(新高考)高考化学一轮复习讲义第4章第24讲常见气体的实验室制备、净化和收集(含解析)

第24讲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eq\o(→,\s\up7(△))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)eq\o(→,\s\up7(△))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。3．常见气体典型制备系统举例(1)Cl2的实验室制备(2)SO2的实验室制备(3)NH3的实验室制备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)气体干燥净化装置类型液态干燥剂固态干燥剂固体，加热装置图ⅠⅡⅢⅣ常见干燥剂浓H2SO4(酸性、强氧化性)无水氯化钙(中性)、碱石灰(碱性)除杂试剂Cu、CuO、Mg等当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．气体的收集方法收集方法收集气体的类型收集装置可收集的气体(举例)排水法难溶于水或微溶于水，且不与水反应的气体O2、H2、NO、CO等排空气法向上排空气法密度大于空气且不与空气中的成分反应Cl2、SO2、NO2、CO2向下排空气法密度小于空气且不与空气中的成分反应H2、NH36.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．防倒吸装置肚容式分液式1．判断下列试剂使用是否正确，正确的打“√”，错误的打“×”。2．判断下列气体的吸收或收集方法是否正确，正确的打“√”，错误的打“×”。一、和气体制备有关的组合装置分析应用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．碳酸镧[La2(CO3)3]可用于治疗终末期肾病患者的高磷酸盐血症，其制备反应的化学方程式为2LaCl3＋6NH4HCO3=La2(CO3)3↓＋6NH4Cl＋3CO2↑＋3H2O。某化学兴趣小组利用如图所示装置模拟制备碳酸镧。下列说法错误的是()A．导管的连接顺序为f→a→b→d→e→cB．X中盛放的试剂是饱和NaHCO3溶液C．球形干燥管的作用为防倒吸D．Z中通入气体的方式是先通入足量CO2，后通入过量的NH3答案D解析由装置可知，W中制备二氧化碳，X除去HCl，Y中制备氨气，在Z中制备碳酸镧。则制备碳酸镧实验流程中导管从左向右的连接顺序为f→a→b→d→e→c，故A正确；X中盛放的试剂是饱和NaHCO3溶液，其作用为吸收挥发的HCl，故B正确；氨气极易溶于水，球形干燥管的作用为防倒吸，故C正确；Z中应先通入NH3，后通入过量的CO2。二、和气体制备有关的组合选项分析应用3．(2022·宁波高三质检)用下图所示装置进行实验，下列实验现象描述错误的是()选项试剂甲试剂乙试剂丙丙中的现象A稀盐酸CaCO3Na2SiO3溶液有白色沉淀生成B浓硫酸Na2SO3BaCl2溶液有白色沉淀生成C过氧化氢MnO2酸性KI-淀粉溶液溶液变为蓝色D浓盐酸KMnO4Na2S溶液有淡黄色沉淀生成答案B解析A项，稀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。4．用如图所示装置和相应试剂能达到实验目的的是()选项实验目的a中试剂b中试剂c中试剂A验证非金属性：S>C>Si稀硫酸Na2CO3Na2SiO3溶液B制备纯净的氯气浓盐酸MnO2饱和食盐水C检验溶液X中含有COeq\o\al(2－,3)盐酸溶液X澄清石灰水D除去Na2SO3中的Na2SO4氯水混合物NaOH溶液答案A解析A项，装置b中生成气体，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，元素非金属性越强，即非金属性：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，生成能使澄清石灰水变浑浊的气体，不能说明X中含有COeq\o\al(2－,3)，可能含有HCOeq\o\al(－,3)或SOeq\o\al(2－,3)或HSOeq\o\al(－,3)，错误；D项，氯水具有强氧化性，能把SOeq\o\al(2－,3)氧化成SOeq\o\al(2－,4)，不能达到实验目的，错误。三、和气体制备有关的仪器连接分析应用5．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→gB．制备收集NO：连接b→c→e→dC．制备收集NH3：连接b→d→e→cD．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，易发生倒吸，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。6．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。1．(2021·全国乙卷，8)在实验室采用如图装置制备气体，合理的是()选项化学试剂制备气体ACa(OH)2＋NH4ClNH3BMnO2＋HCl(浓)Cl2CMnO2＋KClO3O2DNaCl＋H2SO4(浓)HCl答案C解析氨气的密度比空气小，不能用向上排空气法收集，故A错误；二氧化锰与浓盐酸共热制备氯气为固液加热反应，不能选用固固加热装置，故B错误；二氧化锰和氯酸钾共热制备氧气为固固加热的反应，氧气的密度大于空气，可选用向上排空气法收集，故C正确；氯化钠与浓硫酸共热制备为固液加热反应，不能选用固固加热装置，故D错误。2．(2020·江苏，5)实验室以CaCO3为原料，制备CO2并获得CaCl2·6H2O晶体。下列图示装置和原理不能达到实验目的的是()答案D解析A对，碳酸钙与稀盐酸反应可制备CO2，且为固液常温型反应，装置也正确；B对，CO2密度比空气大，可以用向上排空气法收集；C对，分离固体与液体，可采用过滤的方法；D错，CaCl2·6H2O晶体可以通过蒸发浓缩、冷却结晶、过滤的方法制得，采用蒸发结晶法易导致CaCl2·6H2O失去结晶水。3．(2017·全国卷Ⅰ，10)实验室用H2还原WO3制备金属W的装置如图所示(Zn粒中往往含有硫等杂质，焦性没食子酸溶液用于吸收少量氧气)。下列说法正确的是()A．①②③中依次盛装KMnO4溶液、浓H2SO4、焦性没食子酸溶液B．管式炉加热前，用试管在④处收集气体并点燃，通过声音判断气体纯度C．结束反应时，先关闭活塞K，再停止加热D．装置Q(启普发生器)也可用于二氧化锰与浓盐酸反应制备氯气答案B解析A项，气体从溶液中逸出易带出水蒸气，所以浓硫酸应放在③中，错误；B项，先通H2以排出空气，加热前应先检验H2的纯度，正确；C项，若先停止通H2，空气中的氧气有可能重新将W氧化，应先停止加热，再关闭活塞K，错误；D项，MnO2和浓盐酸反应制氯气需要加热，不能用启普发生器制备，错误。课时精练1．实验室用如图装置制氨气并验证氨气的某些化学性质，能达到实验目的的是()A．用装置甲制取氨气B．用装置乙除去氨气中的水蒸气C．用装置丙验证氨气具有还原性D．用装置丁吸收尾气答案C解析NaOH与NH4Cl反应生成NH3·H2O，不加热的情况下NH3·H2O难以分解，无NH3生成，故无法制备氨气，A错误；NH3与浓H2SO4反应，不能用浓H2SO4干燥NH3，B错误；NH3与CuO反应生成N2、Cu和H2O，黑色的CuO转化为红色的Cu，N元素的化合价升高，说明NH3具有还原性，C正确；苯的密度比水的密度小，在上层，NH3直接通入下层的水中，会发生倒吸，D错误。2．用所给试剂与图示装置能够制取相应气体的是(夹持仪器略)()选项ABCDX浓盐酸浓硫酸双氧水浓氨水YKMnO4C2H5OHMnO2NaOH气体Cl2C2H4O2NH3答案C解析浓盐酸和KMnO4固体混合有氯气生成，但氯气溶于水，且与水发生反应，则不能用排水法收集，故A不符合题意；在浓硫酸存在下，乙醇消去制乙烯需要迅速升温到170℃，故B不符合题意；双氧水在二氧化锰催化作用下分解制氧气，制取装置不需要加热，收集氧气可以用排水法，故C符合题意；氨气极易溶于水，不能用排水法收集，故D不符合题意。3．(2022·广州市普通高中毕业班综合测试)用如图装置制取气体(图中加热及气体收集装置均已略去；必要时可加热；a、b、c、d表示相应仪器中加入的试剂)。利用下列方案可得到干燥、纯净气体的是()选项制备气体abcdACl2浓盐酸MnO2NaOH溶液碱石灰BNH3浓氨水CaOH2O固体NaOHCNO稀硝酸CuH2OP2O5DH2稀硝酸ZnNaOH溶液无水CaCl2答案C解析浓盐酸与MnO2共热可制备Cl2，但NaOH溶液会与Cl2反应，应选用饱和食盐水除杂，故A错误；NH3极易溶于水，不能通入水中，故B错误；稀硝酸与铜反应生成NO，NO难溶于水，且不与P2O5反应，故可以用水除杂，用P2O5干燥，故C正确；稀硝酸与Zn反应生成NO，不生成H2，故D错误。4．(2022·天津模拟)如图是实验室制取气体的装置，其中发生装置相同，干燥和集气装置有两套，分别用图1和图2表示。下列选项正确的是()选项发生装置中的药品干燥和集气装置A电石和饱和食盐水图2B大理石和稀盐酸图1C铜和稀硝酸图2D氧化钙和浓氨水图1答案D解析由实验装置可知，反应物为固体和液体，且不需要加热；图1收集装置的特点：气体能用碱石灰干燥，气体可用向下排空气法收集；图2收集装置的特点：气体能用氯化钙干燥，气体可用向上排空气法收集。电石和饱和食盐水可以制取C2H2，其密度比空气小，应用向下排空气法收集，故A错误；大理石和稀盐酸反应生成二氧化碳，二氧化碳气体和碱石灰反应，所以不能用碱石灰干燥，且二氧化碳的密度大于空气的密度，应用向上排空气法收集，故B错误；铜和稀硝酸反应生成NO，一氧化氮能和氧气反应生成二氧化氮，所以不能用排空气法收集，故C错误；氧化钙和浓氨水反应生成氨气，氨气和碱石灰不反应，所以可用碱石灰干燥，氨气的密度小于空气的密度，所以可用向下排空气法收集，故D正确。5．(2022·晋中市高三一模)某实验小组拟利用如图装置制取干燥的氮气。下列说法错误的是()A．装置Ⅰ中发生反应的化学方程式为NaNO2＋NH4Cleq\o(=,\s\up7(△))NaCl＋N2↑＋2H2OB．加热片刻后需要将酒精灯移开，说明该反应是放热反应C．装置Ⅱ的作用是冷凝水蒸气D．在装置Ⅲ末端收集纯净干燥的N2只能用向下排空气法答案D解析根据题中已知的反应物和生成物，结合原子守恒和得失电子守恒，可知装置Ⅰ中发生反应的化学方程式为NaNO2＋NH4Cleq\o(=,\s\up7(△))NaCl＋N2↑＋2H2O，A项正确；因移开酒精灯后反应仍能进行，说明该反应自身放热，B项正确；根据化学方程式可知产物有水蒸气，且反应物为溶液状态，先用装置Ⅱ将绝大多数水蒸气冷凝后再用装置Ⅲ进行干燥，故装置Ⅱ的作用是冷凝水蒸气，C项正确；N2的密度与空气密度相差太小，不适合用排空气法收集，D项错误。6．(2022·铁岭模拟)Ca3N2是一种极易潮解的试剂。某小组利用氨气与钙反应制备氮化钙。下列说法错误的是()A．装置D中球形干燥管的作用是防止倒吸B．C中硬质玻璃管中发生反应：3Ca＋2NH3eq\o(=,\s\up7(△))Ca3N2＋3H2C．实验过程中，先启动A处反应，一段时间后再点燃C处酒精灯D．从产品纯度考虑，C、D装置之间应该增加E装置答案D解析氨气易溶于水、极易与酸反应，装置D中球形干燥管的作用是防止倒吸，故A正确；C中硬质玻璃管中NH3和Ca反应生成Ca3N2和H2，则发生反应的化学方程式为3Ca＋2NH3eq\o(=,\s\up7(△))Ca3N2＋3H2，故B正确；实验过程中，先启动A处反应，排尽装置中的空气，一段时间后再点燃C处酒精灯，故C正确；E中氯化钙带有结晶水，失去吸水作用，故D错误。7．探究SO2与NaNO3溶液反应的实验装置如图所示，下列说法错误的是()A．实验开始时先通入CO2排出装置中的空气B．装置①中生成SO2的反应属于氧化还原反应C．向装置③中注入O2，产生红棕色气体，说明装置②中产生了NOD．装置④可以防止空气进入装置③干扰实验答案B解析装置①中浓硫酸与亚硫酸钠反应放出二氧化硫，没有元素化合价的变化，不属于氧化还原反应，故B错误；二氧化硫具有还原性，在酸性溶液中，NaNO3溶液具有氧化性，二者能够发生氧化还原反应，因此向装置③中注入O2，产生红棕色气体，说明装置②中产生了NO，故C正确；生成的硫氧化物和氮氧化物均会污染空气，因此装置④主要是吸收尾气，防止污染空气，当然也可以防止空气进入装置③干扰实验，故D正确。8．(2022·佛山市南海区高三摸底测试)在一定条件下，向Al2O3和过量C粉的混合物中通入纯净的氯气，可制得易水解的AlCl3，反应的化学方程式为Al2O3＋3Cl2＋3Ceq\o(=,\s\up7(高温))2AlCl3＋3CO，实验装置如图所示。下列说法错误的是()A．装置a中反应的化学方程式为MnO2＋4HCl(浓)eq\o(=,\s\up7(△))MnCl2＋Cl2↑＋2H2OB．装置b、c中盛装的分别是饱和食盐水和浓硫酸C．装置d、e之间应添加一个干燥装置D．此实验的尾气，除氯气外都可直接排放到大气中答案D解析装置a中浓盐酸和二氧化锰在加热的条件下反应生成氯气，反应的化学方程式为MnO2＋4HCl(浓)eq\o(=,\s\up7(△))MnCl2＋Cl2↑＋2H2O，A项正确；b为饱和食盐水，可用于除去氯化氢气体，c为浓硫酸，起到干燥的作用，B项正确；氯化铝易水解，则应在d、e之间添加一个干燥装置，防止空气中的水进入d中，C项正确；尾气除氯气外还有CO，不能直接排放，D项错误。9．已知：MnO2＋2NaBr＋2H2SO4eq\o(=,\s\up7(△))MnSO4＋Na2SO4＋Br2↑＋2H2O，实验室利用如图所示的装置制备溴苯(部分夹持及加热装置已略去)。下列说法正确的是()A．可用乙醇作洗涤剂除去溴苯中溶解的少量Br2B．装置乙中进行水浴加热的目的是防止溴蒸气冷凝C．装置丙中的铁丝主要用于搅拌，使反应物充分混合D．装置丁中有淡黄色沉淀产生，证明苯与溴发生了取代反应答案B解析装置甲则为题设条件的发生装置，装置乙的浓硫酸用来吸收溴中的水，水浴加热为防止溴蒸气冷凝，装置丙为制取溴苯的发生装置，装置丁用来吸收制取溴苯后挥发出来的溴化氢。除去溴苯中的溴应用氢氧化钠溶液，A错误；溴蒸气容易液化，所以需要通过水浴加热来防止冷凝，B正确；装置丙为制取溴苯的发生装置，其中铁丝作该反应的催化剂，C错误；溴蒸气进入装置丁后，会与AgNO3反应产生AgBr淡黄色沉淀，D错误。10．资料显示：浓硝酸能将NO氧化成NO2，而稀硝酸不能氧化NO；氢氧化钠能吸收NO2，但不能吸收NO。某学习小组据此验证浓、稀硝酸氧化性的相对强弱，按如图装置进行实验(夹持仪器已略去)。下列说法错误的是()A．能证明氧化性的相对强弱的实验现象为③中溶液上方出现红棕色气体B．滴加浓硝酸前要先打开弹簧夹通一段时间氮气C．②中的试剂为水D．⑥的作用是吸收尾气答案A解析根据实验的目的以及装置特点进行判断；装置①浓硝酸和铜反应，装置②将铜和浓硝酸反应生成的二氧化氮转化为一氧化氮，装置③盛放稀硝酸，验证稀HNO3不能氧化NO，装置④中盛放的是浓HNO3，若浓HNO3能氧化NO则装置④液面的上方会产生红棕色气体，装置⑤是收集NO，装置⑥中盛放NaOH溶液吸收NO2防止污染大气。能证明氧化性的相对强弱的实验现象为③中溶液上方不出现红棕色气体，装置④液面的上方会产生红棕色气体，故A错误；空气能氧化NO而对实验产生干扰，所以滴加浓HNO3之前需要通入一段时间N2排尽装置中的空气，故B正确；②中的试剂为水，使NO2与H2O反应生成NO，化学方程式为3NO2＋H2O=2HNO3＋NO，故C正确；装置⑥中盛放NaOH溶液吸收NO2防止污染大气，故D正确。11．(2022·徐州市高三模拟)实验室通过如图所示装置制备Na2S2O3，反应原理：2Na2S＋Na2CO3＋4SO2=3Na2S2O3＋CO2。下列有关说法错误的是()A．导管a的作用是有利于硫酸滴入B．装置A中的反应体现硫酸的酸性C．装置B、D作用完全相同D．装置C中先有淡黄色浑浊产生，后又变澄清，说明过程中有硫单质生成答案C解析a可以平衡分液漏斗和烧瓶内的气压，有利于硫酸顺利滴入，A正确；A中发生反应的化学方程式为H2SO4＋Na2SO3=Na2SO4＋H2O＋SO2↑，利用复分解反应强制弱原理制备SO2，该反应体现了硫酸的酸性，B正确；实验过程中可以通过B中产生气泡的速率调节滴加硫酸的速率，同时二氧化硫与C中物质反应易引起倒吸，B还可以起到平衡气压、防倒吸的作用，D的作用仅仅是作安全瓶，起防倒吸的作用，C错误；C中出现黄色浑浊，说明C中产生了硫单质，最终又变澄清，说明硫单质又反应了，D正确。12．某同学用浓硫酸与亚硫酸钠制备SO2并探究其相关性质，实验装置如图所示。下列说法不正确的是()A．装置①中用Cu片代替Na2SO3也能达到实验目的B．装置②中溴水可以用酸性高锰酸钾溶液代替C．装置③中出现浑浊，说明SO2具有氧化性D．装置④的作用是吸收SO2，防止发生倒吸和污染环境答案A解析浓硫酸和Cu片的反应需要加热，图中的装置①没有加热装置，故不能用Cu片代替Na2SO3，A错误；装置②中的溴水是用来检验SO2的还原性的，可以用酸性高锰酸钾溶液代替溴水，B正确；装置③中的Na2S溶液是用来检验SO2的氧化性的，现象是溶液变浑浊，C正确；SO2不溶于CCl4，将SO2通入装置④，不会引起倒吸，且SO2会被NaOH溶液吸收，不会污染环境，D正确。13．某化学课外活动小组通过下列实验验证Cl2与NH3的反应，下列有关说法错误的是()A．用KMnO4和浓盐酸制备Cl2时，氧化剂与还原剂的物质的量之比为1∶5B．A装置制备NH3，E装置制备Cl2C．反应时，装置C中观察到的现象是黄绿色变浅，有白烟产生，说明生成NH4Cl和N2D．尾气中的NH3可被F装置吸收答案B解析高锰酸钾与浓盐酸反应的化学方程式为16HCl＋2KMnO4=2KCl＋2MnCl2＋8H2O＋5Cl2↑，氧化剂与还原剂的物质的量之比为1∶5，故A正确；根据C中导气管的位置可知，A中制备的气体密度大于空气，A装置制备Cl2，E装置中制备的气体密度小于空气，且干燥氨气用碱石灰，氯气不能用碱石灰干燥，故E装置制备NH3，故B错误；装置C中观察到的现象是黄绿色变浅，有白烟产生，说明氯气和氨气反应生成NH4Cl，根据化合价的变化可知，氯气中氯元素的化合价从0价降低到－1价，则氮元素的化合价升高，另一种生成物是N2，故C正确；NH3难溶于四氯化碳，可以防止倒吸，且能被稀硫酸吸收，故D正确。14．(2022·广州市天河中学质检)高温下CaSO4和焦炭可发生反应：CaSO4＋Ceq\o(→,\s\up7(高温))CaS＋CaO＋气体产物。某化学兴趣