高考化学一轮复习第5章非金属及其化合物第24讲常见气体的实验室制备、净化和收集学案

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1．了解常见气体的制备原理、装置及改进措施。
2．能根据气体的性质及制备原理设计实验流程。
1．气体制备实验的基本思路
2．常见气体的发生装置
依据制备气体所需的反应物状态和反应条件，可将制备气体的发生装置分为三类。
3.气体的除杂方法
(1)除杂试剂选择的依据：主体气体和杂质气体在性质上的差异，如溶解性、酸碱性、氧化性、还原性。
除杂原则：①不损失主体气体；②不引入新的杂质气体；③在密闭装置内进行；④先除易除去的杂质气体；⑤先除杂后干燥。
(2)气体干燥、净化装置。
例如，当CO2中混有O2杂质时，应选用上述装置中的装置Ⅳ除去O2，除杂试剂是Cu粉。
4．气体的收集方法
[拓展] 排液集气的创新装置
装置Ⅰ：从a导管进气、b导管出水可收集难溶于水的气体，如H2、O2等。若将广口瓶中的液体更换，还可以收集以下气体：
①饱和食盐水——收集Cl2。
②饱和NaHCO3溶液——收集CO2。
③饱和NaHS溶液——收集H2S。
④四氯化碳——收集HCl或NH3。
装置Ⅱ：储气式集气。气体从橡胶管进入，可将水由A瓶排入B瓶，在A瓶中收集到气体。
5．防堵塞及尾气处理装置
(1)防堵塞安全装置。
(2)尾气处理的原因、方法及装置。
①原因：有些气体有毒或有可燃性，任其逸散到空气中，会污染空气或引发火灾、爆炸等危害。
②方法：一般根据气体的相关性质，使其转化为非气态物质或无毒物质，如酸性有毒气体用碱液吸收、可燃性气体点燃等。
③装置：
i．实验室制取Cl2时，尾气处理可采用 eq \(□,\s\up1(1)) ________装置。
ii.实验室制取CO时，尾气处理可采用 eq \(□,\s\up1(2)) ________装置。
iii.实验室制取H2时，尾气处理可采用 eq \(□,\s\up1(3)) ________装置。
[答案自填] eq \(□,\s\up1(1)) b eq \(□,\s\up1(2)) a、c eq \(□,\s\up1(3)) a、c
[易错秒判]
1．判断下列制取气体所选用的试剂是否正确。
答案：(1)× (2)× (3)× (4)×
2．判断下列气体的吸收或收集方法是否正确。
答案：(1)× (2)× (3)× (4)×
一、气体的制备、净化和收集
1．下图装置可用于制取、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( )
答案：D
2．根据实验目的设计如下装置的连接顺序正确的是( )
A．制备收集C2H4：连接a→c→g
B．制备收集NO：连接b→c→e→d
C．制备收集NH3：连接b→d→e→c
D．制备收集Cl2：连接a→f→c→e→d
解析：选D。制备C2H4没有控制温度的温度计，A错误；NO与O2反应，不能用排空气法收集，B错误；NH3应用向下排空气法收集，且浓硫酸吸收多余的NH3，易发生倒吸，C错误；饱和食盐水除去Cl2中的HCl气体，浓硫酸吸收水蒸气，碱石灰吸收多余的Cl2，D正确。
二、气体制备装置的改进与创新
3．下列气体发生装置，当加入适当的块状固体和液体时不具有随开随用随关随停功能的是( )
解析：选D。A、B、C可以利用压强差控制反应的发生与停止；D没有隔离板，所以不能控制反应的发生与停止。
4．下列装置能达到实验目的的是( )
解析：选C。A项，除杂质时应从长管进气且应用NaOH等强碱性溶液；B项，通入Cl2的导管应插入烧瓶底部；D项，会产生倒吸现象。
1.(2023·新高考北京卷)完成下述实验，装置或试剂不正确的是( )
解析：选D。MnO2固体与浓盐酸在加热条件下反应生成Cl2，该装置可用于实验室制备Cl2，A项正确；C2H4不溶于水，可选择排水法收集，B项正确；挤压胶头滴管，水进入烧瓶将NH3溶解，烧瓶中气体大量减少使压强急剧降低，打开活塞后水迅速被压入烧瓶中形成红色喷泉，红色喷泉证明NH3与水形成的氨水是碱性物质，C项正确；Na2CO3与CO2会发生反应，消耗CO2，应该选用饱和NaHCO3溶液，D项错误。
2．(2022·新高考北京卷)利用下图所示装置(夹持装置略)进行实验，b中现象不能证明a中产物生成的是( )
解析：选A。A.浓硝酸具有挥发性，挥发出的硝酸也能与碘化钾溶液反应生成I2而使淀粉溶液变蓝色，故A符合题意；B.铜与浓硫酸共热反应生成的二氧化硫具有漂白性，能使品红溶液褪色，故B不符合题意；C.浓氢氧化钠溶液与氯化铵溶液共热反应生成能使酚酞溶液变红的氨，故C不符合题意；D.2-溴丙烷与氢氧化钠乙醇溶液共热发生消去反应生成能使溴水褪色的丙烯，故D不符合题意。
3．(2021·高考全国甲卷)实验室制备下列气体的方法可行的是( )
答案：D
4．(2021·新高考海南卷)用如图装置制取干燥的气体(a、b表示加入的试剂)，能实现的是( )
解析：选B。A.H2S与浓硫酸反应，不能用浓硫酸干燥H2S，故A不能实现；B.发生反应2H2O2 eq \(=====,\s\up7(MnO2)) 2H2O＋O2↑，可用浓硫酸干燥氧气，故B能实现；C.铁片和浓硝酸在常温下发生钝化，不能制取二氧化氮气体，故C不能实现；D.氨与浓硫酸反应，不能用浓硫酸干燥氨，故D不能实现。
课时跟踪练
[基础巩固]
1．已知O2与焦性没食子酸(含KOH)反应很快，利用下列装置不能达到实验目的的是( )
A．选择①装置制备氧气
B．选择②装置干燥和收集氧气
C．选择③装置探究焦性没食子酸(含KOH)与氧气的反应
D．选择④装置分离MnO2和K2MnO4
解析：选D。A.高锰酸钾固体受热分解，生成锰酸钾、二氧化锰和氧气，可采用“固＋固加热”装置(①装置)制备氧气，A能达到实验目的；B.氧气的密度比空气的大，可用向上排空气法收集，氧气不与碱石灰反应，故选择②装置干燥和收集氧气，B能达到实验目的；C.已知O2与焦性没食子酸(含KOH)反应很快，会产生喷泉现象，故选择③装置可探究焦性没食子酸(含KOH)与氧气的反应，C能达到实验目的；D.MnO2 和K2MnO4都不升华，不能用④装置分离，D不能达到实验目的。
2．(2024·广州执信中学开学考试)下列有关气体制备的说法正确的是( )
A．在实验室中，可用加热NH4Cl固体的方法制备氨
B．在实验室中，可用浓硫酸分别与NaCl、NaBr、NaI反应制取HCl、HBr、HI
C．可用Na2SO3固体与较浓的硫酸反应制取SO2
D．可用稀硝酸与FeS固体反应制取H2S
解析：选C。A.加热NH4Cl固体生成氨和氯化氢，在试管口遇冷二者又生成氯化铵固体，不能制备氨，A错误；B.浓硫酸具有强氧化性，碘离子具有还原性，浓硫酸会和碘离子发生氧化还原反应生成碘单质，B错误；C.Na2SO3固体与较浓的硫酸发生复分解反应生成二氧化硫气体，可以制取SO2，C正确；D.硝酸具有强氧化性，会和硫离子发生氧化还原反应生成硫单质，D错误。
3．(2024·广州模拟)实验室用MnO2和浓盐酸制取Cl2，按照制备、净化、性质检验、收集及尾气处理的顺序进行实验。下列装置不能达到实验目的的是( )
答案：D
4．用所给试剂与下图装置能够制取相应气体的是(夹持仪器略)( )
解析：选C。浓盐酸和KMnO4固体混合有氯气生成，氯气溶于水且与水发生反应，不能用排水法收集，故A不符合题意；在浓硫酸存在下，乙醇制乙烯需要迅速升温到170 ℃，故B不符合题意；过氧化氢溶液在二氧化锰催化作用下分解生成氧气，制取装置不需要加热，氧气不易溶于水，可用排水法收集，故C符合题意；氨极易溶于水，不能用排水法收集，故D不符合题意。
5．关于下列各装置图的叙述正确的是( )

A．装置①是洗气装置，用于除去氯气中的氯化氢
B．实验室用装置②制取氨
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物质若为四氯化碳，可用于吸收氨，并防止倒吸
解析：选D。装置①用于洗气时，导管应长进短出；装置②用于制取氨时，试管口应略向下倾斜；装置③用于制备氢氧化亚铁时，胶头滴管要伸入新制硫酸亚铁溶液中；装置④用于吸收氨时，由于氨在四氯化碳中的溶解度很小，可以防止倒吸。
6．利用下列试剂和如图所示装置制备气体并除去其中的非水杂质，能达到实验目的的是(必要时可加热，加热及夹持装置已略去)( )
解析：选C。A.实验室制备的Cl2中含有HCl，除去Cl2中的HCl应用饱和食盐水，A不能达到实验目的；B.浓硝酸具有强氧化性，能将Na2SO3氧化为Na2SO4，故不能用浓硝酸和Na2SO3制备SO2，而应该用70%H2SO4溶液和Na2SO3来制备SO2，B不能达到实验目的；C.实验室用稀盐酸和CaCO3制备CO2，此时CO2中含有少量的杂质HCl，可用饱和NaHCO3溶液来除去CO2中的HCl，C能达到实验目的；D.实验室可以将浓硫酸和无水乙醇的混合溶液迅速加热到170 ℃来制备乙烯，题图装置中缺少温度计，且这样制得的乙烯中含有SO2、CO2和乙醇蒸气等杂质，但乙烯能被酸性高锰酸钾溶液氧化，故不能用酸性高锰酸钾溶液除杂，应用NaOH溶液除杂，D不能达到实验目的。
7．某实验小组拟利用如下装置制取干燥的氮气。下列说法错误的是( )
A．装置Ⅰ中发生反应的化学方程式为NaNO2＋NH4Cl eq \(=====,\s\up7(△)) NaCl＋N2↑＋2H2O
B．加热片刻后需要将酒精灯移开，说明该反应是放热反应
C．装置Ⅱ的作用是冷凝水蒸气
D．在装置Ⅲ末端收集纯净干燥的N2只能用向下排空气法
解析：选D。根据题中已知的反应物和生成物，结合质量守恒和得失电子守恒可知，装置Ⅰ中发生反应的化学方程式为NaNO2＋NH4Cl eq \(=====,\s\up7(△)) NaCl＋N2↑＋2H2O，A项正确；移开酒精灯后反应仍能进行，说明该反应为放热反应，B项正确；根据化学方程式可知，产物有水蒸气，且反应物为溶液状态，先用装置Ⅱ将绝大多数水蒸气冷凝后再用装置Ⅲ进行干燥，故装置Ⅱ的作用是冷凝水蒸气，C项正确；N2的密度与空气的密度相差太小，不能用排空气法收集，D项错误。
8．如下是用于气体制备、干燥、性质验证、尾气处理的部分仪器装置(加热及夹持固定装置均已略去)。请根据下列要求回答问题。

(1)若烧瓶中盛装锌片，分液漏斗中盛装稀硫酸，则：
①当仪器连接顺序为A→C→B→B→D时，两次使用B装置，其中所盛放的药品依次是CuO、无水CuSO4粉末。此实验的目的是_____________________________________________________________
_______________________________________________________，
D装置的作用是_____________________________________________________________
______________________________________________________。
②为了使B装置中CuO反应充分，在不改变现有药品的条件下，可采取的方法有____________________________________
__________________________________________(写一种)。
③加热前必须进行的操作是___________________________。
(2)若烧瓶中盛装Na2O2固体，分液漏斗中盛装浓氨水，慢慢打开分液漏斗的活塞，则：
①烧瓶内产生的气体主要有_____________________(写化学式)。
②用产生的气体做氨的催化氧化实验，各装置按气流方向从左到右的连接顺序是____________(填字母)→E。
③B装置中反应的化学方程式为_____________________________________________________________
______________________________________________________。
答案：(1)①验证H2的还原性并检验其氧化产物 防止空气中的水蒸气进入B装置，干扰H2氧化产物的检验 ②控制分液漏斗的活塞，使稀硫酸缓慢滴下(或向烧瓶中加水或将烧瓶放入冰水中或用冰毛巾捂着烧瓶等，答案合理即可) ③检验装置中空气是否排尽(或检验氢气是否纯净)
(2)①O2、NH3 ②A→D→B ③4NH3＋5O2 eq \(=====,\s\up7(催化剂),\s\d5(△)) 4NO＋6H2O
[素养提升]
9．碳酰氯(COCl2)俗名光气，熔点为－118 ℃，沸点为8.2 ℃，遇水迅速水解，生成氯化氢。光气可由氯仿(CHCl3)和氧气在光照条件下合成。下列说法错误的是( )
A．装置的连接顺序应为c→b→a→f→e→b→a→d
B．装置丙的主要作用是吸收尾气中的氯化氢
C．装置丁中发生反应的化学方程式为2CHCl3＋O2 eq \(=====,\s\up7(光照)) 2COCl2＋2HCl
D．冰水的作用是降温，防止COCl2挥发
解析：选A。装置乙制备O2，然后经装置甲干燥，在装置丁中合成COCl2，装置丁后面需连接干燥装置，防止水进入装置丁中，最后连接装置丙吸收尾气，故装置的连接顺序为c→b→a→e→f→b→a→d，A错误；装置丁中发生反应的化学方程式为2CHCl3＋O2 eq \(=====,\s\up7(光照)) 2COCl2＋2HCl，氯化氢极易溶于水，装置丙的主要作用是吸收尾气中的氯化氢，B、C正确；冰水的作用是降温，防止光气挥发，D正确。
10．如下是实验室制备氯气并进行一系列相关实验的装置(夹持装置已略)。下列说法错误的是( )
A．装置A烧瓶内的试剂可以是MnO2
B．装置B具有除杂和贮存气体的作用
C．实验结束后，振荡D会观察到液体分层且上层呈紫红色
D．利用该装置能证明氯、溴、碘的非金属性依次减弱
解析：选A。根据题图可知，装置A没有加热装置，故烧瓶内的试剂可以为KMnO4，而不能用MnO2，A错误；制备的氯气中含有少量氯化氢气体，可用饱和食盐水除去，根据题图可知，装置B具有除杂和贮存气体的作用，B正确；根据萃取原理可知，苯的密度比水的小，故振荡D会观察到液体分层且上层呈紫红色，C正确；根据装置C、D中的颜色变化可知，装置A制备的氯气与装置C中的溴化钠反应生成溴单质，将生成的液溴滴入装置D中，可生成碘单质，证明氯、溴、碘的非金属性依次减弱，D正确。
11．实验室中制备下列气体(不含净化)所选试剂和装置均正确的是( )
解析：选B。A.铜和浓硫酸在加热条件下反应生成二氧化硫，二氧化硫的密度比空气的大，应用向上排空气法收集，故应选择装置(2)(5)，A错误；B.电石和饱和食盐水反应生成乙炔，不需要加热，乙炔用排水法收集，B正确；C.二氧化锰和浓盐酸在加热条件下反应生成氯气，二氧化锰和稀盐酸不反应，C错误；D.氯化铵和氢氧化钙反应制取氨，不能使用氢氧化钠固体，D错误。
12．某化学小组同学利用一定浓度的H2O2溶液制备O2。
该小组同学设计了如下气体发生装置(夹持装置省略)：
(1)甲装置中主要仪器的名称为______________________________________________________。
(2)乙装置中，用黏合剂将MnO2制成团，放在多孔塑料片上，连接好装置，确认气密性良好后打开活塞K1，经长颈漏斗向试管中缓慢加入3% H2O2溶液至__________________。欲使反应停止，关闭活塞K1即可，此时装置中的现象是_____________________________________________________________
______________________________________________________。
(3)丙装置可用于制备较多量O2，催化剂铂丝可上下移动。制备过程中如果体系内压强过大，安全管中的现象是__________________，此时可以将铂丝抽离H2O2溶液，还可以采取的安全措施是_____________________________________________________。
(4)丙装置的特点是________(填字母)。
a．可以控制制备反应的开始和结束
b．可通过调节催化剂与液体接触的面积来控制反应的速率
c．与乙装置相比，产物中的O2含量高、杂质种类少
解析：(1)根据题图可知，甲装置中主要仪器的名称为分液漏斗和锥形瓶。(2)乙装置是启普发生器的简易装置，可以控制反应的发生和停止。用黏合剂将MnO2制成团，放在多孔塑料片上，连接好装置，确认气密性良好后打开活塞K1，经长颈漏斗向试管中缓慢加入3% H2O2溶液至刚好没过MnO2固体，此时产生氧气，氧气通过导管导出。欲使反应停止，关闭活塞K1，此时还在产生气体，容器内压强增大，可观察到试管内的H2O2溶液被压入长颈漏斗中，与MnO2分离。(3)丙装置用圆底烧瓶盛装H2O2溶液，可用于制备较多量O2，催化剂铂丝可上下移动控制反应速率。制备过程中如果体系内压强过大，H2O2溶液会被压入安全管中，可观察到安全管中液面上升，圆底烧瓶中液面下降。此时可以将铂丝抽离H2O2溶液，使反应速率减小，还可以打开弹簧夹K2，使烧瓶内压强降低。(4)催化剂铂丝可上下移动，控制制备反应的开始和结束，a正确；催化剂与液体接触的面积越大，反应速率越大，可通过调节催化剂与液体的接触面积来控制反应速率，b正确；丙装置用圆底烧瓶盛装H2O2溶液，与乙装置相比，可用于制备较多量O2，但产物中的O2含量和杂质种类和乙装置中没有区别，c错误。
答案：(1)分液漏斗、锥形瓶
(2)刚好没过MnO2固体 试管内的H2O2溶液被压入长颈漏斗中，与MnO2分离
(3)液面上升 打开弹簧夹K2 (4)ab
制备原理的特点
发生装置
制备气体
固体＋固体 eq \(――→,\s\up7(△)) 气体
O2、NH3等
固体(或液体)＋液体
eq \(――→,\s\up7(△)) 气体
Cl2等
固体＋液体―→气体
H2、CO2等
装置

类型
液态干燥剂
固态干燥剂
固体加热
常见干燥或
除杂
试剂
浓硫酸(具有酸
性和强
氧化性)
无水氯化钙
(呈中性)、
碱石灰(呈碱性)
Cu、CuO、
Mg等
收集
方法
收集气体的类型
收集装置
可收集的
气体(举例)
排水法
难溶于水或微溶于水，且不与水反应
O2、H2、
NO、CO
排空气法
向上排空气法
密度比空气的大，且不与空气中的成分反应
Cl2、SO2、
NO2、CO2
向下排空气法
密度比空气的小，且不与空气中的成分反应
H2、NH3
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
实验室
制Cl2
实验室收
集C2H4
验证NH3易
溶于水且
溶液呈碱性
除去CO2
中混有的
少量HCl
A
B
C
D
选项
a中反应
b中检测试剂及现象
A
浓硝酸分解生成NO2
淀粉KI溶液变蓝
B
Cu与浓硫酸生成SO2
品红溶液褪色
C
浓NaOH与NH4Cl溶液生成NH3
酚酞溶液变红
D
CH3CHBrCH3与NaOH乙醇溶液生成丙烯
溴水褪色
选项
气体
方法
A
氨
加热氯化铵固体
B
二氧化氮
将铝片加到冷浓硝酸中
C
硫化氢
向硫化钠固体滴加浓硫酸
D
氧气
加热氯酸钾和二氧化锰的混合物
选项
气体
a
b
A
H2S
稀硫酸
FeS
B
O2
H2O2溶液
MnO2
C
NO2
浓硝酸
铁片
D
NH3
浓氨水
CaO
选项
A
B
C
D
X
浓盐酸
浓硫酸
过氧化氢溶液
浓氨水
Y
KMnO4
C2H5OH
MnO2
NaOH
气体
Cl2
C2H4
O2
NH3
选项
气体
试剂Ⅰ
试剂Ⅱ
试剂Ⅲ
A
Cl2
浓盐酸
MnO2
NaOH溶液
B
SO2
浓硝酸
Na2SO3
饱和NaHSO3溶液
C
CO2
稀盐酸
CaCO3
饱和NaHCO3溶液
D
C2H4
浓硫酸
C2H5OH
酸性KMnO4溶液
选项
A
B
C
D
气体
SO2
C2H2
Cl2
NH3
试剂
Cu、
浓硫酸
电石、饱和
食盐水
稀盐酸、
MnO2
NH4Cl、
NaOH
装置
(1)(6)
(1)(4)
(2)(5)
(3)(6)