2020版新一线高考化学（鲁科版）一轮复习教学案：高考专题讲座2　常见气体的实验室制法及其性质探究

(二)　常见气体的实验室制法及其性质探究

(对应学生用书第78页)

[整合归纳]

1．气体制备及其性质探究的基本思路

2．常见气体的发生装置

3.常见气体的除杂装置

(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

提醒：气体除杂的注意事项

(1)需净化的气体中含有多种杂质时，除杂顺序：一般先除去酸性气体，如氯化氢气体、CO2、SO2等，水蒸气要在最后除去；(2)除杂选用方法时要保证杂质完全除掉，如除CO2最好用NaOH不用Ca(OH)2溶液。有时候为了保证气体除尽，还要验证一步，如验证混合气体中既有CO2，又有SO2，通常用品红溶液检验SO2，然后用溴水或酸性KMnO4溶液除去SO2，再用品红溶液检验是否除尽，最后用澄清石灰水检验CO2。

4．常见气体的收集方法

(1)排水法：收集难溶于水的气体，如O2、H2、N2、NO、CO、C2H4等。

(2)排液法：收集难溶于所选溶液的气体，如Cl2用排饱和食盐水法收集。

(3)向上排空气法：收集气体密度比空气的大且相差较大的气体，如Cl2、CO2、NO2等。

(4)向下排空气法：收集气体密度比空气的小的气体，如CH4、H2、NH3等。

提醒：(1)排液集气收集装置的创新

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A瓶中收集到气体。

(2)排空法收集的连接

5．尾气处理分析

对有毒、有害的气体必须用适当的方法予以吸收或点燃变为无毒、无害的气体，再排放到空气中。

(1)用水吸收的是：NH3、HCl(注意防倒吸)。

(2)用烧碱溶液吸收的是：Cl2、HCl、H2S、SO2、NO2。

(3)用硫酸铜溶液或醋酸铅溶液吸收的是：H2S。

(4)用点燃法除去的是：CO、H2、CH4。

(5)用收集法除去的是：NO。

提醒：溶液或水吸收尾气时防倒吸装置

[试题分类探究]

[典例导航]

(2018·专家原创)某化学小组在实验室制备CO，用制备的CO还原氧化铜，并检验反应产物。可能用到的装置如图所示。

查阅资料：

实验室制备CO的原理：HCOOHCO↑＋H2O，反应过程可能有SO2、CO2生成。

请回答下列问题：

(1)为了达到实验目的，装置接口的连接顺序是______；E装置内加入的试剂为________。

(2)甲同学提出从环保角度考虑，装置不完善，改进措施为________________；乙同学认为A装置可能发生副反应生成CO2、SO2等酸性气体，理由可能是______________________________________________

___________________________________________________________(用化学方程式表示)。

[思路点拨]　①各仪器的作用：A生成CO，B验证CO还原性，C检验CO的氧化产物CO2，D安全瓶，E吸收杂质气体(如SO2、CO2、H2O)。

②制取CO时可生成杂质气体SO2、CO2、H2O。

③验证CO还原CuO应用干燥纯净的CO，在进入B装置前应除去SO2、CO2、H2O(g)等。

④吸收SO2、CO2、H2O(g)可以用碱石灰固体干燥剂。

解析：(1)用甲酸与浓硫酸共热制取CO，制取的CO中可能含有挥发出来的HCOOH与水蒸气，需要除去杂质后才能用于还原氧化铜，可用碱石灰除去杂质气体，则E装置应连接在A、B装置之间，C装置可用于检验氧化产物CO2，D装置为安全瓶，则接口连接顺序为a→h→i→b→c(或c→b)→f→g(或g→f)→d→e，E装置中加入的试剂为碱石灰(或生石灰、烧碱)。(2)尾气中含有有毒的CO，排放到空气中会污染环境，题图中缺少一个尾气处理装置，可用燃烧法或用气球收集等方法处理尾气；甲酸与浓硫酸在加热条件下可能生成CO2、SO2和H2O。

答案：(1)a→h→i→b→c→f→g→d→e(b与c、f与g可互换)　碱石灰(或生石灰、烧碱)　(2)在最后导管口处放置一个点燃的酒精灯(或用气球收集尾气，其他合理方案均可)　HCOOH＋H2SO4(浓)CO2↑＋SO2↑＋2H2O

(1)制CO反应过程中有SO2生成，体现浓硫酸的______性。

(2)D装置的作用是________。

(3)该实验证明CO还原性的现象是________________________________。

答案：(1)强氧化　(2)安全瓶，防倒吸　(3)B中黑色物质变红，C中溶液变浑浊

[对点训练]

1．氢化钙是重要的生氢剂，遇水或酸能够引起燃烧。利用下列装置制备CaH2固体(提供的实验仪器不得重复使用)，下列说法正确的是(　　)

①　　　　②　　　③　　　　④

A．装置①在加入试剂前无需检查气密性

B．各个装置仪器接口的连接顺序为a→c→b→f→g→d→e

C．加热装置④之前必须检查气体的纯度

D．装置③的主要作用是防止空气中的CO2、H2O(g)进入装置④中

C　[装置①为启普发生器，加入试剂之前必须检查装置的气密性，A错误；装置①中产生的氢气会混有HCl、H2O(g)，通过装置③可以除去这两种杂质，所以仪器接口的连接顺序为a→d→e→f→g(或g→f)→b→c，B错误；在加热前需通入氢气排尽装置④硬质玻璃管中的空气，通过检查氢气的纯度确定是否将空气排尽，C正确；装置③的作用是除去氢气中混有的HCl、H2O(g)，D错误。]

2．(2019·长郡中学模拟)实验室制备卤砂(NH4Cl)所需的装置如图所示，装置可重复选用。

A　　    B　　　　　　C　　　　　　D

(1)装置接口连接顺序是________→a；b←________。

(2)C装置的作用是________，D装置盛装的物质是________。

(3)写出用上述装置制备氨气的一组试剂：___________________________________________________________。

解析：(1)结合实验目的及题给装置可知，从a、b接口分别向锥形瓶中通入HCl和NH3，可用B装置制备HCl，经D装置干燥后通入a，装置接口连接顺序为c→f→g→a；也可用B装置制备NH3，经C装置干燥后通入b，装置接口连接顺序为c→d→e→b。(2)C装置用于干燥NH3，D装置用于干燥HCl，盛装的物质是浓硫酸。(3)用B装置制备NH3可选用浓氨水和碱石灰。

答案：(1)c→f→g　e←d←c

(2)干燥氨气　浓硫酸

(3)浓氨水和碱石灰(或其他合理答案)

[典例导航]

(2019·黄冈调研)氮化镓(GaN)被称为第三代半导体材料，其应用已经取得了突破性的进展。

已知：

(ⅰ)氮化镓性质稳定，不与水、酸反应，只在加热时溶于浓碱。

(ⅱ)NiCl2溶液在加热时，先转化为Ni(OH)2，后分解为NiO。

(ⅲ)制备氮化镓的反应为2Ga＋2NH32GaN＋3H2。

某学校化学兴趣小组实验制备氮化镓，设计实验装置如图所示：

设计实验步骤如下：

①滴加几滴NiCl2溶液润湿金属镓粉末，置于反应器内。

②先通入一段时间的H2，再加热。

③停止通氢气，改通入氨气，继续加热一段时间。

④停止加热，继续通入氨气，直至冷却。

⑤将反应器内的固体转移到盛有盐酸的烧杯中，充分反应后过滤、洗涤、干燥。

(1)仪器X中的试剂是______，仪器Y的名称是______。

(2)该套装置中存在一处明显的错误是____________________________

___________________________________________________________。

(3)步骤①中选择NiCl2溶液不选择氧化镍的原因是________。

a．增大接触面积，加快化学反应速率

b．使镍能均匀附着在镓粉的表面，提高催化效率

c．能更好地形成原电池，加快反应速率

(4)请写出步骤⑤中检验产品氮化镓固体洗涤干净的操作___________________________________________________________

___________________________________________________________。

(5)镓元素与铝元素同族，其性质与铝类似，请写出氮化镓溶于热NaOH溶液的离子方程式：______________________________________________

__________________________________________________________。

[思路点拨]　①部分装置作用：A装置产生H2排空气，C装置产生NH3与Ga反应，B、Y装置除杂，E装置为反应器，F装置吸收尾气NH3。

解析：(1)实验前先通入一段时间H2可排出装置中的空气，故A装置用来制备H2，停止通入H2后改通NH3，则装置C用来制备NH3，故仪器X中的试剂应为浓氨水。仪器Y为球形干燥管，可装碱石灰，目的是干燥NH3。(2)直接将过量的NH3通入装置F中的稀硫酸中，NH3极易溶于稀硫酸，会引起倒吸。(3)步骤①中选择NiCl2溶液而不选择氧化镍，一方面因为能增大接触面积，从而加快反应速率；另一方面可使镍能均匀地附着在镓粉表面，提高催化效率。(4)制备的氮化镓固体表面会含有杂质Cl－，故检验产品氮化镓固体洗涤干净的操作为：取最后一次洗涤液于试管中，滴加AgNO3溶液，若无白色沉淀，则证明产品氮化镓固体已洗涤干净。(5)根据Ga与Al性质相似，类比可知，GaN与热NaOH溶液反应的离子方程式为GaN＋OH－＋H2OGaO＋NH3↑。

答案：(1)浓氨水　球形干燥管

(2)装置F中的溶液会发生倒吸

(3)ab

(4)取最后一次洗涤液于试管中，滴加AgNO3溶液，若无白色沉淀，则证明产品氮化镓固体已洗涤干净

(5)GaN＋OH－＋H2OGaO＋NH3↑

(1)A、C装置中连接分液漏斗上口的橡胶管作用是：_______________

___________________________________________________________。

(2)若C中固体为CaO，则C中反应方程式为___________________________

___________________________________________________________。

(3)Y中试剂为________。

答案：(1)保证上下压强相同，便于液体顺利流下

(2)CaO＋2NH3·H2O===2NH3↑＋Ca(OH)2

(3)碱石灰(或CaO或NaOH)

[对点训练]

3．(2017·全国卷Ⅰ，T10)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．①、②、③中依次盛装KMnO4溶液、浓硫酸、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

B　[A项，若③中为焦性没食子酸溶液，则进入④中的气体还会有水蒸气，错误；B项，若在④处收集气体点燃，发出“噗”声，则证明制取的氢气较纯，可以加热管式炉，正确；C项，为了防止生成的W被氧化，反应结束时应先停止加热，待管式炉冷却后再关闭活塞K，错误；D项，二氧化锰与浓盐酸反应制取氯气需要加热，而启普发生器不能加热，错误。]

4．(2018·专家原创)磺酰氯(SO2Cl2)是一种重要的有机合成试剂，实验室可利用SO2与Cl2在活性炭作用下反应制取少量的SO2Cl2，装置如图所示(部分夹持装置省略)。已知SO2Cl2的熔点为－54.1 ℃，沸点为69.1  ℃，遇水能发生剧烈的水解反应，并产生白雾。

(1)SO2Cl2中S元素的化合价为________。

(2)仪器B的名称为________，由仪器B的使用可知SO2与Cl2反应的ΔH________0(填“＞”或“＜”)，仪器C的作用是___________________________________________________________。

(3)试剂X、Y的组合最好是________。

a．18.4 mol·L－1H2SO4溶液＋Cu

b．4 mol·L－1HNO3溶液＋Na2SO3

c．75% H2SO4溶液＋K2SO3

(4)本实验中制取Cl2的离子方程式为____________________________

___________________________________________________________。

(5)反应结束后，将丙中产物分离的实验操作是________。

(6)分离产物后，向获得的SO2Cl2中加入足量NaOH溶液，振荡、静置得到无色溶液w。

①写出该反应的离子方程式：__________________________________。

②检验溶液w中存在SO的方法是_____________________________

___________________________________________________________。

(7)若反应中消耗的氯气的体积为896 mL(已转化为标准状况，SO2足量)，最后得到纯净的磺酰氯3.3 g，则磺酰氯的产率为________(保留三位有效数字)。

解析：(1)根据化合物中各元素化合价的代数和为0，可判断出S的化合价为＋6，注意书写规范，“＋”不能省略。(2)球形冷凝管B起冷凝回流作用，故可推出丙中SO2与Cl2的反应为放热反应，ΔH＜0，仪器C为盛有碱石灰的干燥管，其作用一是可吸收未反应完的污染性气体SO2与Cl2，二是可避免空气中的水蒸气进入丙装置引起SO2Cl2的水解。(3)由题图可知，甲为SO2的发生装置。a项，Cu与浓硫酸反应制取SO2需要加热；b项，HNO3与Na2SO3会发生氧化还原反应；c项，涉及的反应为H2SO4＋K2SO3===K2SO4＋SO2↑＋H2O，故本题选c。(4)本实验制取Cl2的离子方程式为MnO2＋4H＋＋2Cl－Mn2＋ ＋Cl2↑＋2H2O。(6)①根据信息SO2Cl2遇水剧烈水解并产生白雾可推知SO2Cl2＋2H2O===H2SO4＋2HCl，进而可推出SO2Cl2与NaOH溶液反应的化学方程式为SO2Cl2＋4NaOH===Na2SO4＋2NaCl＋2H2O。②由题可知，溶液中可直接加入BaCl2溶液检验。(7)n(Cl2)＝0.04 mol，根据化学方程式SO2＋Cl2===SO2Cl2可计算出理论上生成m(SO2Cl2)＝135 g·mol－1×0.04 mol＝5.4 g，则磺酰氯的产率为×100%≈61.1%。

答案：(1)＋6

(2)球形冷凝管　<　吸收尾气Cl2、SO2，防止污染环境，同时防止空气中的水蒸气进入反应体系，引起磺酰氯水解

(3)c

(4)MnO2＋4H＋＋2Cl－Mn2＋＋Cl2↑＋2H2O

(5)蒸馏

(6)①SO2Cl2＋4OH－===SO＋2Cl－＋2H2O　②取少量w溶液于试管中，加入BaCl2溶液，有白色沉淀生成，则溶液w中存在SO

(7)61.1%