存在的诸多不足,俗话说“亡羊补牢,为时未晚”,找出存在的不足,然后针对地去解决问题,才能让半导体产业链发展壮大起来。三氯氧磷(POCl3)是一种重要的化工原料,常用作半导体掺杂剂及光导纤维原料。一研究小组在实验室模拟PCl3+SO2+Cl2===POCl3+SOCl2制备POCl3并测定产品含量。
资料卡片:
物质
熔点
/℃
沸点
/℃
相对分
子质量
其他
PCl3
-111.8
76.1
137.5
遇水剧烈水解,
易与O2反应
POCl3
2
105.3
153.5
遇水剧烈水解,
能溶于PCl3
SOCl2
-105
78.8
119
遇水剧烈水解,
受热易分解
请回答下列问题:
(1)若选用Na2SO3固体与70%浓H2SO4制取SO2,反应的化学方程式是____________。
(2)溶液A为饱和食盐水,乙装置中应该盛装的试剂为____________(填“P2O5”“碱石灰”“浓H2SO4”或“无水硫酸铜”);反应装置图的虚框中未画出的仪器最好选择________(填“己”或“庚”)。
(3)甲、丁装置的作用除了用于气体的净化除杂外,还有________________。
(4)水浴加热三颈烧瓶,控制反应温度在60~65℃,其原因是________________。
(5)通过佛尔哈德法可测定经过提纯后的产品中POCl3的含量:准确称取1.600 g样品在水解瓶中摇动至完全水解,将水解液配成100 mL溶液,取10.00 mL于锥形瓶中,加入0.200 0 mol·L-1的AgNO3溶液20.00 mL(Ag++Cl-===AgCl↓),再加少许硝基苯,用力振荡,使沉淀被有机物覆盖。加入NH4Fe(SO4)2作指示剂,用0.100 0 mol·L-1KSCN标准溶液滴定过量的AgNO3至终点(Ag++SCN-===AgSCN↓),做平行实验,平均消耗KSCN标准溶液10.00 mL。
①达到滴定终点的现象是_____________________________________。
②POCl3的质量分数为____________(保留三位有效数字)。
③已知:Ksp(AgCl)=3.2×10-10mol2·L-2,Ksp(AgSCN)=2×10-12mol2·L-2,若无硝基苯覆盖沉淀表面,测定POCl3的质量分数将________(填“偏大”“偏小”“无影响”)。
【解析】(1)Na2SO3固体与70%浓H2SO4反应生成硫酸钠、二氧化硫和水,反应的化学方程式为Na2SO3+H2SO4===Na2SO4+SO2↑+H2O;(2)溶液A中饱和食盐水的作用是除去氯气中混有的氯化氢,装置乙中盛有酸性固体干燥剂五氧化二磷,干燥氯气,防止水蒸气进入三颈烧瓶中导致三氯氧磷水解;装置中球形冷凝管的作用是冷凝回流三氯化磷、三氯氧磷等,防止三氯化磷、三氯氧磷等受热挥发,降低三氯氧磷的产率,为增强冷凝效果不能选用直形冷凝管,应选择装置己;(3)甲、丁装置的作用除了用于气体的净化除杂外,还可以起到观察产生气泡的速率控制通入气体的流速,有利于反应充分进行;(4)因若温度太低,反应速率太慢,若温度太高,PCl3等物质受热挥发,降低三氯氧磷的产率,所以实验时用水浴加热三颈烧瓶,控制反应温度在60~65 ℃;(5)①由题意可知,测定POCl3产品含量时以NH4Fe(SO4)2溶液为指示剂,用KSCN溶液滴定过量的AgNO3溶液,达到终点时的现象是滴入最后一滴KSCN标准溶液,溶液变红色,且半分钟内不褪色;②KSCN的物质的量为0.1 mol·L-1×0.01 L=0.001 mol,根据反应Ag++SCN-===AgSCN↓,可知溶液中剩余的银离子的物质的量为0.001 mol,则与POCl3和水反应生成的氯化氢反应的银离子的物质的量为(0.004 mol-0.001 mol)=0.003mol,水解生成的氯化氢的物质的量为0.003 mol,由题意可知1.600 g样品中POCl3的物质的量为×=0.01 mol,所以产品中POCl3的质量分数为×100%≈95.9%;③加入少量硝基苯可以使生成的氯化银沉淀离开溶液,如果不加硝基苯,在水溶液中部分氯化银可以转化成AgSCN,已知:Ksp(AgCl)=3.2×10-10mol2·L-2,Ksp(AgSCN)=2×10-12mol2·L-2,AgSCN沉淀的溶解度比AgCl小,
如果不进行此操作,则会有AgCl部分电离,消耗的KSCN溶液偏多,导致样品中氯元素的含量偏小,测定POCl3的质量分数将偏小。
答案:(1)Na2SO3+H2SO4===Na2SO4+SO2↑+H2O (2)P2O5 己
(3)通过观察产生气泡的速率控制通入气体的流速
(4)温度太低,反应速率太慢;温度太高,PCl3等物质受热挥发,降低三氯氧磷的产率
(5)①滴入最后一滴KSCN标准溶液,溶液变红色,且半分钟内不褪色 ②95.9% ③偏小
考点一 无机物的制备(命题指数★★★★★)
一、气体的制备
1.常见的气体制备原理:
(1)O2:2KClO32KCl+3O2↑、
2KMnO4K2MnO4+MnO2+O2↑或
2H2O22H2O+O2↑。
(2)H2:Zn+H2SO4===ZnSO4+H2↑。
(3)NH3:2NH4Cl+Ca(OH)2CaCl2+2H2O+2NH3↑;
NH3·H2ONH3↑+H2O。
(4)CO2:CaCO3+2HCl===CaCl2+H2O+CO2↑。
(5)Cl2:MnO2+4HCl(浓)MnCl2+Cl2↑+2H2O;
2KMnO4+16HCl(浓)===2KCl+2MnCl2+5Cl2↑+8H2O。
(6)SO2:Na2SO3+H2SO4===Na2SO4+H2O+SO2↑。
(7)NO:3Cu+8HNO3(稀)===3Cu(NO3)2+2NO↑+4H2O。
(8)NO2:Cu+4HNO3(浓)===Cu(NO3)2+2NO2↑+2H2O。
(9)H2S:FeS+H2SO4===FeSO4+H2S↑。
(10)C2H4:C2H5OHC2H4↑+H2O。
(11)C2H2:CaC2+2H2O===Ca(OH)2+C2H2↑。
2.常见气体制备的发生装置:
气体制备装置
注意事项
“固—固”加热装置(该装置可用于制备O2和NH3等)
A.试管口应略向下倾斜,防止水蒸气冷凝回流炸裂试管
B.试管夹夹在距试管口1/3处
C.药品应平铺于试管底部
D.导管不宜伸入试管内过长,粉末状固体应在试管口堵一团棉花
E.实验前先检验装置的气密性
F.加热时,先预热,且用外焰加热
“固(液)—液”加热装置(该装置可用于制备Cl2、NH3、HCl、C2H4、CO等)
A.实验前检验装置的气密性
B.加热烧瓶需要垫石棉网
C.加热时要先预热,使受热均匀
D.加热易暴沸的混合物时要加碎瓷片,防暴沸
E.制乙烯时不必用分液漏斗,但要用温度计控制反应温度
F.若使用分液漏斗,滴液前先打开上口活塞或将上口活塞处小孔对准凹槽,以保证液体顺利滴下;分液漏斗中液体滴完后,应及时关闭漏斗活塞,防止气体经分液漏斗逸出
“固(液)-液”不加热装置(该装置可用于制备H2、 O2、 Cl2、 NH3、 CO2、 H2S、SO2、NO2、NO和C2H2等)
A.使用前检验装置的气密性
B.使用长颈漏斗应将下端管口插入液面以下
C.制H2S时应在通风橱中
D.启普发生器只适用于块状固体与液体在反应速率适中且不加热(也不能大量放热)条件下制取难溶于反应混合物的气体如CO2、H2S、H2(不可用于制C2H2、SO2、NO2)
3.常见的气体净化除杂装置:
(1)设计原则:根据主要气体及杂质气体的性质差异来选择除杂试剂及除杂装置。
(2)除杂装置基本类型。
装置
示意图
适用
范围
试剂与杂质气体反应,与主要气体不反应;装置③用固体吸收还原性或氧化性杂质气体
杂质气体被冷却后变为液体,主要气体不变为液体
(3)常见的除杂方法。
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。
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。
(4)吸收剂的选择。
①原则。
不减原则:通过操作之后,目标气体的量不能减少;
不反应原则:除杂试剂不能与目标气体反应。
②常见吸收剂。
试剂
适用范围
浓硫酸
利用吸水性,可除去H2、SO2、HCl、CO、NO2、CH4等气体中混有的水蒸气(不能用于干燥H2S、HI、HBr、NH3)
NaOH溶液
可吸收CO2、SO2、H2S、Cl2、NO2等酸性气体
饱和NaHCO3
溶液/NaHSO3
溶液
可除去CO2/SO2中混有的HCl等气体
酸性KMnO4
溶液
可除去SO2、H2S等还原性气体
CuSO4溶液
除去H2S、PH3等气体
CCl4或苯
等有机溶剂
除去Br2、苯蒸气等
③常见干燥剂。
酸性
干燥剂
浓硫酸、P2O5
可以干燥H2、O2、N2、CO2、CO、Cl2、HCl、SO2、CH4等气体
碱性
干燥剂
碱石灰
主要用于干燥NH3,但也可干燥H2、O2、N2、CO和CH4等
中性
干燥剂
CaCl2
可以干燥H2、O2、N2、CO2、Cl2、HCl和H2S等,但不能干燥NH3
4.常见的气体收集装置:
收集方法
收集装置
适用范围
向上排
空气法
适用于收集密度比空气大的气体,如CO2、Cl2、HCl 等
向下排
空气法
适用于收集密度比空气小的气体,如H2、NH3等
排水法(或排饱和溶液法)
适用于收集难溶或微溶于水,且与水不反应的气体,如H2、O2、NO、C2H2、N2、CO等;也可排饱和溶液,如Cl2(排饱和食盐水)
5.常见的尾气处理装置
尾气处
理方法
尾气处理装置
适用范围
直接排放
/
适用于空气组分O2、N2
水溶解法
适用于极易溶于水的HX、NH3等
碱液(或
碱性干燥
剂)吸收法
适用于Cl2、H2S、CO2、SO2、NO2等酸性气体
燃烧法
适用于可燃且燃烧产物对环境无害的气体,如CH4、C2H4、C2H2、H2、CO等
收集法
适用于处理直接排放污染空气的气体,如CO、H2S、SO2等
二、几种非气体物质的制备
1.氢氧化铝的制备:
(1)原理。
①铝盐法:Al3++3NH3·H2O===Al(OH)3↓+3NH。
②偏铝酸盐法:AlO+CO2+2H2O===Al(OH)3↓+HCO。
③铝盐和偏铝酸盐水解法:Al3++3AlO+6H2O===4Al(OH)3↓。
(2)注意事项。
氢氧化铝属于两性氢氧化物,能溶于氢氧化钠溶液,但不溶于氨水,制备时一般用可溶性铝盐与氨水反应。
2.氢氧化亚铁的制备:
(1)原理:离子方程式:Fe2++2OH-===Fe(OH)2↓。
(2)注意事项。
①Fe(OH)2有强还原性,易被空气中的O2氧化而迅速变色,因此用于配制硫酸亚铁溶液和氢氧化钠溶液的蒸馏水常通过煮沸除去水中溶解的氧气。
②将吸有氢氧化钠溶液的胶头滴管伸入硫酸亚铁溶液液面下,再将氢氧化钠溶液挤出。
③还可在硫酸亚铁溶液上方加一层植物油,以减少与空气的接触。
3.氢氧化铁胶体的制备:
实验
步骤
在洁净的小烧杯里加入约25 mL蒸馏水,加热至沸腾,然后向沸水中逐滴加入1~2 mL FeCl3饱和溶液,继续煮沸至液体呈红褐色,停止加热
实验现
象及结
论
所制胶体呈红褐色透明状
化学方
程式
FeCl3+3H2OFe(OH)3(胶体)+3HCl
4.氨碱法制纯碱:
制备
原理
向浓氨水中加足量食盐晶体制成饱和氨盐水,然后向饱和氨盐水中通入足量的CO2气体生成NaHCO3,因为NaHCO3在该状态下溶解度小先结晶析出。再加热分解得到纯碱、水和二氧化碳
化学
方程
式
NaCl+NH3+H2O+CO2===NaHCO3↓+NH4Cl
2NaHCO3Na2CO3+H2O+CO2↑
1.判断下列说法是否正确,正确的打“√”,错误的打“×”
(1)SO2是还原性气体,不能用浓硫酸干燥。( )
提示:×。SO2与浓硫酸不反应,可以用浓硫酸干燥。
(2)吸收NH3可用如图装置,或将有机溶剂CCl4换成苯。( )
提示:×。NH3极易溶于水,如题图所示装置可以防倒吸,苯的密度小于水,不能有效防倒吸。
(3)使用MnO2作催化剂制备氧气,不一定需要加热。( )
提示:√。若用MnO2催化氯酸钾分解需要加热,而催化过氧化氢分解不需加热。
(4)除去SO2中混有的HCl气体,可将气体通过装有饱和Na2SO3溶液的洗气瓶,再干燥。( )
提示:×。除杂试剂应选用饱和NaHSO3溶液。
(5)实验室中可利用二氧化锰或高锰酸钾与浓盐酸反应制取氯气,两制备方法中氯气的发生装置完全相同。( )
提示:×。二氧化锰与浓盐酸反应需要加热,高锰酸钾与浓盐酸反应不需要加热,二者制备氯气的装置不同。
(6)可利用如图装置收集氢气。( )
提示:√。氢气难溶于水,可用排水法进行收集。
2.实验室合成硫酰氯要先制取干燥氯气。制备干燥纯净的氯气所用仪器如图:
上述仪器的连接顺序:e接______,________接______,______接______,______接______(按气流方向,用小写字母表示)。
提示:d c a b i h g
命题角度1:气体的制备、净化、收集
【典例1】(2021·济南模拟)实验室中某些气体的制取、收集及尾气处理装置如图所示(夹持和净化装置省略)。仅用以下实验装置和表中提供的物质完成相关实验,最合理的选项是( )
选项
a中的
液体
b中的
物质
c中收集
的气体
d中的
液体
A
浓氨水
碱石灰
NH3
H2O
B
浓硝酸
Cu
NO2
H2O
C
浓硫酸
Na2SO3
SO2
NaOH溶液
D
稀硝酸
Cu
NO
NaOH溶液
【解析】选C。浓氨水与碱石灰不加热可以制取氨气,但是氨气的密度比空气小,不能用向上排空气法收集,A错误;浓硝酸与Cu反应产生NO2气体,NO2密度比空气大,可以用向上排空气法收集,NO2是大气污染物,但NO2若用水吸收,会发生反应:3NO2+H2O===2HNO3+NO,产生的NO仍然会污染空气,B错误;浓硫酸与Na2SO3发生复分解反应,产生Na2SO4、H2O、SO2,SO2密度比空气大,可以用向上排空气法收集,SO2是大气污染物,可以用NaOH溶液吸收,发生反应为SO2+2NaOH===Na2SO3+H2O,为防止倒吸,安装了倒扣漏斗,从而达到环境保护的目的,C正确;稀硝酸与Cu反应产生NO气体,NO与空气中的氧气会发生反应,所以不能用排空气法收集,D错误。
(2021·潍坊模拟)图中a、b、c表示相应仪器中加入的试剂,可用如图装置制取、净化、收集的气体是( )
选项
气体
a
b
c
A
SO2
浓硫酸
亚硫酸钠
碱石灰
B
CO2
盐酸
碳酸钙
饱和NaHCO3
C
NO
稀硝酸
铜屑
H2O
D
NO2
浓硝酸
铜屑
NaOH溶液
【解析】选B。亚硫酸钠和浓硫酸反应生成二氧化硫,二氧化硫能与碱石灰反应,不能用碱石灰来净化二氧化硫,故A错误;盐酸和碳酸钙反应生成二氧化碳,盐酸有挥发性,所以生成的二氧化碳中有氯化氢,氯化氢和碳酸氢钠反应生成二氧化碳,饱和的碳酸氢钠和二氧化碳不反应,所以可用饱和碳酸氢钠洗气,二氧化碳的密度大于空气的密度,所以可用向上排空气法收集,故B正确;铜和稀硝酸反应生成一氧化氮,一氧化氮和氧气反应生成二氧化氮,所以不能用排空气法收集一氧化氮,故C错误;铜和浓硝酸反应生成二氧化氮,浓硝酸有挥发性,所以二氧化氮中有硝酸,硝酸能和碱反应,二氧化氮和碱也反应,所以不能用氢氧化钠洗气,故D错误。
【规律方法】气体制备题的备考策略
①气体制备装置的选择,应根据反应物的聚集状态和反应条件,选择“固-固加热”“固(液)-液加热”“固(液)-液不加热”的装置。如NH3的实验室制备方法,若选用NH4Cl和Ca(OH)2固体为原料,应选用“固-固加热”装置;若选用浓氨水为原料,应选用“固(液)-液加热”装置;若选择浓氨水和碱石灰为原料,应选用“固-液不加热”装置。
②除杂方法和试剂的选择,应首先考虑制备所得气体中混有的杂质,再选择合适试剂洗去杂质同时不影响目标气体产物;混有的水蒸气应最后除去,干燥剂的选择应根据目标气体产物的性质决定。如实验室制备所得Cl2中混有HCl和水蒸气,应先通过饱和食盐水除去HCl,再用浓硫酸干燥。
③收集方式的选择,应根据目标气体的溶解性和密度选择,若不溶于水且不与水反应(如NO等)可选用排水法,密度大于空气(如CO2等)可选用向上排空气法,密度小于空气(如H2等)可选用向下排空气法,某些气体可用排饱和溶液的方法(如收集Cl2可用排饱和食盐水的方法)。
④尾气处理方法的选择,应考虑尾气的性质,若易溶于水的气体(如NH3等)可用水吸收尾气并防倒吸;易与碱反应的酸性气体(如SO2等)可用碱液吸收;易燃的气体(如CH4等)可点燃处理;不能直接处理的气体(如NO等)可收集。
【典例2】(2021·石嘴山模拟)图中装置可以用来制取、洗涤、干燥、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.二氧化锰和浓盐酸生成氯气
C.碳酸钙和盐酸生成二氧化碳
D.浓氨水和烧碱制取氨气
【解析】选A。锌和盐酸反应生成的氢气可以用水除去挥发出来的氯化氢气体,可以用浓硫酸干燥,可以用向下排空气法收集,因此该装置可用于锌和盐酸反应制取氢气,故A正确;二氧化锰和浓盐酸生成氯气,反应需加热,氯气和水反应,氯气比空气重应用向上排空气法收集,故B错误;二氧化碳的密度比空气大,不能用向下排空气法收集,因此该装置不能用于碳酸钙和盐酸反应制取二氧化碳,故C错误;氨气极易溶于水,能和浓硫酸反应,不能用浓硫酸干燥氨气,因此该装置不能用于浓氨水和烧碱混合制取氨气,故D错误。
命题角度2:非气体的制备
【典例3】在一定条件下,向Al2O3和过量C粉的混合物中通入氯气,可制得易水解的AlCl3,实验装置如图所示(尾气吸收装置略)。下列说法中正确的是( )
A.a装置分液漏斗中药品为稀盐酸
B.b装置中盛装的是浓硫酸
C.实验结束时,先熄灭d处的酒精灯
D.e装置可以用装有氢氧化钠溶液的洗气瓶代替
实验目的:利用Al2O3、过量C粉与氯气在加热条件下反应制取AlCl3。
实验原理:
制备装置1:利用浓盐酸和MnO2在加热条件下制取氯气。
净化装置:氯气中含有HCl与H2O杂质,先利用饱和食盐水除去HCl,用浓硫酸除水。
制备装置2:在加热条件下发生反应Al2O3+3Cl2+3C2AlCl3+3CO制取AlCl3。
吸收装置:氯气有毒需要尾气处理,且AlCl3易水解需防止水蒸气进入。
【解析】选C。根据分析可知,a装置为二氧化锰和浓盐酸在加热条件下制取氯气的装置,故a装置分液漏斗中药品为浓盐酸,A错误;b装置为吸收挥发的HCl气体,盛装的是饱和NaCl溶液,B错误;实验结束时,为防止倒吸,应先熄灭d处的酒精灯,C正确;由于氯化铝易水解,e中盛装碱石灰的目的是尾气处理,并防止空气中的水蒸气进入装置d中,若用装有氢氧化钠溶液的洗气瓶代替,不能达到防止空气中的水蒸气进入装置d中的目的,D错误。
在题干不变的条件下,将实验装置改为如图所示的装置,则下列说法不正确的是( )
A.c中盛装的是浓硫酸
B.实验时应先点燃d处酒精灯,再点燃a处酒精灯
C.此反应中的尾气,除氯气外都可直接排放到大气中
D.该装置不完善,其中应改进的一项是在d、e之间添加一个干燥装置
【解析】选C。A项,c中盛装的是浓硫酸,干燥氯气,正确;B项,实验时应先点燃d处酒精灯,再点燃a处酒精灯,可以充分利用氯气,正确;C项,此反应中的尾气,除氯气外还有CO等,不能直接排放到大气中,错误;D项,为防止e装置中的水蒸气进入d,在d、e之间应添加一个干燥装置,正确。
1.涉气类制备实验操作流程:
→→→→→
2.涉气类制备实验先后顺序:
(1)装配仪器时:先下后上,先左后右。
(2)加入试剂时:先固后液。
(3)实验开始时:先检查装置气密性,再加药品,后点燃酒精灯。
(4)净化气体时:一般先除去有毒、有刺激性气味的气体,后除去无毒、无味的气体,最后除水蒸气。
(5)防倒吸实验:往往是最后停止加热或停止通气。
(6)防氧化实验:往往是最后停止通气。
3.气体制备装置的改进:
(1)
改进的目的:用于加热易熔化的固体物质,这样可以有效地防止固体熔化时造成液体的倒流,如草酸晶体受热分解制取CO2气体。
(2)“固体+液体―→气体”装置的创新。
(3)“固(液)+液气体”装置的创新。
图A的改进优点是能控制反应液的温度。
图B的改进优点是使圆底烧瓶和分液漏斗中的气体压强相等,便于液体顺利流下。
命题点1:气体的制备、净化、收集(基础性考点)
1.(2021·杭州模拟)下列关于实验室制取CO2、NH3和CaCO3的实验原理或操作能达到实验目的的是( )
【解析】选D。长颈漏斗下端管口没有浸没在液体中,会导致CO2气体的逸出,故A错误;碱石灰会吸收二氧化碳,不能用于净化CO2气体,故B错误;收集氨气时不能用橡皮塞堵住试管,应该用棉花,故C错误;CO2+2NH3+CaCl2+H2O===CaCO3↓+2NH4Cl,故可用该装置制取CaCO3,故D正确。
2.(2021·开封模拟)某实验小组拟利用如图装置制取干燥的氮气。下列说法错误的是( )
A.装置Ⅰ中发生的反应为NaNO2+NH4ClNaCl+N2↑+2H2O
B.装置Ⅱ的作用是冷凝水蒸气
C.装置Ⅱ末端收集纯净干燥的N2只能用向下排空气法
D.加热片刻后需要将酒精灯移开,说明该反应是放热反应
【解析】选C。结合反应物和生成物,根据原子守恒和电子得失守恒,化学方程式为NaNO2+NH4ClNaCl+N2↑+2H2O,故A正确;根据化学方程式可知,产物有水蒸气,且反应物为溶液状态,可知反应在产生氮气的同时产生大量水蒸气,为了便于干燥,先利用装置Ⅱ将绝大多数水蒸气冷凝后再用装置Ⅲ干燥,装置Ⅱ的作用是冷凝水蒸气,故B正确;氮气的密度与空气的密度相差不大,不适合用排空气法收集,应该使用排水法收集,故C错误;加热片刻后将酒精灯移开,反应仍能进行,说明该反应自身放热,属于放热反应,故D正确。
命题点2:非气体物质的制备(基础性考点)
3.(2021·长沙模拟)四氯化钛是生产金属钛及其化合物的重要中间体,室温下四氯化钛是无色液体,沸点为136 ℃,极易水解。在650~850 ℃高温下,将Cl2通入TiO2和炭粉的混合物可得到TiCl4和一种有毒气体。如图是实验室制备TiCl4的部分装置,下列说法正确的是( )
A.装置A同样适合实验室制备氨气
B.装置B中试剂是饱和食盐水,其作用是除HCl气体
C.装置C处发生反应的化学方程式为2Cl2+C+TiO2TiCl4+CO2
D.装置D处的直形冷凝管可更换为球形冷凝管
【解析】选A。将生石灰放入圆底烧瓶内,分液漏斗中加入浓氨水,用装置A可制备氨气,A正确;因为四氯化钛极易水解,所以装置B中试剂是浓硫酸,其作用是干燥氯气,B不正确;装置C中生成的有毒气体应为CO,化学方程式为2Cl2+2C+TiO2TiCl4+2CO,C不正确;因为蒸气在球形冷凝管中冷凝后,很难完全流出,所以装置D处的直形冷凝管不能换成球形冷凝管,D不正确。
4.(2021·新安模拟)实验室用Ca与H2反应制取氢化钙(CaH2)。下列实验装置和原理不能达到实验目的的是( )
A.装置甲制取H2 B.装置乙净化干燥H2
C.装置丙制取CaH2 D.装置丁吸收尾气
【解析】选D。装置甲利用稀盐酸与锌在简易装置中制取H2,实验装置和原理能达到实验目的,选项A不选;装置乙利用氢氧化钠溶液吸收氢气中的氯化氢气体、利用浓硫酸干燥氢气,起到净化干燥H2的作用,实验装置和原理能达到实验目的,选项B不选;装置丙利用纯净的氢气在加热条件下与钙反应制取CaH2,实验装置和原理能达到实验目的,选项C不选;装置丁是用于防止空气中的水蒸气及氧气进入与钙或CaH2反应,实验原理与吸收尾气不符合,过量氢气应收集或点燃,选项D选。
命题点3:涉气实验综合考查(综合性考点)
5.(2021·宿迁模拟)历史上曾利用“地康法”制氯气,其原理是以氯化铜作催化剂,利用氧气氧化氯化氢。如图为“地康法”制氯气的模拟装置。下列有关说法不正确的是( )
A.关闭K2打开K1,若漏斗中的液面不持续下降,则装置1的气密性良好
B.打开K3,将浓盐酸逐滴滴入浓硫酸中可制备反应所需要的氯化氢
C.装置2中盛放的是浓硫酸,通过观察气泡逸出的快慢可判断气体的通入量
D.后续需要净化氯气的装置中,除杂试剂依次为饱和食盐水、碱石灰
【解析】选D。关闭K2打开K1,漏斗中的液体进入装置1中使其气压变大,若漏斗中的液面不持续下降,则装置1的气密性良好,A说法正确;打开K3,将浓盐酸逐滴滴入浓硫酸中,浓硫酸具有吸水性,浓硫酸吸水放热促进氯化氢气体逸出,故可制备反应所需要的氯化氢,B说法正确;装置2中盛放的是浓硫酸,通过观察气泡逸出的快慢可判断气体的通入量,以调节氯化氢和氧气的比例,C说法正确;以氯化铜作催化剂,利用氧气氧化氯化氢,生成的氯气中含有水蒸气和剩余的氯化氢,后续需要净化氯气的装置中,除杂试剂依次为饱和食盐水、浓硫酸或无水氯化钙,氯气可被碱石灰吸收,D说法不正确。
6.(2021·武汉模拟)某研究小组用NaBO2、SiO2和Na的固体混合物与H2在500 ℃条件下制备NaBH4,实验装置如图所示。已知NaBH4中B为+3价,下列说法错误的是( )
A.装置甲还可以用于制取CO2、H2S
B.装置乙、丙中分别装有NaOH溶液和浓硫酸
C.管式炉加热之前应收集装置尾部气体并验纯
D.可将反应后混合物加水溶解后用重结晶法提纯
【解析】选D。盐酸与锌反应生成氢气,由于盐酸具有挥发性,制取的氢气中含有氯化氢和水蒸气,故通过装置乙中的氢氧化钠溶液除去氯化氢杂质,再通过装置丙中的浓硫酸干燥除去水蒸气,干燥的氢气通入管式炉中一段时间后,对管式炉尾部流出的气体先验纯,再对管式炉进行加热,让氢气与NaBO2、SiO2和Na固体混合物在500 ℃条件下反应制备NaBH4,反应方程式为NaBO2+2SiO2+4Na+2H2NaBH4+2Na2SiO3,据此解答。装置甲为块状固体与液体不加热反应制气体的装置,可以看作启普发生器的简易装置,实验室用大理石或石灰石与稀盐酸反应制取二氧化碳,用硫化亚铁固体与稀盐酸或稀硫酸反应制取硫化氢,都属于块状固体与液体不加热反应制气体,装置甲可以用于制取CO2、H2S,故A正确;根据分析装置乙、丙分别用于除去氢气中混有的氯化氢和水蒸气,NaOH溶液可与氯化氢反应,浓硫酸具有吸水性,故B正确;氢气通入管式炉中与NaBO2、SiO2和Na固体混合物在500 ℃条件下反应制备NaBH4,高温下,管式炉中若含有空气,氢气与氧气反应会引发爆炸,则管式炉加热之前应收集装置尾部气体并验纯,故C正确;根据分析,管式炉中发生反应的化学方程式为NaBO2+2SiO2+4Na+2H2NaBH4+2Na2SiO3,NaBH4中B为+3价,则H为-1价,将反应后混合物加水溶解后,NaBH4可与水发生反应:NaBH4+2H2O===NaBO2+4H2↑,无法做到NaBH4提纯,故D错误。
7.(2021·石家庄模拟)下列装置用于实验室制氨气或验证氨气的化学性质,其中能达到实验目的的是( )
A.用装置甲制取氨气
B.用装置乙除去氨气中的水蒸气
C.用装置丙验证氨气具有还原性
D.用装置丁吸收尾气
【解析】选C。实验室采用装置甲制取氨气时,分液漏斗中盛装浓氨水,圆底烧瓶中盛放氢氧化钠固体或生石灰,图示药品使用不正确,不能用来制取氨气,A项错误;氨气与浓硫酸反应生成硫酸铵,不能用浓硫酸干燥氨气,B项错误;丙装置中发生反应:2NH3+3CuON2+3Cu+3H2O,可以验证氨气具有还原性,C项正确;氨气与水直接接触,不能起防倒吸的作用,D项错误。
8.(2021·太原模拟)“化学多米诺实验”是只需控制第一个反应,就能使若干化学实验依次发生,如图所示。已知:①Cu2++4NH3·H2O===4H2O+[Cu(NH3)4]2+(该反应产物可作为H2O2的催化剂);②已知装置A、C中所用硫酸的浓度相同,装置B、D中所用金属锌的质量完全相同
下列说法错误的是( )
A.该实验成功的关键条件是整套装置的气密性良好
B.因为形成原电池,所以装置D中生成氢气的反应速率一定大于B
C.导管a的作用是平衡A和B内气压
D.装置H中出现浅黄色浑浊,可证明非金属性:O>S
【解析】选B。B中稀硫酸和锌反应生成H2,H2进入C中,C中压强增加,把C中的硫酸和硫酸铜混合溶液挤压到D中,D中Zn和硫酸铜、硫酸反应生成Cu和H2,H2进入E中,E中压强增加,把E中的硫酸铜溶液挤压到F中,Cu2+和氨水生成蓝色Cu(OH)2沉淀,但随后转化为可溶性的[Cu(NH3)4]2+,被挤入G中,促使H2O2分解,H2O2分解生成的O2进入H中和过量H2S溶液反应,生成淡黄色的S沉淀,挥发出的H2S气体被NaOH溶液吸收,避免污染空气。该实验是通过改变装置内气压引发后续反应,在装置气密性良好的前提下才能进行,A正确;由于铜离子的氧化性强于氢离子,故锌先和铜离子发生反应而生成铜,铜离子反应后才可以和氢离子反应放出氢气,所以刚开始没有氢气产生,故D中生成氢气的反应速率不一定大于B,B错误;B中稀硫酸和锌反应生成H2,压强增加,在A和B之间增设了导管a,其作用是平衡A和B内气压,使稀硫酸顺利流下,C正确;根据分析可知G中生成的O2进入H中和过量H2S溶液反应,生成淡黄色的沉淀,则发生了反应:2H2S+O2===2S↓+2H2O,此反应中O2为氧化剂,S为氧化产物,根据氧化还原反应强弱规律,氧化性:氧化剂>氧化产物,即氧化性:O2>S,根据单质的氧化性越强,元素的非金属性越强,所以非金属性O>S,D正确。
9.(2021·兴宁模拟)ClO2是一种极易溶于水且几乎不与冷水反应的黄绿色气体(沸点11 ℃),实验室制备纯净ClO2溶液的装置如图所示:
已知下列反应:NaClO3+HClNaCl+ClO2+Cl2+H2O;NaClO2+HClNaCl+ClO2+H2O;NaClO2+Cl2NaCl+ClO2(均未配平)。下列说法正确的是( )
A.a中通入的N2可用CO2或SO2代替
B.b中NaClO2可用饱和食盐水代替
C.c中广口瓶最好放在冰水浴中冷却
D.d中吸收尾气后只生成一种溶质
【解析】选C。根据实验装置和反应方程式可知,a中用盐酸和NaClO3反应制取ClO2,由于制取的ClO2中混有氯气和挥发出的氯化氢气体,可用b装置吸收氯气和氯化氢,再用c中的蒸馏水吸收ClO2,获得纯净ClO2溶液,d中的氢氧化钠用于吸收尾气,防止污染环境,据此分析解答。a中通入N2的目的是氮气性质稳定且不影响实验,可将a中产生的ClO2和Cl2吹出并进入后续装置,继续实验,二氧化硫具有还原性,可将ClO2、NaClO3等物质还原,故A错误;b中NaClO2的作用是吸收ClO2中混有的氯气和氯化氢杂质气体,用饱和食盐水可吸收氯化氢,但不能吸收氯气,故B错误;ClO2是一种极易溶于水且几乎不与冷水反应的黄绿色气体,故c中广口瓶最好放在冰水浴中冷却,有利于吸收ClO2,故C正确;d中氢氧化钠和ClO2发生歧化反应生成NaCl和NaClO3,产物至少两种,故D错误。
10.(2021·宜宾模拟)实验室里模拟侯氏制碱原理制备少量小苏打,下列装置不正确的是( )
【解析】选B。实验室制取氨气,可利用浓氨水与生石灰在固液不加热装置中制取,故A正确;制取二氧化碳不能使用稀硫酸与大理石反应,稀硫酸与碳酸钙反应生成硫酸钙微溶,附着在大理石表面,阻碍气体的制备,故B错误;制取小苏打时,先通入氨气使溶液显碱性,增大了二氧化碳的溶解度,从而反应制取小苏打,故C正确;碳酸氢钠溶解度低,以固体形式析出,故采用过滤的方法分离碳酸氢钠,故D正确。
考点二 有机物的制备(命题指数★★★★★)
1.常见的有机物分离提纯方法:
(1)蒸馏。
实验
原理
利用有机物沸点的不同,通过加热使低沸点组分蒸发,再冷凝,从而与高沸点的物质分离开来
注意
事项
①使用前要检查装置气密性
②蒸馏烧瓶需垫石棉网加热
③蒸馏时液体体积应占蒸馏烧瓶容积的1/3~2/3④温度计水银球应位于蒸馏烧瓶的支管口处
⑤冷凝水方向为下口进上口出
(2)分液。
实验原理
分离两种不互溶液体的混合物
注意事项
分液时下层液体从下口放出,上层液体从上口倒出
(3)重结晶。
实验
原理
将晶体用蒸馏水溶解,经过滤、蒸发、冷却等步骤再次析出晶体,得到更纯净的晶体的过程
注意
事项
①被提纯的有机物在溶剂中的溶解度受温度影响大,冷却后容易结晶析出
②杂质在溶剂中的溶解度很小或很大,易于除去
2.常见有机物的检验与鉴别:
物质
试剂与方法
现象与结论
乙烯
(1)加溴水或酸性KMnO4溶液。
(2)点燃
(1)褪色。
(2)乙烯燃烧有黑烟
醇
(乙醇)
(1)加活泼金属钠。
(2)加乙酸、浓硫酸,加热。
(3)红热铜丝多次插入乙醇中
(1)有气体放出。
(2)有果香味油状液体生成。
(3)铜丝重新光亮,生成有刺激性气味的物质
羧酸
(乙酸)
(1)加紫色石蕊试液。
(2)加NaHCO3溶液
(1)显红色。
(2)有气体逸出
酯
闻气味或加稀硫酸
有果香味;检验水解产物
淀粉
碘水
呈现蓝色
蛋白质
(1)加浓硝酸。
(2)灼烧
(1)微热后显黄色。
(2)产生烧焦羽毛的气味
3.有机物的制备:
高中课本(必修)中的有机实验
(1)苯的取代反应。
(2)乙酸乙酯的制备。
1.判断下列说法是否正确,正确的打“√”,错误的打“×”
(1)用水能够鉴别苯、乙醇、硝基苯。( )
提示:√。水与苯混合,有机层在上层;水与乙醇任意比互溶,不分层;水与硝基苯混合,有机层在下层。
(2)用灼烧的方法可以区分蚕丝和人造纤维。( )
提示:√。蚕丝的主要成分是蛋白质,人造纤维的主要成分是纤维素。
(3)乙烷中混有乙烯,可用酸性KMnO4溶液除杂。( )
提示:×。酸性KMnO4溶液可将乙烯氧化为CO2,引入新杂质,应选用溴水。
(4)聚乙烯和聚氯乙烯均可用作食品包装材料。( )
提示:×。聚乙烯(PE)可用于包装食品,聚氯乙烯(PVC)不可。
(5)乙酸乙酯制备实验中,除杂试剂饱和Na2CO3溶液可以换成NaOH溶液。( )
提示:×。乙酸乙酯与NaOH反应。
(6)溴乙烷与NaOH乙醇溶液加热可制备乙烯,生成的气体直接通入酸性KMnO4溶液,紫色褪去即可证明乙烯生成。( )
提示:×。生成的乙烯中混有挥发出来的乙醇,乙醇也可使酸性KMnO4溶液紫色褪去。
(7)向蔗糖水解液中加入银氨溶液,即可证明水解产物的生成。( )
提示:×。蔗糖水解液呈酸性,应先加入碱将溶液调至碱性,再用银氨溶液检验还原性糖。
2.乙酸乙酯是一种用途广泛的精细化工产品。某课外小组设计实验室制取并提纯乙酸乙酯的方案如下:
已知:①氯化钙可与乙醇形成CaCl2·6C2H5OH
②有关有机物的沸点:
试剂
乙醚
乙醇
乙酸
乙酸乙酯
沸点/℃
34.6
78.5
117.9
77.1
③2CH3CH2OH CH3CH2OCH2CH3+H2O
Ⅰ.制备过程
装置如图所示,A中放有浓硫酸,B中放有9.5 mL无水乙醇和6 mL冰醋酸,D中放有饱和碳酸钠溶液。
(1)写出乙酸与乙醇发生酯化反应的化学方程式__________________________。
(2)实验过程中滴加大约3 mL浓硫酸,B的容积最合适的是________(填入正确选项前的字母)
A.25 mL B.50 mL C.250 mL D.500 mL
(3)球形干燥管的主要作用是________________________________________。
(4)预先向饱和Na2CO3溶液中滴加几滴酚酞试液,目的是____________________。
Ⅱ.提纯方法:①将D中混合液转入分液漏斗进行分液。
②有机层用5 mL饱和食盐水洗涤,再用5 mL饱和氯化钙溶液洗涤,最后用水洗涤。有机层倒入一干燥的烧瓶中,用无水硫酸镁干燥,得粗产物。
③将粗产物蒸馏,收集77.1 ℃的馏分,得到纯净干燥的乙酸乙酯。
(5)第①步分液时,选用的两种玻璃仪器的名称分别是________________、________________。
(6)第②步中用饱和食盐水、饱和氯化钙溶液、最后用水洗涤,分别主要洗去粗产品中的________________,________________,________________。
【解析】(1)乙酸与乙醇在浓硫酸加热的条件下发生酯化反应,生成乙酸乙酯和水;(2)实验过程中圆底烧瓶需要加热,最大盛液量不超过其容积的2/3,烧瓶内液体的总体积为18.6 mL,最合适的是50 mL,选B;(3)球形干燥管的主要作用是防止倒吸;(4)预先向饱和Na2CO3溶液中滴加几滴酚酞试液,目的是便于观察液体分层(答案合理即可);(5)第①步分液时,选用的两种玻璃仪器的名称分别是分液漏斗、烧杯。(6)第②步中用饱和食盐水、饱和氯化钙溶液、最后用水洗涤,分别主要洗去粗产品中的碳酸钠、乙醇、氯化钙。
答案:(1)CH3COOH+CH3CH2OH CH3COOCH2CH3+H2O (2)B (3)防倒吸 (4)便于观察液体分层 (5)分液漏斗 烧杯 (6)碳酸钠 乙醇 氯化钙
命题角度1:常见有机物的制备
【典例1】(2019·全国卷Ⅰ)实验室制备溴苯的反应装置如图所示,关于实验操作或叙述错误的是( )
A.向圆底烧瓶中滴加苯和溴的混合液前需先打开K
B.实验中装置b中的液体逐渐变为浅红色
C.装置c中碳酸钠溶液的作用是吸收溴化氢
D.反应后的混合液经稀碱溶液洗涤、结晶,得到溴苯
(1)实验目的:制备溴苯。
(2)实验原理:制备装置—利用苯和溴在FeBr3的催化下制备溴苯。
(3)净化装置—生成的HBr中含有一定量的溴蒸气,利用Br2易溶于CCl4而除去,防止干扰后续实验。
(4)吸收装置—HBr与Na2CO3反应,吸收HBr。
【解析】选D。向圆底烧瓶中滴加苯和溴的混合液后二者会立即发生反应产生溴化氢和溴苯,所以需先打开K,A正确;由于反应过程是放热的,所以溴蒸气会挥发,溶解在CCl4中,故装置b中的液体逐渐变为浅红色,B正确;本实验中苯与溴发生取代反应会产生溴化氢,可以与碳酸钠发生反应,故装置c中的碳酸钠溶液的作用是吸收溴化氢,C正确;因溴苯不是固体,是油状液体,所以反应后的混合液经稀碱溶液洗涤,分液后得到溴苯,D不正确。
(1)装置c中倒置漏斗有什么作用?
提示:由于HBr气体易溶于水,因此倒置漏斗有防倒吸作用。
(2)此实验能否说明苯与溴发生的是取代反应?
提示:能。可以从碳酸钠溶液中有气体生成说明反应中产生了HBr气体,从而说明此反应为取代反应。
(3)反应后的混合液经稀碱溶液洗涤,分液后得到溴苯会含有一定量的苯,应怎样除去?
提示:苯和溴苯为互溶的沸点不同的两种有机液体,因此采用蒸馏的方式分离。
命题角度2:陌生有机物的制备
【典例2】(2020·全国Ⅱ卷)苯甲酸可用作食品防腐剂。实验室可通过甲苯氧化制苯甲酸,其反应原理简示如下:
+KMnO4―→COOK+MnO2
COOK+HCl―→COOH+KCl
名称
相对
分子
质量
熔点
/℃
沸点/
℃
密度/
(g·mL-1)
溶解性
甲苯
92
-95
110.6
0.867
不溶于
水,易溶
于乙醇
苯甲
酸
122
122.4
(100 ℃
左右开
始升华)
248
——
微溶于
冷水,易
溶于乙
醇、热水
实验步骤:
(1)在装有温度计、冷凝管和搅拌器的三颈烧瓶中加入1.5 mL甲苯、100 mL水和4.8 g(约0.03 mol)高锰酸钾,慢慢开启搅拌器,并加热回流至回流液不再出现油珠。
(2)停止加热,继续搅拌,冷却片刻后,从冷凝管上口慢慢加入适量饱和亚硫酸氢钠溶液,并将反应混合物趁热过滤,用少量热水洗涤滤渣。合并滤液和洗涤液,于冰水浴中冷却,然后用浓盐酸酸化至苯甲酸析出完全。将析出的苯甲酸过滤,用少量冷水洗涤,放在沸水浴上干燥。称量,粗产品为1.0 g。
(3)纯度测定:称取0.122 g粗产品,配成乙醇溶液,于100 mL容量瓶中定容。每次移取25.00 mL溶液,用0.010 00 mol·L-1的KOH标准溶液滴定,三次滴定平均消耗21.50 mL的KOH标准溶液。
回答下列问题:
(1)根据上述实验药品的用量,三颈烧瓶的最适宜规格为________(填标号)。
A.100 mL B.250 mL
C.500 mL D.1 000 mL
(2)在反应装置中应选用________冷凝管(填“直形”或“球形”),当回流液不再出现油珠即可判断反应已完成,其判断理由是________。
(3)加入适量饱和亚硫酸氢钠溶液的目的是____________________;该步骤亦可用草酸在酸性条件下处理,请用反应的离子方程式表达其原理_____________。
(4)“用少量热水洗涤滤渣”一步中滤渣的主要成分是____________。
(5)干燥苯甲酸晶体时,若温度过高,可能出现的结果是___________________。
(6)本实验制备的苯甲酸的纯度为________;据此估算本实验中苯甲酸的产率最接近于________(填标号)。
A.70% B.60% C.50% D.40%
(7)若要得到纯度更高的苯甲酸,可通过在水中______的方法提纯。
【解析】(1)上述液体药品的总量为101.5 mL,根据“大而近”的原则选择
250 mL三颈烧瓶最适宜。(2)为了增加冷凝回流的效果应选用球形冷凝管;由题干表格可知甲苯不溶于水,苯甲酸易溶于热水,无油珠说明不溶于水的甲苯已经被完全氧化。(3) 高锰酸钾与盐酸反应产生氯气,利用亚硫酸氢钠溶液的还原性除去过量的高锰酸钾,避免在用盐酸酸化时,产生氯气。草酸具有还原性,在酸性条件下可被高锰酸钾氧化为CO2,根据原子、电子、电荷守恒配平离子方程式2MnO+5H2C2O4+6H+===2Mn2++10CO2↑+8H2O。(4)高锰酸钾的还原产物通常是Mn2+,也可能生成不溶于水的MnO2,故滤渣的主要成分是MnO2。(5)由题干表格可知苯甲酸在100 ℃左右开始升华,故干燥苯甲酸晶体时,若温度过高,部分苯甲酸会因升华而损失。(6)25.00 mL中苯甲酸的物质的量n(苯甲酸)=n(KOH)=0.010 00 mol·L-1×21.50×10-3 L=2.150×10-4 mol,则苯甲酸的纯度为×100%=86.0%;甲苯的物质的量为 mol,理论生成苯甲酸的质量为 mol×122 g·mol-1≈1.72 g,则产率为(1.0 g×86.0%)÷1.72 g×100%=50%。(7)提纯固体有机物苯甲酸通常采用重结晶的方法。
答案:(1)B (2)球形 无油珠说明不溶于水的甲苯已经被完全氧化 (3)除去过量的高锰酸钾,避免在用盐酸酸化时,产生氯气 2MnO+5H2C2O4+6H+===
2Mn2++10CO2↑+8H2O (4)MnO2 (5)苯甲酸升华而损失 (6)86.0% C (7)重结晶
【规律方法】陌生有机物制备的分析流程
【典例3】(2021·日照模拟)醇脱水是合成烯烃的常用方法,实验室合成环己烯的反应和实验装置(加热和夹持装置已省略)如下:
可能用到的有关数据如下:
相对分
子质量
密度/
g·cm-3
沸点/℃
溶解性
环己醇
100
0.961 8
161
微溶于水
环己烯
82
0.810 2
83
难溶于水
合成反应:在a中加入20 g环己醇和2小片碎瓷片,冷却搅动下慢慢加入1 mL浓硫酸。b中通入冷却水后,开始缓慢加热a,控制馏出物的温度不超过90 ℃。分离提纯:反应粗产物倒入分液漏斗中,分别用少量5%碳酸钠溶液和水洗涤,分离后加入无水氯化钙颗粒,静置一段时间后弃去氯化钙。最终通过蒸馏得到纯净环己烯10 g。
回答下列问题:
(1)仪器b的名称是________________。
(2)加入碎瓷片的作用是______________________________________________;
如果加热一段时间后发现忘记加碎瓷片,应该采取的正确操作是________(填字母,下同)。
A.立即补加 B.冷却后补加
C.不需补加 D.重新配料
(3)本实验中最容易产生的副产物的结构简式为________________________。
(4)分液漏斗在使用前需清洗干净并____________;在本实验分离过程中,产物应该从分液漏斗的__________________(填“上口倒出”或“下口放出”)。
(5)分离提纯过程中加入无水氯化钙的主要目的是_______________________________________________________。
(6)在环己烯粗产物蒸馏过程中,不可能用到的仪器有________。
A.圆底烧瓶 B.温度计 C.吸滤瓶 D.球形冷凝管 E.接收器
(7)本实验所得到的环己烯产率是________。
A.41% B.50% C.61% D.70%
【解析】(1)仪器b为直形冷凝管,可用于冷凝收集馏分。(2)加入碎瓷片的作用是防止有机物在加热时发生暴沸。如果在加热一段时间后发现忘记加碎瓷片,这时必须停止加热,待冷却后补加碎瓷片。(3)醇分子间最容易发生脱水反应生成醚类化合物。(4)分液漏斗在使用前必须检漏。实验生成的环己烯的密度比水的小,所以环己烯应从分液漏斗的上口倒出。(5)加入无水氯化钙的目的是除去水(作干燥剂)。(6)观察题中实验装置图知蒸馏过程中不可能用到吸滤瓶和球形冷凝管。(7)20 g环己醇的物质的量为=0.2 mol,理论上生成环己烯的物质的量为0.2 mol,质量为0.2 mol×82 g·mol-1=16.4 g,实际得到环己烯的质量为10 g,则产率为×100%≈61%。
答案:(1)直形冷凝管 (2)防止暴沸 B
(3)
(4)检漏 上口倒出 (5)干燥 (6)CD (7)C
有机物制备的几个关键点
1.把握制备过程:
2.盘点常用仪器:
3.熟悉常见装置:
(1)反应装置:有机物易挥发,常采用冷凝回流装置减少有机物的挥发,提高原料的利用率和产物的产率。
(2)蒸馏装置:利用有机物沸点的不同,用蒸馏方法可以实现分离。
4.了解题目设问:
(1)有机物易挥发,因此在反应中通常要采用冷凝回流装置,以减少有机物的挥发,提高原料的利用率和产物的产率。
(2)有机反应通常都是可逆反应,且易发生副反应,因此常使廉价的反应物过量,以提高较昂贵反应物的转化率和产物的产率,同时在实验中需要控制反应条件,以减少副反应的发生。
(3)根据产品与杂质的性质特点选择合适的分离提纯方法,如蒸馏、分液等。
命题点1:有机物的分离提纯(基础性考点)
1.(2021·赣州模拟)利用下列反应不能制得括号中的纯净物质的是( )
A.乙烯与氯气加成(1,2二氯乙烷)
B.乙烯与水加成(乙醇)
C.等物质的量的氯气与乙烷在光照的条件下反应(氯乙烷)
D.氯气与苯用氯化铁作催化剂反应(氯苯)
【解析】选C。乙烯与氯气发生加成反应生成1,2二氯乙烷,产物只有一种,得到纯净物,A错误;乙烯与水发生加成反应生成乙醇,产物只有一种,得到纯净物,B错误;等物质的量的氯气与乙烷在光照的条件下发生取代反应,为连锁反应,产物为多种氯代烃的混合物,不能得到纯净的氯乙烷,C正确;苯与氯气发生取代反应生成氯苯,苯环上H被Cl取代,发生取代反应还生成HCl气体,能制得纯净的氯苯,D错误。
命题点2:常见有机物的制备(综合性考点)
2.(2021·龙岩模拟)某兴趣小组设计图甲装置用于制备一定量的乙酸乙酯,有关说法正确的是( )
A.增加甲中烧瓶上方的导管长度,可减少原料的损失
B.反应前,甲中烧瓶内先加入少量浓硫酸,后加入适量冰醋酸和乙醇
C.甲中接收装置可以替换成乙或丙
D.饱和碳酸钠的作用是吸收乙酸乙酯
【解析】选A。增加甲中烧瓶上方的导管长度,长直导管可以起冷凝回流作用,故可减少原料的损失,A正确;浓硫酸密度大,溶于乙醇放出大量的热,不宜先加,反应前甲中烧瓶内试剂添加顺序为乙醇、少量浓硫酸,混合均匀并冷却到室温后,再加适量冰醋酸,B错误;乙图中多孔球泡能防倒吸,同时可增大与碳酸钠溶液的接触面积,除杂效果更好,丙图中通入CCl4和碳酸钠的混合溶液中,能防倒吸,但CCl4能溶解乙酸乙酯,使产率降低,C错误;饱和碳酸钠的作用是中和乙酸、溶解乙醇、降低乙酸乙酯在水中的溶解度,D错误。
3.(2021·焦作模拟)实验室利用苯与浓硝酸、浓硫酸制取并提纯硝基苯的实验过程中,下列装置未涉及的是( )
A.①② B.①③ C.③④ D.④⑤
【解析】选D。制备硝基苯的实验,一般步骤为a.配制一定比例形成的浓硫酸和浓硝酸的混合酸,加入反应器中;b.向冷却后的混合酸中逐滴加入一定质量的苯,充分振荡,混合均匀;c.用水浴加热在50~60 ℃下发生反应,直至反应结束;d.除去混合酸后,粗产品依次用蒸馏水和5%NaOH溶液洗涤,最后再用蒸馏水洗涤,其间进行多次分液操作;e.将用无水CaCl2干燥后的粗产品进行蒸馏,得到纯硝基苯。故实验中发生反应需要用到水浴加热装置②、除杂过程需要用到分液操作装置③,最后分离出纯硝基苯还要用到蒸馏装置①,只有④⑤装置未涉及,故答案为D。
命题点3:陌生有机物的制备(应用性考点)
4. (2021·青岛模拟)苯甲酸乙酯(无色液体,难溶于水,沸点213 ℃)天然存在于桃、菠萝、红茶中,稍有水果气味,常用于配制香精和人造精油,也可用作食品添加剂。实验室利用如图所示装置,在环己烷中通过以下反应制备。
已知:环己烷沸点为80.8 ℃,可与乙醇和水形成共沸物,其混合物沸点为
62.1 ℃。下列说法错误的是( )
A.实验时最好采用水浴加热,且冷却水应从b口流出
B.分水器可及时放出水层,避免水层升高流入烧瓶
C.环己烷的作用是在较低温度下带出生成的水,促进酯化反应向右进行
D.实验时应依次向圆底烧瓶中加入碎瓷片、浓硫酸、苯甲酸、无水乙醇、环己烷
【解析】选D。由题干信息,该反应需控制温度不超过80.8 ℃,因此最好采用水浴加热的方式,冷凝管的冷凝水应该下进上出,即从a口流入,b口流出,A选项正确;合成反应中,分水器中会出现分层现象,上层是油状物,下层是水,当油层液面高于支管口时,油层会沿着支管口流回烧瓶,以达到反应物冷凝回流,提高产率的目的,当下层液面高度超过距分水器支管约2 cm时,及时放出水层,避免水层升高流入烧瓶,B选项正确;根据已知信息“环己烷沸点为
80.8 ℃,可与乙醇和水形成共沸物,其混合物沸点为62.1 ℃”,所以环己烷的作用是在较低温度下带出生成的水,促进酯化反应向右进行,C选项正确;实验时应依次向圆底烧瓶中加入碎瓷片、苯甲酸、无水乙醇、环己烷,搅拌后再加入浓硫酸,D选项错误。
5.(2021·九江模拟)实验室制备1,2二溴乙烷的反应原理如下:CH3CH2OHCH2===CH2+H2O,CH2===CH2+Br2BrCH2CH2Br。可能存在的主要副反应有乙醇在浓硫酸的存在下在140 ℃脱水生成乙醚。用少量的溴和足量的乙醇制备1,2二溴乙烷的装置如图所示:
有关数据列表如下:
物质
乙醇
1,2二溴乙烷
乙醚
状态
无色液体
无色液体
无色液体
密度/g·cm-3
0.79
2.2
0.71
沸点/℃
78.5
132
34.6
熔点/℃
-130
9
-116
回答下列问题:
(1)在此制备实验中,要尽可能迅速地把反应温度提高到170 ℃左右,其最主要目的是________(填正确选项前的字母)。
a.引发反应 b.加快反应速度
c.防止乙醇挥发 d.减少副产物乙醚生成
(2)三颈瓶内加入一定量的乙醇-浓硫酸混合液和少量粗砂,加入粗砂的目的是___________________________________________________________________。
(3)判断该制备反应已经结束的最简单方法是________________________。
(4)将1,2二溴乙烷粗产品置于分液漏斗中加水,振荡后静置,产物应在________(填“上”或“下”)层。
(5)连接有长玻璃管的装置B的作用是________________________________。
(6)若产物中有少量副产物乙醚,可用________________的方法除去。
(7)反应过程中应用冷水冷却装置D,其主要目的是_______________,但又不能过度冷却(如用冰水),其原因是______________________________。
【解析】(1)实验室制备1,2二溴乙烷的反应原理为先发生乙醇的消去反应生成乙烯,反应为CH3CH2OHCH2===CH2↑+H2O,在此实验中,要迅速地把反应温度提高到170 ℃左右,乙醇在浓硫酸的存在下在140 ℃脱水生成乙醚,其最主要目的是减少副产物乙醚生成;(2)三颈瓶内加入一定量的乙醇-浓硫酸混合液和少量粗砂,由于反应需要加热,因此加入粗砂的目的是防止暴沸;(3)乙烯和溴水发生加成反应生成1,2二溴乙烷,1,2二溴乙烷为无色,D中溴颜色完全褪去说明反应已经结束;(4)1,2二溴乙烷的密度大于水,将1,2二溴乙烷粗产品置于分液漏斗中加水,振荡后产物应在下层;(5)连接有长玻璃管的装置B的作用为安全瓶,可以防止倒吸;(6)两者均为有机物,互溶,但1,2二溴乙烷与乙醚的沸点不同,用蒸馏的方法将它们分离;(7)溴在常温下,易挥发,乙烯与溴反应时放热,溴更易挥发,冷却可避免溴的大量挥发,但1,2二溴乙烷的凝固点(9 ℃)较低,不能过度冷却,过度冷却会使其凝固而使气路堵塞,导致B中长导管内液面上升。
答案:(1)d (2)防止暴沸 (3)溴水的颜色完全褪去 (4)下 (5)安全瓶 (6)蒸馏 (7)乙烯与溴反应放热,冷却能避免溴的挥发 1,2二溴乙烷的凝固点低,过度冷却会使其凝固堵塞气路
1.(2020·全国Ⅰ卷)下列气体去除杂质的方法中,不能实现目的的是( )
气体(杂质)
方法
A
SO2(H2S)
通过酸性高锰酸钾溶液
B
Cl2(HCl)
通过饱和的食盐水
C
N2(O2)
通过灼热的铜丝网
D
NO(NO2)
通过氢氧化钠溶液
【解析】选A。SO2会被酸性高锰酸钾溶液氧化,A错误;这是实验室制取氯气的除杂步骤,通过Cl2和HCl在饱和食盐水中的溶解度差异进行除杂和分离,B正确; N2性质极其稳定,不会与灼热的Cu发生反应,而氧气则会氧化Cu发生反应:2Cu+O22CuO,可以达到除杂目的,C正确;NO不会与NaOH发生反应,而NO2可以与NaOH反应:2NO2+2NaOH===NaNO3+NaNO2+H2O,因此可以达到除杂目的,D正确。
2.(2020·山东等级考改编)下列操作不能达到实验目的的是( )
目的
操作
A
除去苯中少量的苯酚
加入适量NaOH溶液,振荡、静置、分液
B
证明酸性:碳酸>苯酚
将盐酸与NaHCO3混合产生的气体直接通入苯酚钠溶液
C
除去碱式滴定管胶管内的气泡
将尖嘴向上弯曲,挤压胶管内玻璃球将气泡排出
D
配制用于检验醛基的氢氧化铜悬浊液
向试管中加入2 mL 10% NaOH溶液,再滴加数滴2% CuSO4溶液,振荡
【解析】选B。苯酚可与氢氧化钠溶液反应生成可溶于水的苯酚钠,最后与苯混合后互不相溶,分层,该操作能达到实验目的,故A正确; 盐酸易挥发,若将盐酸与碳酸氢钠溶液混合产生的气体直接通入苯酚钠,可能挥发的HCl会与苯酚钠反应生成常温下难溶于水的苯酚,不能证明是二氧化碳与其发生的反应,达不到实验目的,应该先除去二氧化碳中可能挥发的HCl再进行实验操作,故B错误;除去碱式滴定管胶管内气泡时,尖嘴应向上弯曲,挤压胶管,利用空气排出,该实验操作能达到实验目的,故C正确;为检验醛基,配制氢氧化铜悬浊液时,碱需过量,保证醛基是在碱性条件下发生反应,该操作可达到实验目的,故D正确。
3.(2019·全国卷Ⅱ)下列实验现象与实验操作不相匹配的是( )
实验操作
实验现象
A
向盛有高锰酸钾酸性溶液的试管中通入足量的乙烯后静置
溶液的紫色逐渐褪去,静置后溶液分层
B
将镁条点燃后迅速伸入集满CO2的集气瓶
集气瓶中产生浓烟并有黑色颗粒产生
C
向盛有饱和硫代硫酸钠溶液的试管中滴加稀盐酸
有刺激性气味气体产生,溶液变浑浊
D
向盛有FeCl3溶液的试管中加过量铁粉,充分振荡后加1滴KSCN溶液
黄色逐渐消失,加KSCN后溶液颜色不变
【解析】选A。向盛有高锰酸钾酸性溶液的试管中通入足量的乙烯,高锰酸钾被还原为Mn2+,紫色逐渐褪去,乙烯被氧化为CO2,故静置后溶液不会分层,A错误;镁与CO2反应生成氧化镁和碳单质,故集气瓶中产生浓烟并有黑色颗粒产生,B正确;硫代硫酸钠溶液的试管中滴加稀盐酸发生氧化还原反应,生成SO2和S,故有刺激性气味气体产生,溶液变浑浊,C正确;FeCl3溶液与过量铁粉充分反应生成FeCl2溶液,黄色逐渐消失,加KSCN后溶液颜色不变,D正确。
4.(2020·山东等级考节选)某同学利用Cl2氧化K2MnO4制备KMnO4的装置如图所示(夹持装置略):
已知:锰酸钾(K2MnO4)在浓强碱溶液中可稳定存在,碱性减弱时易发生反应:
3MnO+2H2O===2MnO+MnO2↓+4OH-
回答下列问题:
(1)装置A中a的作用是______________________________________________;
装置C中的试剂为____________;装置A中制备Cl2的化学方程式为____________________________。
(2)上述装置存在一处缺陷,会导致KMnO4产率降低,改进的方法是________________________________。
(3)KMnO4常作氧化还原滴定的氧化剂,滴定时应将KMnO4溶液加入______________________(填“酸式”或“碱式”)滴定管中;在规格为50.00 mL的滴定管中,若KMnO4溶液起始读数为15.00 mL,此时滴定管中KMnO4溶液的实际体积为____________(填标号)。
A.15.00 mL B.35.00 mL
C.大于35.00 mL D.小于15.00 mL
【解析】(1)装置A为恒压滴液漏斗,它的作用是平衡气压,使浓盐酸顺利滴下,C的作用是吸收反应不完的Cl2,可用NaOH溶液吸收,Ca(ClO)2和浓盐酸在A中发生归中反应产生Cl2,反应的化学方程式为Ca(ClO)2+4HCl===CaCl2+2Cl2↑+2H2O;(2)锰酸钾在浓强碱溶液中可稳定存在,碱性减弱时易发生3MnO+2H2O===2MnO+MnO2↓+4OH-,一部分MnO转化为MnO2,导致最终KMnO4的产率低,而浓盐酸易挥发,直接导致B中NaOH溶液的浓度减小,故改进措施是在装置A、B之间加装盛有饱和食盐水的洗气瓶吸收挥发出来的HCl;(3)高锰酸钾有强氧化性,强氧化性溶液加入酸式滴定管,滴定管的“0”刻度在上,规格为50.00 mL的滴定管中实际的体积大于(50.00-15.00) mL,即大于35.00 mL。
答案:(1)平衡气压,使浓盐酸顺利滴下 NaOH溶液
Ca(ClO)2+4HCl===CaCl2+2Cl2↑+2H2O
(2)在装置A、B之间加装盛有饱和食盐水的洗气瓶
(3)酸式 C
1.无机物制备的两个考查点:
(1)常见的气体制备。
(2)常见的非气体制备。
2.有机物制备的三个考查方向:
(1)常见有机物的分离提纯方法。
(2)有机物的检验与鉴别。
(3)有机物的制备。
3.定性实验的设计与评价的三个方面:
(1)客观题中的定性实验方案的评价。
(2)主观题中的定性实验。
(3)探究性实验。
4.定量实验的设计与评价的两个方面:
(1)物质组成的测定。
(2)产物含量的测定。
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