2026届高考化学大一轮复习讲义第四章专题讲座三气体的实验室制备、净化和收集导学案

一、学习目标1.熟练掌握常见气体（如O₂、H₂、CO₂、Cl₂、NH₃、SO₂等）的实验室制备原理，能正确书写相关化学方程式。2.理解并能根据反应原理、反应物状态和反应条件选择合适的气体发生装置。3.掌握气体净化（除杂、干燥）的一般原则和常用方法，能选择恰当的净化试剂和装置。4.能根据气体的性质（密度、溶解性、是否与水反应等）选择适宜的收集方法。5.了解气体的验满与检验方法，以及实验安全和尾气处理的基本思路。6.能够综合运用以上知识，设计和评价简单的气体制备和性质验证实验方案。二、基础知识回顾与梳理（一）气体制备的反应原理核心在于选择合适的反应物和反应条件，确保反应能够平稳、安全地进行，并且易于收集到较纯净的气体。1.常见气体的实验室制备原理（请同学们自行完善化学方程式）：*O₂：*方法一：加热分解KClO₃（MnO₂作催化剂）*方法二：加热分解KMnO₄*方法三：H₂O₂在MnO₂催化下分解（此方法有何优点？）*H₂：活泼金属（如Zn）与稀酸（如稀H₂SO₄或稀HCl）反应（为何不用浓HCl或HNO₃？）*CO₂：碳酸盐（如CaCO₃）与稀酸（如稀HCl）反应（为何不用稀H₂SO₄？）*Cl₂：MnO₂与浓HCl共热（若没有MnO₂，可用什么试剂替代？反应条件有何变化？）*NH₃：*方法一：加热NH₄Cl与Ca(OH)₂的固体混合物*方法二：浓氨水与生石灰（或NaOH固体、碱石灰）作用（此方法的优点是什么？）*SO₂：Na₂SO₃固体与较浓H₂SO₄反应（为何用较浓H₂SO₄？）*NO：Cu与稀HNO₃反应*NO₂：Cu与浓HNO₃反应思考与讨论：书写气体制备的化学方程式时，需要注意哪些问题？（如反应条件、气体符号、物质的状态及浓度等）（二）气体发生装置的选择与组装选择依据：反应物的状态和反应条件。1.固-固加热型：*适用情况：反应物为固体，反应需要加热。*典型气体：O₂（方法一、二）、NH₃（方法一）等。*主要仪器：试管、酒精灯、铁架台（带铁夹）、单孔塞、导管。*注意事项：*试管口应略向下倾斜（防止冷凝水回流使试管炸裂）。*药品应平铺在试管底部（增大受热面积）。*导管伸入试管不宜过长（便于气体导出）。*加热时先预热，再集中加热。2.固-液（或液-液）不加热型：*适用情况：反应物为固体和液体，或液体和液体，反应不需要加热。*典型气体：H₂、CO₂、O₂（方法三）、NH₃（方法二）、SO₂等。*常用装置及特点：*简易装置（试管或锥形瓶+长颈漏斗）：结构简单，可随时添加液体，但不能控制反应速率。*注意：长颈漏斗下端应插入液面以下，形成液封，防止气体逸出。*分液漏斗（或恒压滴液漏斗）+锥形瓶（或圆底烧瓶）：可通过控制液体滴加速度来控制反应速率，节约药品，适用于较大量气体的制备。*优点：无需液封，可逐滴加入液体，便于控制。*启普发生器（或简易启普发生器）：适用于块状固体与液体不加热反应，且反应速率适中，生成的气体难溶于水。可随时控制反应的发生与停止。*适用气体：H₂、CO₂等。*注意：反应物固体必须是块状，且不溶于水。3.固-液（或液-液）加热型：*适用情况：反应物为固体和液体，或液体和液体，反应需要加热。*典型气体：Cl₂、HCl（浓H₂SO₄与NaCl固体共热）等。*主要仪器：圆底烧瓶、分液漏斗、酒精灯、铁架台（带铁圈、铁夹）、石棉网、双孔塞、导管。*注意事项：*烧瓶底部应垫石棉网（使受热均匀，防止炸裂）。*分液漏斗用于添加液体，并可控制滴加速度。*若为液-液反应，烧瓶中需加入碎瓷片（或沸石）防止暴沸。思考与讨论：如何检查上述装置的气密性？（简述操作方法和现象判断）（三）气体的净化与干燥1.净化原则：选择合适的试剂，除去杂质气体，同时不引入新的杂质，不减少目标气体的量。2.净化装置：*洗气瓶：盛液体试剂，长进短出。常用于除去气体中的气态杂质或进行气体干燥。*干燥管（U型管或球形干燥管）：盛固体试剂，气流“大进小出”（球形干燥管）或根据具体情况确定方向。3.常见气体的除杂（括号内为杂质）：*H₂（HCl）：用水或NaOH溶液洗气。*CO₂（HCl）：用饱和NaHCO₃溶液洗气（为何不用Na₂CO₃溶液？）。*Cl₂（HCl）：用饱和食盐水洗气。*CO₂（SO₂）：用饱和NaHCO₃溶液或酸性KMnO₄溶液洗气。*SO₂（HCl）：用饱和NaHSO₃溶液洗气。*N₂（O₂）：通过灼热的铜网。4.气体的干燥：*干燥剂的选择依据：气体的性质（酸碱性、氧化性、还原性）。干燥剂不能与被干燥气体反应。*常用干燥剂及适用气体：*酸性干燥剂：*浓H₂SO₄：可干燥O₂、H₂、CO₂、Cl₂、SO₂、HCl等酸性和中性气体。不能干燥NH₃、H₂S、HI等。*P₂O₅：可干燥大多数酸性和中性气体，如H₂、O₂、CO₂、Cl₂、SO₂等。不能干燥NH₃。*碱性干燥剂：*碱石灰（NaOH与CaO的混合物）：可干燥NH₃、H₂、O₂、N₂等碱性和中性气体。不能干燥CO₂、SO₂、HCl等酸性气体。*生石灰（CaO）、NaOH固体：类似碱石灰。*中性干燥剂：*无水CaCl₂：可干燥H₂、O₂、CO₂、Cl₂、N₂等多数气体。不能干燥NH₃（形成CaCl₂·8NH₃）和乙醇等。*干燥装置的选择：液体干燥剂（浓H₂SO₄）用洗气瓶；固体干燥剂用干燥管或U型管。5.净化与干燥的顺序：*若气体中含有多种杂质，通常先除去酸性（或碱性）杂质，再干燥。*若采用加热除杂（如除去O₂用灼热铜网），一般放在干燥之后（防止干燥剂吸水后在加热时失效或发生其他反应）。*原则：先除杂，后干燥；若用加热除杂，则加热在干燥之后。思考与讨论：如何除去Cl₂中混有的水蒸气和HCl气体？简述操作步骤和装置连接。（四）气体的收集方法选择依据：气体的密度（与空气比较）和溶解性（是否溶于水、是否与水反应）。1.排水法（或排其他液体法）：*原理：气体难溶于水（或所选液体）且不与水（或所选液体）反应。*适用气体：O₂、H₂、NO、CH₄等。（Cl₂可用排饱和食盐水法收集）*优点：收集到的气体纯度高，不含空气。*缺点：收集到的气体潮湿，不适用于易溶于水的气体。*注意事项：集气瓶中应装满水，倒置在水槽中，导管口伸入集气瓶口即可。当气泡连续均匀冒出时开始收集，收集满后在水下盖好玻璃片，取出正放或倒放（根据气体密度）。2.向上排空气法：*原理：气体密度比空气大（相对分子质量>29）。*适用气体：CO₂、Cl₂、SO₂、HCl、NO₂等。*优点：收集到的气体干燥（相对排水法而言）。*缺点：收集到的气体纯度较低，含有少量空气。*注意事项：导管应伸入集气瓶底部，便于将空气排尽。3.向下排空气法：*原理：气体密度比空气小（相对分子质量<29）。*适用气体：H₂、NH₃、CH₄等。*优点：操作简便，气体干燥。*缺点：气体纯度不高。*注意事项：导管应伸入集气瓶底部。思考与讨论：*NO为什么只能用排水法收集，而不能用排空气法？*NH₃极易溶于水，能否用排水法收集？如何收集干燥的NH₃？（五）气体的验满与检验1.验满（验证气体是否收集满）：*O₂：将带火星的木条置于集气瓶口，木条复燃则满。*CO₂：将燃着的木条置于集气瓶口，木条熄灭则满；或用蘸有澄清石灰水的玻璃棒靠近瓶口，石灰水变浑浊则满。*Cl₂：用湿润的淀粉-KI试纸靠近集气瓶口，试纸变蓝则满（或观察颜色，黄绿色充满则满）。*NH₃：用湿润的红色石蕊试纸靠近集气瓶口，试纸变蓝则满；或用蘸有浓盐酸的玻璃棒靠近瓶口，产生白烟则满。*SO₂：将湿润的品红试纸靠近集气瓶口，试纸褪色则满。2.检验（验证某种气体是否为目标气体）：*O₂：能使带火星的木条复燃。*H₂：纯净气体点燃，产生淡蓝色火焰，生成水；或通过灼热的CuO，黑色固体变红，同时生成水。*CO₂：能使澄清石灰水变浑浊，且该浑浊物能溶于过量的酸。*Cl₂：黄绿色气体，能使湿润的淀粉-KI试纸变蓝，能使湿润的有色布条褪色。*NH₃：无色有刺激性气味，能使湿润的红色石蕊试纸变蓝，与浓盐酸相遇产生白烟。*SO₂：无色有刺激性气味，能使品红溶液褪色，加热后又恢复红色；能使酸性KMnO₄溶液或溴水褪色。*NO：无色气体，遇空气立即变为红棕色。*NO₂：红棕色有刺激性气味的气体，能使湿润的淀粉-KI试纸变蓝（氧化性），能与水反应生成硝酸和NO。（六）实验装置的连接顺序一般原则：发生装置→净化（除杂）装置→干燥装置→收集（或性质实验）装置→尾气处理装置。（若采用排水法收集，则干燥装置应在收集装置之后，但通常排水法收集的气体是湿润的，故干燥后一般用排空气法收集。需根据具体实验目的调整。）连接时注意：*仪器连接的严密性，防止气体泄漏。*洗气瓶的进出气方向（长进短出）。*干燥管中固体试剂的填充要均匀，不能有缝隙。（七）尾气处理对于有毒、有害、污染空气的气体，需要进行尾气处理，防止污染环境或危害健康。1.常见尾气处理方法：*吸收法：用相应的试剂吸收。*极易溶于水的气体（如NH₃、HCl）：用水吸收，需注意防倒吸（可使用倒扣的漏斗、安全瓶等装置）。*酸性气体（如Cl₂、SO₂、NO₂）：用碱性溶液（如NaOH溶液）吸收。*燃烧法：对于可燃性有毒气体（如CO、H₂S、CH₄等，需确认燃烧产物无害），可点燃转化为无害物质。*收集法：用气球、气囊或排水法（对于难溶于水的有毒气体）将尾气收集起来，进行后续处理或回收利用。2.防倒吸装置：用于吸收极易溶于水的气体（如NH₃、HCl）。常见的防倒吸装置有：倒扣漏斗式、安全瓶式、肚容式等。三、总结与提升气体的实验室制备是一个系统性的实验过程，涉及到反应原理的理解、实验装置的选择与组装、实验操作的规范以及实验安全等多个方面。在复习过程中，要注意：1.抓本质：深刻理解各实验环节选择的依据（如装置选择看反应物状态和反应条件，收集方法看气体密度和溶解性等）。2.辨异同：对比不同气体制备的异同点，如制O₂的三种方法各自的优缺点；制Cl₂和制HCl在装置上的相似性等。3.重应用：能够将所学知识迁移