以气体制备为主体的气体流程型实验 一、高中教材三大气体制备装置的连接 1、Cl2 的实验室制备系统 2、SO2 的实验室制备系统 3、NH3 的实验室制备系统 4、实验装置选择的思路： 二、气体的制备 1、常见气体制备的反应原理 试剂的选择：以实验室常用药品为原料，依据制气原理，选择方便、经济、安全的试剂，尽量做到有适宜的反应速率，且所得 气 体比较纯净。如：用锌粒与酸制取氢气，一般选择稀硫酸，而不用稀盐酸，原因是盐酸是挥发性酸，制取的氢气中常混有 HCl 气体 气体名称 反应原理 收集方法 MnO2+4HCl(浓) 氯气(Cl2) 向上排空气法、排饱和食盐水法 MnCl2+Cl2↑+2H2O 2KMnO4+16HCl(浓)===2KCl+2MnCl2+5Cl2↑+8H2O 氨气(NH3) 2NH4Cl+Ca(OH)2 CaCl2+2NH3↑+2H2O 向下排空气法 二氧化硫(SO2) Na2SO3+H2SO4(浓) Na2SO4+SO2↑+H2O 向上排空气法、排饱和 NaHSO3 溶液 乙烯( 乙炔(C2H2) 氧气(O2) ) C2H5OH CaC2+2H2O 2KClO3 2KMnO4 二氧化碳(CO2) 氢气(H2) 硫化氢(H2S) 二氧化氮(NO2) 排水法 ↑+H2O 排水法 Ca(OH)2+C2H2↑ 2KCl+3O2↑，2H2O2 2H2O＋O2↑ 排水法、向上排空气法 K2MnO4+MnO2+O2↑ CaCO3+2HCl CaCl2+CO2↑+H2O Zn+H2SO4 ZnSO4+H2↑，Zn+2HCl ZnCl2+H2↑ FeS+H2SO4 FeSO4+H2S↑，FeS+2HCl FeCl2+H2S↑ Cu+4HNO3(浓) Cu(NO3)2+2NO2↑+2H2O 向上排空气法、排饱和 NaHCO3 溶液 排水法、向下排空气法 向上排空气法、排饱和 NaHS 溶液 向上排空气法 一氧化氮(NO) 氯化氢(HCl) Cu+8HNO3(稀) NaCl+H2SO4(浓) 排水法 3Cu(NO3)2+2NO↑+4H2O 向上排空气法 NaHSO4+2HCl↑ 2、气体的发生装置 (1)装置的选择：由反应物的状态，反应条件和所制备气体的性质、量的多少决定 (2)加热操作要求 ① 使用可燃性气体(如 H2、CO、CH4 等)，先用原料气赶走系统内的空气，再点燃酒精灯加热，以防止爆炸 ② 制备一些易与空气中的成分发生反应的物质(如 H2 还原 CuO 的实验)，反应结束时，应先熄灭酒精灯，继续通原料气至试管冷 却 反应装置类型 装置图 适用气体 注意事项 ① 试管要干燥 ② 试管口略低于试管底 ③ 加热时先均匀加热再固定加强热 固、固加热型 O2、NH3 等 ④用高锰酸钾制取氧气时，需在管口处塞 一小团棉花 固、液加热型 或液、液加热型 Cl2、HCl、SO 2等 O2、H2、CO2 、SO2、NO、 NO2 等 固、液不加热型 、 、 ① 加热烧瓶时要垫石棉网 ② 反应物均为液体时，烧瓶内要加沸石或 碎瓷片 ① 使用长颈漏斗时，漏斗下端管口要插入 液面以下 ② 启普发生器只适用于块状固体与液体的 反应，反应不需要加热且气体不溶于水 ③ 使用分液漏斗既可增强装置的气密性， 又可控制加入液体的速度 3、气体的净化装置 (1)判断气体中的杂质方法：凡 是反应物中有易挥发性液体，如盐酸、浓硝酸、溴水等，制得的气体中一定含有相应的杂质 HCl、 HNO3、溴蒸气及水蒸气等。还有一些发生副反应的，如用酒精和浓硫酸反应制乙烯时，由于副反应的发生而使乙烯中含有杂质 SO2、CO2 和水蒸气 (2)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 (3)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 (4)根据试剂选择合适的装置：洗气瓶、球形干燥管、U 形管、硬质玻璃管 (5)除杂顺序：先除杂，后除水 (6)常见气体的净化实例 气体 所含杂质 净化剂 净化装置 Cl2 HCl 饱和食盐水 乙烯 SO2、CO2 氢氧化钠溶液或碱石灰 H 2S 乙炔 硫酸铜溶液或氢氧化钠溶液 CO2 HCl 饱和碳酸氢钠溶液 H2 HCl 水或氢氧化钠溶液 SO2 HCl 饱和亚硫酸氢钠溶液 CO2 SO2 饱和碳酸氢钠溶液 乙烷 乙烯 溴水 洗气瓶 O2 Cl2 氢氧化钠溶液 CO CO2 氢氧化钠溶液 氨气 H2O 碱石灰 乙烯 SO2、CO2 碱石灰 CO CO2 或 H2O 碱石灰 N2 O2 CO2 O2 灼热的铜网 干燥管 CO2 CO 灼热的氧化铜 4、气体的干燥：气体的干燥是指除去气体中所含的水蒸气，实质上也属于除杂范畴 (是一种特定的除杂过程)；气体干燥的关键是 选 择干燥剂，并根据干燥剂的状态选择干燥装置，常用的装置有洗气瓶、干燥管等 类型 液体干燥剂 固体干燥剂 固体干燥剂 装置 常见干燥剂 可干燥的气体 浓 H2SO4 (酸性、强氧化性) N2、O2、H2、Cl2、CO、CO2、SO2、HC l、NO、NO2、CH4、C2H4、C2H2 等 无水氯化钙 (中性) 碱石灰 (碱性) 可干燥除 NH3 以外的所有气体 可干燥 NH3 及中性气体 不可干燥的气 氨气、硫化氢、溴化氢、碘化氢等 氨气 体 5、气体的收集装置 收集方法 排水法 向上排空气法 收集原理 收集的气体不与水反应或难溶于水 与空气不反应且密度比空气的大 氯气、硫化氢、氯化氢、二氧 化硫、二氧化碳等 向下排空气法 与空气不反应且密度比空气的小 收集装置 适用的气体 H2、O2、NO、CH4、C2H4 等 Cl2、CO2、NO2、SO 2 H2、NH3 6、尾气处理装置 (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： ①转化处理：一般根据气体的相关性质，用溶液吸收或点燃使它们变为无毒、无害、无污染的物质，使其转化为非气态物质或 无毒物质。实验室中常见有毒气体的处理方法如表所示 CO、H Cl2 SO2 NO2 H2S HCl NH3 NO 2 硫酸铜溶液或 NaOH 溶 NaOH 溶液 水 水或硫酸溶液 液 ②直接排入空气中：主要是针对无毒、无害气体的处理。如：N2、O2、CO2 等 (3)吸收原则：能充分吸收气体；不能倒吸 (4)常见装置 ① 吸收溶解度较小的尾气(如：Cl2 等)用图 D 装置 ② 吸收溶解度较大的尾气(如：HCl、NH3 等)用图 B、C 装置 (防倒吸) ③CO、H2 等气体可用点燃或收集的方法除去，用图 A、E 装置 (5)防倒吸装置(以氨气吸收为例) 点燃 与氧气混合后通入 NaOH 溶液 ① 液体容纳：图甲、乙原理相同，当易溶性气体被吸收液吸收时，导管内压强减小，吸收液上升到漏斗或干燥管中，导致烧杯中 液面下降；使漏斗口、干燥管脱离液面，吸收液受自身重力作用又流回烧杯内，从而防止吸收液倒吸 ② 安全瓶：如图丙所示，当吸收液发生倒吸时，倒吸进来的吸收液进入安全瓶，从而防止吸收液进入受热仪器或反应容器，起到 防倒吸作用 ③ 间接吸收：如图丁所示，NH3、HCl 等易溶于水却不溶于 CCl4 的气体，在 CCl4 中形成气泡，增大与水的接触面积，进行间接 吸收，可以达到防倒吸的目的 ④ 气压平衡：如图戊所示，为防止反应体系的压强减小引起吸收液的倒吸，可以在密闭系统中连接一个与大气相通的液封玻璃管， 保持瓶内压强等于大气压而防止倒吸 三、创新型实验改装 1、气体制备装置的创新 (1)试管形状的创新 改进的目的：用于加热易熔化的固体物质的分解，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(液)＋液 ⃗ Δ 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 的改进优点是使蒸馏烧瓶和分液漏斗中的气体压强相等，便于液体顺利流下 (3)“固体＋液体―→气体”装置的创新 2、集气装置的创新——排液集气装置 (1)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 饱和食盐水 收集 Cl2 饱和 NaHCO3 溶液 收集 CO2 饱和 NaHS 溶液 收集 H2S 四氯化碳 收集 HCl 或 NH3 (2)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 3、集气装置的创新——排空集气装置 4、球形干燥管多种应用 (1)干燥管可作干燥、吸收及检验装置 ① 干燥管内盛无水硫酸铜时，可用于检验水蒸气 ② 干燥管内盛碱石灰可吸收 HCl、Cl2、SO2 等有毒气体 ③ 可用于定量测定气体的质量，定量测定时，有时需要考虑空气中的成分对测定的影响，所以吸收气体的装置后还要另接一个 干燥管，目的是防止空气中的水蒸气、二氧化碳等对定量测定产生干扰 (2)球形干燥管用途的创新 创新装置 使用说明 装置为尾气吸收装置，原 理类似于倒置在水中的漏 斗 装置为简易的过滤器，可净化天然水。如 果去掉上边两层，可用于活性炭对液体中 色素的吸附实验 装置为一简易的启普发生器， 可用于 H2、CO2 的制取，也 可用于铜与硝酸的反应 5、一瓶多用 6、防潮处理装置：制备在空气中易吸水、潮解以及水解的物质(如：FeCl3、Al2S3、AlCl3 等)，往往在装置的末端再接一个干燥装 置，以防止空气中水蒸气的进入 7、量气装置：装置 D 在读数时应上下移动乙管，使甲、乙两管液面相平，反应前后甲管中的液面差值即为气体体积 8、冷凝回流装置 (冷凝回流的目的：提高原料的利用率) ① 当反应物易挥发时，为防止反应物过多挥发损耗，可进行冷凝回流 ② 甲相当于空气冷凝，乙、丙是用水冷凝，注意水从下口流入，上口流出 9、气体的混合装置 ① 使反应的气体混合均匀；②根据液体中气泡的生成速率调节气体的混合比例；③干燥气体 四、常见气体制备的反应原理 1、氯气的实验室制法 (1)反应原理：MnO2+4HCl(浓) MnCl2+Cl2↑+2H2O (实验室通常用该法制 Cl2) 2KMnO4+16HCl(浓)===2KCl+2MnCl2+5Cl2↑+8H2O (快速制取 Cl2，不需要加热) (2)发生装置：“ 固+液 ⃗ Δ 气 ”型 (3)实验仪器：铁架台、酒精灯、石棉网、圆底烧瓶、分液漏斗、导气管、洗气瓶、 集气瓶 (4)装置图： (5)净化装置(洗气)：除去 Cl2 中少量 HCl、水蒸气，可先通入饱和食盐水