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第24讲 常见气体的实验室制备、净化和收集
复习目标 1.了解常见气体制备原理、装置及改进。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.重要气体的发生装置
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:
(1)固体+固体气体
发生装置如图:
制备气体:O2、NH3、CH4等。
(2)固体+液体(或液体+液体)气体
发生装置:
制备气体:Cl2、C2H4等。
(3)固体+液体(不加热)―→气体
发生装置:
制备气体:选择合适的药品和装置能制取中学化学中常见的气体。
3.常见气体典型制备系统举例
(1)Cl2的实验室制备
(2)SO2的实验室制备
(3)NH3的实验室制备
4.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先除易除的杂质气体。
(2)气体干燥净化装置
类型
液态干燥剂
固态干燥剂
固体,加热
装置图
Ⅰ
Ⅱ
Ⅲ
Ⅳ
常见干燥剂
浓H2SO4(酸性、强氧化性)
无水氯化钙(中性)、碱石灰(碱性)
除杂试剂Cu、CuO、Mg等
当CO2中混有O2杂质时,应选用上述Ⅰ~Ⅳ中的Ⅳ装置除O2,除杂试剂是Cu粉。
5.气体的收集方法
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,且不与水反应的气体
O2、H2、NO、CO等
排空气法
向上排空气法
密度大于空气且不与空气中的成分反应
Cl2、SO2、NO2、CO2
向下排空气法
密度小于空气且不与空气中的成分反应
H2、NH3
6.集气装置的创新——排液集气装置
装置(Ⅰ)从a管进气b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,在瓶A中收集到气体。
7.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,会污染空气或者引发火灾、爆炸等灾害。
(2)处理方法: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溶液吸收,可燃性气体用点燃等措施。
(3)尾气处理装置(见下图a、b、c)
①实验室制取Cl2时,尾气的处理可采用b装置。
②制取CO时,尾气处理可采用a、c装置。
③制取H2时,尾气处理可采用a、c装置。
8.防倒吸装置
肚容式
分液式
1.判断下列试剂使用是否正确,正确的打“√”,错误的打“×”。
2.判断下列气体的吸收或收集方法是否正确,正确的打“√”,错误的打“×”。
一、和气体制备有关的组合装置分析应用
1.下列实验方案最合理的是( )
答案 B
解析 A项,Cl2的密度比空气大,收集时应用向上排空气法;B项,浓氨水滴入CaO中,CaO与水反应放热,NH3·H2O受热分解并挥发出NH3,可以制取NH3;C项,NO2能与水反应,不能用排水法收集;D项,Na2O2为粉末状固体,不能用启普发生器的简易装置制取氧气。
2.碳酸镧[La2(CO3)3]可用于治疗终末期肾病患者的高磷酸盐血症,其制备反应的化学方程式为2LaCl3+6NH4HCO3===La2(CO3)3↓+6NH4Cl+3CO2↑+3H2O。某化学兴趣小组利用如图所示装置模拟制备碳酸镧。下列说法错误的是( )
A.导管的连接顺序为f→a→b→d→e→c
B.X中盛放的试剂是饱和NaHCO3溶液
C.球形干燥管的作用为防倒吸
D.Z中通入气体的方式是先通入足量CO2,后通入过量的NH3
答案 D
解析 由装置可知,W中制备二氧化碳,X除去HCl,Y中制备氨气,在Z中制备碳酸镧。则制备碳酸镧实验流程中导管从左向右的连接顺序为f→a→b→d→e→c,故A正确;X中盛放的试剂是饱和NaHCO3溶液,其作用为吸收挥发的HCl,故B正确;氨气极易溶于水,球形干燥管的作用为防倒吸,故C正确;Z中应先通入NH3,后通入过量的CO2。
二、和气体制备有关的组合选项分析应用
3.(2022·宁波高三质检)用下图所示装置进行实验,下列实验现象描述错误的是( )
选项
试剂甲
试剂乙
试剂丙
丙中的现象
A
稀盐酸
CaCO3
Na2SiO3溶液
有白色沉淀生成
B
浓硫酸
Na2SO3
BaCl2溶液
有白色沉淀生成
C
过氧
化氢
MnO2
酸性KI-淀粉溶液
溶液变为蓝色
D
浓盐酸
KMnO4
Na2S溶液
有淡黄色沉淀生成
答案 B
解析 A项,稀盐酸和碳酸钙反应生成CO2,CO2与硅酸钠溶液反应生成硅酸白色沉淀,正确;B项,浓硫酸与亚硫酸钠反应生成SO2,但SO2与氯化钡不反应,错误;C项,过氧化氢在二氧化锰的作用下分解生成氧气,氧气把I-氧化为单质碘,淀粉遇碘显蓝色,正确;D项,浓盐酸与高锰酸钾混合生成氯气,氯气把硫化钠氧化为单质S,生成淡黄色沉淀,正确。
4.用如图所示装置和相应试剂能达到实验目的的是( )
选项
实验目的
a中试剂
b中试剂
c中试剂
A
验证非金属性:S>C>Si
稀硫酸
Na2CO3
Na2SiO3溶液
B
制备纯净的氯气
浓盐酸
MnO2
饱和食盐水
C
检验溶液X中含有CO
盐酸
溶液X
澄清石灰水
D
除去Na2SO3中的Na2SO4
氯水
混合物
NaOH溶液
答案 A
解析 A项,装置b中生成气体,说明硫酸的酸性强于碳酸,装置c中出现沉淀,说明碳酸的酸性强于硅酸,最高价氧化物对应水化物的酸性越强,元素非金属性越强,即非金属性:S>C>Si,正确;B项,MnO2和浓盐酸反应,需要加热,此装置中没有加热装置,饱和食盐水除去氯气中的HCl,从装置c中出来的氯气中混有水蒸气,不是纯净的,错误;C项,向装置b中加入盐酸,生成能使澄清石灰水变浑浊的气体,不能说明X中含有CO,可能含有HCO或SO或HSO,错误;D项,氯水具有强氧化性,能把SO氧化成SO,不能达到实验目的,错误。
三、和气体制备有关的仪器连接分析应用
5.根据实验目的设计如下装置的连接中,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
答案 D
解析 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;浓硫酸吸收多余的NH3,易发生倒吸,C错误;饱和食盐水除去HCl气体,浓硫酸吸收水蒸气,碱石灰吸收多余的Cl2,D正确。
6.用下图所示装置测定水中氢、氧元素的质量比,其方法是分别测定通氢气前后玻璃管的质量差和U形管的质量差,实验测得m(H)∶m(O)>1∶8。下列对导致这一结果的原因分析中,一定错误的是( )
A.Ⅰ、Ⅱ装置之间缺少干燥装置
B.Ⅲ装置之后缺少干燥装置
C.Ⅱ装置中玻璃管内有水冷凝
D.CuO没有全部被还原
答案 D
解析 用H2还原CuO时,装置Ⅲ中CaCl2吸收的是生成的水,而装置Ⅱ中玻璃管通H2前后的质量差为反应时消耗CuO中氧的质量,即生成水中氧元素的质量,而m(水)-m(氧)=m(氢)。当Zn和稀硫酸反应产生的H2不干燥[m(水)偏大],装置Ⅲ后不加干燥装置,使Ⅲ中CaCl2吸收空气中的水分[m(水)偏大],Ⅱ中玻璃管内有水冷凝[m(氧)偏小],都会造成测得m(H)∶m(O)>1∶8。H2O的组成与CuO是否完全反应无关,只与通H2前后玻璃管的质量差和生成的水有关。
1.(2021·全国乙卷,8)在实验室采用如图装置制备气体,合理的是( )
选项
化学试剂
制备气体
A
Ca(OH)2+NH4Cl
NH3
B
MnO2+HCl(浓)
Cl2
C
MnO2+KClO3
O2
D
NaCl+H2SO4(浓)
HCl
答案 C
解析 氨气的密度比空气小,不能用向上排空气法收集,故A错误;二氧化锰与浓盐酸共热制备氯气为固液加热反应,不能选用固固加热装置,故B错误;二氧化锰和氯酸钾共热制备氧气为固固加热的反应,氧气的密度大于空气,可选用向上排空气法收集,故C正确;氯化钠与浓硫酸共热制备为固液加热反应,不能选用固固加热装置,故D错误。
2.(2020·江苏,5)实验室以CaCO3为原料,制备CO2并获得CaCl2·6H2O晶体。下列图示装置和原理不能达到实验目的的是( )
答案 D
解析 A对,碳酸钙与稀盐酸反应可制备CO2,且为固液常温型反应,装置也正确;B对,CO2密度比空气大,可以用向上排空气法收集;C对,分离固体与液体,可采用过滤的方法;D错,CaCl2·6H2O晶体可以通过蒸发浓缩、冷却结晶、过滤的方法制得,采用蒸发结晶法易导致CaCl2·6H2O失去结晶水。
3.(2017·全国卷Ⅰ,10)实验室用H2还原WO3制备金属W的装置如图所示(Zn粒中往往含有硫等杂质,焦性没食子酸溶液用于吸收少量氧气)。下列说法正确的是( )
A.①②③中依次盛装KMnO4溶液、浓H2SO4、焦性没食子酸溶液
B.管式炉加热前,用试管在④处收集气体并点燃,通过声音判断气体纯度
C.结束反应时,先关闭活塞K,再停止加热
D.装置Q(启普发生器)也可用于二氧化锰与浓盐酸反应制备氯气
答案 B
解析 A项,气体从溶液中逸出易带出水蒸气,所以浓硫酸应放在③中,错误;B项,先通H2以排出空气,加热前应先检验H2的纯度,正确;C项,若先停止通H2,空气中的氧气有可能重新将W氧化,应先停止加热,再关闭活塞K,错误;D项,MnO2和浓盐酸反应制氯气需要加热,不能用启普发生器制备,错误。
课时精练
1.实验室用如图装置制氨气并验证氨气的某些化学性质,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
答案 C
解析 NaOH与NH4Cl反应生成NH3·H2O,不加热的情况下NH3·H2O难以分解,无NH3生成,故无法制备氨气,A错误;NH3与浓H2SO4反应,不能用浓H2SO4干燥NH3,B错误;NH3与CuO反应生成N2、Cu和H2O,黑色的CuO转化为红色的Cu,N元素的化合价升高,说明NH3具有还原性, C正确;苯的密度比水的密度小,在上层,NH3直接通入下层的水中,会发生倒吸,D错误。
2.用所给试剂与图示装置能够制取相应气体的是(夹持仪器略)( )
选项
A
B
C
D
X
浓盐酸
浓硫酸
双氧水
浓氨水
Y
KMnO4
C2H5OH
MnO2
NaOH
气体
Cl2
C2H4
O2
NH3
答案 C
解析 浓盐酸和KMnO4固体混合有氯气生成,但氯气溶于水,且与水发生反应,则不能用排水法收集,故A不符合题意;在浓硫酸存在下,乙醇消去制乙烯需要迅速升温到170 ℃,故B不符合题意;双氧水在二氧化锰催化作用下分解制氧气,制取装置不需要加热,收集氧气可以用排水法,故C符合题意;氨气极易溶于水,不能用排水法收集,故D不符合题意。
3.(2022·广州市普通高中毕业班综合测试)用如图装置制取气体(
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