化学实验方案的设计和气体的制备.doc
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1、第四十六讲 实验方案的设计和气体的制备(建议2课时完成)考试目标 1复习气体的制备原理、收集、净化、尾气处理等知识,以及各种仪器装置的使用方法和操作注意事项。2选择仪器装置,解决气体制备、净化等问题的分析、迁移能力。3设计、评价或改进实验方案。了解控制实验条件的方法。4分析或处理实验数据,得出合理结论。5绘制和识别典型的实验仪器装置图。要点精析一、气体的制备1气体发生装置的类型(1)设计原则:根据反应原理、反应物状态和反应所需条件等因素来选择反应装置。(2)装置基本类型:装置类型固体反应物(加热)固液反应物(不加热)固液反应物(加热) 装置示意图 典型气体O2、NH3、CH4H2、CO2、H2
2、S H2、CO2、H2S、SO2、NO、NO2、C2H2、O2、NH3、Cl2、HCl、COCH2=CH22几种气体制备的反应原理(1)O2 2KClO3 2KCl+3O2 2KMnO4K2MnO4+MnO2+O2 2H2O22H2O+O2(2)NH3 2NH4Cl+Ca(OH)2CaCl2+2NH3+2H2O NH3H2ONH3+H2O(3)CH4 CH3COONa+NaOHNa2CO3+CH4(4)H2 Zn+H2SO4(稀)=ZnSO4+H2(5)CO2 CaCO3+2HCl=CaCl2+CO2+H2O(6)SO2 Na2SO4+H2SO4(浓)=Na2SO4+SO2+H2O(7)NO2
3、 Cu+4HNO3(浓)=Cu(NO3)2+2NO2+2H2O(8)NO 3Cu+8HNO3(稀)=3Cu(NO3)2+2NO+4H2O(9)C2H2 CaC2+2H2OCa(OH)2+CHCH(10)Cl2 MnO2+4HCl(浓)MnCl2+Cl2+2H2O(11)C2H4 C2H5OHCH2=CH2+H2O(12)H2 S FeS+H+=H2S+Fe2+3收集装置(1)设计原则:根据氧化的溶解性或密度装置类型排水(液)集气法向上排空气集气法向下排空气集气法装 置示意图适用范围不溶于水(液)的气体密度大于空气的气体密度小于空气的气体典型气体H2、O2、NO、CO、CH4、CH2CH2、CH
4、CHCl2、HCl、CO2、SO2、H2SH2、NH3、CH4注:以上三种方法所得气体均不纯净:排气法所得气体中含有空气、排水法所得气体中含有水蒸气,故要得到纯净的气体可以用球胆或塑料袋或注射器收集。(2)装置基本类型:4净化与干燥装置(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)(也可以装固体吸收剂)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水来吸收;酸性杂质可用碱性物质吸收
5、;碱性杂质可用酸性物质吸收;水分可用干燥剂来吸收;能与杂质反应生成沉淀(或可溶物)的物质也可作为吸收剂。(4)气体干燥剂的类型及选择常用的气体干燥剂按酸碱性可分为三类:酸性干燥剂,如浓硫酸、五氧化二磷、硅胶。酸性干燥剂能够干燥显酸性或中性的气体,如CO2、SO2、NO2、HCI、H2、Cl2 、O2、CH4等气体。碱性干燥剂,如生石灰、碱石灰、固体NaOH。碱性干燥剂可以用来干燥显碱性或中性的气体,如NH3、H2、O2、CH4等气体。中性干燥剂,如无水氯化钙等,可以干燥中性、酸性、碱性气体,如O2、H2、CH4等。在选用干燥剂时,显碱性的气体不能选用酸性干燥剂,显酸性的气体不能选用碱性干燥剂。
6、有还原性的气体不能选用有氧化性的干燥剂。能与气体反应的物质不能选作干燥剂,如不能用CaCI2来干燥NH3(因生成 CaCl28NH3),不能用浓 H2SO4干燥 NH3、H2S、HBr、HI等。(5)气体净化与干燥注意事项一般情况下,若采用溶液作除杂试剂,则是先除杂后干燥;若采用加热除去杂质,则是先干燥后加热。对于有毒、有害的气体尾气必须用适当的溶液加以吸收(或点燃),使它们变为无毒、无害、无污染的物质。如尾气Cl2、SO2、Br2(蒸气)等可用NaOH溶液吸收;尾气H2S可用CuSO4或NaOH溶液吸收;尾气CO可用点燃法,将它转化为CO2气体。对于易爆的气体应点燃尾气,不能排放在实验室中。
7、5气体实验装置的设计(1)装置顺序:制气装置净化装置反应或收集装置除尾气装置(2)安装顺序:由下向上,由左向右(3)操作顺序:装配仪器检验气密性加入药品二、实验方案的设计1性质实验方案设计(1)在进行性质实验方案的设计时,要充分了解物质的结构,性质,用途与制法之间的相互联系。(2)性质实验的设计一般包括反应原理,实验仪器与操作、反应现象和实验结论几个方面。(3)化学性质实验方案的设计,首先要求抓住物质本质特征进行整理和思考,然后进行分析、比较、综合和概括。需要在元素周期律等化学理论知识的指导下,将元素及其化合物的知识进行整理,使之系统化、网络化、在提取知识时能够准确、全面,并能注重知识间的内在
8、联系。 例1设计一个简单的化学实验,证明明矾溶于水时,发生了水解反应,其水解反应是吸热反应,生成了胶体溶液,并说明该反应是一个可逆反应的理由。(可供选用的仪器和试剂有:明矾溶液、甲基橙、石蕊、酚酞试液、pH试纸、氢氧化钠溶液、酒精灯、电泳仪、聚光束仪等)分析讲解题中要求证明三点:明矾水解是吸热反应;水解后生成了胶体溶液;水解反应是一个可逆反应。可以根据丁达尔现象来区分胶体和溶液。可逆反应的特征是反应可以达到平衡状态,改变某个条件能使化学平衡发生移动。所以,可以设计一个实验改变反应的某一个条件,测定某种物质的浓度变化,对于该反应最好是测定溶液的pH值。实验步骤可设计成如下三步:第一步:用pH试纸
9、测定明矾溶液的pH36.5%(3)作简单的计算就可得到结果。(4)加热氯化镁晶体时,由于氯化氢易挥发,容易生成氧化镁。所以,只有在能够抑制氯化镁水解的条件下,才能加热氯化镁晶体直接制取无水氯化镁。(5)在分析第(2)、(4)过程中可得到这样的信息:若加热氯化镁晶体只为了制取氧化镁和盐酸,需要另加原料水(反过来分析就是HCl过量);若只是制取无水氯化镁,必需加入一定的氯化氢气流。工业生产最理想的工艺要求是充分利用现有原料,不产生废物,以此为原则可提出合理的建议。答案(1)MgCl26H2OMgO+2HCl+5H2O。(2)若用此法制取36.5%盐酸,必须再加入水。(3)可制得氧化镁197kg,浓
10、盐酸986kg 。(4)氯化氢气流可抑制氯化镁水解,并带走水蒸气。反应式为: MgCl26H2OMgCl2+6H2O(5)制取氧化镁时生成盐酸,多余氯化氢经干燥后用于制无水氧化镁时的氯化氢气流。若amol MgCl26H2O 用于制氧化镁, b molMgCl26H2O用于制取无水氯化镁,则有:aMgCl26H2O+ bMgCl26H2O= aMgO + bMgCl2 + 2a HCl + (5a+6b)H2O那么,根据所得的36.5%盐酸有:n(HCl) :n(H2O)= :=1:3.53即:= a:b3:1。3检验实验方案设计(1)熟练掌握各类物质的物理性质(顔色,气味,熔、沸点,水溶性)
11、,化学性质及相互反应的现象,尤其是一些选择性反应与特征反应。(2)物质鉴定的关键在于通过分析,推理设计出合理的鉴定过程。(3)鉴定的基本原则:被鉴定的物质是固体,则一般需要用蒸馏水溶解;待鉴定物质在实验时应取少量;要检验多种成份,应进行平行实验,防止一只试管进行到底,造成前后干扰;由现象定结论,由特定条件下的特定现象,证明其含有特定的微粒。例5仅用一种试剂鉴别如下物质:苯、CCl4、NaI溶液、NaCl溶液、Na2SO3溶液,下列试剂中不能选用的是( )A溴水 BFeCl3溶液 C酸性KMnO4 DAgNO3溶液答案D。分析讲解苯、CCl4都是一种非极性溶剂,但前者的密度比水小,后者的密度比水
12、大。溴水滴入苯中振荡后,水中的Br2转移到到苯层中,苯层浮在上层。溴水滴入到CCl4中振荡后,水的Br2转移到CCl4层中,CCl4层沉在下层。溴水滴入NaI溶液中,会置换出I2,溶液颜色变深。溴水滴入亚硫酸钠溶液中时,Br2跟亚硫酸钠反应,颜色褪去。溴水滴入氯化钠溶液中,不发生化学反应,溴水稀释。所以溴水能将五种溶液检别开来。FeCl3溶液滴入苯、CCl4中,可根据分层现象区分。FeCl3溶液滴入NaCl溶液中,不会产生明显现象。FeCl3溶液NaI溶液中会生成I2。FeCl3溶液滴入Na2SO3溶液中会发生如下反应:2Fe3+SO32-+H2O=2Fe2+SO42-+2H+,能产生褪色、气
13、泡等多种现象。所以氯化铁溶液能用于检别五种溶液。酸性KMnO4滴入苯和CCl4中,也可根据分层现象区分。酸性KMnO4滴入氯化钠溶液中无明显现象。酸性KMnO4滴入碘化钠溶液中会生成I2,滴入亚硫酸钠溶液中会生成硫酸钠,都会产生明显的实验现象差异。所以酸性KMnO4能用于检别五种溶液。注意点从思维角度看,解答指定试剂检验题主要用到的是定向思维,只要分析给定试剂跟待检物质能发生什么反应,反应中有什么现象,各种待检物质跟试剂反应时的现象是否有明显差异等等。有些反应的原理虽然相近,但实验现象有明显差异,也可以用于检别。有些反应的原理有很大不同,但不能产生明显差异的实验现象,也不能用于检别。 例6某学
14、生根据高中课本中硝酸钾受热分解的实验操作来判断硝酸铅的分解产物之一是氧气;将试管中的硝酸铅加热到熔融,把带有火星的细木条伸进试管口,检验放出的气体,当发现木条复燃时该学生即断言,硝酸铅受热分解有氧气放出。请你对上述实验及结论的合理性作出评价。如有必要,可提出改进的实验方案。解题思路:有关反应的方程式为:2KNO3 2KNO2+O2 2Pb(NO3)2 2PbO+4NO2+O2比较反应式和,其不同之处是中除生成O2外,还生成了NO2。这一不同又产生了两个结果,一方面NO2稀释了O2,O2仅占混合气体的20%,而这与空气中O2的含量相近,因而此处的O2不可能使带火星的木条复燃;另一方面NO2本身也
15、能使带火星的木条复燃。因为NO2受热也能放出O2;2NO2=2NO+O2。解答:上述实验及结论在科学上是错误的。由于NO2干扰了O2的检验,因此应选用NaOH溶液除掉NO2后再检验。 例7 研究某一化学反应的实验装置如下图所示: AF属于下列物质中的六种物质:浓硫酸、浓盐酸、浓氨水、稀硫酸、稀盐酸、稀氟水、水、锌粒、铜片、食盐、高锰酸钾、氯化钙、氧化钙、四氧化三铁、氧化铁、氧化铜、氢气、二氧化碳、二氧化氮、一氧化碳、氯气、氯化氢、氨气、氮气、氧气。 实验现象; (1)D物质由黑色变为红色 (2)无水硫酸铜粉末放入无色透明的E中得到蓝色溶液 (3)点燃的镁条伸入无色无味的F中镁条表面生成一种灰黄
16、色固体物质。将该发黄色物质放入水中,有气体放出,该气体具有刺激性气味。并能使润湿的红色石蕊试纸变蓝。通过分析回答: l、写出AF的物质名称: A ,B ,C ,D ,E ,F 。 2、写出有关的化学方程式:A与B ;C与D ;E与无水硫酸铜 ;F与Mg ;F与Mg的反应产物与水 。 解题思路:“该气体具有刺激性气味,并能使润湿的红色石蕊试纸变蓝”是解答此题的突破口,此气体只能是NH3,结合题意,F就是N2。因此,从限定的反应物中,只能设法从氨水中获取然后结合发生装置特点(固、液、不加热)及其他实验现象,便可推断其他的物质。 解答:1、A.浓氨水;B.氧化钙;C.氨气;D.氧化铜;E.水;F.氮
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