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鲁科版高考化学一轮复习第10单元化学实验基础第3节物质的制备实验方案的设计与评价课件
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这是一份鲁科版高考化学一轮复习第10单元化学实验基础第3节物质的制备实验方案的设计与评价课件
第十单元
2022
必备知识 自主预诊
知识梳理1.物质(固体物质)制备的三大原则(1)选择最佳反应途径。如用铝制取氢氧化铝:2Al+3H2SO4==Al2(SO4)3+3H2↑、2Al+2NaOH+6H2O==2Na[Al(OH)4]+3H2↑、Al2(SO4)3+6Na[Al(OH)4] ==8Al(OH)3↓+3Na2SO4,当n(Al3+)∶n[Al(OH)4]-=1∶3时,Al(OH)3产率最高。
(2)选择最佳原料。如实验室用铝盐溶液与碱溶液反应制取氢氧化铝,应选用氨水,而不能选用强碱(如氢氧化钠)溶液;用铜盐与碱溶液反应制取氢氧化铜,应选用氢氧化钠溶液,而不能选用氨水(氢氧化铜可溶解在氨水中)等。(3)选择适宜操作方法。如实验室制备氢氧化亚铁时,因氢氧化亚铁在空气中极易与氧气、水反应生成氢氧化铁,所以要注意隔绝空气。
2.物质制备实验的操作顺序(1)实验操作顺序。装置选择与连接⇨气密性检查⇨装入固体试剂⇨加入液体试剂⇨按程序实验⇨拆卸仪器⇨其他处理等
(2)加热操作先后顺序的选择。若气体制备实验需加热,应先加热气体发生装置,通入气体排出装置中的空气后,再给实验中需要加热的物质加热。其目的是:①防止爆炸(如氢气还原氧化铜);②保证产品纯度,防止反应物或生成物与空气中的物质反应。而完成实验后,熄灭酒精灯的顺序则相反。
(3)防止实验中反应物或产物变质或损失。①实验中反应物或产物若易吸水潮解、水解等,要采取措施防止吸水;②易挥发的液体产物要及时冷却;③易挥发的液体反应物,需在反应装置中加装冷凝回流装置(如长导管、竖直的干燥管、冷凝管等);④注意防止倒吸的问题。
(4)选用仪器及连接顺序。
3.涉及气体制备及参与物质制备的实验装置(1)常见气体制备装置。
(2)气体的净化和干燥。
①易溶于水或能与水反应不生成其他气体的气体杂质用水吸收。如H2(HCl)、N2(NH3)、NO(NO2)(括号内为杂质气体,下同),可将混合气体通过盛水的A装置来除杂。②酸性杂质用碱性吸收剂吸收,碱性杂质用酸性吸收剂来吸收。如CO(CO2),可将混合气体通过盛NaOH溶液的A装置,或盛碱石灰的B装置(或C装置或D装置)来除去杂质。
③还原性杂质,可用氧化性较强的物质作为吸收剂来吸收或转化;氧化性杂质,可用还原性较强的物质作为吸收剂来吸收。例如CO2(CO),可将混合气体通过盛灼热CuO的E装置来除去杂质。④选用能与气体中的杂质反应生成难溶性物质或可溶性物质的试剂作为吸收剂来除去杂质。如O2(H2S),可将混合气体通过盛有CuSO4溶液的A装置除去杂质。
微点拨 常见干燥剂及其应用
(3)气体的收集。
(4)尾气处理方法。①对于极易溶于水的尾气,如NH3、HCl、HBr等,可采用防倒吸装置(可在导气管的出气口处连接一倒置的漏斗与吸收剂液面接触)吸收。②对于溶解度不大的尾气,如Cl2、CO2等,可直接将导管插入吸收剂液面下吸收。③对于有毒且易燃的气体,如CO等,可在尾气出口处放置点燃的酒精灯,使CO燃烧转化为无毒的CO2气体。
自我诊断1.判断正误,正确的打“√”,错误的打“×”。(1)制备二氧化碳用大理石和稀硫酸反应。( )(2)实验室用KClO3或H2O2制取氧气时都用到MnO2,其作用相同。( )(3)实验室用图①装置制取并收集氨。( )(4)用图②装置除去氯气中的HCl气体。( )(5)实验室用图③装置制取Cl2。( )(6)用图④装置收集氨。( )
(7)用图⑤装置制取少量纯净的CO2气体。( )
答案 (1)× (2)√ (3)× (4)× (5)× (6)× (7)×
2.可用如图装置制取、净化、收集的气体是( )
答案 D
关键能力 考向突破
考向1 工艺流程类物质的制备【典例1】 (2020山东第二次模拟考)四水合磷酸锌[Zn3(PO4)2·4H2O,摩尔质量为457 g·mol-1,难溶于水]是一种性能优良的绿色环保防锈颜料。实验室以锌灰(含ZnO、PbO、CuO、FeO、Fe2O3、SiO2等)为原料制备Zn3(PO4)2·4H2O的流程如下:
已知:6NH4HCO3+3ZnSO4 ZnCO3·2Zn(OH)2·H2O↓+3(NH4)2SO4+5CO2↑ZnCO3·2Zn(OH)2·H2O+2H3PO4 Zn3(PO4)2·4H2O+2H2O+CO2↑回答下列问题:(1)滤渣Ⅰ的主要成分为 ;步骤Ⅰ中,需先将溶液的pH调至5.1,此时应选择的最佳试剂是 ; a.氨水 b.氢氧化钠 c.氧化锌 d.氢氧化钡滴加酸性KMnO4溶液后有MnO2生成,该反应的离子方程式为 ;试剂a为 ;步骤Ⅳ反应结束后,得到Zn3(PO4)2·4H2O的操作包括 和干燥。
(2)称取45.7 mg Zn3(PO4)2·4H2O进行热重分析,化合物质量随温度的变化关系如图所示,为获得Zn3(PO4)2·2H2O和Zn3(PO4)2·H2O的混合产品,烘干时的温度范围为 。 a.90~145 ℃ b.145~195 ℃c.195~273 ℃ d.>273 ℃
(3)为测定产品中Zn3(PO4)2·4H2O的含量,进行如下实验。已知滴定过程中Zn2+与H2Y2-按1∶1反应。步骤Ⅰ:准确称取0.457 0 g产品于烧杯中,加入适量盐酸使其溶解,将溶液转移至100 mL容量瓶,定容。步骤Ⅱ:移取20.00 mL上述溶液于锥形瓶中,加入指示剂,在pH=5~6的缓冲溶液中用0.020 00 mol·L-1 Na2H2Y标准溶液滴定至终点,测得Na2H2Y标准溶液的用量为27.60 mL。
步骤Ⅱ中移取溶液时所使用的玻璃仪器为 ;产品中Zn3(PO4)2·4H2O的质量分数为 。下列操作中,导致产品中Zn3(PO4)2·4H2O含量测定值偏低的是 。 a.步骤Ⅰ中定容时俯视刻度线b.步骤Ⅰ中转移溶液时未洗涤烧杯c.步骤Ⅱ中滴定管未用Na2H2Y标准溶液润洗d.步骤Ⅱ中滴定前滴定管内无气泡,滴定结束后有气泡
答案 (1)SiO2、PbSO4 c Mn +3Fe2++7H2O==MnO2↓+3Fe(OH)3↓+5H+ Zn 过滤、洗涤(2)b (3)移液管(或酸式滴定管) 92% bd
解析 酸浸时SiO2不参与反应,PbO与稀硫酸反应生成难溶物质PbSO4;调节pH时应注意不能带入新的杂质,也不能与所需产品反应;KMnO4与溶液中亚铁离子发生氧化还原反应,以此写出化学方程式;试剂a作用是除去溶液中的其他金属阳离子;步骤Ⅳ反应结束后,得到Zn3(PO4)2·4H2O的操作有过滤、洗涤、干燥。(1)酸浸时SiO2不参与反应,PbO与稀硫酸反应生成难溶物质PbSO4,故滤渣Ⅰ的主要成分为SiO2、PbSO4,调节pH时不能带入新的杂质,也不能与所需产品反应,最佳试剂为氧化锌;KMnO4与溶液中亚铁离子发生氧化还原反应:Mn +3Fe2++7H2O==MnO2↓+3Fe(OH)3↓+5H+;试剂a可除去溶液中的其他金属阳离子Cu2+,为了不带入新的杂质,可用Zn单质;步骤Ⅳ反应结束后,得到Zn3(PO4)2·4H2O的操作有过滤、洗涤、干燥。
a项,步骤Ⅰ中定容时俯视刻度线,导致产品浓度偏高,测定值偏高;b项,步骤Ⅰ中转移溶液时未洗涤烧杯,导致产品浓度偏低,测定值偏低;c项,步骤Ⅱ中滴定管未用Na2H2Y标准溶液润洗,所需标准液体积偏高,测定值偏高;d项,步骤Ⅱ中滴定前滴定管内无气泡,滴定结束后有气泡,所需标准液体积偏低,测定值偏低。所以选b、d。
对点演练1(2020山东烟台一模)目前,处理锌矿进行综合利用,多采用传统的“高氧酸浸法”,但该法也存在一些缺点。最近有文献报道:用高铁闪锌矿(含有ZnS、FeS、CuS、CdS及少量SiO2等)为原料,采用“高氧催化氧化氨浸法”可以联合制取Cu2O(红色)、CdS(黄色)、锌钡白(白色)三种颜料,其流程如图:
已知:Ⅰ:浸取剂由碳酸铵、氨水、双氧水等组成;Ⅱ:浸渣为S、Fe(OH)CO3、SiO2等不溶性物质;Ⅲ:浸取液中含有[Zn(NH3)4]2+、[Cu(NH3)4]2+、[Cd(NH3)4]2+;Ⅳ:Cu+在溶液中不能稳定存在,但可以与NH3形成稳定的[Cu(NH3)2]+。
回答下列问题:(1)为加快浸取速度,可以采取的措施是(任答两项) ;在实际生产中采取常温下浸取而不采用加热的方法,其原因是 。
(2)浸取釜中有O2参与生成浸渣Fe(OH)CO3的离子方程式为 。 (3)蒸发炉中加入(NH4)2SO3的主要作用是 ;沉降池1中加入稀硫酸的作用是 。 (4)在制取ZnSO4和CdSO4时,使用硫酸的量要适当,如果硫酸过量,产生的后果是 。 (5)无论采用“高氧酸浸法”还是“高氧催化氧化氨浸法”,前期处理都要经过用浸取剂浸取,不同的是“高氧酸浸法”需先高温焙烧,然后再用硫酸浸出。两种方法比较,“高氧酸浸法”存在的缺点是(任答两条) 。
答案 (1)粉碎矿石,增大O2压强,增大氨水和碳酸铵的浓度 防止NH3的挥发,以便形成稳定的配合物,防止双氧水分解(2)4FeS+3O2+4C +6H2O==4Fe(OH)CO3↓+4S↓+8OH-(3)将[Cu(NH3)4]2+还原为[Cu(NH3)2]+ 调节溶液的pH,使[Cu(NH3)2]+转化为Cu2O沉淀(4)产生H2S气体,污染大气,并降低锌钡白、CdS的产量(5)能耗高;设备耐酸性要求高;产生大量有害气体(SO2)污染大气
解析 由题干信息,高铁闪锌矿在浸取釜中与O2和碳酸铵、氨水、双氧水等组成的浸取剂反应生成S、Fe(OH)CO3、SiO2等不溶性物质,浸取液中还有[Zn(NH3)4]2+、[Cu(NH3)4]2+和[Cd(NH3)4]2+。在蒸发炉中加入(NH4)2SO3,将[Cu(NH3)4]2+还原为[Cu(NH3)2]+,进入沉降池1中,加入稀硫酸调节pH,使[Cu(NH3)2]+转化为Cu2O沉淀,剩下的溶液在置换炉中,加入适量锌粉得到Cd单质,滤液进入沉降池2,加入碳化氨水得到Zn2(OH)2CO3,经稀硫酸得到ZnSO4溶液,ZnSO4与BaS溶液反应得到锌钡白。
(1)由化学反应速率的影响因素可知,可采用粉碎矿石、增大O2压强、增大氨水和碳酸铵的浓度等方法加快浸取速率,由于浸取剂由碳酸铵、氨水、双氧水等组成,受热易分解,故在实际生产中采取常温浸取而不采用加热的方法。
(2)浸取釜中O2与碳酸铵和FeS反应生Fe(OH)CO3、S,反应的离子方程式为4FeS+3O2+4C +6H2O==4Fe(OH)CO3↓+4S↓+8OH-。(3)Cu+在溶液中不能稳定存在,但可以与NH3形成稳定的[Cu(NH3)2]+,根据上述分析,(NH4)2SO3中S 具有还原性,在蒸发炉中加入(NH4)2SO3,可将[Cu(NH3)4]2+还原为[Cu(NH3)2]+,从而加入稀硫酸调节pH,使[Cu(NH3)2]+转化为Cu2O沉淀。(4)在制取ZnSO4和CdSO4时,使用硫酸过量会产生H2S气体,污染大气,并降低锌钡白、CdS的产量。(5)“高氧酸浸法”需先高温焙烧,然后再用硫酸浸出,此法需要在高温条件下进行,能耗高;对设备的耐酸性要求高;同时会产生大量有害气体(SO2)污染大气。
考向2 有机化合物的制备【典例2】 (2020江苏七市第三次模拟联考)乙酸正丁酯(CH3CH2CH2CH2OOCCH3)是一种优良的有机溶剂。实验室制备少量乙酸正丁酯的反应为CH3COOH+CH3CH2CH2CH2OH CH3CH2CH2CH2OOCCH3+H2O。实验步骤如下:步骤1:向仪器A中加入11.5 mL正丁醇(微溶于水)、1 mL浓硫酸、7.2 mL冰醋酸及沸石。
步骤2:按如图连接装置。
步骤3:向分水器中预先加少量水(略低于支管口)。通入冷却水,加热回流。步骤4:将分水器分出的酯层和反应液合并转入分液漏斗中,依次用5% Na2CO3溶液、水洗涤,分离出有机相。
步骤5:将有机相用无水硫酸镁干燥、过滤、蒸馏,收集乙酸正丁酯。
(1)仪器A的名称是 ,向其中加入沸石的目的是 。 (2)装置中分水器的作用是 ,判断反应已经完成的标志是 。 (3)反应时生成的主要有机副产物有丁醚和 (用结构简式表示)。 (4)步骤4中,分离出有机相的具体操作是 。
答案 (1)圆底烧瓶 防止暴沸(2)分离出酯化反应生成的水的同时,使酯层中的正丁醇回流至烧瓶中继续反应 水层高度不再变化(3)CH3CH2CH==CH2(4)先放出下层的水层,然后关闭活塞,再将有机层从上口倒入一个干燥的烧杯中
解析 (1)根据图示可知仪器A是圆底烧瓶,向其中加入沸石的目的是防止产生暴沸现象。(2)乙酸与正丁醇在浓硫酸存在时,在加热条件下发生酯化反应生成乙酸正丁酯和水。由于正丁醇沸点比较低,易挥发,且在水中微溶,反应生成的酯、水和挥发的、未反应的醇进入分水器,分水器在分离出酯化反应生成的水的同时,还可以使酯层中的正丁醇回流至烧瓶中继续反应,可提高原料利用率;若反应完全,则不再有正丁醇挥发冷凝进入分水器,分水器中液面不再升高,此时说明反应已经完成。
(3)在加热反应时,可能有部分正丁醇分子之间脱水形成副产物丁醚;若加热温度过高,还会发生正丁醇分子内脱水生成1-丁烯:CH3CH2CH==CH2;所以该反应的有机副产物有丁醚和CH3CH2CH==CH2。(4)反应生成的乙酸正丁酯是难溶于水、密度比水小的液体,分离互不相溶的两种液体物质时使用分液方法,即通过分液漏斗下口先放出下层的水层,然后关闭活塞,再将有机层从上口倒入一个干燥的烧杯中。
方法技巧 有机制备实验题的解题思路(1)分析制备流程。
(2)熟悉重要仪器。
(3)找准答题思路。
对点演练2(2020全国2,27)苯甲酸可用作食品防腐剂。实验室可通过甲苯氧化制苯甲酸,其反应原理简示如下:
实验步骤:(1)在装有温度计、冷凝管和搅拌器的三颈烧瓶中加入1.5 mL甲苯、100 mL水和4.8 g(约0.03 mol)高锰酸钾,慢慢开启搅拌器,并加热回流至回流液不再出现油珠。(2)停止加热,继续搅拌,冷却片刻后,从冷凝管上口慢慢加入适量饱和亚硫酸氢钠溶液,并将反应混合物趁热过滤,用少量热水洗涤滤渣。合并滤液和洗涤液,于冰水浴中冷却,然后用浓盐酸酸化至苯甲酸析出完全。将析出的苯甲酸过滤,用少量冷水洗涤,放在沸水浴上干燥。称量,粗产品为1.0 g。
(3)纯度测定:称取0.122 g粗产品,配成乙醇溶液,于100 mL容量瓶中定容。每次移取25.00 mL溶液,用0.010 00 mol·L-1的KOH标准溶液滴定,三次滴定平均消耗21.50 mL的KOH标准溶液。回答下列问题:(1)根据上述实验药品的用量,三颈烧瓶的最适宜规格为 (填标号)。 A.100 mL B.250 mL C.500 mL D.1 000 mL
(2)在反应装置中应选用 (填“直形”或“球形”)冷凝管,当回流液不再出现油珠即可判断反应已完成,其判断理由是 。 (3)加入适量饱和亚硫酸氢钠溶液的目的是 ;该步骤亦可用草酸在酸性条件下处理,请用反应的离子方程式表达其原理: 。 (4)“用少量热水洗涤滤渣”一步中滤渣的主要成分是 。
(5)干燥苯甲酸晶体时,若温度过高,可能出现的结果是 。 (6)本实验制备的苯甲酸的纯度为 ;据此估算本实验中苯甲酸的产率最接近于 (填标号)。 A.70% B.60% C.50% D.40%(7)若要得到纯度更高的苯甲酸,可通过在水中 的方法提纯。
答案 (1)B(2)球形 无油珠说明不溶于水的甲苯已经被完全氧化(3)除去过量的高锰酸钾,避免在用盐酸酸化时,产生氯气 2Mn +5H2C2O4+6H+==2Mn2++10CO2↑+8H2O(4)MnO2 (5)苯甲酸升华而损失(6)86.0% C (7)重结晶
解析 (1)反应物总体积略大于100 mL,根据三颈烧瓶的使用原则,适合选择250 mL的三颈烧瓶。(2)冷凝管在该实验中起冷凝回流作用,为增大蒸气与冷却水的接触面积,提高冷却效果,选用球形冷凝管。甲苯的沸点较低,且不溶于水,回流液中无油珠,则证明甲苯已经被氧化完全。(3)NaHSO3具有还原性,可用于除去过量的KMnO4,避免在后续操作中加入的浓盐酸与KMnO4发生反应产生氯气。H2C2O4中C的化合价为+3价,酸性条件下被氧化为CO2,Mn (Mn的化合价为+7价)被还原为Mn2+,利用得失电子守恒等配平方程式即可。
(4)由题目所给方程式可知,KMnO4氧化 时,被还原为MnO2,故“用少量热水洗涤滤渣”一步中滤渣的主要成分为MnO2。(5)因苯甲酸易升华,若干燥时温度过高,会导致苯甲酸损失。(6)纯度测定时,得到下列关系式:
122 g 1 mol m 0.010 00 mol·L-1×21.50×10-3 L列方程可解得m=0.026 23 g。
92 g 122 g1.5 mL×0.867 g·mL-1 m列方程可解得m≈1.72 g。
(7)利用苯甲酸在热水、冷水中的溶解度差异,可采用在水中重结晶的方法提纯。
深度指津 试剂的作用答题模板
实验现象的准确、全面描述
必备知识 自主预诊
知识梳理1.实验方案设计的基本原则
2.实验方案设计的一般思路
具体详细的 实验方案
↓
详细的实验方案应 包含多方面内容, 关键是实验原理和 步骤
微点拨实验方案设计中几个易忽视的问题(1)净化、吸收气体及实验结束熄灭酒精灯时要防止液体倒吸。(2)进行某些易燃、易爆实验时,要防止爆炸。如H2还原CuO实验中应先通入H2,气体点燃前要先验纯。(3)防止氧化。如H2还原CuO实验中要“先灭灯再停氢”,白磷切割要在水中进行等。(4)防止吸水。如实验取用、制取易吸水、潮解、水解的物质要采取必要措施,以保证达到实验目的。(5)易挥发液体产物(导出时可为蒸汽)的及时冷却。(6)仪器拆卸的科学性与安全性。如防污染、防氧化、防倒吸、防爆炸、防泄漏等。
3.实验方案评价题的解题要点(1)理论上要科学。(2)操作上要简单可行。(3)原料用量要节约。(4)要环保,符合绿色化学原则。
4.实验评价题的常见考查角度(1)可行性方面。①分析实验方案是否科学可行;②实验操作是否安全合理;③实验步骤是否简单方便;④实验效果是否明显。(2)绿色化学方面。①实验过程中是否造成环境污染;②原料是否无毒、安全、易得;③原料利用率是否较高;④反应速率是否较大。
(3)安全性方面。化学实验从安全角度常考虑的主要因素如下:①净化、吸收气体及实验结束熄灭酒精灯时要防止液体倒吸;②进行某些易燃、易爆实验时要防爆炸;③防氧化;④污染性的气体要进行尾气处理;有粉末状物质参加的反应,要注意防止导气管堵塞;⑤防吸水。(4)规范性方面。①冷凝回流:有些反应中,为减少易挥发液体反应物的损耗和充分利用原料,需在反应装置上加装冷凝回流装置,如长玻璃管、竖装的干燥管及冷凝管等;②易挥发液体产物(导出时可为蒸气)的及时冷却;③仪器拆卸顺序与组装顺序相反,按照从右向左、从高到低的顺序;④其他,如实验操作顺序、试剂加入顺序等。
(5)最佳方案的选择。几个实验方案都能达到目的,选出一个最佳方案。所谓最佳,就是装置最简单,药品容易取得、价格低廉,现象明显,干扰小,无污染。
自我诊断1.下列由原料及有关试剂分别制取相应的最终产物的设计中,理论上正确、操作上可行、经济上合理的方案是哪个?
答案 方案1,C在空气中燃烧不能得到纯净的CO。方案2,AgNO3溶液价格较高,不经济。方案4,Fe燃烧后的产物为Fe3O4,不是Fe2O3。因此,只有方案3合理。
2.某化学兴趣小组为探究SO2的性质,按如图所示装置进行实验。下列说法错误的是( )
A.装置②的作用是作为安全瓶B.装置③中试剂更换为Ba(NO3)2溶液后,无明显现象C.装置④用于验证SO2具有氧化性D.装置⑤用于验证SO2具有漂白性
答案 B
关键能力 考向突破
考向1 性质探究型综合实验【典例1】 (2020北京化学,19)探究Na2SO3固体的热分解产物。资料:①4Na2SO3 Na2S+3Na2SO4②Na2S能与S反应生成Na2Sx,Na2Sx与酸反应生成S和H2S。③BaS易溶于水。隔绝空气条件下,加热无水Na2SO3固体得到黄色固体A,过程中未检测到气体生成。黄色固体A加水得到浊液,放置得无色溶液B。回答下列问题:
(1)检验分解产物Na2S:取少量溶液B,向其中滴加CuSO4溶液,产生黑色沉淀,证实有S2-。反应的离子方程式是 。 (2)检验分解产物Na2SO4:取少量溶液B,滴加BaCl2溶液,产生白色沉淀,加入盐酸,沉淀增多(经检验该沉淀含S),同时产生有臭鸡蛋气味的气体(H2S),由于沉淀增多对检验造成干扰,另取少量溶液B,加入足量盐酸,离心沉降(固液分离)后, (填操作和现象),可证实分解产物中含有S
(3)探究(2)中S的来源。来源1:固体A中有未分解的Na2SO3,在酸性条件下与Na2S反应生成S。来源2:溶液B中有Na2Sx,加酸反应生成S。针对来源1进行如图实验:
①实验可证实来源1不成立。实验证据是 。 ②不能用盐酸代替硫酸的原因是 。 ③写出来源2产生S反应的离子方程式: 。
(4)实验证明Na2SO3固体热分解有Na2S、Na2SO4和S产生。运用氧化还原反应规律分析产物中S的产生的合理性: 。
解析 (1)Na2S和CuSO4溶液反应生成硫化铜和硫酸钠,反应的离子方程式:S2-+Cu2+==CuS↓。(2)根据题干资料:Na2S能与S反应生成Na2Sx,Na2Sx与酸反应生成S和H2S,取少量溶液B,滴加BaCl2溶液,产生白色沉淀,加入盐酸,沉淀增多(经检验该沉淀含S),同时产生有臭鸡蛋气味的气体(H2S),说明B溶液中含有Na2Sx,Na2Sx与酸反应生成S和H2S,由于沉淀增多对检验造成干扰,另取少量溶液B,加入足量盐酸,离心沉降(固液分离)后,取上层清液,滴加BaCl2溶液,产生白色沉淀,可证实分解产物中含有S 。
(3)①实验可证实来源1不成立。根据分析,若溶液B中含有Na2SO3,则溶液2为H2SO3,向溶液2中加入少量KMnO4溶液,H2SO3具有还原性,酸性条件下KMnO4具有强氧化性,二者混合后应发生氧化还原反应,酸性KMnO4溶液应该退色,但得到的溶液仍为紫色,说明溶液B中不含Na2SO3。②不能用盐酸代替硫酸的原因是盐酸中Cl元素为-1价,是Cl元素的最低价,具有还原性,与酸性KMnO4溶液发生氧化还原反应,使酸性KMnO4溶液退色,干扰实验现象和实验结论。③来源2认为溶液B中有Na2Sx,加酸反应生成S,反应的离子方程式: +2H+==(x-1)S↓+H2S↑。
(4)根据已知资料:4Na2SO3 Na2S+3Na2SO4,亚硫酸钠中硫为+4价,硫酸钠中硫为+6价,硫化钠中硫为-2价,根据反应可知Na2SO3发生歧化反应,其中的S元素化合价既可升高也可降低,能从+4价降为-2价,也可以降为0价生成硫单质。
规律方法 探究物质性质的基本方法和程序
对点演练1(2020山东淄博二模)某研究小组成员将纯净的SO2气体缓缓地通入盛有25 mL 0.1 mol·L-1 Ba(NO3)2的溶液中,得到BaSO4沉淀。为探究该反应中的氧化剂,该小组提出了如下假设:假设Ⅰ:溶液中的N ;假设Ⅱ: 。 请回答下列问题:(1)该小组成员设计了以下实验验证了假设Ⅰ成立(为排除假设Ⅱ对假设Ⅰ的干扰,在配制下列实验所用溶液时, ),请填写下表。
(2)为深入研究该反应,该小组成员还测得上述两个实验中溶液的pH随通入SO2体积的变化曲线,如图。V1时,实验②中溶液的pH小于实验①中溶液的pH,原因是(用离子方程式表示): 。
(3)验证假设Ⅱ。某成员设计了以下方案,请完成下列表格。
(4)查资料知:H2SO3是二元酸(Ka1=1.54×10-2 mol·L-1,Ka2=1.02×10-7 mol·L-1),请设计实验方案验证H2SO3是二元酸: (试剂及仪器自选)。
答案 溶解在溶液(或水)中的O2(1)配制溶液前应将蒸馏水煮沸后密封冷却 无明显现象 产生白色沉淀
(3)作对照实验 向盛有未经脱O2处理的25 mL 0.1 mol·L-1 BaCl2溶液的烧杯中缓慢通入纯净的SO2气体 产生白色沉淀 证明O2可将SO2氧化为硫酸或可将H2SO3氧化为S(4)向一定体积和一定浓度的NaOH溶液中,缓缓通入与NaOH等物质的量的SO2气体至全部溶解,然后用pH试纸测定溶液的pH,若pH<7,则证明H2SO3为二元酸
解析 二氧化硫具有还原性,在溶液中能被硝酸和溶解的氧气氧化为硫酸。将二氧化硫气体缓缓通入硝酸钡溶液中,二氧化硫与水反应生成亚硫酸,使溶液呈酸性,生成白色沉淀硫酸钡可能因为在酸性条件下,硝酸根将二氧化硫氧化为硫酸,进而与Ba2+反应生成硫酸钡沉淀;也可能因为溶液中溶解的氧气将亚硫酸氧化为S ,进而与Ba2+反应生成硫酸钡沉淀,则假设Ⅱ为溶解在溶液(或水)中的O2。(1)为排除假设Ⅱ对假设Ⅰ的干扰,在配制实验所用溶液时,应在配制溶液前,将蒸馏水煮沸,排出溶解的氧气,再密封冷却。实验①中,二氧化硫溶于水后生成亚硫酸,亚硫酸酸性弱于盐酸,依据强酸制弱酸规律,亚硫酸与氯化钡溶液不反应,不会产生沉淀,所以无明显现象。实验②中,二氧化硫溶于水,与水反应生成亚硫酸,亚硫酸被硝酸根离子氧化为硫酸根离子,硫酸根离子与钡离子反应生成硫酸钡沉淀,所以会产生白色沉淀。
(3)实验③,向盛有25 mL 0.1 mol·L-1 BaCl2溶液的烧杯中缓慢通入纯净的SO2气体,无明显现象,目的是作对照实验,验证假设Ⅱ成立。实验④,将纯净的SO2气体通入未经脱O2处理的25 mL 0.1 mol·L-1 BaCl2溶液中,有白色沉淀生成,说明溶液中溶解的氧气将亚硫酸氧化为S ,进而与Ba2+反应生成硫酸钡沉淀,证明假设Ⅱ成立。
(4)若亚硫酸为一元酸,等物质的量的二氧化硫和氢氧化钠溶液反应生成强碱弱酸盐,溶液呈碱性;若亚硫酸为二元酸,等物质的量的二氧化硫和氢氧化钠溶液反应生成酸式盐,由H2SO3的电离常数可知,亚硫酸氢钠的水解常数 亚硫酸氢根的电离常数大于水解常数,则溶液呈酸性,所以只要测定等物质的量的二氧化硫和氢氧化钠溶液反应所得溶液的pH,即可证明亚硫酸是一元酸还是二元酸。实验方案为向一定体积和一定浓度的NaOH溶液中,缓缓通入与NaOH等物质的量的SO2气体至全部溶解,然后用pH试纸测定溶液的pH,若pH<7,则证明H2SO3为二元酸。
考向2 成分推断型综合题【典例2】 (2020浙江7月选考,28)Ⅰ.化合物X由四种短周期元素组成,加热X,可产生使湿润的红色石蕊试纸变蓝的气体Y,Y为纯净物;取3.01 g X,用含HCl 0.060 0 mol的盐酸完全溶解得溶液A,将溶液A分成A1和A2两等份,完成如下实验(白色沉淀C可溶于NaOH溶液):
请回答:(1)组成X的四种元素是N、H和 (填元素符号),X的化学式是 。 (2)溶液B通入过量CO2得到白色沉淀C的离子方程式是 。 (3)写出一个化合反应(用化学方程式或离子方程式表示): 。 要求同时满足:①其中一种反应物的组成元素必须是X中除N、H外的两种元素;②反应原理与“HCl+NH3==NH4Cl”相同。
Ⅱ.某兴趣小组为验证浓硫酸的性质进行实验,如图。实验中观察到的现象有:圆底烧瓶内有白雾,烧杯中出现白色沉淀。请回答:
(1)将浓硫酸和浓盐酸混合可产生HCl气体的原因是 。 (2)烧杯中出现白色沉淀的原因是 。
Ⅱ.(1)浓硫酸吸水放热导致HCl挥发(2)HCl气体会将H2SO4带出,与Ba(NO3)2作用生成BaSO4
解析 Ⅰ.(1)气体Y为NH3,其物质的量为0.010 0 mol;白色固体D为Al2O3,物质的量为0.005 00 mol;白色沉淀E为AgCl,n(AgCl)=0.060 0 mol。故在3.01 g X中含有n(N)=0.02 mol,n(Al)=0.02 mol,n(Cl-)=0.06 mol,则可计算出含有n(H)=0.06 mol,X的化学式为AlCl3NH3。(3)满足题意的离子方程式,应满足以下两个条件:a.一种反应物是AlCl3;b.化合反应(形成配位键),则反应的方程式应为AlCl3+Cl-==AlC 或AlCl3+NH3==AlCl3NH3。
Ⅱ.(1)浓硫酸有吸水性,吸水过程会放热,导致HCl气体挥发。(2)烧杯中为Ba(NO3)2溶液,产生的白色沉淀只能是BaSO4,这说明会有部分H2SO4分子被HCl气体挥发时带入烧杯溶液中。
深度指津 物质成分探究实验设计流程
对点演练2(2020江苏七市第三次模拟联考)草酸合铁(Ⅲ)酸钾晶体{Ka[Fe(C2O4)b]·cH2O}易溶于水,难溶于乙醇,110 ℃时可完全失去结晶水,是制备某些铁触媒的主要原料。实验室通过下列方法制备Ka[Fe(C2O4)b]·cH2O并测定其组成。Ⅰ.草酸合铁(Ⅲ)酸钾晶体的制备
(1)“转化”过程中若条件控制不当,会发生H2O2氧化H2C2O4的副反应,写出该副反应的化学方程式: 。 (2)“操作X”中加入乙醇的目的是 。 Ⅱ.草酸合铁(Ⅲ)酸钾组成的测定步骤1:准确称取两份质量均为0.491 0 g草酸合铁(Ⅲ)酸钾样品。步骤2:一份在N2氛围下保持110 ℃加热至恒重,称得残留固体质量为0.437 0 g。步骤3:另一份完全溶于水后,使其通过装有某阴离子交换树脂的交换柱,发生反应:aRCl+[Fe(C2O4)b]a-==Ra[Fe(C2O4)b]+aCl-,用蒸馏水冲洗交换柱,收集交换出的Cl-,以K2CrO4为指示剂,用0.150 0 mol·L-1 AgNO3溶液滴定至终点,消耗AgNO3溶液20.00 mL。
(3)若步骤3中未用蒸馏水冲洗交换柱,则测得的样品中K+的物质的量 (填“偏大”“偏小”或“不变”)。 (4)通过计算确定草酸合铁(Ⅲ)酸钾样品的化学式(写出计算过程)。
答案 (1)H2O2+H2C2O4==2CO2↑+2H2O(2)降低草酸合铁(Ⅲ)酸钾的溶解度,促进草酸合铁(Ⅲ)酸钾的析出 (3)偏小(4)0.491 0 g草酸合铁(Ⅲ)酸钾晶体中
n(Cl-)=n(Ag+)=0.150 0 mol·L-1×20.00×10-3 L=3×10-3 mol ,根据离子交换柱中发生的反应:aRCl+[Fe(C2O4)b]a-==Ra[Fe(C2O4)b]+aCl-,可得样品中n(K+)=n(Cl-)=3×10-3 mol ,
解析 (1)H2O2具有氧化性,草酸具有还原性,二者会发生氧化还原反应,根据反应过程中电子守恒、原子守恒,可得化学方程式为H2O2+H2C2O4==2CO2↑+2H2O。(2)由于草酸合铁(Ⅲ)酸钾晶体易溶于水,难溶于乙醇,为降低草酸合铁(Ⅲ)酸钾的溶解度,促进草酸合铁(Ⅲ)酸钾的析出,因此要加入乙醇。(3)若步骤3中未用蒸馏水冲洗交换柱,则一部分Cl-残留在交换柱内,使测得的样品中K+的物质的量偏小。
考向3 “定量探究型”实验方案的设计与评价【典例3】 (2020江苏扬州阶段性检测二)亚硝酰硫酸(NOSO4H)主要用于染料、医药等工业。实验室制备亚硝酰硫酸的方法如下:将SO2通入盛有浓硫酸和浓硝酸的混合液中,维持体系温度略低于20 ℃,搅拌使其充分反应。反应过程中,亚硝酰硫酸的物质的量和硝酸的物质的量随时间的变化如图所示。
(1)①实验室制备NOSO4H反应的化学方程式为 。 ②反应进行到10 min后,反应速度明显加快,其可能的原因是 。 ③反应过程中,硝酸减少的物质的量大于NOSO4H生成的物质的量的可能原因是
(2)为了测定亚硝酰硫酸的纯度,进行如下实验:准确称取1.200 g产品放入锥形瓶中,加入50.00 mL 0.100 0 mol·L-1酸性KMnO4标准溶液和足量稀硫酸,摇匀使其充分反应。再将反应后的溶液加热至60~70 ℃(使生成的HNO3挥发逸出),冷却至室温,用0.250 0 mol·L-1 Na2C2O4标准溶液滴定至终点,消耗Na2C2O4溶液的体积为16.00 mL。已知:2KMnO4+5NOSO4H+2H2O==K2SO4+2MnSO4+5HNO3+2H2SO4;KMnO4在酸性条件下被还原为Mn2+。根据以上实验数据计算亚硝酰硫酸的纯度。(写出计算过程,结果保留两位有效数字)。
解析 (1)①N元素的化合价从+5价降低到+3价,必有S元素的化合价从+4价升高到+6价,N元素和S元素的物质的量之比为1∶1,所以反应的化学方程式为HNO3+SO2 NOSO4H。②反应前十分钟,反应速度没有明显加快,说明不是温度在起作用,十分钟后反应速度明显加快,说明生成的物质对反应有催化作用。③由反应的化学方程式得,参加反应的硝酸和生成的NOSO4H物质的量之比为1∶1,而图中显示消耗的硝酸多,可能因为有一部分挥发和分解了。
(2)一部分KMnO4标准溶液和NOSO4H反应,剩余的KMnO4标准溶液用Na2C2O4溶液进行滴定,KMnO4和Na2C2O4反应,KMnO4的Mn元素的化合价从+7价降低到+2价,作为氧化剂,Na2C2O4的C元素的化合价从+3价升高到+4价,作为还原剂,根据得失电子守恒,氧化剂和还原剂的物质的量之比=2∶5,所以和Na2C2O4反应的KMnO4的物质的量
归纳总结 物质组成计算的常用方法
深度指津 定量型实验题的解题模板
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核心速记
1.常见8种气体的制取实验原理(1)制取O2:2H2O2 2H2O+O2↑(2)制取NH3:2NH4Cl+Ca(OH)2 CaCl2+2NH3↑+2H2O(3)制取H2:Zn+H2SO4(稀) ==ZnSO4+H2↑(4)制取CO2:CaCO3+2HCl==CaCl2+CO2↑+H2O(5)制取Cl2:MnO2+4HCl(浓) MnCl2+Cl2↑+2H2O(6)制取SO2:Na2SO3+H2SO4(浓) ==Na2SO4+SO2↑+H2O(7)制取NO2:Cu+4HNO3(浓) ==Cu(NO3)2+2NO2↑+2H2O(8)制取NO:3Cu+8HNO3(稀) ==3Cu(NO3)2+2NO↑+4H2O
核心速记
2.操作先后流程(1)安装仪器时:自下而上,从左往右。(2)加入试剂时:先固后液。(3)实验开始时:先检查装置的气密性,再加药品,后点酒精灯。(4)净化气体时:一般先除去有毒、有刺激性气味的气体,后除去无毒、无味的气体,最后除水蒸气。(5)防倒吸实验:往往是最后停止加热或停止通气。(6)防氧化实验:往往是最后停止通气。
学科素养提升
化学综合性实验解题指导素养解读化学综合性实验重点考查学生的科学探究与创新意识、科学态度与社会责任等学科核心素养。要求学生能发现和提出有探究价值的化学问题,能依据探究目的设计并优化实验方案,完成实验操作,能对观察记录的实验信息进行加工并获得结论;能和同学交流实验探究的成果,提出进一步探究或改进实验的设想;能尊重事实和证据,具有独立思考、敢于质疑和批判的创新精神;具有环境保护和合理开发、利用资源的意识;能关心并积极参与和化学有关的社会热点问题的讨论,有社会责任感,参与相关实践活动。
案例探究硫酸亚铁铵,俗名为摩尔盐,简称FAS,化学式为Fe(NH4)2(SO4)2·6H2O,是一种蓝绿色的无机复盐。能溶于水,几乎不溶于乙醇。在空气中比硫酸亚铁稳定,有还原性。在定量分析中常用作标定重铬酸钾、高锰酸钾等溶液的标准物质,用作化学试剂、医药。硫酸亚铁铵还是一种重要的化工原料,用途十分广泛。它可以作为净水剂;在无机化学工业中,它是制取其他铁化合物的原料,如用于制造氧化铁系颜料、磁性材料、黄血盐[K4Fe(CN)6]和其他铁盐等;它还有许多方面的直接应用,如印染工业中用于媒染剂,制革工业中用于鞣革,木材工业中用于防腐剂,医药中用于治疗缺铁性贫血,农业中施用于缺铁性土壤,畜牧业中用于饲料添加剂等,还可以与鞣酸、没食子酸等混合后配制蓝黑墨水。
【典例1】 (2018全国2,28)K3[Fe(C2O4)3]·3H2O(三草酸合铁酸钾)为亮绿色晶体,可用于晒制蓝图,回答下列问题:(1)晒制蓝图时,K3[Fe(C2O4)3]·3H2O用作感光剂,以K3[Fe(CN)6]溶液为显色剂,其光解反应的化学方程式为2K3[Fe(C2O4)3] 2FeC2O4+3K2C2O4+2CO2↑;显色反应的化学方程式为 。
(2)某小组为探究三草酸合铁酸钾的热分解产物,按下图所示装置进行实验。
①通入氮气的目的是 。 ②实验中观察到装置B、F中澄清石灰水均变浑浊,装置E中固体变为红色,由此判断热分解产物中一定含有 、 。
③为防止倒吸,停止实验时应进行的操作是 。 ④样品完全分解后,装置A中的残留物含有FeO和Fe2O3,检验Fe2O3存在的方法是: 。 (3)测定三草酸合铁酸钾中铁的含量。①称量m g样品于锥形瓶中,溶解后加稀硫酸酸化,用c mol·L-1 KMnO4溶液滴定至终点,滴定终点的现象是 。
②向上述溶液中加入适量锌粉至反应完全后,过滤、洗涤,将滤液及洗涤液全部收集到锥形瓶中,加稀硫酸酸化,用c mol·L-1酸性KMnO4溶液滴定至终点,消耗酸性KMnO4溶液V mL,该晶体中铁的质量分数的表达式为 。
解析 (1)根据题目信息,三草酸合铁酸钾感光后得到FeC2O4,故以K3[Fe(CN)6]溶液为显色剂,发生反应的化学方程式为:3FeC2O4+2K3[Fe(CN)6] ==Fe3[Fe(CN)6]2+3K2C2O4。(2)①探究三草酸合铁酸钾热分解的产物,通入氮气可以起到隔绝空气,使反应产生的气体全部进入后续装置的作用。②分析装置图各部分的作用,A为热分解的反应装置,B用于检验生成的气体中是否含有CO2,C吸收生成的CO2,D为干燥装置,E、F检验生成的气体中是否含有CO。若B、F中澄清石灰水均变浑浊,E中CuO变为红色,则热分解的产物中一定含有CO2和CO。
③为防止倒吸,停止实验时应先熄灭A、E处酒精灯并继续通入氮气,待反应管冷却后停止通入氮气。④检验装置A中的残留物中是否含有Fe2O3,可将残留物溶于稀硫酸,使Fe2O3转化为Fe3+,然后用KSCN溶液检验。(3)①用KMnO4溶液滴定三草酸合铁酸钾,滴定终点的现象是溶液出现粉红色(极稀的酸性KMnO4溶液颜色)且半分钟内粉红色不消失。②该测定原理的离子方程式为
答案 (1)3FeC2O4+2K3[Fe(CN)6] ==Fe3[Fe(CN)6]2+3K2C2O4(2)①隔绝空气、使反应产生的气体全部进入后续装置②CO2、CO ③先熄灭装置A、E处的酒精灯,冷却后停止通入氮气 ④取少许固体粉末于试管中,加稀硫酸溶解,滴入1~2滴KSCN溶液,溶液变红色,证明含有Fe2O3(3)①溶液出现粉红色且半分钟内粉红色不消失
方法规律1.性质实验探究的角度与方法物质性质实验探究是中学化学实验探究的重要内容。设计实验探究时,要求原理准确、步骤简捷、现象明显、结论易得,且不对环境造成污染,中学化学性质实验探究的主要角度有:①物质氧化性、还原性的判断。如探究SO2具有还原性的方法是将气体通入酸性KMnO4溶液中,通过酸性KMnO4溶液是否退色来说明。②物质氧化性强弱、还原性强弱的判断。如探究Fe3+的氧化性强于I2时,可利用FeCl3与KI淀粉溶液反应,通过溶液是否变蓝色来说明Fe3+的氧化性强于I2。
③同周期、同主族元素性质的递变规律一般通过设计元素金属性、非金属性的强弱实验来完成,如通过Mg、Al与同浓度盐酸反应产生H2的快慢来说明Mg的活泼性强于Al。④电解质强弱的判断。如探究一元酸HA是弱酸的方法是常温下配制NaA的溶液,测该溶液的pH,若pH>7,则说明HA为弱酸。⑤物质酸性强弱的判断。如探究碳酸和硅酸的酸性强弱,可利用相对强的酸制备相对弱的酸的反应原理,将CO2气体通入Na2SiO3溶液,看是否有白色沉淀生成来判断。
⑥钢铁发生电化学腐蚀的规律探究。可以通过控制所含的杂质是否与空气接触、所接触的电解质溶液的酸碱度、钢铁在腐蚀过程中体系内的气压变化等角度设计实验,找出规律。
2.物质成分实验探究设计需要注意的问题①有水蒸气生成时,先检验水蒸气再检验其他成分。②对于需要进行转化才能检测的成分要注意排除干扰。如CO的检验,要先检测CO中是否含有CO2,如果有CO2,先除去CO2后才能对CO实施转化,最后再检测转化生成的CO2。③若试题只给出部分药品和装置,则应给出必要的补充;若给出多余的试剂,则应进行筛选。④注重答题的规范性,有些题目要求指出试剂的名称。如无水硫酸铜、澄清石灰水、酸性高锰酸钾溶液、饱和NaHCO3溶液等。
案例探究【典例2】 (2019全国1,27)硫酸铁铵[NH4Fe(SO4)2·xH2O]是一种重要铁盐。为充分利用资源,变废为宝,在实验室中探究采用废铁屑来制备硫酸铁铵,具体流程如图:
回答下列问题:(1)步骤①的目的是去除废铁屑表面的油污,方法是 。 (2)步骤②需要加热的目的是 ,温度保持89~95 ℃,采用的合适加热方式是 。铁屑中含有少量硫化物,反应产生的气体需要净化处理,合适的装置为 (填标号)。
(3)步骤③中选用足量的H2O2,理由是 。分批加入H2O2,同时为了 ,溶液要保持pH小于0.5。 (4)步骤⑤的具体实验操作有 ,经干燥得到硫酸铁铵晶体样品。 (5)采用热重分析法测定硫酸铁铵晶体样品所含结晶水数,将样品加热到150 ℃时失掉1.5个结晶水,失重5.6%。硫酸铁铵晶体的化学式为 。
解析 (1)油污在碱性溶液中发生水解反应生成可溶于水的物质,因此可使用碱煮水洗的方法去除废铁屑表面的油污。(2)加热可以增大溶解速率;所需温度低于100 ℃,因此可用水浴加热;铁屑中的硫化物与硫酸反应生成硫化氢,硫化氢可与碱反应,因此可用碱溶液来吸收,为了防止倒吸,应选用的装置为C。(3)为了将Fe2+全部转化为Fe3+,应加入足量的H2O2;生成的Fe3+能发生水解反应,H2O2与Fe2+反应消耗H+,为了抑制Fe3+发生水解反应,应保持溶液的pH小于0.5。
(4)由溶液得到晶体的操作为加热浓缩、冷却结晶、过滤(洗涤)。
答案 (1)碱煮水洗 (2)加快反应 热水浴 C(3)将Fe2+全部氧化为Fe3+;不引入杂质 抑制Fe3+水解 (4)加热浓缩、冷却结晶、过滤(洗涤)(5)NH4Fe(SO4)2·12H2O
方法规律1.解答物质制备试题的一般步骤(1)认真阅读题干,提取有用信息。(2)仔细观察装置图(或框图),联想熟悉的实验。观察装置图(或框图),找出与每件仪器(或实验步骤)相关的常见实验,联想相似的地方,分析每件仪器中所装药品的作用。(3)通读问题,整合信息,把所有的问题进行综合分析,运用题给信息和所学化学知识写出正确答案。
2.化工流程题的主线分析方法
案例探究【典例3】 (2019天津化学,9)环己烯是重要的化工原料。其实验室制备流程如下:
回答下列问题:Ⅰ.环己烯的制备与提纯(1)原料环己醇中若含苯酚杂质,检验试剂为 ,现象为 。 (2)操作1的装置如图所示(加热和夹持装置已略去)。
①烧瓶A中进行的可逆反应化学方程式为 ,浓硫酸也可作为该反应的催化剂,选择FeCl3·6H2O而不用浓硫酸的原因为 (填字母)。 a.浓硫酸易使原料炭化并产生SO2b.FeCl3·6H2O污染小、可循环使用,符合绿色化学理念c.同等条件下,用FeCl3·6H2O比浓硫酸的平衡转化率高②仪器B的作用为 。
(3)操作2用到的玻璃仪器是 。 (4)将操作3 (蒸馏)的步骤补齐:安装蒸馏装置,加入待蒸馏的物质和沸石, ,弃去前馏分,收集83 ℃的馏分。 Ⅱ.环己烯含量的测定在一定条件下,向a g环己烯样品中加入定量制得的b mol Br2,与环己烯充分反应后,剩余的Br2与足量KI作用生成I2,用c mol·L-1的Na2S2O3标准溶液滴定,终点时消耗Na2S2O3标准溶液V mL(以上数据均已扣除干扰因素)。测定过程中,发生的反应如下:
②Br2+2K==I2+2KBr③I2+2Na2S2O3==2NaI+Na2S4O6
(5)滴定所用指示剂为 。样品中环己烯的质量分数为 (用字母表示)。 (6)下列情况会导致测定结果偏低的是 (填字母)。 a.样品中含有苯酚杂质b.在测定过程中部分环己烯挥发c.Na2S2O3标准溶液部分被氧化
解析 Ⅰ.环己烯的制备与提纯(1)检验环己醇中是否含有苯酚,可滴加FeCl3溶液,通过溶液是否显紫色判断。(2)①由环己醇制备环己烯的反应为 +H2O。a项,浓硫酸具有脱水性,可使有机物炭化,然后发生氧化还原反应,产生污染性气体SO2,正确;b项,FeCl3·6H2O不会污染环境,而且可循环使用,ab正确;催化剂只能增大化学反应速率,不能提高平衡转化率,错误;②仪器B可冷凝回流环己醇,从而减少环己醇的蒸出。
(3)操作2属于分液,用到的玻璃仪器有分液漏斗和烧杯。(4)操作3属于蒸馏,加入待蒸馏物和沸石后,从下口通冷凝水,加热,收集83 ℃的馏分。
Ⅱ.环己烯含量的测定(5)由Na2S2O3溶液滴定I2,常用淀粉溶液作为指示剂,滴入最后一滴Na2S2O3溶液,溶液由蓝色到无色,且在30 s内不恢复蓝色,证明到达滴定终点。根据三个化学反应可得未反应的溴与Na2S2O3的关系式:Br2(剩余)~2Na2S2O3。
(6)a项,样品中含有苯酚,苯酚也与溴反应,导致剩余溴减少,消耗Na2S2O3溶液体积小,导致结果偏高;b项,环己烯挥发,导致剩余溴增多,消耗Na2S2O3溶液体积大,导致测定结果偏低;c项,Na2S2O3标准溶液部分被氧化,造成消耗Na2S2O3溶液体积大,导致测定结果偏低。
答案 (1)FeCl3溶液 溶液显紫色
②减少环己醇蒸出(3)分液漏斗、烧杯 (4)通冷凝水,加热
方法规律通过测定物质的质量或气体、液体的体积,对反应过程中物质的含量、变化进行定量的研究,是一种重要的实验方法,通常数据的测定方法有以下几类:(1)沉淀法。先将某种成分转化为沉淀,然后称量纯净、干燥的沉淀的质量,再进行相关计算。(2)测气体体积法。对于产生气体的反应,可以通过测定气体体积的方法测定样品的纯度。测定气体体积的具体措施多为排液量气。
(3)测气体质量法。将生成的气体通入足量的吸收剂中,通过称量实验前后吸收剂的质量,求得所吸收气体的质量,然后进行相关计算。(4)滴定法。即利用滴定操作原理,通过酸碱中和滴定、沉淀滴定和氧化还原反应滴定等获得相应数据后再进行相关计算。常涉及指示剂的选择,滴定终点的判断等实验考查。
(5)热重法。是在程序控制温度下,测量物质的质量与温度或时间关系的方法。通过分析热重曲线,我们可以知道样品及其可能产生的中间产物的组成、热稳定性、热分解情况及生成物等与质量相联系的信息。热重法的特点是定量性强,能够准确测量物质的质量变化,根据这一特点,只要物质受热时发生质量变化,都可以用热重法来研究物质的组成与变化。
素养提升1.(2020山东聊城二模)氮化锶可为荧光粉的原料,可通过金属锶与干燥、纯净的氮气在460 ℃时反应制得。锶与镁、钙同主族,能与水、NH3反应。实验室设计以下装置来制备氮化锶(夹持装置略去)。
(1)实验步骤如下:①连接装置,检验装置的气密性;②加装实验药品;③点燃B处的酒精灯;④加热D处的管式炉;⑤打开A处的分液漏斗活塞。正确的实验操作步骤是 。 (2)仪器X的名称是 ;装置A是制取氨气的简易装置,仪器X中的固体是 。 (3)装置B中的化学方程式是 。 (4)装置C的作用是平衡装置中的压强和 。
(5)装置D中的固体物质中含有氮化锶,已知氮化锶极易与水反应生成微溶于水的氢氧化锶,写出反应的化学方程式: 。 (6)锶的金属性比钠强,但锶与水反应的剧烈程度不如钠,原因是锶的熔点比钠高和 。
答案 (1)①②⑤③④(2)蒸馏烧瓶 CaO(或碱石灰、NaOH等合理答案)(3)2NH3+3CuO 3Cu+N2↑+3H2O(4)除去氮气中的氨和水蒸气(5)Sr3N2+6H2O==3Sr(OH)2+2NH3↑(6)锶与水反应生成的微溶物氢氧化锶覆盖在锶的表面,减缓了金属锶与水的反应
解析 装置A是制取氨气的简易装置,浓氨水分解制备氨气,常用溶于水大量放热的CaO、碱石灰或NaOH等物质,氨气经过球形干燥器后,经过灼热的氧化铜,发生氧化还原反应生成氮气,装置C中浓硫酸吸收反应生成的水蒸气和未反应的氨,长颈漏斗平衡大气压,防止倒吸,最后纯净的氮气进入管式炉中制备氮化锶。(1)正确的实验操作步骤是:①连接装置,检验装置的气密性;②加装实验药品;⑤打开A处的分液漏斗活塞;③点燃B处的酒精灯;④加热D处的管式炉。(2)仪器X的名称是蒸馏烧瓶;装置A是制取氨气的简易装置,浓氨水分解制备氨气,常用溶于水大量放热的CaO、碱石灰或NaOH等物质。
(3)根据氧化还原反应原理,装置B中的化学方程式是2NH3+3CuO 3Cu+N2↑+3H2O。(4)装置B中反应后可通过导管的物质为水蒸气、氮气和氨,氨极易溶于水,必须防止倒吸,浓硫酸吸收氨和水蒸气,长颈漏斗平衡大气压,故装置C的作用是平衡装置中的压强和除去氮气中的氨和水蒸气。(5)氮化锶极易与水反应生成微溶于水的氢氧化锶,根据氧化还原反应原理,反应的化学方程式为Sr3N2+6H2O==3Sr(OH)2+2NH3↑。(6)锶的金属性比钠强,但锶与水反应的剧烈程度不如钠,原因是锶的熔点比钠高和锶与水反应生成的微溶物氢氧化锶覆盖在锶的表面,减缓了金属锶与水的反应。
2.(2020山东泰安一模)氯化亚铜(CuCl)广泛应用于化工、印染、电镀等行业,是难溶于水的白色固体,能溶解于硝酸,在潮湿的空气中可被迅速氧化。Ⅰ.实验室用CuSO4-NaCl混合液与Na2SO3溶液反应制取CuCl。相关装置及数据如图。
回答以下问题:(1)甲图中仪器1的名称是 ;制备过程中Na2SO3过量会发生副反应生成[Cu(SO3)2]3-,为提高产率,仪器2中所加试剂应为 。 (2)乙图是反应体系pH随时间变化的关系图,写出制备CuCl的离子方程式: 。丙图是CuCl产率随pH变化的关系图,实验过程中往往用Na2SO3-Na2CO3混合溶液代替Na2SO3溶液,其中Na2CO3的作用是 并维持pH在 左右以保证较高产率。 (3)反应完成后,经抽滤、洗涤、干燥获得产品。洗涤时,用“去氧水”作为洗涤剂洗涤产品,作用是 。
Ⅱ.工业上常用CuCl作为O2、CO的吸收剂,某同学利用如图所示装置模拟工业上测定高炉煤气中CO、CO2、N2和O2的含量。
已知:Na2S2O4和KOH的混合溶液可吸收氧气。(4)装置A中用盐酸而不能用硝酸,其原因是 (用化学方程式表示)。用D装置测N2含量,读数时应注意 。整套实验装置的连接顺序应为 →D。
答案 Ⅰ.(1)三颈烧瓶 Na2SO3溶液 与H+作用,调整pH 3.5(3)洗去晶体表面的杂质离子,同时防止CuCl被氧化Ⅱ.(4)6CuCl+8HNO3==3Cu(NO3)2+3CuCl2+2NO↑+4H2O[或3CuCl+7HNO3==3Cu(NO3)2+3HCl+NO↑+2H2O]温度降到常温,上下调节量气管至左右液面相平,读数时视线与凹液面最低处相平 C→B→A
解析 Ⅰ.(1)甲图中仪器1为三颈烧瓶;制备过程中Na2SO3过量会发生副反应生成[Cu(SO3)2]3-,为提高产率,可控制Na2SO3的加入量,则仪器2中所加试剂应为Na2SO3溶液。(2)实验室用CuSO4-NaCl混合液与Na2SO3溶液反应制取CuCl,由乙图可知反应使溶液pH降低,生成H+,反应的离子方程式为
用Na2SO3-Na2CO3混合溶液代替Na2SO3溶液,Na2CO3可与生成的H+反应,及时除去体系中反应生成的H+,利于反应进行,由图像可知,应维持pH在3.5左右。
(3)用“去氧水”作为洗涤剂洗涤产品,可洗去晶体表面的杂质离子,同时防止CuCl被氧化。(4)根据题意,氯化亚铜(CuCl)能溶解于硝酸,反应的化学方程式为6CuCl+8HNO3==3Cu(NO3)2+3CuCl2+2NO↑+4H2O[或3CuCl+7HNO3==3Cu(NO3)2+3HCl+NO↑+2H2O];用D装置测N2含量,应注意将温度降至常温,且上下调节量气管使左右液面相平,读数时视线与凹液面最低处水平相切,以减小实验误差;用CuCl作为O2、CO的吸收剂,测定高炉煤气中CO、CO2、N2和O2的含量,可用C吸收二氧化碳,然后用B吸收氧气,再用A吸收CO,最后用排水法测量氮气的体积,则顺序为C→B→A→D。
第十单元
2022
必备知识 自主预诊
知识梳理1.物质(固体物质)制备的三大原则(1)选择最佳反应途径。如用铝制取氢氧化铝:2Al+3H2SO4==Al2(SO4)3+3H2↑、2Al+2NaOH+6H2O==2Na[Al(OH)4]+3H2↑、Al2(SO4)3+6Na[Al(OH)4] ==8Al(OH)3↓+3Na2SO4,当n(Al3+)∶n[Al(OH)4]-=1∶3时,Al(OH)3产率最高。
(2)选择最佳原料。如实验室用铝盐溶液与碱溶液反应制取氢氧化铝,应选用氨水,而不能选用强碱(如氢氧化钠)溶液;用铜盐与碱溶液反应制取氢氧化铜,应选用氢氧化钠溶液,而不能选用氨水(氢氧化铜可溶解在氨水中)等。(3)选择适宜操作方法。如实验室制备氢氧化亚铁时,因氢氧化亚铁在空气中极易与氧气、水反应生成氢氧化铁,所以要注意隔绝空气。
2.物质制备实验的操作顺序(1)实验操作顺序。装置选择与连接⇨气密性检查⇨装入固体试剂⇨加入液体试剂⇨按程序实验⇨拆卸仪器⇨其他处理等
(2)加热操作先后顺序的选择。若气体制备实验需加热,应先加热气体发生装置,通入气体排出装置中的空气后,再给实验中需要加热的物质加热。其目的是:①防止爆炸(如氢气还原氧化铜);②保证产品纯度,防止反应物或生成物与空气中的物质反应。而完成实验后,熄灭酒精灯的顺序则相反。
(3)防止实验中反应物或产物变质或损失。①实验中反应物或产物若易吸水潮解、水解等,要采取措施防止吸水;②易挥发的液体产物要及时冷却;③易挥发的液体反应物,需在反应装置中加装冷凝回流装置(如长导管、竖直的干燥管、冷凝管等);④注意防止倒吸的问题。
(4)选用仪器及连接顺序。
3.涉及气体制备及参与物质制备的实验装置(1)常见气体制备装置。
(2)气体的净化和干燥。
①易溶于水或能与水反应不生成其他气体的气体杂质用水吸收。如H2(HCl)、N2(NH3)、NO(NO2)(括号内为杂质气体,下同),可将混合气体通过盛水的A装置来除杂。②酸性杂质用碱性吸收剂吸收,碱性杂质用酸性吸收剂来吸收。如CO(CO2),可将混合气体通过盛NaOH溶液的A装置,或盛碱石灰的B装置(或C装置或D装置)来除去杂质。
③还原性杂质,可用氧化性较强的物质作为吸收剂来吸收或转化;氧化性杂质,可用还原性较强的物质作为吸收剂来吸收。例如CO2(CO),可将混合气体通过盛灼热CuO的E装置来除去杂质。④选用能与气体中的杂质反应生成难溶性物质或可溶性物质的试剂作为吸收剂来除去杂质。如O2(H2S),可将混合气体通过盛有CuSO4溶液的A装置除去杂质。
微点拨 常见干燥剂及其应用
(3)气体的收集。
(4)尾气处理方法。①对于极易溶于水的尾气,如NH3、HCl、HBr等,可采用防倒吸装置(可在导气管的出气口处连接一倒置的漏斗与吸收剂液面接触)吸收。②对于溶解度不大的尾气,如Cl2、CO2等,可直接将导管插入吸收剂液面下吸收。③对于有毒且易燃的气体,如CO等,可在尾气出口处放置点燃的酒精灯,使CO燃烧转化为无毒的CO2气体。
自我诊断1.判断正误,正确的打“√”,错误的打“×”。(1)制备二氧化碳用大理石和稀硫酸反应。( )(2)实验室用KClO3或H2O2制取氧气时都用到MnO2,其作用相同。( )(3)实验室用图①装置制取并收集氨。( )(4)用图②装置除去氯气中的HCl气体。( )(5)实验室用图③装置制取Cl2。( )(6)用图④装置收集氨。( )
(7)用图⑤装置制取少量纯净的CO2气体。( )
答案 (1)× (2)√ (3)× (4)× (5)× (6)× (7)×
2.可用如图装置制取、净化、收集的气体是( )
答案 D
关键能力 考向突破
考向1 工艺流程类物质的制备【典例1】 (2020山东第二次模拟考)四水合磷酸锌[Zn3(PO4)2·4H2O,摩尔质量为457 g·mol-1,难溶于水]是一种性能优良的绿色环保防锈颜料。实验室以锌灰(含ZnO、PbO、CuO、FeO、Fe2O3、SiO2等)为原料制备Zn3(PO4)2·4H2O的流程如下:
已知:6NH4HCO3+3ZnSO4 ZnCO3·2Zn(OH)2·H2O↓+3(NH4)2SO4+5CO2↑ZnCO3·2Zn(OH)2·H2O+2H3PO4 Zn3(PO4)2·4H2O+2H2O+CO2↑回答下列问题:(1)滤渣Ⅰ的主要成分为 ;步骤Ⅰ中,需先将溶液的pH调至5.1,此时应选择的最佳试剂是 ; a.氨水 b.氢氧化钠 c.氧化锌 d.氢氧化钡滴加酸性KMnO4溶液后有MnO2生成,该反应的离子方程式为 ;试剂a为 ;步骤Ⅳ反应结束后,得到Zn3(PO4)2·4H2O的操作包括 和干燥。
(2)称取45.7 mg Zn3(PO4)2·4H2O进行热重分析,化合物质量随温度的变化关系如图所示,为获得Zn3(PO4)2·2H2O和Zn3(PO4)2·H2O的混合产品,烘干时的温度范围为 。 a.90~145 ℃ b.145~195 ℃c.195~273 ℃ d.>273 ℃
(3)为测定产品中Zn3(PO4)2·4H2O的含量,进行如下实验。已知滴定过程中Zn2+与H2Y2-按1∶1反应。步骤Ⅰ:准确称取0.457 0 g产品于烧杯中,加入适量盐酸使其溶解,将溶液转移至100 mL容量瓶,定容。步骤Ⅱ:移取20.00 mL上述溶液于锥形瓶中,加入指示剂,在pH=5~6的缓冲溶液中用0.020 00 mol·L-1 Na2H2Y标准溶液滴定至终点,测得Na2H2Y标准溶液的用量为27.60 mL。
步骤Ⅱ中移取溶液时所使用的玻璃仪器为 ;产品中Zn3(PO4)2·4H2O的质量分数为 。下列操作中,导致产品中Zn3(PO4)2·4H2O含量测定值偏低的是 。 a.步骤Ⅰ中定容时俯视刻度线b.步骤Ⅰ中转移溶液时未洗涤烧杯c.步骤Ⅱ中滴定管未用Na2H2Y标准溶液润洗d.步骤Ⅱ中滴定前滴定管内无气泡,滴定结束后有气泡
答案 (1)SiO2、PbSO4 c Mn +3Fe2++7H2O==MnO2↓+3Fe(OH)3↓+5H+ Zn 过滤、洗涤(2)b (3)移液管(或酸式滴定管) 92% bd
解析 酸浸时SiO2不参与反应,PbO与稀硫酸反应生成难溶物质PbSO4;调节pH时应注意不能带入新的杂质,也不能与所需产品反应;KMnO4与溶液中亚铁离子发生氧化还原反应,以此写出化学方程式;试剂a作用是除去溶液中的其他金属阳离子;步骤Ⅳ反应结束后,得到Zn3(PO4)2·4H2O的操作有过滤、洗涤、干燥。(1)酸浸时SiO2不参与反应,PbO与稀硫酸反应生成难溶物质PbSO4,故滤渣Ⅰ的主要成分为SiO2、PbSO4,调节pH时不能带入新的杂质,也不能与所需产品反应,最佳试剂为氧化锌;KMnO4与溶液中亚铁离子发生氧化还原反应:Mn +3Fe2++7H2O==MnO2↓+3Fe(OH)3↓+5H+;试剂a可除去溶液中的其他金属阳离子Cu2+,为了不带入新的杂质,可用Zn单质;步骤Ⅳ反应结束后,得到Zn3(PO4)2·4H2O的操作有过滤、洗涤、干燥。
a项,步骤Ⅰ中定容时俯视刻度线,导致产品浓度偏高,测定值偏高;b项,步骤Ⅰ中转移溶液时未洗涤烧杯,导致产品浓度偏低,测定值偏低;c项,步骤Ⅱ中滴定管未用Na2H2Y标准溶液润洗,所需标准液体积偏高,测定值偏高;d项,步骤Ⅱ中滴定前滴定管内无气泡,滴定结束后有气泡,所需标准液体积偏低,测定值偏低。所以选b、d。
对点演练1(2020山东烟台一模)目前,处理锌矿进行综合利用,多采用传统的“高氧酸浸法”,但该法也存在一些缺点。最近有文献报道:用高铁闪锌矿(含有ZnS、FeS、CuS、CdS及少量SiO2等)为原料,采用“高氧催化氧化氨浸法”可以联合制取Cu2O(红色)、CdS(黄色)、锌钡白(白色)三种颜料,其流程如图:
已知:Ⅰ:浸取剂由碳酸铵、氨水、双氧水等组成;Ⅱ:浸渣为S、Fe(OH)CO3、SiO2等不溶性物质;Ⅲ:浸取液中含有[Zn(NH3)4]2+、[Cu(NH3)4]2+、[Cd(NH3)4]2+;Ⅳ:Cu+在溶液中不能稳定存在,但可以与NH3形成稳定的[Cu(NH3)2]+。
回答下列问题:(1)为加快浸取速度,可以采取的措施是(任答两项) ;在实际生产中采取常温下浸取而不采用加热的方法,其原因是 。
(2)浸取釜中有O2参与生成浸渣Fe(OH)CO3的离子方程式为 。 (3)蒸发炉中加入(NH4)2SO3的主要作用是 ;沉降池1中加入稀硫酸的作用是 。 (4)在制取ZnSO4和CdSO4时,使用硫酸的量要适当,如果硫酸过量,产生的后果是 。 (5)无论采用“高氧酸浸法”还是“高氧催化氧化氨浸法”,前期处理都要经过用浸取剂浸取,不同的是“高氧酸浸法”需先高温焙烧,然后再用硫酸浸出。两种方法比较,“高氧酸浸法”存在的缺点是(任答两条) 。
答案 (1)粉碎矿石,增大O2压强,增大氨水和碳酸铵的浓度 防止NH3的挥发,以便形成稳定的配合物,防止双氧水分解(2)4FeS+3O2+4C +6H2O==4Fe(OH)CO3↓+4S↓+8OH-(3)将[Cu(NH3)4]2+还原为[Cu(NH3)2]+ 调节溶液的pH,使[Cu(NH3)2]+转化为Cu2O沉淀(4)产生H2S气体,污染大气,并降低锌钡白、CdS的产量(5)能耗高;设备耐酸性要求高;产生大量有害气体(SO2)污染大气
解析 由题干信息,高铁闪锌矿在浸取釜中与O2和碳酸铵、氨水、双氧水等组成的浸取剂反应生成S、Fe(OH)CO3、SiO2等不溶性物质,浸取液中还有[Zn(NH3)4]2+、[Cu(NH3)4]2+和[Cd(NH3)4]2+。在蒸发炉中加入(NH4)2SO3,将[Cu(NH3)4]2+还原为[Cu(NH3)2]+,进入沉降池1中,加入稀硫酸调节pH,使[Cu(NH3)2]+转化为Cu2O沉淀,剩下的溶液在置换炉中,加入适量锌粉得到Cd单质,滤液进入沉降池2,加入碳化氨水得到Zn2(OH)2CO3,经稀硫酸得到ZnSO4溶液,ZnSO4与BaS溶液反应得到锌钡白。
(1)由化学反应速率的影响因素可知,可采用粉碎矿石、增大O2压强、增大氨水和碳酸铵的浓度等方法加快浸取速率,由于浸取剂由碳酸铵、氨水、双氧水等组成,受热易分解,故在实际生产中采取常温浸取而不采用加热的方法。
(2)浸取釜中O2与碳酸铵和FeS反应生Fe(OH)CO3、S,反应的离子方程式为4FeS+3O2+4C +6H2O==4Fe(OH)CO3↓+4S↓+8OH-。(3)Cu+在溶液中不能稳定存在,但可以与NH3形成稳定的[Cu(NH3)2]+,根据上述分析,(NH4)2SO3中S 具有还原性,在蒸发炉中加入(NH4)2SO3,可将[Cu(NH3)4]2+还原为[Cu(NH3)2]+,从而加入稀硫酸调节pH,使[Cu(NH3)2]+转化为Cu2O沉淀。(4)在制取ZnSO4和CdSO4时,使用硫酸过量会产生H2S气体,污染大气,并降低锌钡白、CdS的产量。(5)“高氧酸浸法”需先高温焙烧,然后再用硫酸浸出,此法需要在高温条件下进行,能耗高;对设备的耐酸性要求高;同时会产生大量有害气体(SO2)污染大气。
考向2 有机化合物的制备【典例2】 (2020江苏七市第三次模拟联考)乙酸正丁酯(CH3CH2CH2CH2OOCCH3)是一种优良的有机溶剂。实验室制备少量乙酸正丁酯的反应为CH3COOH+CH3CH2CH2CH2OH CH3CH2CH2CH2OOCCH3+H2O。实验步骤如下:步骤1:向仪器A中加入11.5 mL正丁醇(微溶于水)、1 mL浓硫酸、7.2 mL冰醋酸及沸石。
步骤2:按如图连接装置。
步骤3:向分水器中预先加少量水(略低于支管口)。通入冷却水,加热回流。步骤4:将分水器分出的酯层和反应液合并转入分液漏斗中,依次用5% Na2CO3溶液、水洗涤,分离出有机相。
步骤5:将有机相用无水硫酸镁干燥、过滤、蒸馏,收集乙酸正丁酯。
(1)仪器A的名称是 ,向其中加入沸石的目的是 。 (2)装置中分水器的作用是 ,判断反应已经完成的标志是 。 (3)反应时生成的主要有机副产物有丁醚和 (用结构简式表示)。 (4)步骤4中,分离出有机相的具体操作是 。
答案 (1)圆底烧瓶 防止暴沸(2)分离出酯化反应生成的水的同时,使酯层中的正丁醇回流至烧瓶中继续反应 水层高度不再变化(3)CH3CH2CH==CH2(4)先放出下层的水层,然后关闭活塞,再将有机层从上口倒入一个干燥的烧杯中
解析 (1)根据图示可知仪器A是圆底烧瓶,向其中加入沸石的目的是防止产生暴沸现象。(2)乙酸与正丁醇在浓硫酸存在时,在加热条件下发生酯化反应生成乙酸正丁酯和水。由于正丁醇沸点比较低,易挥发,且在水中微溶,反应生成的酯、水和挥发的、未反应的醇进入分水器,分水器在分离出酯化反应生成的水的同时,还可以使酯层中的正丁醇回流至烧瓶中继续反应,可提高原料利用率;若反应完全,则不再有正丁醇挥发冷凝进入分水器,分水器中液面不再升高,此时说明反应已经完成。
(3)在加热反应时,可能有部分正丁醇分子之间脱水形成副产物丁醚;若加热温度过高,还会发生正丁醇分子内脱水生成1-丁烯:CH3CH2CH==CH2;所以该反应的有机副产物有丁醚和CH3CH2CH==CH2。(4)反应生成的乙酸正丁酯是难溶于水、密度比水小的液体,分离互不相溶的两种液体物质时使用分液方法,即通过分液漏斗下口先放出下层的水层,然后关闭活塞,再将有机层从上口倒入一个干燥的烧杯中。
方法技巧 有机制备实验题的解题思路(1)分析制备流程。
(2)熟悉重要仪器。
(3)找准答题思路。
对点演练2(2020全国2,27)苯甲酸可用作食品防腐剂。实验室可通过甲苯氧化制苯甲酸,其反应原理简示如下:
实验步骤:(1)在装有温度计、冷凝管和搅拌器的三颈烧瓶中加入1.5 mL甲苯、100 mL水和4.8 g(约0.03 mol)高锰酸钾,慢慢开启搅拌器,并加热回流至回流液不再出现油珠。(2)停止加热,继续搅拌,冷却片刻后,从冷凝管上口慢慢加入适量饱和亚硫酸氢钠溶液,并将反应混合物趁热过滤,用少量热水洗涤滤渣。合并滤液和洗涤液,于冰水浴中冷却,然后用浓盐酸酸化至苯甲酸析出完全。将析出的苯甲酸过滤,用少量冷水洗涤,放在沸水浴上干燥。称量,粗产品为1.0 g。
(3)纯度测定:称取0.122 g粗产品,配成乙醇溶液,于100 mL容量瓶中定容。每次移取25.00 mL溶液,用0.010 00 mol·L-1的KOH标准溶液滴定,三次滴定平均消耗21.50 mL的KOH标准溶液。回答下列问题:(1)根据上述实验药品的用量,三颈烧瓶的最适宜规格为 (填标号)。 A.100 mL B.250 mL C.500 mL D.1 000 mL
(2)在反应装置中应选用 (填“直形”或“球形”)冷凝管,当回流液不再出现油珠即可判断反应已完成,其判断理由是 。 (3)加入适量饱和亚硫酸氢钠溶液的目的是 ;该步骤亦可用草酸在酸性条件下处理,请用反应的离子方程式表达其原理: 。 (4)“用少量热水洗涤滤渣”一步中滤渣的主要成分是 。
(5)干燥苯甲酸晶体时,若温度过高,可能出现的结果是 。 (6)本实验制备的苯甲酸的纯度为 ;据此估算本实验中苯甲酸的产率最接近于 (填标号)。 A.70% B.60% C.50% D.40%(7)若要得到纯度更高的苯甲酸,可通过在水中 的方法提纯。
答案 (1)B(2)球形 无油珠说明不溶于水的甲苯已经被完全氧化(3)除去过量的高锰酸钾,避免在用盐酸酸化时,产生氯气 2Mn +5H2C2O4+6H+==2Mn2++10CO2↑+8H2O(4)MnO2 (5)苯甲酸升华而损失(6)86.0% C (7)重结晶
解析 (1)反应物总体积略大于100 mL,根据三颈烧瓶的使用原则,适合选择250 mL的三颈烧瓶。(2)冷凝管在该实验中起冷凝回流作用,为增大蒸气与冷却水的接触面积,提高冷却效果,选用球形冷凝管。甲苯的沸点较低,且不溶于水,回流液中无油珠,则证明甲苯已经被氧化完全。(3)NaHSO3具有还原性,可用于除去过量的KMnO4,避免在后续操作中加入的浓盐酸与KMnO4发生反应产生氯气。H2C2O4中C的化合价为+3价,酸性条件下被氧化为CO2,Mn (Mn的化合价为+7价)被还原为Mn2+,利用得失电子守恒等配平方程式即可。
(4)由题目所给方程式可知,KMnO4氧化 时,被还原为MnO2,故“用少量热水洗涤滤渣”一步中滤渣的主要成分为MnO2。(5)因苯甲酸易升华,若干燥时温度过高,会导致苯甲酸损失。(6)纯度测定时,得到下列关系式:
122 g 1 mol m 0.010 00 mol·L-1×21.50×10-3 L列方程可解得m=0.026 23 g。
92 g 122 g1.5 mL×0.867 g·mL-1 m列方程可解得m≈1.72 g。
(7)利用苯甲酸在热水、冷水中的溶解度差异,可采用在水中重结晶的方法提纯。
深度指津 试剂的作用答题模板
实验现象的准确、全面描述
必备知识 自主预诊
知识梳理1.实验方案设计的基本原则
2.实验方案设计的一般思路
具体详细的 实验方案
↓
详细的实验方案应 包含多方面内容, 关键是实验原理和 步骤
微点拨实验方案设计中几个易忽视的问题(1)净化、吸收气体及实验结束熄灭酒精灯时要防止液体倒吸。(2)进行某些易燃、易爆实验时,要防止爆炸。如H2还原CuO实验中应先通入H2,气体点燃前要先验纯。(3)防止氧化。如H2还原CuO实验中要“先灭灯再停氢”,白磷切割要在水中进行等。(4)防止吸水。如实验取用、制取易吸水、潮解、水解的物质要采取必要措施,以保证达到实验目的。(5)易挥发液体产物(导出时可为蒸汽)的及时冷却。(6)仪器拆卸的科学性与安全性。如防污染、防氧化、防倒吸、防爆炸、防泄漏等。
3.实验方案评价题的解题要点(1)理论上要科学。(2)操作上要简单可行。(3)原料用量要节约。(4)要环保,符合绿色化学原则。
4.实验评价题的常见考查角度(1)可行性方面。①分析实验方案是否科学可行;②实验操作是否安全合理;③实验步骤是否简单方便;④实验效果是否明显。(2)绿色化学方面。①实验过程中是否造成环境污染;②原料是否无毒、安全、易得;③原料利用率是否较高;④反应速率是否较大。
(3)安全性方面。化学实验从安全角度常考虑的主要因素如下:①净化、吸收气体及实验结束熄灭酒精灯时要防止液体倒吸;②进行某些易燃、易爆实验时要防爆炸;③防氧化;④污染性的气体要进行尾气处理;有粉末状物质参加的反应,要注意防止导气管堵塞;⑤防吸水。(4)规范性方面。①冷凝回流:有些反应中,为减少易挥发液体反应物的损耗和充分利用原料,需在反应装置上加装冷凝回流装置,如长玻璃管、竖装的干燥管及冷凝管等;②易挥发液体产物(导出时可为蒸气)的及时冷却;③仪器拆卸顺序与组装顺序相反,按照从右向左、从高到低的顺序;④其他,如实验操作顺序、试剂加入顺序等。
(5)最佳方案的选择。几个实验方案都能达到目的,选出一个最佳方案。所谓最佳,就是装置最简单,药品容易取得、价格低廉,现象明显,干扰小,无污染。
自我诊断1.下列由原料及有关试剂分别制取相应的最终产物的设计中,理论上正确、操作上可行、经济上合理的方案是哪个?
答案 方案1,C在空气中燃烧不能得到纯净的CO。方案2,AgNO3溶液价格较高,不经济。方案4,Fe燃烧后的产物为Fe3O4,不是Fe2O3。因此,只有方案3合理。
2.某化学兴趣小组为探究SO2的性质,按如图所示装置进行实验。下列说法错误的是( )
A.装置②的作用是作为安全瓶B.装置③中试剂更换为Ba(NO3)2溶液后,无明显现象C.装置④用于验证SO2具有氧化性D.装置⑤用于验证SO2具有漂白性
答案 B
关键能力 考向突破
考向1 性质探究型综合实验【典例1】 (2020北京化学,19)探究Na2SO3固体的热分解产物。资料:①4Na2SO3 Na2S+3Na2SO4②Na2S能与S反应生成Na2Sx,Na2Sx与酸反应生成S和H2S。③BaS易溶于水。隔绝空气条件下,加热无水Na2SO3固体得到黄色固体A,过程中未检测到气体生成。黄色固体A加水得到浊液,放置得无色溶液B。回答下列问题:
(1)检验分解产物Na2S:取少量溶液B,向其中滴加CuSO4溶液,产生黑色沉淀,证实有S2-。反应的离子方程式是 。 (2)检验分解产物Na2SO4:取少量溶液B,滴加BaCl2溶液,产生白色沉淀,加入盐酸,沉淀增多(经检验该沉淀含S),同时产生有臭鸡蛋气味的气体(H2S),由于沉淀增多对检验造成干扰,另取少量溶液B,加入足量盐酸,离心沉降(固液分离)后, (填操作和现象),可证实分解产物中含有S
(3)探究(2)中S的来源。来源1:固体A中有未分解的Na2SO3,在酸性条件下与Na2S反应生成S。来源2:溶液B中有Na2Sx,加酸反应生成S。针对来源1进行如图实验:
①实验可证实来源1不成立。实验证据是 。 ②不能用盐酸代替硫酸的原因是 。 ③写出来源2产生S反应的离子方程式: 。
(4)实验证明Na2SO3固体热分解有Na2S、Na2SO4和S产生。运用氧化还原反应规律分析产物中S的产生的合理性: 。
解析 (1)Na2S和CuSO4溶液反应生成硫化铜和硫酸钠,反应的离子方程式:S2-+Cu2+==CuS↓。(2)根据题干资料:Na2S能与S反应生成Na2Sx,Na2Sx与酸反应生成S和H2S,取少量溶液B,滴加BaCl2溶液,产生白色沉淀,加入盐酸,沉淀增多(经检验该沉淀含S),同时产生有臭鸡蛋气味的气体(H2S),说明B溶液中含有Na2Sx,Na2Sx与酸反应生成S和H2S,由于沉淀增多对检验造成干扰,另取少量溶液B,加入足量盐酸,离心沉降(固液分离)后,取上层清液,滴加BaCl2溶液,产生白色沉淀,可证实分解产物中含有S 。
(3)①实验可证实来源1不成立。根据分析,若溶液B中含有Na2SO3,则溶液2为H2SO3,向溶液2中加入少量KMnO4溶液,H2SO3具有还原性,酸性条件下KMnO4具有强氧化性,二者混合后应发生氧化还原反应,酸性KMnO4溶液应该退色,但得到的溶液仍为紫色,说明溶液B中不含Na2SO3。②不能用盐酸代替硫酸的原因是盐酸中Cl元素为-1价,是Cl元素的最低价,具有还原性,与酸性KMnO4溶液发生氧化还原反应,使酸性KMnO4溶液退色,干扰实验现象和实验结论。③来源2认为溶液B中有Na2Sx,加酸反应生成S,反应的离子方程式: +2H+==(x-1)S↓+H2S↑。
(4)根据已知资料:4Na2SO3 Na2S+3Na2SO4,亚硫酸钠中硫为+4价,硫酸钠中硫为+6价,硫化钠中硫为-2价,根据反应可知Na2SO3发生歧化反应,其中的S元素化合价既可升高也可降低,能从+4价降为-2价,也可以降为0价生成硫单质。
规律方法 探究物质性质的基本方法和程序
对点演练1(2020山东淄博二模)某研究小组成员将纯净的SO2气体缓缓地通入盛有25 mL 0.1 mol·L-1 Ba(NO3)2的溶液中,得到BaSO4沉淀。为探究该反应中的氧化剂,该小组提出了如下假设:假设Ⅰ:溶液中的N ;假设Ⅱ: 。 请回答下列问题:(1)该小组成员设计了以下实验验证了假设Ⅰ成立(为排除假设Ⅱ对假设Ⅰ的干扰,在配制下列实验所用溶液时, ),请填写下表。
(2)为深入研究该反应,该小组成员还测得上述两个实验中溶液的pH随通入SO2体积的变化曲线,如图。V1时,实验②中溶液的pH小于实验①中溶液的pH,原因是(用离子方程式表示): 。
(3)验证假设Ⅱ。某成员设计了以下方案,请完成下列表格。
(4)查资料知:H2SO3是二元酸(Ka1=1.54×10-2 mol·L-1,Ka2=1.02×10-7 mol·L-1),请设计实验方案验证H2SO3是二元酸: (试剂及仪器自选)。
答案 溶解在溶液(或水)中的O2(1)配制溶液前应将蒸馏水煮沸后密封冷却 无明显现象 产生白色沉淀
(3)作对照实验 向盛有未经脱O2处理的25 mL 0.1 mol·L-1 BaCl2溶液的烧杯中缓慢通入纯净的SO2气体 产生白色沉淀 证明O2可将SO2氧化为硫酸或可将H2SO3氧化为S(4)向一定体积和一定浓度的NaOH溶液中,缓缓通入与NaOH等物质的量的SO2气体至全部溶解,然后用pH试纸测定溶液的pH,若pH<7,则证明H2SO3为二元酸
解析 二氧化硫具有还原性,在溶液中能被硝酸和溶解的氧气氧化为硫酸。将二氧化硫气体缓缓通入硝酸钡溶液中,二氧化硫与水反应生成亚硫酸,使溶液呈酸性,生成白色沉淀硫酸钡可能因为在酸性条件下,硝酸根将二氧化硫氧化为硫酸,进而与Ba2+反应生成硫酸钡沉淀;也可能因为溶液中溶解的氧气将亚硫酸氧化为S ,进而与Ba2+反应生成硫酸钡沉淀,则假设Ⅱ为溶解在溶液(或水)中的O2。(1)为排除假设Ⅱ对假设Ⅰ的干扰,在配制实验所用溶液时,应在配制溶液前,将蒸馏水煮沸,排出溶解的氧气,再密封冷却。实验①中,二氧化硫溶于水后生成亚硫酸,亚硫酸酸性弱于盐酸,依据强酸制弱酸规律,亚硫酸与氯化钡溶液不反应,不会产生沉淀,所以无明显现象。实验②中,二氧化硫溶于水,与水反应生成亚硫酸,亚硫酸被硝酸根离子氧化为硫酸根离子,硫酸根离子与钡离子反应生成硫酸钡沉淀,所以会产生白色沉淀。
(3)实验③,向盛有25 mL 0.1 mol·L-1 BaCl2溶液的烧杯中缓慢通入纯净的SO2气体,无明显现象,目的是作对照实验,验证假设Ⅱ成立。实验④,将纯净的SO2气体通入未经脱O2处理的25 mL 0.1 mol·L-1 BaCl2溶液中,有白色沉淀生成,说明溶液中溶解的氧气将亚硫酸氧化为S ,进而与Ba2+反应生成硫酸钡沉淀,证明假设Ⅱ成立。
(4)若亚硫酸为一元酸,等物质的量的二氧化硫和氢氧化钠溶液反应生成强碱弱酸盐,溶液呈碱性;若亚硫酸为二元酸,等物质的量的二氧化硫和氢氧化钠溶液反应生成酸式盐,由H2SO3的电离常数可知,亚硫酸氢钠的水解常数 亚硫酸氢根的电离常数大于水解常数,则溶液呈酸性,所以只要测定等物质的量的二氧化硫和氢氧化钠溶液反应所得溶液的pH,即可证明亚硫酸是一元酸还是二元酸。实验方案为向一定体积和一定浓度的NaOH溶液中,缓缓通入与NaOH等物质的量的SO2气体至全部溶解,然后用pH试纸测定溶液的pH,若pH<7,则证明H2SO3为二元酸。
考向2 成分推断型综合题【典例2】 (2020浙江7月选考,28)Ⅰ.化合物X由四种短周期元素组成,加热X,可产生使湿润的红色石蕊试纸变蓝的气体Y,Y为纯净物;取3.01 g X,用含HCl 0.060 0 mol的盐酸完全溶解得溶液A,将溶液A分成A1和A2两等份,完成如下实验(白色沉淀C可溶于NaOH溶液):
请回答:(1)组成X的四种元素是N、H和 (填元素符号),X的化学式是 。 (2)溶液B通入过量CO2得到白色沉淀C的离子方程式是 。 (3)写出一个化合反应(用化学方程式或离子方程式表示): 。 要求同时满足:①其中一种反应物的组成元素必须是X中除N、H外的两种元素;②反应原理与“HCl+NH3==NH4Cl”相同。
Ⅱ.某兴趣小组为验证浓硫酸的性质进行实验,如图。实验中观察到的现象有:圆底烧瓶内有白雾,烧杯中出现白色沉淀。请回答:
(1)将浓硫酸和浓盐酸混合可产生HCl气体的原因是 。 (2)烧杯中出现白色沉淀的原因是 。
Ⅱ.(1)浓硫酸吸水放热导致HCl挥发(2)HCl气体会将H2SO4带出,与Ba(NO3)2作用生成BaSO4
解析 Ⅰ.(1)气体Y为NH3,其物质的量为0.010 0 mol;白色固体D为Al2O3,物质的量为0.005 00 mol;白色沉淀E为AgCl,n(AgCl)=0.060 0 mol。故在3.01 g X中含有n(N)=0.02 mol,n(Al)=0.02 mol,n(Cl-)=0.06 mol,则可计算出含有n(H)=0.06 mol,X的化学式为AlCl3NH3。(3)满足题意的离子方程式,应满足以下两个条件:a.一种反应物是AlCl3;b.化合反应(形成配位键),则反应的方程式应为AlCl3+Cl-==AlC 或AlCl3+NH3==AlCl3NH3。
Ⅱ.(1)浓硫酸有吸水性,吸水过程会放热,导致HCl气体挥发。(2)烧杯中为Ba(NO3)2溶液,产生的白色沉淀只能是BaSO4,这说明会有部分H2SO4分子被HCl气体挥发时带入烧杯溶液中。
深度指津 物质成分探究实验设计流程
对点演练2(2020江苏七市第三次模拟联考)草酸合铁(Ⅲ)酸钾晶体{Ka[Fe(C2O4)b]·cH2O}易溶于水,难溶于乙醇,110 ℃时可完全失去结晶水,是制备某些铁触媒的主要原料。实验室通过下列方法制备Ka[Fe(C2O4)b]·cH2O并测定其组成。Ⅰ.草酸合铁(Ⅲ)酸钾晶体的制备
(1)“转化”过程中若条件控制不当,会发生H2O2氧化H2C2O4的副反应,写出该副反应的化学方程式: 。 (2)“操作X”中加入乙醇的目的是 。 Ⅱ.草酸合铁(Ⅲ)酸钾组成的测定步骤1:准确称取两份质量均为0.491 0 g草酸合铁(Ⅲ)酸钾样品。步骤2:一份在N2氛围下保持110 ℃加热至恒重,称得残留固体质量为0.437 0 g。步骤3:另一份完全溶于水后,使其通过装有某阴离子交换树脂的交换柱,发生反应:aRCl+[Fe(C2O4)b]a-==Ra[Fe(C2O4)b]+aCl-,用蒸馏水冲洗交换柱,收集交换出的Cl-,以K2CrO4为指示剂,用0.150 0 mol·L-1 AgNO3溶液滴定至终点,消耗AgNO3溶液20.00 mL。
(3)若步骤3中未用蒸馏水冲洗交换柱,则测得的样品中K+的物质的量 (填“偏大”“偏小”或“不变”)。 (4)通过计算确定草酸合铁(Ⅲ)酸钾样品的化学式(写出计算过程)。
答案 (1)H2O2+H2C2O4==2CO2↑+2H2O(2)降低草酸合铁(Ⅲ)酸钾的溶解度,促进草酸合铁(Ⅲ)酸钾的析出 (3)偏小(4)0.491 0 g草酸合铁(Ⅲ)酸钾晶体中
n(Cl-)=n(Ag+)=0.150 0 mol·L-1×20.00×10-3 L=3×10-3 mol ,根据离子交换柱中发生的反应:aRCl+[Fe(C2O4)b]a-==Ra[Fe(C2O4)b]+aCl-,可得样品中n(K+)=n(Cl-)=3×10-3 mol ,
解析 (1)H2O2具有氧化性,草酸具有还原性,二者会发生氧化还原反应,根据反应过程中电子守恒、原子守恒,可得化学方程式为H2O2+H2C2O4==2CO2↑+2H2O。(2)由于草酸合铁(Ⅲ)酸钾晶体易溶于水,难溶于乙醇,为降低草酸合铁(Ⅲ)酸钾的溶解度,促进草酸合铁(Ⅲ)酸钾的析出,因此要加入乙醇。(3)若步骤3中未用蒸馏水冲洗交换柱,则一部分Cl-残留在交换柱内,使测得的样品中K+的物质的量偏小。
考向3 “定量探究型”实验方案的设计与评价【典例3】 (2020江苏扬州阶段性检测二)亚硝酰硫酸(NOSO4H)主要用于染料、医药等工业。实验室制备亚硝酰硫酸的方法如下:将SO2通入盛有浓硫酸和浓硝酸的混合液中,维持体系温度略低于20 ℃,搅拌使其充分反应。反应过程中,亚硝酰硫酸的物质的量和硝酸的物质的量随时间的变化如图所示。
(1)①实验室制备NOSO4H反应的化学方程式为 。 ②反应进行到10 min后,反应速度明显加快,其可能的原因是 。 ③反应过程中,硝酸减少的物质的量大于NOSO4H生成的物质的量的可能原因是
(2)为了测定亚硝酰硫酸的纯度,进行如下实验:准确称取1.200 g产品放入锥形瓶中,加入50.00 mL 0.100 0 mol·L-1酸性KMnO4标准溶液和足量稀硫酸,摇匀使其充分反应。再将反应后的溶液加热至60~70 ℃(使生成的HNO3挥发逸出),冷却至室温,用0.250 0 mol·L-1 Na2C2O4标准溶液滴定至终点,消耗Na2C2O4溶液的体积为16.00 mL。已知:2KMnO4+5NOSO4H+2H2O==K2SO4+2MnSO4+5HNO3+2H2SO4;KMnO4在酸性条件下被还原为Mn2+。根据以上实验数据计算亚硝酰硫酸的纯度。(写出计算过程,结果保留两位有效数字)。
解析 (1)①N元素的化合价从+5价降低到+3价,必有S元素的化合价从+4价升高到+6价,N元素和S元素的物质的量之比为1∶1,所以反应的化学方程式为HNO3+SO2 NOSO4H。②反应前十分钟,反应速度没有明显加快,说明不是温度在起作用,十分钟后反应速度明显加快,说明生成的物质对反应有催化作用。③由反应的化学方程式得,参加反应的硝酸和生成的NOSO4H物质的量之比为1∶1,而图中显示消耗的硝酸多,可能因为有一部分挥发和分解了。
(2)一部分KMnO4标准溶液和NOSO4H反应,剩余的KMnO4标准溶液用Na2C2O4溶液进行滴定,KMnO4和Na2C2O4反应,KMnO4的Mn元素的化合价从+7价降低到+2价,作为氧化剂,Na2C2O4的C元素的化合价从+3价升高到+4价,作为还原剂,根据得失电子守恒,氧化剂和还原剂的物质的量之比=2∶5,所以和Na2C2O4反应的KMnO4的物质的量
归纳总结 物质组成计算的常用方法
深度指津 定量型实验题的解题模板
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核心速记
1.常见8种气体的制取实验原理(1)制取O2:2H2O2 2H2O+O2↑(2)制取NH3:2NH4Cl+Ca(OH)2 CaCl2+2NH3↑+2H2O(3)制取H2:Zn+H2SO4(稀) ==ZnSO4+H2↑(4)制取CO2:CaCO3+2HCl==CaCl2+CO2↑+H2O(5)制取Cl2:MnO2+4HCl(浓) MnCl2+Cl2↑+2H2O(6)制取SO2:Na2SO3+H2SO4(浓) ==Na2SO4+SO2↑+H2O(7)制取NO2:Cu+4HNO3(浓) ==Cu(NO3)2+2NO2↑+2H2O(8)制取NO:3Cu+8HNO3(稀) ==3Cu(NO3)2+2NO↑+4H2O
核心速记
2.操作先后流程(1)安装仪器时:自下而上,从左往右。(2)加入试剂时:先固后液。(3)实验开始时:先检查装置的气密性,再加药品,后点酒精灯。(4)净化气体时:一般先除去有毒、有刺激性气味的气体,后除去无毒、无味的气体,最后除水蒸气。(5)防倒吸实验:往往是最后停止加热或停止通气。(6)防氧化实验:往往是最后停止通气。
学科素养提升
化学综合性实验解题指导素养解读化学综合性实验重点考查学生的科学探究与创新意识、科学态度与社会责任等学科核心素养。要求学生能发现和提出有探究价值的化学问题,能依据探究目的设计并优化实验方案,完成实验操作,能对观察记录的实验信息进行加工并获得结论;能和同学交流实验探究的成果,提出进一步探究或改进实验的设想;能尊重事实和证据,具有独立思考、敢于质疑和批判的创新精神;具有环境保护和合理开发、利用资源的意识;能关心并积极参与和化学有关的社会热点问题的讨论,有社会责任感,参与相关实践活动。
案例探究硫酸亚铁铵,俗名为摩尔盐,简称FAS,化学式为Fe(NH4)2(SO4)2·6H2O,是一种蓝绿色的无机复盐。能溶于水,几乎不溶于乙醇。在空气中比硫酸亚铁稳定,有还原性。在定量分析中常用作标定重铬酸钾、高锰酸钾等溶液的标准物质,用作化学试剂、医药。硫酸亚铁铵还是一种重要的化工原料,用途十分广泛。它可以作为净水剂;在无机化学工业中,它是制取其他铁化合物的原料,如用于制造氧化铁系颜料、磁性材料、黄血盐[K4Fe(CN)6]和其他铁盐等;它还有许多方面的直接应用,如印染工业中用于媒染剂,制革工业中用于鞣革,木材工业中用于防腐剂,医药中用于治疗缺铁性贫血,农业中施用于缺铁性土壤,畜牧业中用于饲料添加剂等,还可以与鞣酸、没食子酸等混合后配制蓝黑墨水。
【典例1】 (2018全国2,28)K3[Fe(C2O4)3]·3H2O(三草酸合铁酸钾)为亮绿色晶体,可用于晒制蓝图,回答下列问题:(1)晒制蓝图时,K3[Fe(C2O4)3]·3H2O用作感光剂,以K3[Fe(CN)6]溶液为显色剂,其光解反应的化学方程式为2K3[Fe(C2O4)3] 2FeC2O4+3K2C2O4+2CO2↑;显色反应的化学方程式为 。
(2)某小组为探究三草酸合铁酸钾的热分解产物,按下图所示装置进行实验。
①通入氮气的目的是 。 ②实验中观察到装置B、F中澄清石灰水均变浑浊,装置E中固体变为红色,由此判断热分解产物中一定含有 、 。
③为防止倒吸,停止实验时应进行的操作是 。 ④样品完全分解后,装置A中的残留物含有FeO和Fe2O3,检验Fe2O3存在的方法是: 。 (3)测定三草酸合铁酸钾中铁的含量。①称量m g样品于锥形瓶中,溶解后加稀硫酸酸化,用c mol·L-1 KMnO4溶液滴定至终点,滴定终点的现象是 。
②向上述溶液中加入适量锌粉至反应完全后,过滤、洗涤,将滤液及洗涤液全部收集到锥形瓶中,加稀硫酸酸化,用c mol·L-1酸性KMnO4溶液滴定至终点,消耗酸性KMnO4溶液V mL,该晶体中铁的质量分数的表达式为 。
解析 (1)根据题目信息,三草酸合铁酸钾感光后得到FeC2O4,故以K3[Fe(CN)6]溶液为显色剂,发生反应的化学方程式为:3FeC2O4+2K3[Fe(CN)6] ==Fe3[Fe(CN)6]2+3K2C2O4。(2)①探究三草酸合铁酸钾热分解的产物,通入氮气可以起到隔绝空气,使反应产生的气体全部进入后续装置的作用。②分析装置图各部分的作用,A为热分解的反应装置,B用于检验生成的气体中是否含有CO2,C吸收生成的CO2,D为干燥装置,E、F检验生成的气体中是否含有CO。若B、F中澄清石灰水均变浑浊,E中CuO变为红色,则热分解的产物中一定含有CO2和CO。
③为防止倒吸,停止实验时应先熄灭A、E处酒精灯并继续通入氮气,待反应管冷却后停止通入氮气。④检验装置A中的残留物中是否含有Fe2O3,可将残留物溶于稀硫酸,使Fe2O3转化为Fe3+,然后用KSCN溶液检验。(3)①用KMnO4溶液滴定三草酸合铁酸钾,滴定终点的现象是溶液出现粉红色(极稀的酸性KMnO4溶液颜色)且半分钟内粉红色不消失。②该测定原理的离子方程式为
答案 (1)3FeC2O4+2K3[Fe(CN)6] ==Fe3[Fe(CN)6]2+3K2C2O4(2)①隔绝空气、使反应产生的气体全部进入后续装置②CO2、CO ③先熄灭装置A、E处的酒精灯,冷却后停止通入氮气 ④取少许固体粉末于试管中,加稀硫酸溶解,滴入1~2滴KSCN溶液,溶液变红色,证明含有Fe2O3(3)①溶液出现粉红色且半分钟内粉红色不消失
方法规律1.性质实验探究的角度与方法物质性质实验探究是中学化学实验探究的重要内容。设计实验探究时,要求原理准确、步骤简捷、现象明显、结论易得,且不对环境造成污染,中学化学性质实验探究的主要角度有:①物质氧化性、还原性的判断。如探究SO2具有还原性的方法是将气体通入酸性KMnO4溶液中,通过酸性KMnO4溶液是否退色来说明。②物质氧化性强弱、还原性强弱的判断。如探究Fe3+的氧化性强于I2时,可利用FeCl3与KI淀粉溶液反应,通过溶液是否变蓝色来说明Fe3+的氧化性强于I2。
③同周期、同主族元素性质的递变规律一般通过设计元素金属性、非金属性的强弱实验来完成,如通过Mg、Al与同浓度盐酸反应产生H2的快慢来说明Mg的活泼性强于Al。④电解质强弱的判断。如探究一元酸HA是弱酸的方法是常温下配制NaA的溶液,测该溶液的pH,若pH>7,则说明HA为弱酸。⑤物质酸性强弱的判断。如探究碳酸和硅酸的酸性强弱,可利用相对强的酸制备相对弱的酸的反应原理,将CO2气体通入Na2SiO3溶液,看是否有白色沉淀生成来判断。
⑥钢铁发生电化学腐蚀的规律探究。可以通过控制所含的杂质是否与空气接触、所接触的电解质溶液的酸碱度、钢铁在腐蚀过程中体系内的气压变化等角度设计实验,找出规律。
2.物质成分实验探究设计需要注意的问题①有水蒸气生成时,先检验水蒸气再检验其他成分。②对于需要进行转化才能检测的成分要注意排除干扰。如CO的检验,要先检测CO中是否含有CO2,如果有CO2,先除去CO2后才能对CO实施转化,最后再检测转化生成的CO2。③若试题只给出部分药品和装置,则应给出必要的补充;若给出多余的试剂,则应进行筛选。④注重答题的规范性,有些题目要求指出试剂的名称。如无水硫酸铜、澄清石灰水、酸性高锰酸钾溶液、饱和NaHCO3溶液等。
案例探究【典例2】 (2019全国1,27)硫酸铁铵[NH4Fe(SO4)2·xH2O]是一种重要铁盐。为充分利用资源,变废为宝,在实验室中探究采用废铁屑来制备硫酸铁铵,具体流程如图:
回答下列问题:(1)步骤①的目的是去除废铁屑表面的油污,方法是 。 (2)步骤②需要加热的目的是 ,温度保持89~95 ℃,采用的合适加热方式是 。铁屑中含有少量硫化物,反应产生的气体需要净化处理,合适的装置为 (填标号)。
(3)步骤③中选用足量的H2O2,理由是 。分批加入H2O2,同时为了 ,溶液要保持pH小于0.5。 (4)步骤⑤的具体实验操作有 ,经干燥得到硫酸铁铵晶体样品。 (5)采用热重分析法测定硫酸铁铵晶体样品所含结晶水数,将样品加热到150 ℃时失掉1.5个结晶水,失重5.6%。硫酸铁铵晶体的化学式为 。
解析 (1)油污在碱性溶液中发生水解反应生成可溶于水的物质,因此可使用碱煮水洗的方法去除废铁屑表面的油污。(2)加热可以增大溶解速率;所需温度低于100 ℃,因此可用水浴加热;铁屑中的硫化物与硫酸反应生成硫化氢,硫化氢可与碱反应,因此可用碱溶液来吸收,为了防止倒吸,应选用的装置为C。(3)为了将Fe2+全部转化为Fe3+,应加入足量的H2O2;生成的Fe3+能发生水解反应,H2O2与Fe2+反应消耗H+,为了抑制Fe3+发生水解反应,应保持溶液的pH小于0.5。
(4)由溶液得到晶体的操作为加热浓缩、冷却结晶、过滤(洗涤)。
答案 (1)碱煮水洗 (2)加快反应 热水浴 C(3)将Fe2+全部氧化为Fe3+;不引入杂质 抑制Fe3+水解 (4)加热浓缩、冷却结晶、过滤(洗涤)(5)NH4Fe(SO4)2·12H2O
方法规律1.解答物质制备试题的一般步骤(1)认真阅读题干,提取有用信息。(2)仔细观察装置图(或框图),联想熟悉的实验。观察装置图(或框图),找出与每件仪器(或实验步骤)相关的常见实验,联想相似的地方,分析每件仪器中所装药品的作用。(3)通读问题,整合信息,把所有的问题进行综合分析,运用题给信息和所学化学知识写出正确答案。
2.化工流程题的主线分析方法
案例探究【典例3】 (2019天津化学,9)环己烯是重要的化工原料。其实验室制备流程如下:
回答下列问题:Ⅰ.环己烯的制备与提纯(1)原料环己醇中若含苯酚杂质,检验试剂为 ,现象为 。 (2)操作1的装置如图所示(加热和夹持装置已略去)。
①烧瓶A中进行的可逆反应化学方程式为 ,浓硫酸也可作为该反应的催化剂,选择FeCl3·6H2O而不用浓硫酸的原因为 (填字母)。 a.浓硫酸易使原料炭化并产生SO2b.FeCl3·6H2O污染小、可循环使用,符合绿色化学理念c.同等条件下,用FeCl3·6H2O比浓硫酸的平衡转化率高②仪器B的作用为 。
(3)操作2用到的玻璃仪器是 。 (4)将操作3 (蒸馏)的步骤补齐:安装蒸馏装置,加入待蒸馏的物质和沸石, ,弃去前馏分,收集83 ℃的馏分。 Ⅱ.环己烯含量的测定在一定条件下,向a g环己烯样品中加入定量制得的b mol Br2,与环己烯充分反应后,剩余的Br2与足量KI作用生成I2,用c mol·L-1的Na2S2O3标准溶液滴定,终点时消耗Na2S2O3标准溶液V mL(以上数据均已扣除干扰因素)。测定过程中,发生的反应如下:
②Br2+2K==I2+2KBr③I2+2Na2S2O3==2NaI+Na2S4O6
(5)滴定所用指示剂为 。样品中环己烯的质量分数为 (用字母表示)。 (6)下列情况会导致测定结果偏低的是 (填字母)。 a.样品中含有苯酚杂质b.在测定过程中部分环己烯挥发c.Na2S2O3标准溶液部分被氧化
解析 Ⅰ.环己烯的制备与提纯(1)检验环己醇中是否含有苯酚,可滴加FeCl3溶液,通过溶液是否显紫色判断。(2)①由环己醇制备环己烯的反应为 +H2O。a项,浓硫酸具有脱水性,可使有机物炭化,然后发生氧化还原反应,产生污染性气体SO2,正确;b项,FeCl3·6H2O不会污染环境,而且可循环使用,ab正确;催化剂只能增大化学反应速率,不能提高平衡转化率,错误;②仪器B可冷凝回流环己醇,从而减少环己醇的蒸出。
(3)操作2属于分液,用到的玻璃仪器有分液漏斗和烧杯。(4)操作3属于蒸馏,加入待蒸馏物和沸石后,从下口通冷凝水,加热,收集83 ℃的馏分。
Ⅱ.环己烯含量的测定(5)由Na2S2O3溶液滴定I2,常用淀粉溶液作为指示剂,滴入最后一滴Na2S2O3溶液,溶液由蓝色到无色,且在30 s内不恢复蓝色,证明到达滴定终点。根据三个化学反应可得未反应的溴与Na2S2O3的关系式:Br2(剩余)~2Na2S2O3。
(6)a项,样品中含有苯酚,苯酚也与溴反应,导致剩余溴减少,消耗Na2S2O3溶液体积小,导致结果偏高;b项,环己烯挥发,导致剩余溴增多,消耗Na2S2O3溶液体积大,导致测定结果偏低;c项,Na2S2O3标准溶液部分被氧化,造成消耗Na2S2O3溶液体积大,导致测定结果偏低。
答案 (1)FeCl3溶液 溶液显紫色
②减少环己醇蒸出(3)分液漏斗、烧杯 (4)通冷凝水,加热
方法规律通过测定物质的质量或气体、液体的体积,对反应过程中物质的含量、变化进行定量的研究,是一种重要的实验方法,通常数据的测定方法有以下几类:(1)沉淀法。先将某种成分转化为沉淀,然后称量纯净、干燥的沉淀的质量,再进行相关计算。(2)测气体体积法。对于产生气体的反应,可以通过测定气体体积的方法测定样品的纯度。测定气体体积的具体措施多为排液量气。
(3)测气体质量法。将生成的气体通入足量的吸收剂中,通过称量实验前后吸收剂的质量,求得所吸收气体的质量,然后进行相关计算。(4)滴定法。即利用滴定操作原理,通过酸碱中和滴定、沉淀滴定和氧化还原反应滴定等获得相应数据后再进行相关计算。常涉及指示剂的选择,滴定终点的判断等实验考查。
(5)热重法。是在程序控制温度下,测量物质的质量与温度或时间关系的方法。通过分析热重曲线,我们可以知道样品及其可能产生的中间产物的组成、热稳定性、热分解情况及生成物等与质量相联系的信息。热重法的特点是定量性强,能够准确测量物质的质量变化,根据这一特点,只要物质受热时发生质量变化,都可以用热重法来研究物质的组成与变化。
素养提升1.(2020山东聊城二模)氮化锶可为荧光粉的原料,可通过金属锶与干燥、纯净的氮气在460 ℃时反应制得。锶与镁、钙同主族,能与水、NH3反应。实验室设计以下装置来制备氮化锶(夹持装置略去)。
(1)实验步骤如下:①连接装置,检验装置的气密性;②加装实验药品;③点燃B处的酒精灯;④加热D处的管式炉;⑤打开A处的分液漏斗活塞。正确的实验操作步骤是 。 (2)仪器X的名称是 ;装置A是制取氨气的简易装置,仪器X中的固体是 。 (3)装置B中的化学方程式是 。 (4)装置C的作用是平衡装置中的压强和 。
(5)装置D中的固体物质中含有氮化锶,已知氮化锶极易与水反应生成微溶于水的氢氧化锶,写出反应的化学方程式: 。 (6)锶的金属性比钠强,但锶与水反应的剧烈程度不如钠,原因是锶的熔点比钠高和 。
答案 (1)①②⑤③④(2)蒸馏烧瓶 CaO(或碱石灰、NaOH等合理答案)(3)2NH3+3CuO 3Cu+N2↑+3H2O(4)除去氮气中的氨和水蒸气(5)Sr3N2+6H2O==3Sr(OH)2+2NH3↑(6)锶与水反应生成的微溶物氢氧化锶覆盖在锶的表面,减缓了金属锶与水的反应
解析 装置A是制取氨气的简易装置,浓氨水分解制备氨气,常用溶于水大量放热的CaO、碱石灰或NaOH等物质,氨气经过球形干燥器后,经过灼热的氧化铜,发生氧化还原反应生成氮气,装置C中浓硫酸吸收反应生成的水蒸气和未反应的氨,长颈漏斗平衡大气压,防止倒吸,最后纯净的氮气进入管式炉中制备氮化锶。(1)正确的实验操作步骤是:①连接装置,检验装置的气密性;②加装实验药品;⑤打开A处的分液漏斗活塞;③点燃B处的酒精灯;④加热D处的管式炉。(2)仪器X的名称是蒸馏烧瓶;装置A是制取氨气的简易装置,浓氨水分解制备氨气,常用溶于水大量放热的CaO、碱石灰或NaOH等物质。
(3)根据氧化还原反应原理,装置B中的化学方程式是2NH3+3CuO 3Cu+N2↑+3H2O。(4)装置B中反应后可通过导管的物质为水蒸气、氮气和氨,氨极易溶于水,必须防止倒吸,浓硫酸吸收氨和水蒸气,长颈漏斗平衡大气压,故装置C的作用是平衡装置中的压强和除去氮气中的氨和水蒸气。(5)氮化锶极易与水反应生成微溶于水的氢氧化锶,根据氧化还原反应原理,反应的化学方程式为Sr3N2+6H2O==3Sr(OH)2+2NH3↑。(6)锶的金属性比钠强,但锶与水反应的剧烈程度不如钠,原因是锶的熔点比钠高和锶与水反应生成的微溶物氢氧化锶覆盖在锶的表面,减缓了金属锶与水的反应。
2.(2020山东泰安一模)氯化亚铜(CuCl)广泛应用于化工、印染、电镀等行业,是难溶于水的白色固体,能溶解于硝酸,在潮湿的空气中可被迅速氧化。Ⅰ.实验室用CuSO4-NaCl混合液与Na2SO3溶液反应制取CuCl。相关装置及数据如图。
回答以下问题:(1)甲图中仪器1的名称是 ;制备过程中Na2SO3过量会发生副反应生成[Cu(SO3)2]3-,为提高产率,仪器2中所加试剂应为 。 (2)乙图是反应体系pH随时间变化的关系图,写出制备CuCl的离子方程式: 。丙图是CuCl产率随pH变化的关系图,实验过程中往往用Na2SO3-Na2CO3混合溶液代替Na2SO3溶液,其中Na2CO3的作用是 并维持pH在 左右以保证较高产率。 (3)反应完成后,经抽滤、洗涤、干燥获得产品。洗涤时,用“去氧水”作为洗涤剂洗涤产品,作用是 。
Ⅱ.工业上常用CuCl作为O2、CO的吸收剂,某同学利用如图所示装置模拟工业上测定高炉煤气中CO、CO2、N2和O2的含量。
已知:Na2S2O4和KOH的混合溶液可吸收氧气。(4)装置A中用盐酸而不能用硝酸,其原因是 (用化学方程式表示)。用D装置测N2含量,读数时应注意 。整套实验装置的连接顺序应为 →D。
答案 Ⅰ.(1)三颈烧瓶 Na2SO3溶液 与H+作用,调整pH 3.5(3)洗去晶体表面的杂质离子,同时防止CuCl被氧化Ⅱ.(4)6CuCl+8HNO3==3Cu(NO3)2+3CuCl2+2NO↑+4H2O[或3CuCl+7HNO3==3Cu(NO3)2+3HCl+NO↑+2H2O]温度降到常温,上下调节量气管至左右液面相平,读数时视线与凹液面最低处相平 C→B→A
解析 Ⅰ.(1)甲图中仪器1为三颈烧瓶;制备过程中Na2SO3过量会发生副反应生成[Cu(SO3)2]3-,为提高产率,可控制Na2SO3的加入量,则仪器2中所加试剂应为Na2SO3溶液。(2)实验室用CuSO4-NaCl混合液与Na2SO3溶液反应制取CuCl,由乙图可知反应使溶液pH降低,生成H+,反应的离子方程式为
用Na2SO3-Na2CO3混合溶液代替Na2SO3溶液,Na2CO3可与生成的H+反应,及时除去体系中反应生成的H+,利于反应进行,由图像可知,应维持pH在3.5左右。
(3)用“去氧水”作为洗涤剂洗涤产品,可洗去晶体表面的杂质离子,同时防止CuCl被氧化。(4)根据题意,氯化亚铜(CuCl)能溶解于硝酸,反应的化学方程式为6CuCl+8HNO3==3Cu(NO3)2+3CuCl2+2NO↑+4H2O[或3CuCl+7HNO3==3Cu(NO3)2+3HCl+NO↑+2H2O];用D装置测N2含量,应注意将温度降至常温,且上下调节量气管使左右液面相平,读数时视线与凹液面最低处水平相切,以减小实验误差;用CuCl作为O2、CO的吸收剂,测定高炉煤气中CO、CO2、N2和O2的含量,可用C吸收二氧化碳,然后用B吸收氧气,再用A吸收CO,最后用排水法测量氮气的体积,则顺序为C→B→A→D。
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