2022届高考化学一轮复习全程跟踪检测62大题考法3__物质制备型综合实验含解析

大题考法（3）——物质制备型综合实验

1．(2021·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室制备氮化镓，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)该套装置中存在的一处明显的错误是___________________________________。

(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．为了能更好形成原电池，加快反应速率

(4)步骤③中制备氮化镓，则判断该反应接近完成时，观察到的现象是________________________________________________________________________。

(5)请写出步骤⑤中检验产品氮化镓固体洗涤干净的操作：

________________________________________________________________________。

(6)镓元素与铝同族，其性质与铝类似，请写出氮化镓溶于热的浓NaOH溶液的离子方程式：________________________________________________________________________。

解析：(1)根据题中信息可知，装置A制取氢气，装置C制取氨气，液体与固体作用且不需要加热的条件下制氨气，则仪器X中的试剂是浓氨水。

(2)过量的氨气进入装置F与稀硫酸反应，则装置F中会产生倒吸。

(3)NiCl2溶液在加热时，先转化为Ni(OH)2，后分解为NiO，可增大接触面积，加快Ga与NiO制取催化剂Ni的化学反应速率；生成的镍能均匀附着在镓粉的表面，提高催化效率。

(4)步骤③中制备氮化镓，发生的反应为2Ga＋2NH32GaN＋3H2，过量的氨气被硫酸迅速吸收，氢气不溶于水，会产生气泡，故反应接近完成时，可观察到装置F中几乎不再产生气泡。

(6)可以理解成GaN与水反应生成Ga(OH)3和NH3，虽然很难，但在热的浓NaOH溶液的环境下，NaOH与Ga(OH)3反应生成GaO，促进了反应的进行。

答案：(1)浓氨水　球形干燥管

(2)装置F中会产生倒吸

(3)ab

(4)装置F中几乎不再产生气泡

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

(6)GaN＋OH－＋H2OGaO＋NH3↑

2．己二酸是一种重要的有机二元酸，能够发生成盐反应、酯化反应、酰胺化反应等，并能与二元胺或二元醇缩聚成高分子聚合物等，是合成尼龙­66的原料，工业上环己醇用硝酸氧化可得到己二酸，是典型的氧化还原反应。

相关物理常数：

Ⅰ.己二酸粗产品的制备

操作步骤：装置C中加入50 mL中等浓度的硝酸(过量)，投入沸石，并逐一安装装置A、装置B和温度计，磁力搅拌，将溶液混合均匀，并加热到80 ℃。用装置A滴加2滴环己醇，反应立即开始，温度随即上升到85～90 ℃，从装置A中小心地逐滴加入环己醇，将混合物在85～90 ℃下加热2～3分钟，共加入1.000 g环己醇。

请回答下列问题：

(1)反应需维持温度在85～90 ℃，最好采取________控温；试分析维持温度在85～90 ℃的原因：________________________________________________________________________

________________________________________________________________________。

(2)装置右侧烧杯中的NaOH溶液的作用是：________________________________________________________________________

________________________________________________________________________。

Ⅱ.己二酸粗产品的提纯及应用

操作流程：趁热倒出装置C中的产品，在冷水中降温冷却，析出的晶体在布氏漏斗上进行抽滤，将晶体进行重结晶，再分别用3 mL冰水和乙醚洗涤己二酸晶体，继续抽滤，晶体再用3 mL冰水洗涤一次，再抽滤。取出产品，干燥后称重，得干燥的己二酸0.860 g。

请回答下列问题：

(3)相比于普通过滤，抽滤的优点在于______________________________________

________________________________________________________________________。

(4)在抽滤过程中，用冰水洗涤析出的己二酸晶体的原因：_________________________________________________。

(5)该实验的产率为________%(结果保留3位有效数字)。

(6)工业上用己二酸与乙二醇反应形成链状高分子化合物，写出化学方程式：________________________________________________________________________。

解析：(1)反应需维持温度在85～90 ℃，低于100 ℃，最好采取水浴控温。维持温度在85～90 ℃的原因：维持反应速率(或温度过低反应速率慢)，减少HNO3的分解和挥发(或温度过高HNO3分解和挥发)，减少副反应的发生。

(2)在反应中环己醇被氧化，HNO3被还原成氮氧化物，右侧烧杯中的NaOH溶液的作用是吸收HNO3被还原生成的氮氧化物，防止污染大气。

(3)相比于普通过滤，抽滤的优点在于：减小压强加快过滤速率，减少过滤过程中产品的变质，得到较干燥的产品。

(4)己二酸中混有环己醇和HNO3，环己醇易溶于乙醚，己二酸微溶于乙醚，抽滤时用乙醚洗涤除去环己醇。HNO3易溶于水，己二酸在水中的溶解度随温度降低而减小，用冰水洗涤析出的己二酸晶体的原因：除去残留的HNO3，减少己二酸的损失。

(5)n(环己醇)＝1.000 g÷100 g·mol－1＝0.01 mol，理论上生成己二酸物质的量为0.01 mol，生成己二酸的质量为0.01 mol×146 g·mol－1＝1.46 g，该实验的产率为×100%≈58.9%。

(6)己二酸属于二元酸，乙二醇属于二元醇，两者发生缩聚反应形成高分子化合物，反应的化学方程式为

答案：(1)水浴　维持反应速率，并减少HNO3的挥发及分解，减少副反应的发生

(2)吸收HNO3被还原生成的氮氧化物，防止污染空气

(3)加快过滤速度，减少过滤过程中产品的变质，得到较干燥的产品

(4)除去残留的HNO3，减小己二酸的损失

(5)58.9

3．三氯氧磷(POCl3)是一种重要的化工原料，工业上可以直接氧化PCl3制备POCl3，反应原理为P4(白磷)＋6Cl2===4PCl3,2PCl3＋O2===2POCl3。

PCl3、POCl3的部分性质如下：

某兴趣小组模拟该工艺设计实验装置如下(某些夹持装置、加热装置已略去)：

(1)仪器a的名称为________________，B装置中长颈漏斗的作用是________________。

(2)装置E用来制取Cl2，反应的离子方程式为________________________________

________________________________________________________________________。

(3)为使实验顺利进行，还需补充的装置为_____________。

(4)反应时，需严格控制三个条件：

①先制取__________，缓慢地通入C 中，直至C 中的白磷消失后，再通入另一种气体。

②C装置用水浴加热控制温度为60～65 ℃，除加快反应速率外，另一目的是________________________________________________________________________。

③反应物必须干燥，否则会在C 装置中产生大量的白雾，其主要成分为________(写化学式)。

(5)反应结束后通过下面步骤测定POCl3产品中Cl 的含量，元素Cl 的质量分数为____________(写出计算式)。

Ⅰ.取x g产品于锥形瓶中，加入足量NaOH溶液，POCl3完全反应后加稀硝酸至酸性；

Ⅱ.向锥形瓶中加入0.100 0 mol·L－1 的AgNO3 溶液40.00 mL，使Cl－完全沉淀；

Ⅲ.再向锥形瓶中加入20 mL硝基苯，振荡，使沉淀表面被有机物覆盖；

Ⅳ.然后加入指示剂，用c mol·L－1 NH4SCN溶液滴定过量Ag＋至终点，记下所用体积为V mL。

[已知：Ag3PO4溶于酸，Ksp(AgCl )＝3.2×10－10，

Ksp(AgSCN )＝2×10－12]

解析：(1)仪器a的名称是冷凝管(或球形冷凝管)，装置A中产生氧气，发生反应的化学方程式为2Na2O2＋2H2O===4NaOH＋O2↑(或2H2O22H2O＋O2↑)；B装置的作用除观察O2的流速之外，还有平衡气压、干燥O2(或平衡气压和除去水，防止PCl3和POCl3遇水反应引入杂质)。

(2)二氧化锰与浓盐酸加热反应生成氯化锰、氯气和水，反应的离子方程式为4H＋＋

2Cl－＋MnO2Mn2＋＋Cl2↑＋2H2O。

(3)C装置为氯气和白磷发生反应的装置，反应结束后会有氯气从冷凝管a中溢出，污染空气，需要吸收处理；同时，POCl3和PCl3遇水会发生反应，为使实验顺利进行，需要在a仪器后连接装有碱石灰的干燥管，防止外界中水蒸气进入C装置内。

(4)根据题意可知，要先制备出三氯化磷，然后其被氧化为POCl3，所以先制取氯气，缓慢地通入C中，直至C中的白磷消失后，再通入氧气。

②由于PCl3的沸点是75.5 ℃，因此控制温度60～65 ℃，其主要目的是加快反应速率，同时防止PCl3气化。

③POCl3和PCl3遇水会发生反应，均生成氯化氢，遇到水蒸气产生大量的白雾，所以反应物必须干燥。

(5)根据题意可知，NH4SCN的物质的量为0.001cV mol，则与之反应的银离子的物质的量为0.001cV mol，而总的银离子的物质的量为0.004 mol，所以与氯离子反应的银离子的物质的量为0.004 mol－0.001cV mol，因此氯离子的物质的量为0.004 mol－0.001cV mol，则产品中Cl元素的含量为×100%。

答案：(1)球形冷凝管　平衡气压

(2)4H＋＋2Cl－＋MnO2Mn2＋＋Cl2↑＋2H2O

(3)在a仪器后连接装有碱石灰的干燥管

(4)①Cl2　②防止PCl3气化　③HCl

(5)×100%

4．实验室制备苯甲酸乙酯的反应装置示意图和有关数据如下：

环己烷、乙醇和水可形成共沸物，其混合物沸点为62.1 ℃。

合成反应：向圆底烧瓶中加入6.1 g苯甲酸、20 mL无水乙醇、25 mL环己烷和2片碎瓷片，搅拌后再加入2 mL浓硫酸。按图组装好仪器后，水浴加热回流1.5小时。

分离提纯：继续水浴加热蒸出多余乙醇和环己烷，经分水器放出。剩余物质倒入盛有60 mL冷水的烧杯中，依次用碳酸钠、无水氯化钙处理后，再蒸馏纯化，收集210～213 ℃的馏分，得产品5.0 g。

回答下列问题：

(1)仪器A的名称为________，冷却水应从________(填“a”或“b”)口流出。

(2)加入环己烷的目的为__________________________________________________。

(3)合成反应中，分水器中会出现分层现象，且下层液体逐渐增多，当下层液体高度距分水器支管约2 cm时开启活塞放出少量下层液体。该操作的目的为________________________________________________________________________

________________________________________________________________________。

(4)实验中加入碳酸钠的目的为____________________________________________；

经碳酸钠处理后，若粗产品与水分层不清，可采取的措施为

________________________________________________________________________。

(5)在该实验中，圆底烧瓶的容积最适合的是__________(填字母)。

A．50 mL　　　　　　　 　B．100 mL

C．200 mL   D．300 mL

(6)本实验的产率为____________________。

解析：(2)根据题给信息“环己烷、乙醇和水可形成共沸物，其混合物沸点为62.1 ℃”可知环己烷在合成反应中的作用为在较低温度下带出生成的水，促进酯化反应向右进行，提高产率。(3)分水器中上层是油状物，下层是水，当油层液面高于支管口时，油层会沿着支管流回烧瓶，达到了使反应物冷凝回流，提高产率的目的。因此当下层液体高度距分水器支管约2 cm时，应开启活塞，放出下层的水，避免水层升高流入烧瓶。(4)合成反应结束后，圆底烧瓶中主要含有苯甲酸乙酯(产物)、苯甲酸(未反应完)、硫酸(催化剂)、乙醇、环己烷，水浴加热除去乙醇和环己烷，剩余的物质主要为苯甲酸乙酯、苯甲酸、硫酸。加入碳酸钠溶液可中和苯甲酸、硫酸，生成易溶于水的盐，溶液分层；经碳酸钠溶液处理后，若粗产品与水分层不清，可加入食盐，进一步降低酯的溶解，该操作为盐析；然后用分液漏斗分出有机层，加入无水氯化钙吸收部分的水，再进行蒸馏，接收210～213 ℃的馏分。(5)由题表中的数据可计算出苯甲酸的体积约为5 mL，则圆底烧瓶中溶液的体积约为5 mL＋20 mL＋25 mL＋2 mL＝52 mL，而圆底烧瓶中所能盛放的溶液的体积应不超过圆底烧瓶的2/3，故应选择容积为100 mL的圆底烧瓶。(6)m(乙醇)＝(0.789×20)g＝15.78 g，设苯甲酸乙酯的理论产量为x，则

122 g　　      46 g　　　　　        150 g

6．1 g　　  15.78 g(过量)　　　        x

解得x＝7.5 g，则产率＝×100%＝×100%≈66.7%。

答案：(1)球形冷凝管　b

(2)在较低温度下除去产物水，提高产率

(3)确保乙醇和环己烷及时返回反应体系而下层水不会回流到体系中

(4)中和苯甲酸和硫酸　加氯化钠进行盐析

(5)B

(6)66.7%

5．一氯化碘(沸点97.4 ℃)是一种红棕色易挥发的液体，不溶于水，溶于乙醇和乙酸。某校研究性学习小组的同学拟制备一氯化碘。回答下列问题：

(1)甲组同学拟利用干燥、纯净的氯气与碘反应制备一氯化碘，其装置如下：(已知碘与氯气的反应为放热反应)

①各装置连接顺序为A→______________；A装置中发生反应的离子方程式为________________________________________________________________________。

②B装置烧瓶需放在冷水中，其目的是________________，D装置的作用是________________________________________________________________________。

③将B装置得到的液态产物进一步提纯可得到较纯净的ICl，则提纯采取的操作方法是________________。

(2)乙组同学采用的一种制一氯化碘的方法为：在三颈烧瓶中加入粗碘和盐酸，控制温度约50 ℃，在不断搅拌下逐滴加入氯酸钠溶液，生成一氯化碘。则发生反应的化学方程式为________________________________________________________________________。

(3)设计实验证明：

①ICl的氧化性比I2强：_________________________________________________

________________________________________________________________________。

②ICl与乙烯作用发生加成反应：__________________________________________

________________________________________________________________________。

解析：(1)A装置用于制备Cl2，Cl2中含HCl气体和水蒸气，用C装置除HCl，用E装置干燥Cl2，将干燥的Cl2通入B中与碘反应，制备ICl。由于ICl易挥发，所以B装置应放在冷水中。Cl2可能未完全反应，用D装置吸收尾气，防止污染。(3)②ICl不溶于水，溶于乙醇和乙酸，所以先将ICl溶于乙醇中配成溶液，再通入乙烯，ICl呈红棕色，通过颜色褪去，证明其与乙烯发生了加成反应。

答案：(1)①C→E→B→D

MnO2＋4H＋＋2Cl－Mn2＋＋Cl2↑＋2H2O

②防止ICl挥发　吸收未反应的氯气，防止污染空气　③蒸馏

(2)3I2＋6HCl＋NaClO36ICl＋NaCl＋3H2O

(3)①用湿润的KI­淀粉试纸检验一氯化碘蒸气，试纸变蓝

②在ICl的乙醇溶液中通入乙烯，溶液褪色

6．实验室制备硝基苯的反应原理和实验装置如下：

反应中存在的主要副反应有：在温度稍高的情况下会生成间二硝基苯。有关数据如下表：

实验步骤如下：①取100 mL烧杯，用20 mL浓硫酸与18 mL浓硝酸配制混合酸，将混合酸小心加入B中；②把18 mL (15.84 g)苯加入A中；③在室温下，向苯中逐滴加入混合酸，边滴边搅拌，混合均匀。在50～60 ℃下发生反应，直至反应结束；④将反应液冷却至室温后倒入分液漏斗中，依次用少量水、5%NaOH溶液、水洗涤并分液；⑤分出的产物加入无水CaCl2颗粒，静置片刻，然后倒入蒸馏烧瓶，弃去CaCl2，进行蒸馏纯化，收集205～210 ℃馏分，得到纯硝基苯18 g。回答下列问题：

(1)图中装置C的作用是___________________________________________________。

(2)配制混合酸时，能否将浓硝酸加入到浓硫酸中，说明理由：________________________________________________________________________。

(3)为了使反应在50～60 ℃下进行，常用的方法是____________________________。反应结束并冷却至室温后A中液体就是粗硝基苯，粗硝基苯呈黄色的原因是________________________________________________________________________

________________________________________________________________________。

(4)在洗涤操作中，第二次水洗的目的是____________________________________。

(5)在蒸馏纯化过程中，因硝基苯的沸点高于140 ℃，应选用空气冷凝管，不选用水直形冷凝管的原因是__________________________________________________________

________________________________________________________________________。

(6)本实验所得到的硝基苯产率是_________________________________________。

解析：(1)由仪器的结构特征分析，装置C为冷凝管，其作用为冷凝回流。

(2)浓硝酸与浓硫酸混合会放出大量的热，若将浓硝酸加入到浓硫酸中，硝酸的密度小于浓硫酸，会导致液体迸溅。

(3)因为反应在50～60 ℃下进行，低于水的沸点，可以利用水浴加热。反应后硝基苯中溶有浓硝酸分解产生的NO2(或硝酸)等杂质，使硝基苯显黄色。

(4)先用水洗除去浓硫酸和硝酸，再用NaOH除去溶解的少量的酸，最后水洗除去未反应的NaOH以及生成的盐。

(5)硝基苯沸点高用空气冷凝与水冷凝相比效果几乎无差异，且冷凝管通水冷却时导致温度差过大可能发生炸裂，所以选用空气冷凝。

(6)苯完全反应生成硝基苯的理论产量为15.84× g，所以硝基苯的产率为×100%≈72.06%。

答案：(1)冷凝回流　(2)不能，易暴沸飞溅

(3)水浴加热　溶有浓硝酸分解产生的NO2(或硝酸)等杂质

(4)洗去残留的NaOH及生成的钠盐

(5)硝基苯沸点高用空气冷凝与水冷凝相比效果几乎无差异；通水冷却时温差过大易炸裂冷凝管

(6)72.06%