2022届高三化学一轮复习讲义：常见气体的实验室制备、净化和收集

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

(1)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。

(2)常见气体典型制备系统举例：

①Cl2的实验室制备

②SO2的实验室制备

③NH3的实验室制备

3．气体制备装置的改进

(1)

改进的目的：用于加热易熔化的固体物质，这样可有效地防止固体熔化时造成液体的倒流，如草酸晶体受热分解制取CO2气体。

(2)“固体＋液体―→气体”装置的创新

(3)“固(液)＋液气体”装置的创新

图A的改进优点是能控制反应液的温度。

图B的改进优点是使圆底烧瓶和分液漏斗中的气体压强相等，便于液体顺利流下。

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

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

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

题组一　气体的制备与性质探究

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．(2020·大连高三上学期期中)用下图所示装置进行实验，下列实验现象描述错误的是(　　)

答案　B

解析　A项，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。

3．(2020·沈阳高三检测)用如图所示装置和相应试剂能达到实验目的的是(　　)

答案　A

解析　A项，装置b中出现气体，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，非金属性越强，即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，出现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。

题组二　仪器连接分析与应用

4．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，易产生倒吸，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。

5．实验室合成硫酰氯要先制取干燥氯气。制备干燥纯净的氯气所用仪器如下图：

上述仪器的连接顺序：e接________，________接________，________接________，________接________(按气流方向，用小写字母表示)。

答案　d　c　a　b　i　h　g

6．亚硝酸钠是一种工业盐，在生产、生活中应用广泛。现用下图所示装置(夹持装置已省略)及药品，探究亚硝酸钠与硫酸反应及气体产物成分。

已知：①  NO＋NO2＋2OH－===2NO＋H2O

②气体液化的温度：NO2(21 ℃)、NO(－152 ℃)。

为了检验装置A中生成的气体产物，仪器的连接顺序(从左向右连接)：A→________；组装好仪器后，接下来进行的操作是___________________________________________________。

答案　C→E→D→B　检查装置的气密性

解析　为了检验装置A中生成的气体产物，仪器的连接顺序(从左向右连接)：A是发生装置，C是干燥装置除去水。因为NO2更易液化，先分离NO2，所以接E冷却二氧化氮，NO2分离后再检验NO，再接D通氧气，观察到气体从无色变成红棕色，说明是NO，B是尾气处理装置，吸收反应后剩余的NO和NO2的混合气体，防止污染空气。装置的连接为A→C→E→D→B；有气体参与或生成的实验必须检查装置的气密性，故组装好仪器后，接下来进行的操作是检查装置的气密性。

7．根据NH3与金属氧化物MxOy反应生成M、N2、H2O，利用如图装置通过测量生成水的质量来测定M的相对原子质量。a中试剂是浓氨水。

(1)仪器a的名称为________，仪器b中装入的试剂可以是____________。

(2)按气流方向正确的装置连接顺序为________(填字母，装置可重复使用)。

答案　(1)分液漏斗　NaOH固体(或生石灰或碱石灰)

(2)BDADC

解析　(2)该实验在B装置产生氨，通过D干燥氨，在A中NH3与MxOy反应，生成的水在D中被吸收，残留氨被C吸收，所以按气流方向正确的装置连接顺序为BDADC。

题组三　仪器作用与实验评价

8．(2020·信阳高三月考)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。

9．硫酰氯(SO2Cl2)是重要的化学试剂，其熔点为－54.1 ℃，沸点为69.1 ℃，遇冷水逐渐分解，其制备原理为SO2(g)＋Cl2(g)===SO2Cl2(l)　ΔH＝－97.3 kJ·mol－1，现用如图所示装置(夹持仪器已略去)进行实验。

下列说法正确的是(　　)

A．A的作用是冷凝回流，冷凝水应从b口进a口出

B．乙和丙中分别盛装饱和食盐水和浓硫酸

C．活性炭可加快反应速率

D．B中最好盛装碱石灰，其作用只是为了除去多余的SO2和Cl2

答案　C

解析　由于反应放热会使SO2Cl2挥发损失，所以冷凝管的作用为冷凝回流，冷凝水应从a口进b口出，A项错误；由于SO2Cl2遇冷水逐渐分解，所以制得的氯气应先用饱和食盐水除去挥发出来的HCl，再用浓硫酸除去水蒸气，B项错误；从反应原理看，活性炭不参与反应，而活性炭的特点是表面积大，具有吸附作用，所以其可增大两种反应物的接触面积，使反应速率加快，C项正确；B中盛装碱石灰，既要防止多余的SO2和Cl2逸出污染环境，也要防止空气中的水蒸气进入装置使SO2Cl2水解，D项错误。

10．ClO2的制备，二氧化氯(ClO2)是极易溶于水且不与水发生化学反应的黄绿色气体，沸点为11 ℃，可用于处理含硫废水。回答下列问题：

已知：SO2＋2NaClO3＋H2SO4===2ClO2＋2NaHSO4。

(1)装置A中反应的化学方程式为_________________________________________________。

(2)欲收集ClO2，选择图中的装置，其连接顺序为a→________________(按气流方向，用小写字母表示)。

(3)装置D的作用是______________________________________________________________。

答案　(1)Cu＋2H2SO4(浓)CuSO4＋SO2↑＋2H2O

(2)g→h→b→c→e→f→d　(3)冷凝并收集ClO2

解析　(1)装置A中Cu与浓硫酸反应制备二氧化硫，化学方程式为Cu＋2H2SO4(浓)CuSO4＋SO2↑＋2H2O。

(3)装置D的作用为冷凝并收集ClO2。

题组四　一种装置、多种用途

11．广口瓶被称为气体实验的“万能瓶”，是因为它可以配合玻璃管和其他简单仪器组成各种功能的装置。下列各图中能用作防倒吸安全瓶的是(　　)

答案　B

解析　A项，该装置是排液量气装置，错误；B项，该装置可作为安全瓶防倒吸，因为进气管较短(刚漏出瓶塞)若发生倒吸，倒吸液会被盛装在B瓶中，不会再倒流到前一装置，从而防止倒吸，正确；C项，该装置是混气装置，进入瓶中两气体在瓶中充分混合，错误；D项，该装置是洗气装置，错误。

12．下图为常用玻璃仪器组成的六种实验装置，均可根据不同的实验需要在其中加入不同的液体或固体试剂。请用适宜装置的序号完成下列填空：

(1)能用于干燥CO2气流的装置是__________。

(2)用于除去Cl2中HCl杂质的最佳装置是________。

(3)用于尾气吸收并能防止液体倒吸到反应装置中的是________。

(4)接在气体制备的连续实验装置中间，用于控制气流平稳的装置是________。

(5)利用装置A收集CO2气体，应从______口进气。A中装满水，用排水法测量生成H2的体积，应从______口进气。

答案　(1)AEF　(2)A　(3)CE　(4)D　(5)a　b

13．一套装置可以用于制备多种气体，根据如图“套装”回答下列问题。

(1)若使用如图所示装置制备干燥的SO2气体：

①A中盛液体的玻璃仪器名称是________，实验开始后A中反应的化学方程式为_______________________________________________________________________________。

②B装置的作用是_______________________________________________________________；

C装置的作用是_________________________________________________________________。

③E装置中固体试剂为________。

(2)若使用如图所示装置制备干燥的Cl2：

①A中反应的化学方程式为_____________________________________________________。

②B装置的作用为除去Cl2中混有的HCl，则B装置中盛装的试剂为________，如何改进装置？________________________________________________________________________；

C装置的作用是______________________________________________________________。

答案　(1)①分液漏斗　Na2SO3＋H2SO4(浓)===Na2SO4＋SO2↑＋H2O　②防倒吸　干燥SO2气体

③碱石灰　(2)①2KMnO4＋16HCl(浓)===2KCl＋2MnCl2＋5Cl2↑＋8H2O[或KClO3＋6HCl(浓)===KCl＋3Cl2↑＋3H2O]　②饱和食盐水　导管“长进短出”　干燥Cl2