化学实验 常见气体的制备实验方案的设计与评价

1、14第三节常见气体的制备实验设计与评价【考纲点击】1了解化学实验是科学探究过程中的一种重要方法。2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)。3能根据实验试题要求，做到：设计、评价或改进实验方案；了解控制实验条件的方法；分析或处理实验数据，得出合理结论；绘制和识别典型的实验仪器装置图。【梳理与整合】一、常见气体的制备、收集、干燥与净化1常见气体的实验室制备制取装置反应原理收集方法氧气二氧化碳氢气氯气氨气2实验室制取气体的装置：实验室制备气体发生装置选择的依据是反应物的状态及反应条件。中学教材中分为三组：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

2、试管要干燥试管口略低于试管底加热时先均匀加热再固定加强热固、液加热型或液、液加热型Cl2、HCl等烧瓶加热时要垫石棉网反应物均为液体时，烧瓶内要加碎瓷片固、液不加热型或液、液不加热型H2、CO2、SO2、NO、NO2等使用长颈漏斗时，要使漏斗下端插入液面以下启普发生器只适用于块状固体与液体反应，且气体不溶于水使用分液漏斗既可以增强气密性，又可控制液体流速3气体收集方法：确定气体的收集方法时要考虑气体的密度、溶解性、稳定性。(1)常见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或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收集的气体密度比空气小，且与空气密

3、度相差较大收集装置适用的气体H2、O2、CO、NO、CH4、C2H2、C2H4Cl2、CO2、NO2、SO2、O2、H2、NH3特别提示：(1)排水集气的优点：收集的气体纯度高、易判断是否收集满。(2)能溶于水且溶解度不大的气体，可采用排饱和溶液的方法收集。如Cl2可采用排饱和食盐水、CO2可采用排饱和NaHCO3溶液的方法。(3)选择排饱和食盐水法收集Cl2的原因是：Cl2在纯水中的溶解度较大，且Cl2与水反应，存在平衡Cl2H2OHClHClO；饱和食盐水中的Cl浓度大，使平衡左移，即减少了Cl2的溶解度。(2)创新的收集装置(思考：根据气体的流向判断收集气体的种类)4净化与干燥装置尾气吸

4、收处理装置有三种：用倒扣漏斗_；玻璃管_(如用NaOH溶液吸收Cl2)；点燃法_。(1)设计原则：根据净化药品的状态及条件。(2)装置基本类型装置类型液体除杂剂(不加热)固体除杂剂(不加热)固体除杂剂(加热)装置示意图(3)气体的净化剂的选择：选择气体吸收剂应根据气体的性质和杂质的性质而确定，所选用的吸收剂只能吸收气体中的杂质，而不能与被提纯的气体反应。一般情况下：易溶于水的气体杂质可用_吸收；酸性杂质可用_吸收；碱性杂质可用酸性物质吸收；水分可用浓硫酸或碱石灰吸收；能与杂质反应生成沉淀(或可溶物)的物质可作为吸收剂。特别提示：气体制备实验应注意的问题1看药品和装置是部分给出还是有剩余。若药品

5、和装置只部分给出，则应需要作必要的补充；若有剩余，则应进行筛选和淘汰。2题目条件有无特殊要求。如采用最简单或最合理的实验步骤，这些要求对我们考虑反应原理、选择药品和装置，确定操作步骤都作了限定，必须高度重视。3实验过程中的隐蔽性操作。如某些必要的干燥、除杂、冷凝等，这些都是实验中必不可少的，容易被忽略。4药品的名称和仪器的规格。有些题目要求指出药品的名称，这类问题最难答准确，如有些药品的准确描述为：硫酸铜粉末、澄清石灰水、酸性高锰酸钾溶液、浓硫酸等。此外也应注意某些仪器的规格。5会画简单的实验装置图。即时训练1下列关于气体制备的说法不正确的是()。A用碳酸钠粉末可以制备CO2B用铁片和稀硫酸反

6、应制取H2时，为加快产生H2的速率可改用浓硫酸C加热分解NH4HCO3固体，将所得的气体进行适当处理可获得NH3D用KMnO4固体和用KClO3固体制备O2的装置完全相同即时训练2实验室里可按如图所示装置干燥、收集气体R，多余的气体用水吸收，R是()。AHClBCl2 CCO DNH3二、化学实验方案的设计1化学实验方案的设计(1)实验方案应包括的内容实验名称；_；实验原理；实验用品(仪器、药品及规格)；_(包括实验仪器装配和操作)；_；_。(2)具体要求选择仪器药品：根据实验的目的和原理，以及反应物和生成物的性质、反应条件，如反应物和生成物的状态，能否腐蚀仪器和橡胶，反应是否加热及温度是否需

7、要控制在一定范围等，从而选择化学仪器和药品。设计实验步骤：根据上述实验目的和原理，以及所选用的实验仪器和药品，设计出合理的实验装置和实验操作步骤。记录现象数据：根据观察，全面准确地记录实验过程中的现象和数据。分析得出结论：根据实验观察的现象和记录的数据，通过分析、计算、推理等处理，得出正确的结论。(3)实验方案的基本要求“四性”_性，实验原理准确，实验流程合理。_性，保护人身、保护环境、保护仪器。_性，条件允许，效果明显，操作正确。_性，做到步骤少，时间短、效果好等基本要求。2制备实验方案的设计制备实验方案的设计，有利于巩固元素化合物知识和掌握好各类物质之间的相互转化关系，全面训练实验技能，培

8、养分析问题和解决问题的能力。制备实验方案的设计，应遵循以下原则：(1)条件合适，操作方便；(2)原理正确，步骤简单；(3)_；(4)_。3性质实验方案的设计(1)性质实验方案的设计分析其结构特点或从所属类型的典型代表物去推测物质可能具有的一系列性质，然后据此分别设计出合理的实验方案，验证可能具有的性质。(2)验证性质实验方案的设计对物质具备的性质进行求证，关键是设计出简捷的实验方案，_，_，且_。即时训练3某化学小组为测定一定质量的某铜铝混合物中铜的质量分数。设计了如下实验方案：方案：铜铝混合物测定生成气体的体积方案：铜铝混合物测定剩余固体的质量下列有关判断中不正确的是()。A溶液A和B均可以

9、是盐酸或NaOH溶液B若溶液B选用浓硝酸，则测得铜的质量分数偏小C溶液A和B均可选用稀硝酸D实验室中方案更便于实施即时训练4某氯碱厂利用废铁皮制取净水剂FeCl3，最合理的生产途径是()。ACl2FeCl3FeCl3溶液BCl2HCl盐酸FeCl2溶液FeCl3溶液CCl2HCl盐酸FeCl2溶液FeCl3溶液DFeCl3溶液【归纳突破】一、气体的制备、净化、干燥与除杂1气体发生装置的选择选取发生装置的依据是制取气体所用试剂的状态和反应条件(加热与否)气体制取装置分为三类，如下图所示。(1)固固气，可选用图丙。可制取O2、NH3等。(2)固液气，可选用图乙。图乙可制取H2、CO2、NO2等。(

10、3)固(或液)液气，可选用图甲。可制取Cl2等气体。同时还要注意随用随开，随关随停的改装装置(如下图)：2气体的净化(1)气体净化的依据除杂试剂选择的依据：主体气体和杂质气体性质上的差异。如溶解性、酸碱性、氧化还原性、可燃性。除杂原则：不损失主体气体，不引入新的杂质气体，在密闭装置内进行，先除易除的气体。除杂装置：洗气瓶、干燥管、U形管、硬质玻璃管等。(2)气体净化的原理、装置(如图)和方法：易溶于水或能与水反应不生成其他气体杂质的用水吸收。如H2(HCl)、N2(NH3)、NO(NO2)(括号内为杂质气体，下同)，可将混合气体通过盛水的A来除去。酸性杂质用碱性吸收剂，碱性杂质用酸性吸收剂来吸

11、收。如CO(CO2)，可将混合气体通过盛NaOH溶液的A，或盛碱石灰的B或C或D来除去杂质。还原性杂质，可用氧化性较强的物质做吸收剂来吸收或转化；氧化性杂质，可用还原性较强的物质做吸收剂来吸收。例如CO2(CO)，可将混合气体通过盛灼热CuO的E来除去杂质。选用能与气体中的杂质反应生成难溶性物质或可溶性物质的试剂做吸收剂来除去杂质。如O2(H2S)，可将混合气体通过盛有CuSO4溶液的A除去杂质。(3)气体净化时应注意的事项用洗气瓶吸收杂质时，气流方向是长管进，短管出。用干燥管吸收杂质时，气流方向是大口进，小口出；用玻璃管或U形管吸收杂质时，气流方向可以任意选择。当气体中含有多种杂质时，若采用

12、洗气装置，通常是除杂在前，干燥在后；若用加热装置除杂时，通常是干燥在前，除杂在后。3气体的干燥(1)干燥的原则干燥剂只能吸收气体中含有的水分而不能与气体发生反应。a酸性干燥剂不能干燥碱性气体。b碱性干燥剂不能干燥酸性气体。c具有强氧化性的干燥剂不能干燥具有强还原性的气体。(注：H2、CO、SO2虽具有还原性，但可用浓硫酸干燥)(2)常用的干燥装置及干燥剂的选用液态干燥剂固体干燥剂装置洗气瓶干燥管或U形管常见干燥剂浓硫酸无水氯化钙碱石灰可干燥的气体H2、O2、Cl2、SO2、CO2、CO、CH4、N2H2、O2、Cl2、SO2、CO2、CH4、HClN2、H2、O2、CH4、NH3不可干燥的气体

13、NH3、H2S、HBr、HINH3Cl2、HCl、H2S、SO2、CO2、NO24尾气处理方法(1)对于极易溶于水的尾气，如NH3、HCl、HBr等，可采用防倒吸装置(即在导气管的出气口处连接一倒置的漏斗与吸收剂液面接触)吸收。(2)对于溶解度不大的尾气。如Cl2、CO2等，可直接将出气管插入吸收剂液面中吸收。(3)对于有毒且易燃的气体。如CO等，可在尾气出口处放置一点燃的酒精灯，使CO燃烧转变为无毒的CO2气体。5具有特殊作用的实验改进装置(1)防堵塞安全装置：如图所示，为防止分液漏斗中的液体不能顺利流出，用橡皮管连接成连通装置(见恒压式)；为防止粉末或糊状物堵塞导气管，可将棉花团置于导管口

14、处见防阻式和。(2)液封装置：为防止气体从长颈漏斗中逸出，可在发生装置中的漏斗末端套住一支小试管(见液封式)。(3)防污染安全装置：如下图所示，灼烧式可用于除尾气CO；吸收式可用于除Cl2、H2S等；收集式可用于防止有毒气体进入空气中。【例11】AG各物质间的关系如下，其中B、D为气态单质。请回答下列问题：(1)物质C和E的名称分别为_、_；(2)可选用不同的A进行反应，若能在常温下进行，其化学方程式为_，若只能在加热情况下进行，则反应物A应为_；(3)反应的化学方程式为_；(4)新配制的F溶液应加入_以防止其转化为G。检验G溶液中阳离子的常用试剂是_，实验现象为_。【例12】实验室常用的几种

15、气体发生装置如图A、B、C所示：(1)实验室可以用B或C装置制取氨气，如果用C装置，通常使用的药品是_。检查C装置气密性是否良好的操作方法是_。(2)气体的性质是气体收集方法选择的主要依据。下列性质与收集方法无关的是_(填序号，下同)。密度颜色溶解性热稳定性与氧气反应下图是某学生设计收集气体的几种装置，其中不可行的是_。(3)若用A装置与D装置相连制取收集X气体，则X可能是下列气体中的_。CO2NOCl2 H2二、实验方案的设计与评价1实验设计的总体思路(1)首先明确实验的目的依据目的阐明实验原理(2)收集、掌握题干中信息(3)排除干扰因素(4)注意安全2物质制备实验方案设计的一般思路 具体详

16、细实验方案 详细的实验方案应 包含多方面内容，关键是实验原理和步骤3性质实验方案的设计的主要内容(1)证明酸性：pH试纸或酸碱指示剂；与碳酸钠反应；与锌等反应。(2)证明弱酸性：证明存在电离平衡；测定对应盐溶液的酸碱性；测量在稀释前后的pH变化。(3)证明氧化性：与还原剂反应现象明显。(4)证明还原性：与氧化剂反应现象明显。(5)证明为胶体分散系：丁达尔效应。(6)证明有碳碳双键(或三键)：使溴水或酸性高锰酸钾溶液退色。(7)比较金属的活动性：与水反应；与酸反应；金属间的置换反应；原电池原理；电解原理；最高价氧化物对应水化物的碱性；对应盐的酸碱性。(8)比较非金属性的强弱：非金属间的置换反应；

17、与氢气化合的难易；气态氢化物稳定性；最高价氧化物对应水化物的酸性。(9)比较酸碱性：强酸或强碱制弱酸或弱碱。4物质检验的一般步骤先对试样进行外观观察，确定其颜色、状态、气味等。然后准备试样：若样品是固体，则一般先取少量配成溶液；并注意观察试样的溶解情况：是否溶解、有无气体产生、有无明显的热效应、所得水溶液的颜色等。进行检验：每次均应移取少量溶液进行检验。物质检验尽可能利用特征反应，注意检验顺序、排除干扰。5实验方案的评价对几个实验方案的正确与错误、严密与不严密、准确与不准确做出判断。要考虑是否完全合理、有无干扰现象、经济上是否合算和对环境有无污染等。(1)从可行性方面对实验方案做出评价科学性和

18、可行性是设计实验方案的两条重要原则，任何实验方案都必须科学可行。因此，在对实验方案进行评价时，要分析实验方案是否科学可行，实验方案是否遵循化学理论和实验方法要求，在实际操作时能否做到可控易行。评价时，从以下4个方面分析：实验原理是否正确、可行；实验操作是否安全、合理；实验步骤是否简单、方便；实验效果是否明显等。(2)从“绿色化学”视角对实验方案做出评价“绿色化学”要求设计更安全的、对环境友好的合成线路，降低化学工业生产过程中对人类健康和环境的危害，减少废弃物的产生和排放。根据“绿色化学”精神，对化学实验过程或方案从以下4个方面进行综合评价：反应原料是否易得、安全、无毒；反应速率是否较快；原料利

19、用率以及合成物质的产率是否较高；合成过程是否造成环境污染。(3)从“安全性”方面对实验方案做出评价化学实验从安全角度常考虑的主要因素如下：净化、吸收气体及熄灭酒精灯时要防液体倒吸；进行某些易燃易爆实验时要防爆炸(如H2还原CuO应先通H2，气体点燃先验纯等)；防氧化(如H2还原CuO后要“先灭灯再停氢”，白磷切割宜在水中等)；防吸水(如实验取用、制取易吸水、潮解、水解宜采取必要措施，以保证达到实验目的)；冷凝回流(有些反应中，为减少易挥发液体反应物的损耗和充分利用原料，需在反应装置上加装冷凝回流装置，如长玻璃管、竖装的干燥管及冷凝管等)；易挥发液体产物(导出时可为蒸气)的及时冷却；仪器拆卸的科

20、学性与安全性(也从防污染、防氧化、防倒吸、防爆炸、防泄漏等角度考虑)；其他(如实验操作顺序、试剂加入顺序、实验方法使用顺序等)。6设计方案时思考实验顺序的选择(1)思考问题的顺序围绕主要问题思考，例如：选择适当的实验路线、方法；所用药品、仪器简单易得；实验过程快速、安全；实验现象明显。思考有关物质的制备、净化、吸收和存放等有关问题。例如：制取在空气中易水解的物质(如Al2S3、AlCl3、Mg3N2等)及易受潮的物质时，往往在装置末端再接一个干燥装置，以防止空气中的水蒸气进入。思考实验的种类及如何合理地组装仪器，并将实验与课本实验比较、联系。例如涉及气体的制取和处理，对这类实验的操作程序及装置

21、的连接顺序大体可概括为：发生除杂质干燥主体实验尾气处理。(2)仪器连接的顺序所用仪器是否恰当，所给仪器是全用还是选用。仪器是否齐全。例如：制有毒气体及涉及有毒气体的实验是否有尾气的处理装置。安装顺序是否合理。例如：是否遵循“自下而上，从左到右”的原则；气体净化装置中不应先干燥后又经水溶液洗气。仪器间连接顺序是否正确。例如：洗气时“进气管长，出气管短”；干燥管除杂质时“大口进，小口出”等。(3)实验操作的顺序连接仪器。检查气密性。在整套仪器连接完毕后，应先检查装置的气密性，然后装入药品。检查气密性的方法要依装置而定。装药品，进行实验操作。7探究性综合实验的解题思路(1)巧审题，明确实验的目的和原

22、理。实验原理是解答实验题的核心，是实验设计的依据和起点。实验原理可从题给的化学情景(或题首所给实验目的)并结合元素化合物等有关知识获取。在此基础上，遵循可靠性、简捷性、安全性的原则，确定符合实验目的、要求的方案。(2)想过程，理清实验操作的先后顺序。根据由实验原理所确定的实验方案中的实验过程，确定实验操作的方法步骤，把握各步实验操作的要点，理清实验操作的先后顺序。(3)看准图，分析各项实验装置的作用。有许多综合实验题图文结合，思考容量大。在分析解答过程中，要认真细致地分析图中所示的各项装置，并结合实验目的和原理，确定它们在该实验中的作用。(4)细分析，得出正确的实验结论。实验现象(或数据)是化

23、学原理的外在表现。在分析实验现象(或数据)的过程中，要善于找出影响实验成败的关键以及产生误差的原因，或从有关数据中归纳出定量公式，绘制一定的变化曲线等。8实验装置的改进常规实验装置改进后的实验装置启普发生器极易溶于水量气装置【例2】铜及其化合物一般都具有特征的颜色，例如Cu、Cu2O呈红色，CuO呈黑色，CuSO4·5H2O呈蓝色等。研究性学习小组甲为检测实验室中的Cu2O试样是否含有Cu进行了认真的探究。查阅资料：Cu2O属于碱性氧化物；在空气中灼烧Cu2O生成CuO；Cu2O在酸性条件下能发生自身氧化还原反应(Cu2O2H=CuCu2H2O)。设计实验方案：方案1：取该红色试样溶

24、于足量稀硝酸中，观察溶液颜色变化及是否有残渣。方案2：取该红色试样溶于足量稀硫酸中，观察是否有残渣。方案3：称得干燥坩埚的质量为a g，取红色试样置于坩埚中称得总质量为b g，在空气中充分灼烧至完全变黑，并在干燥器中冷却，再称量。如此反复多次直到质量不变，称得试样最后质量为c g。分析数据，作出合理判断。(1)请你评价方案1和方案2。如果你认为该方案合理，请简述其工作原理；如果你认为该方案不合理，请简述原因。_。(2)方案3中，如果a、b、c的关系符合c_，可确认红色粉末是Cu2O。【探究拓展】探究物质制备实验方案的设计【实验典例】化学实验室制取氯化氢气体的方法之一是将浓硫酸滴入浓盐酸中。请从

25、下图中挑选所需仪器，在方框内画出用该方法制备、收集干燥氯化氢气体的装置简图，并在图中标明所用试剂。(仪器可重复使用，固定装置不必画出)实验室制备少量硫酸亚铁晶体的实验步骤如下：取过量洁净的铁屑，加入20%30%的稀硫酸溶液，在5080 水浴中加热至不再产生气泡。将溶液趁热过滤，滤液移至试管中，用橡胶塞塞紧试管口，静置、冷却一段时间后收集产品。(1)写出该实验制备硫酸亚铁的化学方程式：_。(2)硫酸溶液过稀会导致_。(3)采用水浴加热的原因是_。(4)反应时铁屑过量的目的是(用离子方程式表示)_。(5)溶液趁热过滤的原因是_。塞紧试管口的目的是_。(6)静置冷却一段时间后，在试管中观察到的现象是

26、_。【巩固提升】1用过量的H2SO4、NaOH、NH3·H2O、NaCl等溶液，按下图所示步骤分开五种离子，则溶液是()。ANaClNaOHNH3·H2OH2SO4BH2SO4NaOHNH3·H2ONaClCH2SO4NH3·H2ONaOHNaClDNaClNH3·H2ONaOHH2SO42某同学通过系列实验探讨Mg及其化合物的性质，操作正确且能达到目的的是()。A将水加入浓硫酸中得稀硫酸，置镁片于其中探讨Mg的活泼性B将NaOH溶液缓慢滴入MgSO4溶液中，观察Mg(OH)2沉淀的生成C将Mg(OH)2浊液直接倒入已装好滤纸的漏斗中过滤，洗涤并收集沉淀D将Mg(OH)2沉淀转入表面皿中，加足量稀盐酸，加热蒸干得无水MgCl2固体3(双选)下列实验现象预测正确的是()。A实验：振荡后静置，上层溶液颜色保持不变B实验：酸性KMnO4溶液中出现气泡，且颜色逐渐退去C实验：