高考化学专题复习 跟踪检测（五十一） 物质制备的实验探究（含解析）

跟踪检测（五十一）  物质制备的实验探究

1．(2019·唐山模拟)焦亚硫酸钠(Na2S2O5)是常用的抗氧化剂，受热时易分解。实验室制备少量Na2S2O5的步骤如下：

a．按如图组装好实验装置，检验气密性后装入药品。

b．不断搅拌，控制反应温度在40 ℃左右，向Na2CO3过饱和溶液中通入SO2。

c．当溶液pH约为4时，停止反应。在20 ℃左右静置，结晶生成Na2S2O5，化学方程式为2NaHSO3===Na2S2O5＋H2O。

(1)实验装置中仪器A的名称为__________。

(2)SO2与Na2CO3过饱和溶液反应生成NaHSO3和CO2，其化学方程式为__________________________。

(3)装置Y的作用是____________________。

(4)步骤b中控制温度在40 ℃左右，若温度太低，反应过慢；若温度过高，导致的后果是______________________________。

(5)实验制得的Na2S2O5固体中含有一定量的Na2SO3和Na2SO4，其可能的原因是______________________________________________________。

(6)某小组尝试用焦亚硫酸钠消除水中残存的氯气，用pH试纸测定反应后的溶液显酸性，该反应的离子方程式为____________________________________。

解析：(1)仪器A的名称为分液漏斗。(2)SO2与Na2CO3过饱和溶液反应生成NaHSO3和CO2，其化学方程式为2SO2＋Na2CO3＋H2O===2NaHSO3＋CO2。(3)Y为安全瓶，可防止倒吸。(4)步骤b中控制温度在40 ℃左右，若温度过高，SO2容易逸出，同时NaHSO3会发生分解。(5)由题目信息可知，Na2S2O5受热时易分解，分解时生成Na2SO3，Na2SO3易被氧化成Na2SO4，由此可知实验制得的Na2S2O5固体中含有一定量的Na2SO3和Na2SO4。(6)由题意知Na2S2O5可将氯气还原，反应后溶液显酸性，即有H＋生成，该反应的离子方程式为3H2O＋S2O＋2Cl2===2SO＋4Cl－＋6H＋。

答案：(1)分液漏斗　(2)2SO2＋Na2CO3＋H2O===2NaHSO3＋CO2　(3)防止倒吸　(4)SO2容易逸出，同时NaHSO3易分解　(5)在制备过程中Na2S2O5分解生成Na2SO3，Na2SO3易被氧化生成Na2SO4　(6)3H2O＋S2O＋2Cl2===2SO＋4Cl－＋6H＋

2．苯甲酸(C6H5COOH)的相对分子质量为122，熔点为122.4 ℃，沸点为249 ℃，密度为1.265 9 g·cm－3，在水中的溶解度：0.35 g(25 ℃)、2.7 g(80 ℃)、5.9 g(100 ℃)，不易被氧化，是一种一元有机弱酸，微溶于水、溶于乙醇。实验室中由甲苯(分子式：C6H5CH3、相对分子质量：92，沸点为110.6 ℃，密度为0.866 9 g·cm－3)制备苯甲酸的实验如下：

第一步：将9.2 g甲苯和硫酸酸化的KMnO4溶液(过量)置于如图的三颈烧瓶中，加热保持反应物溶液温度在90 ℃左右至反应结束，制备过程中不断从分水器分离出水。

第二步：将反应后混合液趁热过滤，滤液冷却后用硫酸酸化，抽滤得粗产品。

第三步：粗产品用水洗涤2到3次，干燥称量得固体11.7 g。

请回答下列问题：

(1)第一步发生反应的化学方程式为______________________________________。

(2)分水器的作用是_______________________________________________________，

判断该反应完成的现象是______________________________________________。

(3)第二步中抽滤的优点是__________________________________________________。

(4)第三步证明粗产品洗涤干净的方法是____________________；干燥的最佳方法是________(填代号)。

a．空气中自然风干 b．沸水浴干燥　c．直接加热干燥

(5)由以上数据知苯甲酸的产率为________。

(6)设计合理的实验方案确定苯甲酸是弱酸，可从下列仪器和试剂中选择最简单的组合是__________(填编号)。

①pH计　②0.01 mol·L－1 NaOH溶液　③酚酞　④甲基橙　⑤1 mol·L－1 NaOH溶液　⑥0.01 mol·L－1苯甲酸溶液　⑦滴定管　⑧锥形瓶　⑨量筒

解析：(1)根据得失电子守恒和原子守恒可知，C6H5CH3和酸性KMnO4溶液反应的化学方程式为5C6H5CH3＋6KMnO4＋9H2SO45C6H5COOH＋3K2SO4＋6MnSO4＋14H2O。(2)实验过程中，经冷凝管冷凝回流的冷凝液进入分水器，分层后，甲苯自动流回到三颈烧瓶中，生成的水从分水器中放出去，这样可以促使反应正向进行，提高甲苯的利用率，同时能减少抽滤所需时间。该反应完成时，三颈烧瓶中酸性KMnO4溶液颜色不再发生变化，或停止搅拌，静置，液体不再出现分层现象。(3)抽滤具有过滤速度快，得到的固体水分少等优点。(4)由于第二步用硫酸酸化滤液，因此可通过检验SO来判断粗产品是否洗涤干净，检验的方法是向少许最后一次的洗涤液中滴入几滴BaCl2溶液，若无沉淀生成，则说明粗产品洗涤干净。为了加快干燥过程，并减少损耗，干燥的最佳方法是沸水浴干燥，故b正确。(5)9.2 g甲苯的物质的量0.1 mol，理论上生成苯甲酸0.1 mol，其质量为0.1 mol×122 g·mol－1＝12.2 g，根据实际生成11.7 g苯甲酸可求出苯甲酸的产率为×100%≈95.9%。(6)要通过实验确定苯甲酸是弱酸，最简单的方法就是用pH计测定0.01 mol·L－1苯甲酸溶液的pH，故最简单的组合为①和⑥。

答案：(1)5C6H5CH3＋6KMnO4＋9H2SO45C6H5COOH＋3K2SO4＋6MnSO4＋14H2O

(2)分离出水，提高甲苯利用率，减少抽滤所需时间　

停止搅拌，静置，液体不分层(或三颈烧瓶中溶液不再变色)

(3)过滤速度快，得到的固体水分少

(4)取最后一次的洗涤液少许于试管中，滴加几滴BaCl2溶液，若无沉淀生成，则说明粗产品洗涤干净　b

(5)96%(或95.9%)

(6)①⑥

3．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为球形冷凝管，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%

4．(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↑

5．二茂铁可用作燃料的节能消烟剂、抗爆剂等。实验室制备二茂铁的装置示意图如图一所示。

已知：Ⅰ.二茂铁熔点是173 ℃，在100 ℃时开始升华；沸点是249 ℃。

Ⅱ.制备二茂铁的反应原理是：2KOH＋FeCl2＋2C5H6===Fe(C5H5)2＋2KCl＋2H2O。

实验步骤为

①在三颈烧瓶中加入25 g粉末状的KOH，并从仪器a中加入60 mL无水乙醚到烧瓶中，充分搅拌，同时通氮气约10  min；

②再从仪器a滴入5.5 mL新蒸馏的环戊二烯(C5H6，密度为0.95 g·cm－3)，搅拌；

③将6.5 g无水FeCl2与(CH3)2SO(二甲亚砜，作溶剂)配成的溶液25 mL装入仪器a中，慢慢滴入仪器c中，45 min滴完，继续搅拌45 min；

④再从仪器a加入25 mL无水乙醚搅拌；

⑤将c中的液体转入分液漏斗中，依次用盐酸、水各洗涤两次，分液得橙黄色溶液；

⑥蒸发橙黄色溶液，得二茂铁粗产品。

回答下列问题：

(1)仪器a的名称是______________。

(2)步骤①中通入氮气的目的是________________。

(3)仪器c的适宜容积为______________(填编号)。

①100 mL　　　②250 mL　　③500 mL

(4)步骤⑤用盐酸洗涤的目的是________________。

(5)步骤⑦是二茂铁粗产品的提纯，该过程在图二装置中进行，其操作名称为____________________；该操作中棉花的作用是__________________________。

(6)为了确认得到的是二茂铁，还需要进行的一项简单实验是_____________________；

若最终制得纯净的二茂铁4.3 g，则该实验的产率为________(保留三位有效数字)。

解析：(2)Fe2＋具有还原性，能被氧气氧化，通入氮气的目的是排尽装置中的空气，防止Fe2＋被氧化。(3)根据实验，加入仪器c中的液体体积总和为(60＋5.5＋25＋25)mL＝115.5 mL，因此选用250 mL的三颈烧瓶。(4)根据制备二茂铁的化学方程式以及所给的KOH、氯化亚铁、环戊二烯的量可知，加入的KOH应是过量的，因此步骤⑤中加入盐酸的目的是除去多余的KOH。(5)图二操作名称为升华，棉花的作用是防止升华的二茂铁进入空气中。(6)可利用二茂铁的熔点低的特点，检验是否为二茂铁；环戊二烯的质量为5.5 mL ×0.95 g·cm－3＝5.225 g，FeCl2的质量为6.5 g，根据反应方程式知FeCl2过量，则根据环戊二烯进行计算，理论上产生二茂铁的质量为 g＝7.362 5 g，产率为×100%≈58.4%。

答案：(1)恒压滴液漏斗　(2)排尽装置中的空气，防止Fe2＋被氧化　(3)②　(4)除去多余的KOH　(5)升华　防止二茂铁挥发进入空气中　(6)测定所得固体的熔点　58.4%

6．水合肼(N2H4·H2O)是一种在生产生活中有着广泛用途的精细化工原料，具有强碱性和强还原性。实验室一般采用次氯酸钠(受热易分解)，氧化尿素(NH2CONH2)制备水合肼，制备过程可分为两个阶段：

(第一阶段)制备次氯酸钠

(1)实验中选用A装置作为氯气的发生装置，其离子方程式为____________________。

(2)实验中选用G装置作为次氯酸钠的合成装置，并采用冰水浴的原因是______________________。

(第二阶段)制备水合肼

将第一阶段制备的次氯酸钠碱性溶液转移至分液漏斗中，慢慢滴加到盛有尿素的仪器中，并不断搅拌；然后取下分液漏斗换上X装置，快速升温，在108 ℃的条件下回流5  min；将混合物转移到蒸馏装置中进行蒸馏，收集108～114 ℃馏分，得水合肼产品。

(3)请写出此阶段制备水合肼的离子反应方程式：

________________________________________________________________________。

(4)m仪器的名称为________；X装置应选用图乙中的______(填“L”或“M”)。

(5)加入次氯酸钠碱性溶液时，慢慢滴加的目的是______________________________

________________________________________________________________________。

(含量测定)测定馏分中水合肼含量。

(6)称取馏分1.0 g，加水配成100 mL溶液，用滴定管称出25.00 mL置于锥形瓶中，并滴加2～3滴淀粉溶液，用0.10 mol·L－1的碘标准溶液滴定。(已知：N2H4·H2O＋2I2===N2↑＋4HI＋H2O)经过三次滴定实验测得消耗碘标准溶液的平均值为2.60 mL，则馏分中水合肼(N2H4·H2O)质量分数为______________。

解析：(1)根据得失电子守恒及电荷守恒可得，二氧化锰和浓盐酸反应生成氯气的离子方程式为MnO2＋4H＋＋2Cl－Mn2＋＋Cl2↑＋2H2O。(2)由题可知NaClO受热容易分解，实验在冰水浴中进行可防止NaClO在较高温度下分解。(3)NaClO氧化尿素制备N2H4·H2O；ClO－在碱性条件下将尿素氧化为N2H4·H2O，同时自身被还原为Cl－，根据得失电子守恒及电荷守恒可得反应的离子方程式为ClO－＋CO(NH2)2＋2OH－===N2H4·H2O＋Cl－＋CO。(4)由题图乙可知m为三颈烧瓶；冷凝回流时，为了增大蒸气与冷凝水的接触面积，通常使用球形冷凝管，故选择M。(5)由题知N2H4·H2O具有强还原性，慢慢加入NaClO的目的是防止NaClO浓度过大将N2H4·H2O氧化。(6)由题给化学方程式可得关系式：

N2H4·H2O　　～　　2I2

1　　　　　　　　2

n(N2H4·H2O)　0.1 mol·L－1×2.60×10－3 L

可得n(N2H4·H2O)＝1.3×10－4 mol，则样品中m(N2H4·H2O)＝1.3×10－4 mol×50 g·mol－1×＝0.026 g，则N2H4·H2O的质量分数为×100%＝2.6%。

答案：(1)MnO2＋4H＋＋2Cl－Mn2＋＋Cl2↑＋2H2O　(2)防止次氯酸钠在较高温度下分解

(3)ClO－＋CO(NH2)2＋2OH－===N2H4·H2O＋Cl－＋CO

(4)三颈烧瓶　M

(5)水合肼还原性很强，防止次氯酸钠浓度过大将其氧化　(6)2.6%