2026届高考化学一轮复习 微项目1 化学综合实验的问题解决能力集训 课件（141张PPT）
文档属性
| 名称 | 2026届高考化学一轮复习 微项目1 化学综合实验的问题解决能力集训 课件（141张PPT） |  | |
| 格式 | pptx | ||
| 文件大小 | 5.8MB | ||
| 资源类型 | 教案 | ||
| 版本资源 | 通用版 | ||
| 科目 | 化学 | ||
| 更新时间 | 2025-06-16 08:16:29 | ||
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文档简介
(共141张PPT)
化学综合实验的问题解决能力集训
微项目1
【项目梳理过关】
一、化学探究性综合实验的问题解决能力的训练
梳理归纳
1.探究性综合实验题的命题形式
(1)归纳总结型。
分析此类探究性综合题时应注意:①阅读材料要认真、仔细,善于挖掘显性信息和隐含信息;②结合原有知识及相关信息,对材料进行全面分析,然后总结归纳找出解决问题的关键。
(2)数据分析型。
分析此类探究性综合题时应注意:①观察数据要细致;②结合原有知识,分析角度要全面;③影响变量要遵循“多定一变”的原则。
(3)方案评价型。
分析此类探究性综合题时应注意:①根据试题的要求,利用自己的知识,仔细分析每个方案的可行性;②对每个方案进行优劣评价,常见的评价角度有绿色化学(环境友好、原子经济)、实验条件的可行性等。
(4)完善实验型。
分析此类探究性综合题时应注意:①通读全题可知实验目的,实验目的和实验结论的概括要完整、简练,化学用语要规范,语言要符合逻辑;②考虑问题要仔细、全面。
2.探究性综合实验题的解题流程
明确探 究目的 探究实验的原理可从题目给的化学情境(或题目所给的实验目的)并结合元素化合物的有关知识获取。在此基础上,依据可靠性、简捷性、安全性的原则,确定符合实验目的、要求的实验方案
理清操 作过程 根据由实验原理所确定的探究实验方案中的实验过程,确定实验操作的方法和步骤,把握各实验步骤的要点,理清实验操作的先后顺序
弄懂装 置(流 程)作用 若题目中给出装置图,在分析解答过程中,要认真细致地分析图中的各部分装置,并结合实验目的和原理,确定它们在实验中的作用
得出探 究结论 例如对于定量实验,可根据实验现象和记录的数据,对实验数据进行筛选,通过分析、计算、推理等确定有关样品含量及化学式
3.探究性综合实验题的设计细节
(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,要先检验CO中是否含有CO2,如果有CO2,先除去CO2,然后才能对CO实施转化,最后再检验转化生成的CO2。
(3)若试题只给出部分试剂和装置,则应给出必要的补充;若给出多余的试剂品种,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。
4.探究性综合实验题的“易错点”
(1)实验探究过程中提出的假设不够完整,遗漏某种情况;有时也会在方案设计中遗漏某一种可能,造成方案不完整,或非此即彼的情况。
(2)实验探究中易将待探究的结果当成已知内容进行设计,造成明确的探究指向。
(3)评价实验过程中忽视反应条件设置与控制;回答问题时遗漏某一限制条件;易造成想当然或默认某些条件等错误。
(4)实验设计思路中从已知数据中找不到合理的规律,无法将综合实验解答完整。
题型剖析
题型一物质成分、性质探究性综合实验题
解题思路
1.物质成分的探究
同一化学反应,可能会由于条件的不同、反应物用量不同等生成不同的产物,或生成几种产物的混合物。通过化学反应原理猜测可能生成哪些物质,对这些物质逐一利用学过的实验方法进行检验来确定究竟含有哪些成分,这就是物质成分的探究。
2.物质性质的探究
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、步骤简便、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以下六种情况。
(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KMnO4溶液褪色来说明。
(2)物质氧化性强弱、还原性强弱的判断。如探究Fe3+的氧化性比I2的氧化性强时,可利用FeCl3与KI淀粉溶液反应,通过溶液变蓝色来说明Fe3+的氧化性比I2的氧化性强。
(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的速率来说明Mg的金属性比Al的金属性强。
(4)电解质强弱的判断。如探究一元酸HA是不是为弱酸的方法是常温下配制NaA的溶液,测其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,看是否有白色胶状沉淀生成来判断。
(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以及是否与空气接触、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。
题型训练
硫及其化合物是重要的化工原料,某学习小组对某些硫的化合物的性质和制备进行如下实验探究:
Ⅰ.探究实验一:将一定量的浓硫酸与足量Zn置于装置A中充分反应,对反应后的气体X进行气体成分分析(水蒸气除外)。
回答下列问题。
(1)气体X中除水蒸气之外,还可能有的气体是 。
(2)B中的试剂可能是 ,酸性KMnO4溶液的作用是 。
(3)D、E装置用于证明气体X中的另一种组分,按照D、E装置顺序观察到的实验现象分别是 、 。
Ⅱ.探究实验二:制取硫代硫酸钠(Na2S2O3)并探究其性质。
(1)制取Na2S2O3(装置如下图,夹持装置省略)。
①装置B中生成Na2S2O3的同时也生成CO2,反应的离子方程式为 。
②除搅拌和使用多孔球泡外,再写出一种可以提高B中吸收SO2效率的方法: 。
(2)探究Na2S2O3的性质(反应均在溶液中进行)。
答案:Ⅰ.(1)二氧化硫、氢气
(2)品红溶液(或酸性高锰酸钾溶液、溴水) 除去气体中残余的二氧化硫
(3)黑色粉末变为紫红色 白色粉末变为蓝色
②控制二氧化硫的流速或适当增大B中混合液的浓度或适当升高B中溶液温度等(合理即可)
(2)把一小块pH试纸放在表面皿(或玻璃片)上,用蘸有待测Na2S2O3溶液的玻璃棒点在pH试纸的中部,试纸变色后,与标准比色卡比较确定Na2S2O3溶液的pH 溴水颜色变浅(或溴水褪色)
解析:Ⅰ.(1)浓硫酸与Zn反应生成硫酸锌、二氧化硫和水,当反应进行到一定程度,硫酸变为稀硫酸,Zn与稀硫酸反应生成硫酸锌和氢气。所以气体X除水蒸气外还可能含有SO2、H2。
(2)装置B的作用是检验SO2,SO2具有漂白性、还原性,可以选择品红溶液、酸性高锰酸钾溶液(或溴水)作为检验试剂;检验H2的生成之前,应先排除SO2的干扰,故用酸性高锰酸钾溶液除去气体中残余的SO2。
(3)D、E装置用于证明气体X中含有H2,D中H2将黑色CuO粉末还原为紫红色的Cu单质,反应生成的水进入盛有无水硫酸铜的E装置中,会看到白色粉末硫酸铜结合水得到蓝色硫酸铜晶体。
Ⅱ.(1)①由A制得的SO2进入装置B中,与Na2S、Na2CO3反应生成Na2S2O3和CO2,根据原子守恒、电子守恒和电荷守恒,可得离子方程式为
②控制SO2的流速、适当增大B中混合液的浓度、适当升高B中溶液温度等都可以提高B中吸收SO2的效率。
(2)探究1:由实验现象pH=8可知探究1为测定Na2S2O3溶液的pH,具体操作为把一小块pH试纸放在表面皿(或玻璃片)上,用蘸有待测Na2S2O3溶液的玻璃棒点在pH试纸的中部,待试纸变色后,与标准比色卡比较确定Na2S2O3溶液的pH。
探究2:要测定Na2S2O3溶液的还原性,可向该溶液中加入溴水,溴水呈黄色,Na2S2O3溶液为无色,若两者发生氧化还原反应,会看到的现象为溴水颜色变浅(或溴水褪色)。
题型二反应规律、原理探究性综合实验题
解题思路
1.明确探究的方向
将学过的反应规律、化学反应原理通过实验进行探究验证,在进行试题分析时,需要结合所学的知识规律,把掌握的化学反应原理落实到各种实验装置、实验现象上,主要的探究类型包括:
(1)元素金属性、非金属性强弱的比较。
(2)物质氧化性、还原性强弱的比较。
(3)影响化学反应速率、化学平衡的因素的探究。
(4)金属腐蚀与防护的探究。
2.清楚解答反应规律、原理型探究性综合实验题的注意事项
(1)对于题中的异常现象要根据自己原有的知识进行大胆地排查、推测。
(2)推测的正确性要靠实验进行验证,若题中已给出验证实验,要仔细分析其是否合理,若题中没给出验证实验,自己要设计合理的实验验证。
题型训练
1.为验证不同化合价铁的氧化还原能力,利用下列电池装置进行实验。
回答下列问题。
(1)由FeSO4·7H2O固体配制0.10 mol·L-1 FeSO4溶液,需要的仪器有药匙、玻璃棒、 (从下列图中选择,写出名称)。
(2)电池装置中,盐桥连接两电极电解质溶液。盐桥中阴、阳离子不与溶液中的物质发生化学反应,并且电迁移率(u∞)应尽可能地相近。根据下表数据,盐桥中应选择 作为电解质。
(3)电流表显示电子由铁电极流向石墨电极。可知,盐桥中的阳离子进入
电极溶液中。
(4)电池反应一段时间后,测得铁电极溶液中c(Fe2+)增加了0.02 mol·L-1。石墨电极上未见Fe析出。可知,石墨电极溶液中c(Fe2+)= 。
(5)根据(3)(4)实验结果,可知石墨电极的电极反应式为 ,铁电极的电极反应式为 。因此,验证了Fe2+氧化性小于 ,还原性小于 。
(6)实验前需要对铁电极表面活化。在FeSO4溶液中加入几滴Fe2(SO4)3溶液,将铁电极浸泡一段时间,铁电极表面被刻蚀活化。检验活化反应完成的方法是 。
答案:(1)烧杯、量筒、托盘天平
(2)KCl
(3)石墨
(4)0.09 mol·L-1
(5)Fe3++e-══Fe2+ Fe-2e-══Fe2+ Fe3+ Fe
(6)取少量溶液,滴入KSCN溶液,不出现红色
解析:本题属于实验探究类试题,利用带盐桥的原电池装置验证不同化合价铁的氧化还原能力。解题的关键是注意分析表格中有关数据信息,并结合原电池的基本原理进行作答。
(1)考查一定物质的量浓度溶液的配制,由于题目要求是配制0.10 mol·L-1 FeSO4溶液,除药匙、玻璃棒之外,还需要烧杯、托盘天平、量筒、胶头滴管、容量瓶。
(2)选择盐桥中电解质,必须满足题给信息要求——盐桥中的阴、阳离子不与溶液中的物质发生化学反应,并且电迁移率(u∞)应尽可能地相近。故阳离子不能选择Ca2+,阴离子不能选择 ,只有KCl最为合适。
(3)因为电子由铁电极流向石墨电极,则铁电极为负极、石墨电极为正极。盐桥中阳离子向正极区移动,即进入石墨电极溶液中。
(4)根据两个电极得失电子守恒,当铁电极溶液中c(Fe2+)增加0.02 mol·L-1时,石墨电极上发生反应:Fe3++e-══Fe2+,可计算出石墨电极溶液中c(Fe2+)增加0.04 mol·L-1,故此时石墨电极溶液中c(Fe2+)=0.09 mol·L-1。
(5)依据上面分析,即可分别写出石墨电极、铁电极的电极反应式。由于负极(铁电极)是单质铁失电子,而不是Fe2+失电子,则还原性Fe2+(6)因为铁电极表面被刻蚀活化是利用Fe3+将铁电极氧化为Fe2+,则活化反应完成的标志是Fe3+完全消耗,故检验活化反应完成的方法就是检验溶液中不再存在Fe3+,可利用KSCN溶液进行检验。
2.氯可形成多种含氧酸盐,广泛应用于杀菌、消毒及化工领域。实验室中利用下图装置(部分装置省略)制备KClO3和NaClO,探究其氧化还原性质。
回答下列问题。
(1)盛放MnO2粉末的仪器名称是 ,a中的试剂为 。
(2)b中采用的加热方式是 。c中化学反应的离子方程式是 ,采用冰水浴冷却的目的是 。
(3)d的作用是 ,可选用试剂 (填字母)。
A.Na2S B.NaCl
C.Ca(OH)2 D.H2SO4
(4)反应结束后,取出b中试管,经冷却结晶, ,
,干燥,得到KClO3晶体。
(5)取少量KClO3和NaClO溶液分别置于1号和2号试管中,滴加中性KI溶液。1 号试管溶液颜色不变。2号试管溶液变为棕色,加入CCl4振荡,静置后CCl4层显 色。可知该条件下KClO3的氧化能力 (填“大于”或“小于”)NaClO。
答案:(1)圆底烧瓶 饱和食盐水
(2)水浴加热 Cl2+2OH-══Cl-+ClO-+H2O 避免生成NaClO3
(3)吸收尾气(Cl2) AC
(4)过滤 少量(冷)水洗涤
(5)紫 小于
解析:本题考查了氯气的制备、除杂、尾气吸收,用氯气在不同的温度条件下制备KClO3、NaClO,同时还考查了物质氧化性强弱的比较等。
实验装置分析:整套装置的最左端为氯气的发生装置,利用二氧化锰固体与浓盐酸在加热条件下制取氯气,由于盐酸有挥发性,导致氯气中含有杂质HCl和水蒸气。其中,氯气中的杂质HCl气体会影响后面KClO3和NaClO的制备,故需要用饱和食盐水(a中盛放试剂)除去氯气中的HCl杂质。b为氯气与KOH溶液在加热条件下制取KClO3的装置,发生的反应为3Cl2+6KOH KClO3+5KCl+3H2O。c为氯气与NaOH溶液在较低温度下制取NaClO的装置,发生的反应为Cl2+2NaOH══NaCl+NaClO+H2O。d为尾气的吸收装置,可防止污染环境,吸收氯气可用还原性物质或碱性溶液。
(2)b中采用的是水浴加热方法。c装置中反应的离子方程式为Cl2+2OH-══Cl-+ClO-+H2O,c中采用冰水浴的目的是防止温度较高氯气与NaOH溶液反应生成NaClO3。
(3)d装置中应盛放还原性物质或碱性物质,故符合条件的试剂为A、C。
(4)从溶液中获得晶体可采用的方法步骤为:冷却结晶→过滤→洗涤(少量冷水)→干燥。
(5)1号试管中的KClO3溶液不能将I-氧化为单质I2,而2号试管中的NaClO溶液可将I-氧化为I2,故在此条件下氧化性:KClO3小于NaClO。四氯化碳萃取出碘水中的I2后,静置一段时间可观察到液体分为两层,由于四氯化碳的密度大于水的密度,则碘的四氯化碳溶液在下层,呈紫色。
二、物质制备类综合实验的问题解决能力的训练
梳理归纳
物质制备类综合实验题是高考实验命题的一大亮点,也是难点。分析近几年高考试题,不难发现大部分是以陌生物质的制备为载体的实验题,综合考查实验相关知识和考生综合分析问题的能力。能很好地考查学生综合运用化学实验基础知识解决实际问题的能力,因而备受高考命题者的青睐。在解答时,要明确实验目的、理清各个部分装置的作用、弄清楚各步操作的目的及可能发生的相关反应,最后结合所制备物质的性质、所学物质制备装置的模型等作出判断。
1.物质制备类综合实验题的命题方向
(1)考查制备原理:如试剂与仪器的使用、实验现象的描述、反应原理等。
(2)考查实验的基本操作:如气密性检查、物质分离与提纯的方法、沉淀洗涤、物质检验等。
(3)考查探究实验设计:如设计实验进行酸性强弱的判断、对不同方案进行评价等。
(4)考查绿色化学:如尾气的处理、循环利用等。
(5)考查计算:如计算原料投料比、产品纯度、产率等。
2.物质制备类综合实验题的解题流程
(1)分析制备流程。
(2)重要仪器。
(3)特殊实验装置的分析。
①制备在空气中易吸水、潮解以及水解的物质(如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。
②用液体吸收气体,若气体溶解度较大,要加防倒吸装置。
③若制备物质易被空气中的氧气氧化,应加排空气装置。
(4)依据反应特点作答。
①加热操作:a.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;b.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。
②有机化合物的制备:a.有机化合物易挥发,反应中通常采用冷凝回流装置,以提高原料的利用率和产物的产率;b.在实验中需要控制反应条件,以减少副反应的发生;c.根据产物与杂质的性质特点,选择合适的分离提纯方法。
题型剖析
题型一 以非气态无机物制备为背景的综合实验问题
解题思路
1.明确实验目的
阅读试题,明确本实验的实验目的是什么,即要制备什么物质。
2.明确实验原理
首先,通过分析题目提供的信息,搞清楚制备目标物质所用的反应原理,即通过什么反应来制备该物质。
然后,根据反应物、产物的特点分析可能引入的杂质有什么,通过什么原理除去以达到净化的目的。
3.明确制备过程
依据实验原理,阅读分析题目信息,搞清楚制备的具体过程,明确制备过程中需要注意的问题。抽取解答后续问题需要的信息和证据。
4.分析解答问题
在分析利用信息解答问题时,清楚问题的命题角度很重要,所谓命题角度就是解答问题的思路。一般来说,基于非气态无机物制备的实验综合题,考查的角度涉及反应原理的考查,实验条件控制的方法选择与目的描述,产品纯度的控制,杂质处理方法的选择与目的描述,产品产率的测定与计算等等。
题型训练
1.(2023山东卷)三氯甲硅烷(SiHCl3)是制取高纯硅的重要原料,常温下为无色液体,沸点为31.8 ℃,熔点为-126.5 ℃,易水解。实验室根据反应Si+3HCl SiHCl3+H2,利用如下装置制备SiHCl3粗品(加热及夹持装置略)。回答下列问题。
(1)制备SiHCl3时进行操作:(ⅰ)……;(ⅱ)将盛有硅粉的瓷舟置于管式炉中;(ⅲ)通入HCl,一段时间后接通冷凝装置,加热开始反应。操作(ⅰ)为 ;
判断制备反应结束的实验现象是 。图示装置存在的两处缺陷是① ;② 。
(2)已知电负性Cl>H>Si,SiHCl3在浓NaOH溶液中发生反应的化学方程式为 。
(3)采用如下方法测定溶有少量HCl的SiHCl3纯度。
m1 g样品经水解、干燥等预处理过程得硅酸水合物后,进行如下实验操作:① ,② (填操作名称),③称量等操作,测得所得固体氧化物质量为m2 g,从下列仪器中选出①、②中需使用的仪器,依次为 (填大写字母)。测得样品纯度为 (用含m1、m2的代数式表示)。
答案:(1)连接装置,检查气密性 冷凝管下端无液体滴下
①C、D之间没有干燥装置 ②缺少处理氢气的装置
(2)SiHCl3+5NaOH(浓)══Na2SiO3+H2↑+3NaCl+2H2O
解析:(1)因该实验中有气体通入和产生,故实验开始前必须先检查装置气密性;制备反应结束时,管式炉中硅粉转化为SiHCl3且被冷凝后进入蒸馏烧瓶,因此可通过观察冷凝管下端无液体滴下来判断反应结束。
因SiHCl3易水解,需在装置C、D之间增加干燥装置;产物氢气是可燃性气体且无法被NaOH溶液吸收,需要另增加氢气收集装置(如储气瓶、气球等)。
(2)依据电负性Cl>H>Si可知,在SiHCl3中,Si为+4价、H为-1价、Cl为-1价,其与浓NaOH溶液发生反应的化学方程式为SiHCl3+5NaOH(浓)══ Na2SiO3+H2↑+3NaCl+2H2O(也可认为SiHCl3先水解为H2SiO3、H2、HCl,再与浓NaOH溶液反应)。
(3)样品经水解、干燥等预处理后,得到H2SiO3;再将H2SiO3置于坩埚中煅烧,转化为SiO2,然后将坩埚放入干燥器中冷却,反复2~3次后称量,m2 g即为所得固体氧化物SiO2的质量。依据上述分析,实验操作①为煅烧,②为冷却,①、②中需使用的仪器为A、C。
SiHCl3纯度测定过程中有以下关系式:
2.(2021全国乙)氧化石墨烯具有稳定的网状结构,在能源、材料等领域有着重要的应用前景。通过氧化剥离石墨制备氧化石墨烯的一种方法如下(装置如图所示):
Ⅰ.将浓硫酸、NaNO3、石墨粉末在c中混合,置于冰水浴中。剧烈搅拌下,分批缓慢加入KMnO4粉末,塞好瓶口。
Ⅱ.转至油浴中,35 ℃搅拌1小时。缓慢滴加一定量的蒸馏水。升温至98 ℃并保持1小时。
Ⅲ.转移至大烧杯中,静置冷却至室温。加入大量蒸馏水,而后滴加H2O2至悬浊液由紫色变为土黄色。
Ⅳ.离心分离,稀盐酸洗涤沉淀。
Ⅴ.蒸馏水洗涤沉淀。
Ⅵ.冷冻干燥,得到土黄色的氧化石墨烯。
回答下列问题。
(1)装置图中,仪器a、c的名称分别是 、 ,仪器b的进水口是 (填字母)。
(2)步骤Ⅰ中,需分批缓慢加入KMnO4粉末并使用冰水浴,原因是 。
(3)步骤Ⅱ中的加热方式采用油浴,不使用热水浴,原因是 。
(4)步骤Ⅲ中,H2O2的作用是 (以离子方程式表示)。
(5)步骤Ⅳ中,洗涤是否完成,可通过检测洗出液中是否存在 来判断。检测的方法是 。
(6)步骤Ⅴ可用pH试纸检测来判断Cl-是否洗净,其理由是 。
答案:(1)滴液漏斗 三颈烧瓶 d
(2)防止反应过快产生其他副反应
(3)便于控制温度,因为98 ℃已接近水的沸点
(4)5H2O2+2 +6H+══2Mn2++5O2↑+8H2O
(5)取少量洗出液,滴加BaCl2溶液看是否有白色沉淀生成
(6)步骤Ⅳ中用稀盐酸洗涤沉淀,稀盐酸中含有大量的H+和Cl-,故可用溶液的pH判断Cl-是否洗净
解析:(1)由图示可知,a的名称是滴液漏斗,c的名称是三颈烧瓶;根据冷凝管中冷却水低进高出的原则,仪器b的进水口是d。
(2)KMnO4受热易分解,为防止KMnO4分解并使石墨粉末被氧化生成石墨烯,KMnO4应分批缓慢加入并使用冰水浴。使用冰水浴控制温度可以防止反应过快,还可以防止浓硫酸与硝酸钠作用生成的硝酸分解。
(3)步骤Ⅱ中采用油浴,便于控制温度,因为98 ℃已接近水的沸点。
(4)步骤Ⅲ中H2O2的作用是除去过量的KMnO4,反应的离子方程式为5H2O2+2 +6H+══2Mn2++5O2↑+8H2O。
(5)检验用盐酸洗涤沉淀所得洗出液中是否存在 的方法是:取少量洗出液,滴加BaCl2溶液,若无白色沉淀生成,说明洗出液中不含 ;若有白色沉淀生成,则说明洗出液中仍然含有 。
(6)由于步骤Ⅳ中是用稀盐酸洗涤沉淀,稀盐酸中含有大量的H+和Cl-,所以可用pH试纸检测溶液的pH,通过H+的浓度判断Cl-是否洗净。
3.(2022湖南卷改编)某实验小组以BaS溶液为原料制备BaCl2·2H2O,并用重量法测定产品中BaCl2·2H2O的含量。设计了如下实验方案:
可选用试剂:NaCl晶体、BaS溶液、浓硫酸、稀硫酸、CuSO4溶液、蒸馏水
步骤1.BaCl2·2H2O的制备
按如图所示装置进行实验,得到BaCl2溶液,经一系列步骤获得BaCl2·2H2O产品。
步骤2.产品中BaCl2·2H2O的含量测定
①称取产品0.500 0 g,用100 mL水溶解,酸化,加热至近沸;
②在不断搅拌下,向①所得溶液逐滴加入热的0.100 mol·L-1 H2SO4溶液;
③沉淀完全后,60 ℃水浴40分钟,经过滤、洗涤、烘干等步骤,称量白色固体,质量为0.466 0 g。
回答下列问题:
(1)Ⅰ是制取 气体的装置,在试剂a过量并微热时,发生主要反应的化学方程式为 ;
(2)Ⅱ中b仪器的作用是 ;Ⅲ中的试剂应选用 ;
(3)在沉淀过程中,某同学在加入一定量热的H2SO4溶液后,认为沉淀已经完全,判断沉淀已完全的方法是 ;
(4)沉淀过程中需加入过量的H2SO4溶液,原因是 ;
(5)在过滤操作中,下列仪器不需要用到的是 (填名称);
(6)产品中BaCl2·2H2O的质量分数为 (计算结果精确到0.1%)。
答案:(1)氯化氢 2NaCl+H2SO4(浓) Na2SO4+2HCl↑
(2)防倒吸 CuSO4溶液
(3)在上层清液中滴加热的H2SO4溶液后,无明显现象
(4)保证Ba2+沉淀完全
(5)锥形瓶
(6)97.6%
解析:本题考查BaCl2·2H2O的制备和纯度测定。
(1)根据所给试剂和实验目的是由BaS制取BaCl2·2H2O,首先需要用NaCl晶体与浓硫酸在微热条件下反应制取HCl,然后将HCl气体通入Ⅱ装置与BaS反应生成BaCl2。
(2)HCl极易溶于水,b可以起到防止倒吸的作用。装置Ⅲ的作用是吸收H2S,防止尾气污染空气,吸收H2S应选用CuSO4溶液,反应的化学方程式为CuSO4+H2S══CuS↓+H2SO4。
(3)向溶液中逐滴加入热的H2SO4溶液,静置后向上层清液中继续滴加热的H2SO4溶液,若不出现沉淀(无明显现象)则证明硫酸已过量,Ba2+已经沉淀完全。
(4)该实验通过BaSO4的沉淀量测定BaCl2·2H2O的纯度,应使溶液中Ba2+沉淀完全,加入过量H2SO4溶液的目的是使Ba2+沉淀完全。
(5)过滤中用的玻璃仪器有漏斗、玻璃棒和烧杯,不需要锥形瓶。
(6)根据Ba元素守恒可得关系式:
BaCl2·2H2O ~ BaSO4
244 233
m 0.466 0 g
解得:m=0.488 0 g
题型二 以气态物质制备为背景的综合实验问题
解题思路
1.熟练掌握涉气类实验装置
(1)常见气体制备装置。
(2)气体的收集装置。
(3)可作为冷凝或冷却的装置。
2.熟练掌握气体制备实验设计的一般流程与思路
(1)一般流程:
仪器连接→检查气密性→装试剂→防倒吸防氧化措施→实验过程→仪器拆卸
(2)设计思路:
特别提醒(1)装配仪器时:先下后上,先左后右。
(2)加入试剂时:先固后液。
(3)实验开始时:先检查装置气密性,再加试剂,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、无臭的气体,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。
3.明确气体制备类综合实验的命题角度
气体制备类综合实验的命题角度,一般关注反应原理的选择以及相对应的发生装置的选择,干燥、净化试剂及其装置的选用,气体收集方法及尾气处理方法的选择。
4.分析解答问题
对于陌生气体的制备,在最后解答问题时,应充分利用好题目提供的信息,要学会用题做题。
题型训练
1.某化学兴趣小组的同学利用如图所示实验装置进行某些气体的制备、性质等实验(图中夹持装置有省略)。
请按有关要求回答下列问题。
(1)根据上述实验装置,为制备干燥NH3可选用的发生、净化装置为
接 ,其中发生装置中可以选用试剂为 (填字母)。
a.碱石灰和浓氨水 b.无水CaCl2和浓氨水
c.碱石灰和氯化铵 d.生石灰和氯化铵
(2)根据上述实验装置,为制备纯净、干燥的Cl2可选用的发生、净化装置为 接E、E(用两个相同的装置),而第一个E装置内的试剂是 。
(3)已知Cl2与NH3可发生反应:3Cl2+2NH3══N2+6HCl。利用装置F可探究Cl2与 NH3的反应。实验时打开止水夹1、3,关闭2,先向烧瓶中通入 ,然后关闭1、3,打开2,向烧瓶中慢慢通入一定量的另一种气体。一段时间后烧瓶内出现的现象为 。其中装置F烧杯中发生反应的离子方程式为 。请设计一个实验方案(答出操作过程、实验现象)鉴定生成固体中的阳离子: 。
(4)若制取的Cl2与CH4在装置F(光照)中发生反应,其有机产物有
(填分子式)。
答案:(1)C D a
(2)A 饱和食盐水
(3)氯气 气体的黄绿色逐渐变浅甚至消失,有白烟产生 Cl2+2OH-══Cl-+ClO-+H2O 取少量固体放入试管中,加入适量NaOH溶液并加热,在管口用湿润的红色石蕊试纸检验产生的气体,若湿润的红色石蕊试纸变蓝,证明固体中有
(4)CH3Cl、CH2Cl2、CHCl3和CCl4
解析:(1)根据氨气的制备原理,可利用碱性物质与浓氨水反应,故采用装置C制备,干燥氨气可用碱石灰或生石灰在干燥管(装置D)中干燥。(2)实验室利用MnO2与浓盐酸反应制取的氯气中含有HCl和水蒸气,要得到干燥、纯净的Cl2,可用饱和食盐水除HCl,再用浓硫酸干燥Cl2,采用的制备装置是A。
(3)应先向烧瓶中通Cl2,再通NH3,因为Cl2的密度大且有颜色,便于观察是否充满;一开始若通NH3,由于止水夹3打开,容易形成喷泉;通入NH3后,NH3与Cl2反应,烧瓶中气体颜色变浅甚至消失,生成的HCl与NH3反应生成NH4Cl,有白烟生成;其中装置F的烧杯中盛有NaOH溶液,可吸收多余的Cl2,防止污染环境,反应的离子方程式为Cl2+2OH-══Cl-+ClO-+H2O;检验
2.某化学兴趣小组在实验室用除去表面氧化物的铁钉(碳素钢)与浓硫酸共热制取SO2并完成相关性质探究(不考虑水蒸气)。
(1)有同学认为制得的SO2中可能混有杂质,其化学式为 和
,原因是 。
(2)为验证气体成分,兴趣小组同学设计了下图所示装置进行了实验探究。
①为验证并吸收SO2,装置B中加入的试剂为 ,装置C中品红溶液的作用是 ;
②装置D中加入的试剂为 ;
③装置G中可能出现的现象为 ;
④装置H的作用为 。
(3)兴趣小组设计如图装置验证二氧化硫的化学性质。
①能验证SO2具有氧化性的实验
现象为 。
②为验证SO2的还原性,取试管b中
充分反应后的溶液分成三份,分别
进行如下实验。
方案Ⅰ:向第一份溶液中加入
品红溶液,红色褪去。
方案Ⅱ:向第二份溶液中加入BaCl2溶液,产生白色沉淀。
方案Ⅲ:向第三份溶液中加入AgNO3溶液,有白色沉淀生成。
上述方案中合理的是 (填“Ⅰ”“Ⅱ”或“Ⅲ”);试管b中发生反应的离子方程式为 。
答案:(1)CO2 H2 铁钉中含碳元素,在加热条件下会与浓硫酸反应生成CO2;随着反应进行,浓硫酸变稀,铁与稀硫酸反应产生氢气
(2)①酸性KMnO4溶液(其他合理答案也可) 验证SO2是否被完全吸收
②澄清石灰水 ③无水硫酸铜变蓝色
④防止空气中H2O进入干燥管而影响杂质气体的检验
(3)①a试管中溶液变浑浊 ②Ⅱ
解析:(1)铁钉中含碳元素,在加热条件下会与浓硫酸反应生成CO2;随着反应进行,浓硫酸变稀,铁与稀硫酸反应产生氢气,故制得的SO2中可能混有杂质CO2和H2。(2)①装置B中加入的酸性KMnO4溶液能检验并吸收SO2,若SO2被吸收完全,装置C中的品红溶液不褪色。②装置D中加入的澄清石灰水,可检验气体中是否有CO2。③装置E中浓硫酸可干燥气体,装置F中CuO与H2反应生成H2O,G中无水硫酸铜吸收水蒸气后变蓝色。④装置H中装有干燥剂,其作用为防止空气中的H2O进入干燥管而影响杂质气体的检验。
题型三 以有机化合物制备为背景的综合实验问题
解题思路
1.根据题给信息弄清楚反应物及目标产物的性质特点
反应物及目标产物的性质特点主要包括溶解性、挥发性、熔沸点及聚集状态等等。
2.根据研究制备反应,弄清楚反应的特点
反应特点包括反应的可逆性、副反应的多少、反应的热量变化情况及反应的选择性等等。
3.分析制备装置等构成,弄清楚每个仪器的作用
仪器的作用常常包括冷凝管的作用、三颈烧瓶的作用、滴液漏斗的作用、温度计的作用。
4.还要弄清楚反应条件的控制方法
比如,加热方法、酸碱性环境、溶剂化作用等等。
5.还要关注如下几个问题
(1)有机化合物易挥发,因此在反应中通常要采用冷凝回流装置,以减少有机化合物的挥发,提高原料的利用率和产物的产率。
(2)有机反应通常都是可逆反应,且易发生副反应,因此常使某种价格较低的反应物过量,以提高另一反应物的转化率和产物的产率,同时在实验中需要控制反应条件,以减少副反应的发生。
(3)根据产品与杂质的性质特点选择合适的分离提纯方法,如蒸馏、分液等。
题型训练
1.(2023辽宁卷)2-噻吩乙醇(Mr=128)是抗血栓药物氯吡格雷的重要中间体,其制备方法如下:
Ⅰ.制钠砂。向烧瓶中加入300 mL液体A和4.60 g金属钠,加热至钠熔化后,盖紧塞子,振荡至大量微小钠珠出现。
Ⅱ.制噻吩钠。降温至10 ℃,加入25 mL噻吩,反应至钠砂消失。
Ⅲ.制噻吩乙醇钠。降温至-10 ℃,加入稍过量的环氧乙烷的四氢呋喃溶液,反应30 min。
Ⅳ.水解。恢复室温,加入70 mL水,搅拌30 min;加盐酸调pH至4~6,继续反应2 h,分液;用水洗涤有机相,二次分液。
Ⅴ.分离。向有机相中加入无水MgSO4,静置,过滤,对滤液进行蒸馏,蒸出四氢呋喃、噻吩和液体A后,得到产品17.92 g。
回答下列问题。
(1)步骤Ⅰ中液体A可以选择 。
a.乙醇 b.水
c.甲苯 d.液氨
(2)噻吩沸点低于吡咯( )的原因是 。
(3)步骤Ⅱ的化学方程式为 。
(4)步骤Ⅲ中反应放热,为防止温度过高引发副反应,加入环氧乙烷溶液的方法是 。
(5)步骤Ⅳ中用盐酸调节pH的目的是 。
(6)下列仪器在步骤Ⅴ中无需使用的是 (填名称);无水MgSO4的作用为 。
(7)产品的产率为 (用Na计算,精确至0.1%)。
答案:(1)c
(2)噻吩与吡咯均为分子晶体,噻吩分子间仅存在范德华力,而吡咯分子间还存在氢键,沸点更高
(3)
(4)少量多次加入
(5)提供酸性环境,利于水解
(6)球形冷凝管与分液漏斗 干燥吸水
(7)70.0%
解析:(1)钠能与乙醇、水、液氨发生置换反应,因此只能选择甲苯作为溶剂。
(2)通过实验中的物质对结构化学的内容进行考查,噻吩与吡咯均为分子晶体,噻吩分子间仅存在范德华力,而吡咯分子间还存在氢键,沸点更高。
(3)该反应为置换反应,其化学方程式为 。
(4)因反应放热,为防止温度过高引发副反应,应将环氧乙烷溶液少量多次加入。
(5)该过程为将2-噻吩乙醇钠水解为2-噻吩乙醇,提供酸性环境,利于水解并产生可溶性的NaCl,便于后续分液。
(6)向有机相中加入无水硫酸镁的目的为吸水干燥。进行过滤所需的装置为:漏斗、烧杯、玻璃棒;后续的蒸馏过程中所需的仪器有:酒精灯、蒸馏烧瓶、温度计、直形冷凝管、尾接管、锥形瓶。因此用不到的仪器为球形冷凝管和分液漏斗。
(7)按Na计算,根据反应物Na的物质的量为0.2 mol可知理论上产物的物质的量为0.2 mol,质量为25.6 g,实际得到的产物为17.92 g,因此其产率为70.0%。
2.(2024吉林卷)某实验小组为实现乙酸乙酯的绿色制备及反应过程可视化,设计实验方案如下:
Ⅰ.向50 mL烧瓶中分别加入5.7 mL乙酸(100 mmol)、8.8 mL乙醇(150 mmol)、1.4 g NaHSO4固体及4~6滴1‰甲基紫的乙醇溶液。向小孔冷凝柱中装入变色硅胶。
Ⅱ.加热回流50 min后,反应液由蓝色变为紫色,变色硅胶由蓝色变为粉红色,停止加热。
Ⅲ.冷却后,向烧瓶中缓慢加入饱和Na2CO3溶液至无CO2逸出,分离出有机相。
Ⅳ.洗涤有机相后,加入无水MgSO4,过滤。
Ⅴ.蒸馏滤液,收集73~78 ℃馏分,得无色液体6.60 g,色谱检测纯度为98.0%。
回答下列问题。
(1)NaHSO4在反应中起 作用,用其代替浓硫酸的优点是 (答出一条即可)。
(2)甲基紫和变色硅胶的颜色变化均可指示反应进程。变色硅胶吸水,除指示反应进程外,还可 。
(3)使用小孔冷凝柱承载,而不向反应液中直接加入变色硅胶的优点是
(填字母)。
A.无需分离
B.增大该反应平衡常数
C.起到沸石作用,防止暴沸
D.不影响甲基紫指示反应进程
(4)下列仪器中,分离有机相和洗涤有机相时均需使用的是 (填名称)。
(5)该实验乙酸乙酯的产率为 (精确至0.1%)。
(6)若改用C2OH作为反应物进行反应,质谱检测目标产物分子离子峰的质荷比数值应为 (精确至1)。
答案:(1)催化剂 浓硫酸具有脱水性,使原料炭化,NaHSO4无脱水性,使产品产率更高(或其他合理答案)
(2)吸收生成的H2O,使平衡正向移动,提高乙酸乙酯的产率
(3)AD (4)分液漏斗 (5)73.5% (6)90
解析:乙酸乙酯的制备原理为
其中浓硫酸的作用为催化剂和吸水剂,既能催化反应,加快反应,又能吸收反应生成的水,使平衡正向移动,增大产率。本题所给实验中用NaHSO4代替浓硫酸起催化作用,用能吸水的变色硅胶吸水,使平衡正向移动,冷却后用Na2CO3溶液将剩余的酸性物质反应掉,用无水MgSO4干燥产品,最后蒸馏收集73~78 ℃馏分获得产品乙酸乙酯。
(1)用NaHSO4代替浓硫酸起催化作用,因为浓硫酸有脱水性,能够将反应原料炭化,而NaHSO4无脱水性,可提高产品产率。同时还有减少有毒气体(SO2)的产生等其他优点。
(2)变色硅胶有吸水性,可吸收反应生成的水,使酯化反应平衡右移,提高产率。
(3)不向溶液中直接加入变色硅胶的优点是后续过程中不用再分离出去,且与甲基紫指示剂分开,不会影响其指示过程。平衡常数只与温度有关。故选AD。
(4)分离有机相和洗涤有机相均需用分液漏斗进行分液。容量瓶在配制一定物质的量浓度的溶液时使用,普通漏斗在过滤时使用,洗气瓶在除气体中的杂质时使用。
(5)产率=×100%。原料中乙酸和乙醇按物质的量之比为1∶1反应,显然乙酸比乙醇的量少,利用乙酸的物质的量计算产率:
×100%=73.5%。
(6)酯化反应中,酸脱羟基醇脱氢,得到的产品应为CH3CO18OCH2CH3,其分子离子峰的质荷比数值为90。
三、定量分析型综合实验问题解决能力的训练
梳理归纳
定量实验是将化学实验与化学计量有机地结合在一起测定物质化学组成与含量的探究性实验,是近几年高考命题的常考题型。设计中先通过实验测出相关的有效数据,然后经计算得出物质的组成与含量。由于定量实验目的性、实用性强,更能激发学生的学习兴趣,培养学生严谨求实的科学态度。因此复习过程中要注重定性实验拓展到定量实验的探讨。
1.定量分析型综合实验题数据的测定方法
(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纯度。
(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。
2.解题注意事项
(1)实验中要具备的三种意识。
①要有消除干扰气体的意识。如用“惰性气体”将干扰气体排出,或用溶液吸收干扰气体等。
②要有被测量气体全部被测量的意识。如可以采用反应结束后继续向装置中通入“惰性气体”以使被测量的气体全部被吸收剂吸收的方法。
③要有数据的采集处理意识。实验数据的采集是化学计算的基础,一般的固体试剂采用称量质量,而液体试剂和气体试剂采用测量体积。
(2)定量分析型综合实验题的解题关键为数据处理和误差分析,数据的处理一般注意五个方面。
①是否符合测量仪器的精度。
②数据是否在误差允许范围内。
③数据的测试环境。
④数据的测量过程是否规范、合理。
⑤少量物质是否完全反应;过量物质对数据是否有影响。
3.定量分析型综合实验题的解题模板
题型剖析
题型一 应用滴定原理测定型综合实验问题
解题思路
1.明确滴定原理的类型
如确定是酸碱中和滴定、氧化还原滴定、沉淀滴定,还是络合滴定。
2.依据反应特点,理清滴定试剂与待测定物质间的定量关系
一般来说,氧化还原滴定可根据电子得失守恒建立定量关系,其余滴定必须根据具体的反应情况确定定量关系。
3.搜集数据,代入计算,得出结果
滴定分析一般需要进行三次平行实验,通常应先分析数据,舍去错误的数据,再根据反应关系进行计算,得出结果。
题型训练
1.实验室利用如图装置探究SO2还原CuO,并进一步检测产物含量。已知Cu2O+2H+══Cu+Cu2++H2O。回答下列相关问题。
Ⅰ.SO2还原CuO的探究。
(1)装置B中宜放入的试剂为 ,消膜泡的作用是 。
(2)使用98%的H2SO4溶液制备SO2的速率明显小于使用65%的H2SO4溶液制备SO2,原因是 。
(3)充分反应后,黑色固体变为红色。取C中适量的产物,加水后溶液显蓝色并有红色沉淀物,取红色沉淀物滴加盐酸,溶液又呈蓝色并仍有少量红色难溶物,由此可以得出SO2与CuO反应的化学方程式为 。
Ⅱ.生成物中CuSO4含量检测。
(4)用“碘量法”测定产物中CuSO4含量。取a g固体溶于水配制成250 mL溶液,取25.00 mL溶液滴加几滴稀硫酸,再加入过量KI溶液,以淀粉溶液为指示剂用Na2S2O3标准溶液滴定,相关化学反应为
①Na2S2O3标准溶液易变质,滴定前需要标定。配制该溶液时需要的玻璃仪器有烧杯、 、玻璃棒和试剂瓶。
②若消耗0.100 0 mol·L-1 Na2S2O3标准溶液b mL,则产物中CuSO4的质量分数为 (写表达式)。
答案:(1)浓硫酸 防止B中液体被吹入装置C中
(2)98%的H2SO4溶液中H+浓度较小,反应速率较小
解析:(1)实验室一般用中等浓度的硫酸与亚硫酸盐反应制备SO2,所以装置A是制备SO2的装置,发生的反应为Na2SO3+H2SO4══Na2SO4+H2O+SO2↑,制备的SO2中含有水蒸气,应用浓硫酸干燥,消膜泡可防止B中的浓硫酸被SO2的气流吹入C装置中。
(2)制取SO2的反应实质是氢离子与亚硫酸根离子反应,98%的H2SO4溶液中溶质主要是H2SO4分子,而H+浓度较小,所以反应速率较小。
(3)根据信息,可以得出产物有硫酸铜和氧化亚铜,反应的化学方程式为3CuO+SO2 CuSO4+Cu2O。
(4)①标准溶液滴定前需要标定,不需要容积特别精准的容量瓶,所以配制Na2S2O3标准溶液时需要的玻璃仪器除了烧杯、玻璃棒和试剂瓶外,还需要量筒。
2.(2022山东卷)实验室利用FeCl2·4H2O和亚硫酰氯(SOCl2)制备无水FeCl2的装置如图所示(加热及夹持装置略)。已知SOCl2沸点为76 ℃,遇水极易反应生成两种酸性气体。
回答下列问题:
(1)实验开始先通N2。一段时间后,先加热装置 (填“a”或“b”)。装置b内发生反应的化学方程式为 。装置c、d共同起到的作用是 。
(2)现有含少量杂质的FeCl2·nH2O,为测定n值进行如下实验:
实验Ⅰ:称取m1 g样品,用足量稀硫酸溶解后,用c mol·L-1 K2Cr2O7标准溶液滴定Fe2+达终点时消耗V mL(滴定过程中 转化为Cr3+,Cl-不反应)。
实验Ⅱ:另取m1 g样品,利用上述装置与足量SOCl2反应后,固体质量为m2 g。
则n= ;下列情况会导致n测量值偏小的是 (填字母)。
A.样品中含少量FeO杂质
B.样品与SOCl2反应时失水不充分
C.实验Ⅰ中,称重后样品发生了潮解
D.滴定达终点时发现滴定管尖嘴内有气泡生成
(3)用上述装置,根据反应TiO2+CCl4 TiCl4+CO2制备TiCl4。已知TiCl4与CCl4分子结构相似,与CCl4互溶,但极易水解。选择合适仪器并组装蒸馏装置对TiCl4、CCl4混合物进行蒸馏提纯(加热及夹持装置略),安装顺序为①⑨⑧ (填序号),先馏出的物质为 。
答案:(1)a FeCl2·4H2O+4SOCl2 FeCl2+4SO2↑+8HCl↑ 冷凝回流SOCl2
(3)⑥⑩③⑤ CCl4
解析:已知SOCl2遇水极易反应生成两种酸性气体,则FeCl2·4H2O与SOCl2制备无水FeCl2的反应原理为SOCl2吸收FeCl2·4H2O受热失去的结晶水生成SO2和HCl,HCl可抑制FeCl2的水解,从而制得无水FeCl2。
(1)实验开始时先通N2,排尽装置中的空气,防止氯化亚铁被氧化。一段时间后,先加热装置a,产生的SOCl2气体充满b装置后,再加热b装置,装置b中发生反应的化学方程式为FeCl2·4H2O+4SOCl2 FeCl2+4SO2↑+8HCl↑;装置c、d的共同作用是冷凝回流SOCl2,提高SOCl2的利用率。
合题意;C项,实验Ⅰ称重后,样品发生了潮解,样品的质量变大,但是消耗的K2Cr2O7溶液的体积V不变,使n的测量值不变,不符合题意;D项,滴定达到终点时发现滴定管尖嘴内有气泡生成,导致读取的K2Cr2O7溶液的体积V偏小,使n的测量值偏大,不符合题意。
(3)组装蒸馏装置对TiCl4、CCl4混合物进行蒸馏提纯,按由下而上、从左到右的顺序组装,安装顺序为①⑨⑧,然后连接冷凝管,蒸馏装置中应选择直形冷凝管⑥、不选用球形冷凝管⑦,接着连接尾接管⑩,TiCl4极易水解,为防止外界水蒸气进入,最后连接③⑤(防止空气中的水蒸气进入),综上,安装顺序为①⑨⑧⑥⑩③⑤;由于TiCl4、CCl4分子结构相似,TiCl4的相对分子质量大于CCl4,TiCl4分子间的范德华力较大,TiCl4的沸点高于CCl4的沸点,故先蒸出的物质为CCl4。
题型二 热重分析型综合实验问题
解题思路
首先,明确加热过程中什么元素质量发生变化,什么元素质量不变。一般来说,固体加热首先失重为水的质量,然后是非金属氧化物的质量,而金属元素的质量是保持不变的。
然后,根据热重分析所得到的数据,利用质量守恒进行有关计算。
题型训练
1.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,具体流程如下:
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80~95 ℃,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 (填字母)。
(3)步骤③中选用足量的H2O2溶液,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 。
答案:(1)碱煮水洗
(2)加快反应 水浴加热 C
(3)将Fe2+全部氧化为Fe3+,不引入新的杂质 防止Fe3+水解
(4)加热浓缩、冷却结晶、过滤(洗涤)
(5)NH4Fe(SO4)2·12H2O
解析:(1)步骤①的目的是去除废铁屑表面的油污,油污在碱性条件下容易水解,所以工业上常常用热的碳酸钠溶液清洗,即碱煮水洗。(2)步骤②需要加热的目的是加快反应速率;温度保持80~95 ℃,由于保持温度比较恒定且低于水的沸点,故采用的加热方式是水浴加热(热水浴);铁屑中含有少量硫化物,硫化物与硫酸反应生成硫化氢气体,可以用氢氧化钠溶液吸收,为了防止倒吸可以加装倒置的漏斗,故选择C装置。(3)步骤③中选用足量的H2O2,H2O2可以将Fe2+氧化为Fe3+,且H2O2的还原产物为H2O,不会引入新的杂质。因为H2O2本身易分解,所以在加入时需分批加入,同时为了防止Fe3+水解,溶液要保持pH小于0.5。(4)为了除去可溶性的硫酸铵、铁离子等,需要经过的步骤为加热浓缩、冷却结晶、过滤(洗涤)。
(5)设硫酸铁铵的化学式为NH4Fe(SO4)2·xH2O,其相对分子质量为266+18x,
1.5个水分子的相对分子质量为1.5×18=27,
则 ×100%=5.6%,解得x=12,则硫酸铁铵的化学式为NH4Fe(SO4)2·12H2O。
2.草酸亚铁晶体(FeC2O4·2H2O)常用作分析试剂及显影剂等。下图是将一定质量的草酸亚铁在氩气氛围中进行热重分析的示意图(TG%表示残留固体质量占原样品质量的百分数)。请回答下列问题。
(1)B处残留物的化学式为 。C处残留物的化学式为 。
(2)A→C整个反应过程中总反应的化学方程式为 。
(3)上述FeC2O4·2H2O在氩气气氛中进行热重分析的原因是 。
若将分解得到的600 ℃时的固体与足量的浓硫酸反应后,将溶液浓缩、冷却,有带9个结晶水的晶体析出,该晶体的化学式为 。
答案:(1)FeC2O4 FeO
(2)FeC2O4·2H2O FeO+CO↑+CO2↑+2H2O
(3)防止FeC2O4在加热过程中被空气中的氧气氧化 Fe2(SO4)3·9H2O
(4)50%
解析:(1)根据图中的相关数据进行计算可知,A→B段为FeC2O4·2H2O加热生成FeC2O4和水的过程;B→60%段为FeC2O4加热生成FeCO3和CO过程;60%→C段为FeCO3加热生成FeO和CO2的过程,所以B处残留物的化学式为FeC2O4,C处残留物的化学式为FeO。(2)A→C整个反应过程中总反应的化学方程式为FeC2O4·2H2O FeO+CO↑+CO2↑+2H2O。(3)将FeC2O4·2H2O在氩气气氛中进行热重分析的原因是防止FeC2O4在加热过程中被空气中的氧气氧化。(4)由可逆反应过程“三段法”可得,反应达平衡时FeO的转化率为50%。
【项目训练突破】
1.为测定CuSO4溶液的浓度,甲、乙两同学设计了两个方案。回答下列问题。
Ⅰ.甲方案
实验原理:CuSO4+BaCl2══BaSO4↓+CuCl2
实验步骤:
足量BaCl2溶液
↓
(1)判断 沉淀完全的操作为 。
(2)步骤②判断沉淀是否洗净所选用的试剂为 。
(3)步骤③灼烧时盛装样品的仪器名称为 。
(4)固体质量为w g,则c(CuSO4)= mol·L-1。
(5)若步骤①从烧杯中转移沉淀时未洗涤烧杯,则测得c(CuSO4) (填“偏高”“偏低”或“无影响”)。
Ⅱ.乙方案
实验原理:Zn+CuSO4══ZnSO4+Cu,Zn+H2SO4══ZnSO4+H2↑
实验步骤:
①按右图安装装置(夹持仪器略去);
②……
③在仪器A、B、C、D、E中加入图示的试剂;
④调整D、E中两液面相平,使D中液面保持在
0或略低于0刻度位置,读数并记录;
⑤将CuSO4溶液滴入A中并搅拌,反应完成后,
再滴加稀硫酸至体系不再有气体产生;
⑥待体系恢复到室温,移动E管,保持D、E中两液面相平,读数并记录;
⑦处理数据。
(6)步骤②为 。
(7)步骤⑥需保证体系恢复到室温的原因是 (填字母)。
a.反应热受温度影响
b.气体密度受温度影响
c.反应速率受温度影响
(8)Zn粉质量为a g,若测得H2体积为b mL,已知实验条件下ρ(H2)=d g·L-1,则c(CuSO4)= mol·L-1(列出计算表达式)。
(9)若步骤⑥E管液面高于D管,未调液面即读数,则测得c(CuSO4) (填“偏高”“偏低”或“无影响”)。
(10)是否能用同样的装置和方法测定MgSO4溶液的浓度: (填“是”或“否”)。
答案:Ⅰ.(1)向上层清液中继续滴加BaCl2溶液,无白色沉淀生成,则沉淀完全 (2)AgNO3溶液
(3)坩埚
解析:本题考查实验基本仪器和基本操作,涉及的基础知识较多,如仪器名称、气密性的检验、沉淀的洗涤等,解答中注意答题规范即可。
Ⅰ.(4)由题意知:
CuSO4 ~ BaSO4
1 1
(5)未洗涤烧杯,会使测得的w偏小,最终导致c(CuSO4)偏低。
Ⅱ.(6)安装实验装置完毕后,要检验装置气密性。
(7)通过排水法测气体的体积,必须考虑气体密度受温度的影响。
(8)Zn+H2SO4══ZnSO4+H2↑
1 1
2.(2023新课标卷)实验室由安息香制备二苯乙二酮的反应式如下:
相关信息列表如下:
物质 性状 熔点/℃ 沸点/℃ 溶解性
安息香 白色固体 133 344 难溶于冷水溶于热水、乙醇、乙酸
二苯乙 二酮 淡黄色固体 95 347 不溶于水
溶于乙醇、苯、乙酸
冰乙酸 无色液体 17 118 与水、乙醇互溶
装置示意图如图所示,实验步骤为:
①在圆底烧瓶中加入10 mL冰乙酸、5 mL水及9.0 g FeCl3·6H2O,边搅拌边加热,至固体全部溶解。
②停止加热,待沸腾平息后加入2.0 g安息香,加热回流45~60 min。
③加入50 mL水,煮沸后冷却,有黄色固体析出。
④过滤,并用冷水洗涤固体3次,得到粗品。
⑤粗品用75%的乙醇重结晶,干燥后得淡黄色结晶1.6 g。
回答下列问题:
(1)仪器A中应加入 (填“水”或“油”)作为热传导介质。
(2)仪器B的名称是 ;冷却水应从 (填“a”或“b”)口通入。
(3)实验步骤②中,安息香必须待沸腾平息后方可加入,其主要目的是
。
(4)在本实验中,FeCl3为氧化剂且过量,其还原产物为 ;某同学尝试改进本实验:采用催化量的FeCl3并通入空气制备二苯乙二酮。该方案是否可行 简述判断理由 。
(5)本实验步骤①~③在乙酸体系中进行,乙酸除作溶剂外,另一主要作用是防止 。
(6)若粗品中混有少量未氧化的安息香,可用少量 (填字母)洗涤的方法除去。若要得到更高纯度的产品,可用重结晶的方法进一步提纯。
a.热水 b.乙酸
c.冷水 d.乙醇
(7)本实验的产率最接近于 (填字母)。
a.85% b.80%
c.75% d.70%
答案:油
(2)球形冷凝管(或回流冷凝管) a
(3)防止暴沸
(4)FeCl2(Fe2+) 可行,因空气中的氧气可将FeCl2(Fe2+)氧化为FeCl3(Fe3+),从而实现循环
(5)FeCl3水解
(6)a
(7)b
解析:(1)根据信息可知,该反应应在大于133 ℃条件下进行,故应采取高于100 ℃加热,采用油浴。
(2)仪器B为球形冷凝管(或回流冷凝管),冷却水应从低处a口通入。
(3)待沸腾平息后加入安息香的目的是防止暴沸。
(4)本实验中FeCl3把安息香氧化为二苯乙二酮的同时,其自身被还原为FeCl2,而FeCl2又被空气中的氧气氧化成FeCl3,从而实现FeCl3的循环利用,进而实现用催化计量的FeCl3和空气中的氧气氧化安息香制备二苯乙二酮。
(5)乙酸的酸性可以抑制Fe3+的水解。
(6)安息香溶于热水,而二苯乙二酮不溶于水,安息香和二苯乙二酮都溶于乙酸和乙醇。
(7)安息香生成二苯乙二酮相对分子质量减小2,故该实验的产率接近:
化学综合实验的问题解决能力集训
微项目1
【项目梳理过关】
一、化学探究性综合实验的问题解决能力的训练
梳理归纳
1.探究性综合实验题的命题形式
(1)归纳总结型。
分析此类探究性综合题时应注意:①阅读材料要认真、仔细,善于挖掘显性信息和隐含信息;②结合原有知识及相关信息,对材料进行全面分析,然后总结归纳找出解决问题的关键。
(2)数据分析型。
分析此类探究性综合题时应注意:①观察数据要细致;②结合原有知识,分析角度要全面;③影响变量要遵循“多定一变”的原则。
(3)方案评价型。
分析此类探究性综合题时应注意:①根据试题的要求,利用自己的知识,仔细分析每个方案的可行性;②对每个方案进行优劣评价,常见的评价角度有绿色化学(环境友好、原子经济)、实验条件的可行性等。
(4)完善实验型。
分析此类探究性综合题时应注意:①通读全题可知实验目的,实验目的和实验结论的概括要完整、简练,化学用语要规范,语言要符合逻辑;②考虑问题要仔细、全面。
2.探究性综合实验题的解题流程
明确探 究目的 探究实验的原理可从题目给的化学情境(或题目所给的实验目的)并结合元素化合物的有关知识获取。在此基础上,依据可靠性、简捷性、安全性的原则,确定符合实验目的、要求的实验方案
理清操 作过程 根据由实验原理所确定的探究实验方案中的实验过程,确定实验操作的方法和步骤,把握各实验步骤的要点,理清实验操作的先后顺序
弄懂装 置(流 程)作用 若题目中给出装置图,在分析解答过程中,要认真细致地分析图中的各部分装置,并结合实验目的和原理,确定它们在实验中的作用
得出探 究结论 例如对于定量实验,可根据实验现象和记录的数据,对实验数据进行筛选,通过分析、计算、推理等确定有关样品含量及化学式
3.探究性综合实验题的设计细节
(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,要先检验CO中是否含有CO2,如果有CO2,先除去CO2,然后才能对CO实施转化,最后再检验转化生成的CO2。
(3)若试题只给出部分试剂和装置,则应给出必要的补充;若给出多余的试剂品种,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。
4.探究性综合实验题的“易错点”
(1)实验探究过程中提出的假设不够完整,遗漏某种情况;有时也会在方案设计中遗漏某一种可能,造成方案不完整,或非此即彼的情况。
(2)实验探究中易将待探究的结果当成已知内容进行设计,造成明确的探究指向。
(3)评价实验过程中忽视反应条件设置与控制;回答问题时遗漏某一限制条件;易造成想当然或默认某些条件等错误。
(4)实验设计思路中从已知数据中找不到合理的规律,无法将综合实验解答完整。
题型剖析
题型一物质成分、性质探究性综合实验题
解题思路
1.物质成分的探究
同一化学反应,可能会由于条件的不同、反应物用量不同等生成不同的产物,或生成几种产物的混合物。通过化学反应原理猜测可能生成哪些物质,对这些物质逐一利用学过的实验方法进行检验来确定究竟含有哪些成分,这就是物质成分的探究。
2.物质性质的探究
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、步骤简便、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以下六种情况。
(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KMnO4溶液褪色来说明。
(2)物质氧化性强弱、还原性强弱的判断。如探究Fe3+的氧化性比I2的氧化性强时,可利用FeCl3与KI淀粉溶液反应,通过溶液变蓝色来说明Fe3+的氧化性比I2的氧化性强。
(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的速率来说明Mg的金属性比Al的金属性强。
(4)电解质强弱的判断。如探究一元酸HA是不是为弱酸的方法是常温下配制NaA的溶液,测其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,看是否有白色胶状沉淀生成来判断。
(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以及是否与空气接触、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。
题型训练
硫及其化合物是重要的化工原料,某学习小组对某些硫的化合物的性质和制备进行如下实验探究:
Ⅰ.探究实验一:将一定量的浓硫酸与足量Zn置于装置A中充分反应,对反应后的气体X进行气体成分分析(水蒸气除外)。
回答下列问题。
(1)气体X中除水蒸气之外,还可能有的气体是 。
(2)B中的试剂可能是 ,酸性KMnO4溶液的作用是 。
(3)D、E装置用于证明气体X中的另一种组分,按照D、E装置顺序观察到的实验现象分别是 、 。
Ⅱ.探究实验二:制取硫代硫酸钠(Na2S2O3)并探究其性质。
(1)制取Na2S2O3(装置如下图,夹持装置省略)。
①装置B中生成Na2S2O3的同时也生成CO2,反应的离子方程式为 。
②除搅拌和使用多孔球泡外,再写出一种可以提高B中吸收SO2效率的方法: 。
(2)探究Na2S2O3的性质(反应均在溶液中进行)。
答案:Ⅰ.(1)二氧化硫、氢气
(2)品红溶液(或酸性高锰酸钾溶液、溴水) 除去气体中残余的二氧化硫
(3)黑色粉末变为紫红色 白色粉末变为蓝色
②控制二氧化硫的流速或适当增大B中混合液的浓度或适当升高B中溶液温度等(合理即可)
(2)把一小块pH试纸放在表面皿(或玻璃片)上,用蘸有待测Na2S2O3溶液的玻璃棒点在pH试纸的中部,试纸变色后,与标准比色卡比较确定Na2S2O3溶液的pH 溴水颜色变浅(或溴水褪色)
解析:Ⅰ.(1)浓硫酸与Zn反应生成硫酸锌、二氧化硫和水,当反应进行到一定程度,硫酸变为稀硫酸,Zn与稀硫酸反应生成硫酸锌和氢气。所以气体X除水蒸气外还可能含有SO2、H2。
(2)装置B的作用是检验SO2,SO2具有漂白性、还原性,可以选择品红溶液、酸性高锰酸钾溶液(或溴水)作为检验试剂;检验H2的生成之前,应先排除SO2的干扰,故用酸性高锰酸钾溶液除去气体中残余的SO2。
(3)D、E装置用于证明气体X中含有H2,D中H2将黑色CuO粉末还原为紫红色的Cu单质,反应生成的水进入盛有无水硫酸铜的E装置中,会看到白色粉末硫酸铜结合水得到蓝色硫酸铜晶体。
Ⅱ.(1)①由A制得的SO2进入装置B中,与Na2S、Na2CO3反应生成Na2S2O3和CO2,根据原子守恒、电子守恒和电荷守恒,可得离子方程式为
②控制SO2的流速、适当增大B中混合液的浓度、适当升高B中溶液温度等都可以提高B中吸收SO2的效率。
(2)探究1:由实验现象pH=8可知探究1为测定Na2S2O3溶液的pH,具体操作为把一小块pH试纸放在表面皿(或玻璃片)上,用蘸有待测Na2S2O3溶液的玻璃棒点在pH试纸的中部,待试纸变色后,与标准比色卡比较确定Na2S2O3溶液的pH。
探究2:要测定Na2S2O3溶液的还原性,可向该溶液中加入溴水,溴水呈黄色,Na2S2O3溶液为无色,若两者发生氧化还原反应,会看到的现象为溴水颜色变浅(或溴水褪色)。
题型二反应规律、原理探究性综合实验题
解题思路
1.明确探究的方向
将学过的反应规律、化学反应原理通过实验进行探究验证,在进行试题分析时,需要结合所学的知识规律,把掌握的化学反应原理落实到各种实验装置、实验现象上,主要的探究类型包括:
(1)元素金属性、非金属性强弱的比较。
(2)物质氧化性、还原性强弱的比较。
(3)影响化学反应速率、化学平衡的因素的探究。
(4)金属腐蚀与防护的探究。
2.清楚解答反应规律、原理型探究性综合实验题的注意事项
(1)对于题中的异常现象要根据自己原有的知识进行大胆地排查、推测。
(2)推测的正确性要靠实验进行验证,若题中已给出验证实验,要仔细分析其是否合理,若题中没给出验证实验,自己要设计合理的实验验证。
题型训练
1.为验证不同化合价铁的氧化还原能力,利用下列电池装置进行实验。
回答下列问题。
(1)由FeSO4·7H2O固体配制0.10 mol·L-1 FeSO4溶液,需要的仪器有药匙、玻璃棒、 (从下列图中选择,写出名称)。
(2)电池装置中,盐桥连接两电极电解质溶液。盐桥中阴、阳离子不与溶液中的物质发生化学反应,并且电迁移率(u∞)应尽可能地相近。根据下表数据,盐桥中应选择 作为电解质。
(3)电流表显示电子由铁电极流向石墨电极。可知,盐桥中的阳离子进入
电极溶液中。
(4)电池反应一段时间后,测得铁电极溶液中c(Fe2+)增加了0.02 mol·L-1。石墨电极上未见Fe析出。可知,石墨电极溶液中c(Fe2+)= 。
(5)根据(3)(4)实验结果,可知石墨电极的电极反应式为 ,铁电极的电极反应式为 。因此,验证了Fe2+氧化性小于 ,还原性小于 。
(6)实验前需要对铁电极表面活化。在FeSO4溶液中加入几滴Fe2(SO4)3溶液,将铁电极浸泡一段时间,铁电极表面被刻蚀活化。检验活化反应完成的方法是 。
答案:(1)烧杯、量筒、托盘天平
(2)KCl
(3)石墨
(4)0.09 mol·L-1
(5)Fe3++e-══Fe2+ Fe-2e-══Fe2+ Fe3+ Fe
(6)取少量溶液,滴入KSCN溶液,不出现红色
解析:本题属于实验探究类试题,利用带盐桥的原电池装置验证不同化合价铁的氧化还原能力。解题的关键是注意分析表格中有关数据信息,并结合原电池的基本原理进行作答。
(1)考查一定物质的量浓度溶液的配制,由于题目要求是配制0.10 mol·L-1 FeSO4溶液,除药匙、玻璃棒之外,还需要烧杯、托盘天平、量筒、胶头滴管、容量瓶。
(2)选择盐桥中电解质,必须满足题给信息要求——盐桥中的阴、阳离子不与溶液中的物质发生化学反应,并且电迁移率(u∞)应尽可能地相近。故阳离子不能选择Ca2+,阴离子不能选择 ,只有KCl最为合适。
(3)因为电子由铁电极流向石墨电极,则铁电极为负极、石墨电极为正极。盐桥中阳离子向正极区移动,即进入石墨电极溶液中。
(4)根据两个电极得失电子守恒,当铁电极溶液中c(Fe2+)增加0.02 mol·L-1时,石墨电极上发生反应:Fe3++e-══Fe2+,可计算出石墨电极溶液中c(Fe2+)增加0.04 mol·L-1,故此时石墨电极溶液中c(Fe2+)=0.09 mol·L-1。
(5)依据上面分析,即可分别写出石墨电极、铁电极的电极反应式。由于负极(铁电极)是单质铁失电子,而不是Fe2+失电子,则还原性Fe2+
2.氯可形成多种含氧酸盐,广泛应用于杀菌、消毒及化工领域。实验室中利用下图装置(部分装置省略)制备KClO3和NaClO,探究其氧化还原性质。
回答下列问题。
(1)盛放MnO2粉末的仪器名称是 ,a中的试剂为 。
(2)b中采用的加热方式是 。c中化学反应的离子方程式是 ,采用冰水浴冷却的目的是 。
(3)d的作用是 ,可选用试剂 (填字母)。
A.Na2S B.NaCl
C.Ca(OH)2 D.H2SO4
(4)反应结束后,取出b中试管,经冷却结晶, ,
,干燥,得到KClO3晶体。
(5)取少量KClO3和NaClO溶液分别置于1号和2号试管中,滴加中性KI溶液。1 号试管溶液颜色不变。2号试管溶液变为棕色,加入CCl4振荡,静置后CCl4层显 色。可知该条件下KClO3的氧化能力 (填“大于”或“小于”)NaClO。
答案:(1)圆底烧瓶 饱和食盐水
(2)水浴加热 Cl2+2OH-══Cl-+ClO-+H2O 避免生成NaClO3
(3)吸收尾气(Cl2) AC
(4)过滤 少量(冷)水洗涤
(5)紫 小于
解析:本题考查了氯气的制备、除杂、尾气吸收,用氯气在不同的温度条件下制备KClO3、NaClO,同时还考查了物质氧化性强弱的比较等。
实验装置分析:整套装置的最左端为氯气的发生装置,利用二氧化锰固体与浓盐酸在加热条件下制取氯气,由于盐酸有挥发性,导致氯气中含有杂质HCl和水蒸气。其中,氯气中的杂质HCl气体会影响后面KClO3和NaClO的制备,故需要用饱和食盐水(a中盛放试剂)除去氯气中的HCl杂质。b为氯气与KOH溶液在加热条件下制取KClO3的装置,发生的反应为3Cl2+6KOH KClO3+5KCl+3H2O。c为氯气与NaOH溶液在较低温度下制取NaClO的装置,发生的反应为Cl2+2NaOH══NaCl+NaClO+H2O。d为尾气的吸收装置,可防止污染环境,吸收氯气可用还原性物质或碱性溶液。
(2)b中采用的是水浴加热方法。c装置中反应的离子方程式为Cl2+2OH-══Cl-+ClO-+H2O,c中采用冰水浴的目的是防止温度较高氯气与NaOH溶液反应生成NaClO3。
(3)d装置中应盛放还原性物质或碱性物质,故符合条件的试剂为A、C。
(4)从溶液中获得晶体可采用的方法步骤为:冷却结晶→过滤→洗涤(少量冷水)→干燥。
(5)1号试管中的KClO3溶液不能将I-氧化为单质I2,而2号试管中的NaClO溶液可将I-氧化为I2,故在此条件下氧化性:KClO3小于NaClO。四氯化碳萃取出碘水中的I2后,静置一段时间可观察到液体分为两层,由于四氯化碳的密度大于水的密度,则碘的四氯化碳溶液在下层,呈紫色。
二、物质制备类综合实验的问题解决能力的训练
梳理归纳
物质制备类综合实验题是高考实验命题的一大亮点,也是难点。分析近几年高考试题,不难发现大部分是以陌生物质的制备为载体的实验题,综合考查实验相关知识和考生综合分析问题的能力。能很好地考查学生综合运用化学实验基础知识解决实际问题的能力,因而备受高考命题者的青睐。在解答时,要明确实验目的、理清各个部分装置的作用、弄清楚各步操作的目的及可能发生的相关反应,最后结合所制备物质的性质、所学物质制备装置的模型等作出判断。
1.物质制备类综合实验题的命题方向
(1)考查制备原理:如试剂与仪器的使用、实验现象的描述、反应原理等。
(2)考查实验的基本操作:如气密性检查、物质分离与提纯的方法、沉淀洗涤、物质检验等。
(3)考查探究实验设计:如设计实验进行酸性强弱的判断、对不同方案进行评价等。
(4)考查绿色化学:如尾气的处理、循环利用等。
(5)考查计算:如计算原料投料比、产品纯度、产率等。
2.物质制备类综合实验题的解题流程
(1)分析制备流程。
(2)重要仪器。
(3)特殊实验装置的分析。
①制备在空气中易吸水、潮解以及水解的物质(如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。
②用液体吸收气体,若气体溶解度较大,要加防倒吸装置。
③若制备物质易被空气中的氧气氧化,应加排空气装置。
(4)依据反应特点作答。
①加热操作:a.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;b.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。
②有机化合物的制备:a.有机化合物易挥发,反应中通常采用冷凝回流装置,以提高原料的利用率和产物的产率;b.在实验中需要控制反应条件,以减少副反应的发生;c.根据产物与杂质的性质特点,选择合适的分离提纯方法。
题型剖析
题型一 以非气态无机物制备为背景的综合实验问题
解题思路
1.明确实验目的
阅读试题,明确本实验的实验目的是什么,即要制备什么物质。
2.明确实验原理
首先,通过分析题目提供的信息,搞清楚制备目标物质所用的反应原理,即通过什么反应来制备该物质。
然后,根据反应物、产物的特点分析可能引入的杂质有什么,通过什么原理除去以达到净化的目的。
3.明确制备过程
依据实验原理,阅读分析题目信息,搞清楚制备的具体过程,明确制备过程中需要注意的问题。抽取解答后续问题需要的信息和证据。
4.分析解答问题
在分析利用信息解答问题时,清楚问题的命题角度很重要,所谓命题角度就是解答问题的思路。一般来说,基于非气态无机物制备的实验综合题,考查的角度涉及反应原理的考查,实验条件控制的方法选择与目的描述,产品纯度的控制,杂质处理方法的选择与目的描述,产品产率的测定与计算等等。
题型训练
1.(2023山东卷)三氯甲硅烷(SiHCl3)是制取高纯硅的重要原料,常温下为无色液体,沸点为31.8 ℃,熔点为-126.5 ℃,易水解。实验室根据反应Si+3HCl SiHCl3+H2,利用如下装置制备SiHCl3粗品(加热及夹持装置略)。回答下列问题。
(1)制备SiHCl3时进行操作:(ⅰ)……;(ⅱ)将盛有硅粉的瓷舟置于管式炉中;(ⅲ)通入HCl,一段时间后接通冷凝装置,加热开始反应。操作(ⅰ)为 ;
判断制备反应结束的实验现象是 。图示装置存在的两处缺陷是① ;② 。
(2)已知电负性Cl>H>Si,SiHCl3在浓NaOH溶液中发生反应的化学方程式为 。
(3)采用如下方法测定溶有少量HCl的SiHCl3纯度。
m1 g样品经水解、干燥等预处理过程得硅酸水合物后,进行如下实验操作:① ,② (填操作名称),③称量等操作,测得所得固体氧化物质量为m2 g,从下列仪器中选出①、②中需使用的仪器,依次为 (填大写字母)。测得样品纯度为 (用含m1、m2的代数式表示)。
答案:(1)连接装置,检查气密性 冷凝管下端无液体滴下
①C、D之间没有干燥装置 ②缺少处理氢气的装置
(2)SiHCl3+5NaOH(浓)══Na2SiO3+H2↑+3NaCl+2H2O
解析:(1)因该实验中有气体通入和产生,故实验开始前必须先检查装置气密性;制备反应结束时,管式炉中硅粉转化为SiHCl3且被冷凝后进入蒸馏烧瓶,因此可通过观察冷凝管下端无液体滴下来判断反应结束。
因SiHCl3易水解,需在装置C、D之间增加干燥装置;产物氢气是可燃性气体且无法被NaOH溶液吸收,需要另增加氢气收集装置(如储气瓶、气球等)。
(2)依据电负性Cl>H>Si可知,在SiHCl3中,Si为+4价、H为-1价、Cl为-1价,其与浓NaOH溶液发生反应的化学方程式为SiHCl3+5NaOH(浓)══ Na2SiO3+H2↑+3NaCl+2H2O(也可认为SiHCl3先水解为H2SiO3、H2、HCl,再与浓NaOH溶液反应)。
(3)样品经水解、干燥等预处理后,得到H2SiO3;再将H2SiO3置于坩埚中煅烧,转化为SiO2,然后将坩埚放入干燥器中冷却,反复2~3次后称量,m2 g即为所得固体氧化物SiO2的质量。依据上述分析,实验操作①为煅烧,②为冷却,①、②中需使用的仪器为A、C。
SiHCl3纯度测定过程中有以下关系式:
2.(2021全国乙)氧化石墨烯具有稳定的网状结构,在能源、材料等领域有着重要的应用前景。通过氧化剥离石墨制备氧化石墨烯的一种方法如下(装置如图所示):
Ⅰ.将浓硫酸、NaNO3、石墨粉末在c中混合,置于冰水浴中。剧烈搅拌下,分批缓慢加入KMnO4粉末,塞好瓶口。
Ⅱ.转至油浴中,35 ℃搅拌1小时。缓慢滴加一定量的蒸馏水。升温至98 ℃并保持1小时。
Ⅲ.转移至大烧杯中,静置冷却至室温。加入大量蒸馏水,而后滴加H2O2至悬浊液由紫色变为土黄色。
Ⅳ.离心分离,稀盐酸洗涤沉淀。
Ⅴ.蒸馏水洗涤沉淀。
Ⅵ.冷冻干燥,得到土黄色的氧化石墨烯。
回答下列问题。
(1)装置图中,仪器a、c的名称分别是 、 ,仪器b的进水口是 (填字母)。
(2)步骤Ⅰ中,需分批缓慢加入KMnO4粉末并使用冰水浴,原因是 。
(3)步骤Ⅱ中的加热方式采用油浴,不使用热水浴,原因是 。
(4)步骤Ⅲ中,H2O2的作用是 (以离子方程式表示)。
(5)步骤Ⅳ中,洗涤是否完成,可通过检测洗出液中是否存在 来判断。检测的方法是 。
(6)步骤Ⅴ可用pH试纸检测来判断Cl-是否洗净,其理由是 。
答案:(1)滴液漏斗 三颈烧瓶 d
(2)防止反应过快产生其他副反应
(3)便于控制温度,因为98 ℃已接近水的沸点
(4)5H2O2+2 +6H+══2Mn2++5O2↑+8H2O
(5)取少量洗出液,滴加BaCl2溶液看是否有白色沉淀生成
(6)步骤Ⅳ中用稀盐酸洗涤沉淀,稀盐酸中含有大量的H+和Cl-,故可用溶液的pH判断Cl-是否洗净
解析:(1)由图示可知,a的名称是滴液漏斗,c的名称是三颈烧瓶;根据冷凝管中冷却水低进高出的原则,仪器b的进水口是d。
(2)KMnO4受热易分解,为防止KMnO4分解并使石墨粉末被氧化生成石墨烯,KMnO4应分批缓慢加入并使用冰水浴。使用冰水浴控制温度可以防止反应过快,还可以防止浓硫酸与硝酸钠作用生成的硝酸分解。
(3)步骤Ⅱ中采用油浴,便于控制温度,因为98 ℃已接近水的沸点。
(4)步骤Ⅲ中H2O2的作用是除去过量的KMnO4,反应的离子方程式为5H2O2+2 +6H+══2Mn2++5O2↑+8H2O。
(5)检验用盐酸洗涤沉淀所得洗出液中是否存在 的方法是:取少量洗出液,滴加BaCl2溶液,若无白色沉淀生成,说明洗出液中不含 ;若有白色沉淀生成,则说明洗出液中仍然含有 。
(6)由于步骤Ⅳ中是用稀盐酸洗涤沉淀,稀盐酸中含有大量的H+和Cl-,所以可用pH试纸检测溶液的pH,通过H+的浓度判断Cl-是否洗净。
3.(2022湖南卷改编)某实验小组以BaS溶液为原料制备BaCl2·2H2O,并用重量法测定产品中BaCl2·2H2O的含量。设计了如下实验方案:
可选用试剂:NaCl晶体、BaS溶液、浓硫酸、稀硫酸、CuSO4溶液、蒸馏水
步骤1.BaCl2·2H2O的制备
按如图所示装置进行实验,得到BaCl2溶液,经一系列步骤获得BaCl2·2H2O产品。
步骤2.产品中BaCl2·2H2O的含量测定
①称取产品0.500 0 g,用100 mL水溶解,酸化,加热至近沸;
②在不断搅拌下,向①所得溶液逐滴加入热的0.100 mol·L-1 H2SO4溶液;
③沉淀完全后,60 ℃水浴40分钟,经过滤、洗涤、烘干等步骤,称量白色固体,质量为0.466 0 g。
回答下列问题:
(1)Ⅰ是制取 气体的装置,在试剂a过量并微热时,发生主要反应的化学方程式为 ;
(2)Ⅱ中b仪器的作用是 ;Ⅲ中的试剂应选用 ;
(3)在沉淀过程中,某同学在加入一定量热的H2SO4溶液后,认为沉淀已经完全,判断沉淀已完全的方法是 ;
(4)沉淀过程中需加入过量的H2SO4溶液,原因是 ;
(5)在过滤操作中,下列仪器不需要用到的是 (填名称);
(6)产品中BaCl2·2H2O的质量分数为 (计算结果精确到0.1%)。
答案:(1)氯化氢 2NaCl+H2SO4(浓) Na2SO4+2HCl↑
(2)防倒吸 CuSO4溶液
(3)在上层清液中滴加热的H2SO4溶液后,无明显现象
(4)保证Ba2+沉淀完全
(5)锥形瓶
(6)97.6%
解析:本题考查BaCl2·2H2O的制备和纯度测定。
(1)根据所给试剂和实验目的是由BaS制取BaCl2·2H2O,首先需要用NaCl晶体与浓硫酸在微热条件下反应制取HCl,然后将HCl气体通入Ⅱ装置与BaS反应生成BaCl2。
(2)HCl极易溶于水,b可以起到防止倒吸的作用。装置Ⅲ的作用是吸收H2S,防止尾气污染空气,吸收H2S应选用CuSO4溶液,反应的化学方程式为CuSO4+H2S══CuS↓+H2SO4。
(3)向溶液中逐滴加入热的H2SO4溶液,静置后向上层清液中继续滴加热的H2SO4溶液,若不出现沉淀(无明显现象)则证明硫酸已过量,Ba2+已经沉淀完全。
(4)该实验通过BaSO4的沉淀量测定BaCl2·2H2O的纯度,应使溶液中Ba2+沉淀完全,加入过量H2SO4溶液的目的是使Ba2+沉淀完全。
(5)过滤中用的玻璃仪器有漏斗、玻璃棒和烧杯,不需要锥形瓶。
(6)根据Ba元素守恒可得关系式:
BaCl2·2H2O ~ BaSO4
244 233
m 0.466 0 g
解得:m=0.488 0 g
题型二 以气态物质制备为背景的综合实验问题
解题思路
1.熟练掌握涉气类实验装置
(1)常见气体制备装置。
(2)气体的收集装置。
(3)可作为冷凝或冷却的装置。
2.熟练掌握气体制备实验设计的一般流程与思路
(1)一般流程:
仪器连接→检查气密性→装试剂→防倒吸防氧化措施→实验过程→仪器拆卸
(2)设计思路:
特别提醒(1)装配仪器时:先下后上,先左后右。
(2)加入试剂时:先固后液。
(3)实验开始时:先检查装置气密性,再加试剂,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、无臭的气体,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。
3.明确气体制备类综合实验的命题角度
气体制备类综合实验的命题角度,一般关注反应原理的选择以及相对应的发生装置的选择,干燥、净化试剂及其装置的选用,气体收集方法及尾气处理方法的选择。
4.分析解答问题
对于陌生气体的制备,在最后解答问题时,应充分利用好题目提供的信息,要学会用题做题。
题型训练
1.某化学兴趣小组的同学利用如图所示实验装置进行某些气体的制备、性质等实验(图中夹持装置有省略)。
请按有关要求回答下列问题。
(1)根据上述实验装置,为制备干燥NH3可选用的发生、净化装置为
接 ,其中发生装置中可以选用试剂为 (填字母)。
a.碱石灰和浓氨水 b.无水CaCl2和浓氨水
c.碱石灰和氯化铵 d.生石灰和氯化铵
(2)根据上述实验装置,为制备纯净、干燥的Cl2可选用的发生、净化装置为 接E、E(用两个相同的装置),而第一个E装置内的试剂是 。
(3)已知Cl2与NH3可发生反应:3Cl2+2NH3══N2+6HCl。利用装置F可探究Cl2与 NH3的反应。实验时打开止水夹1、3,关闭2,先向烧瓶中通入 ,然后关闭1、3,打开2,向烧瓶中慢慢通入一定量的另一种气体。一段时间后烧瓶内出现的现象为 。其中装置F烧杯中发生反应的离子方程式为 。请设计一个实验方案(答出操作过程、实验现象)鉴定生成固体中的阳离子: 。
(4)若制取的Cl2与CH4在装置F(光照)中发生反应,其有机产物有
(填分子式)。
答案:(1)C D a
(2)A 饱和食盐水
(3)氯气 气体的黄绿色逐渐变浅甚至消失,有白烟产生 Cl2+2OH-══Cl-+ClO-+H2O 取少量固体放入试管中,加入适量NaOH溶液并加热,在管口用湿润的红色石蕊试纸检验产生的气体,若湿润的红色石蕊试纸变蓝,证明固体中有
(4)CH3Cl、CH2Cl2、CHCl3和CCl4
解析:(1)根据氨气的制备原理,可利用碱性物质与浓氨水反应,故采用装置C制备,干燥氨气可用碱石灰或生石灰在干燥管(装置D)中干燥。(2)实验室利用MnO2与浓盐酸反应制取的氯气中含有HCl和水蒸气,要得到干燥、纯净的Cl2,可用饱和食盐水除HCl,再用浓硫酸干燥Cl2,采用的制备装置是A。
(3)应先向烧瓶中通Cl2,再通NH3,因为Cl2的密度大且有颜色,便于观察是否充满;一开始若通NH3,由于止水夹3打开,容易形成喷泉;通入NH3后,NH3与Cl2反应,烧瓶中气体颜色变浅甚至消失,生成的HCl与NH3反应生成NH4Cl,有白烟生成;其中装置F的烧杯中盛有NaOH溶液,可吸收多余的Cl2,防止污染环境,反应的离子方程式为Cl2+2OH-══Cl-+ClO-+H2O;检验
2.某化学兴趣小组在实验室用除去表面氧化物的铁钉(碳素钢)与浓硫酸共热制取SO2并完成相关性质探究(不考虑水蒸气)。
(1)有同学认为制得的SO2中可能混有杂质,其化学式为 和
,原因是 。
(2)为验证气体成分,兴趣小组同学设计了下图所示装置进行了实验探究。
①为验证并吸收SO2,装置B中加入的试剂为 ,装置C中品红溶液的作用是 ;
②装置D中加入的试剂为 ;
③装置G中可能出现的现象为 ;
④装置H的作用为 。
(3)兴趣小组设计如图装置验证二氧化硫的化学性质。
①能验证SO2具有氧化性的实验
现象为 。
②为验证SO2的还原性,取试管b中
充分反应后的溶液分成三份,分别
进行如下实验。
方案Ⅰ:向第一份溶液中加入
品红溶液,红色褪去。
方案Ⅱ:向第二份溶液中加入BaCl2溶液,产生白色沉淀。
方案Ⅲ:向第三份溶液中加入AgNO3溶液,有白色沉淀生成。
上述方案中合理的是 (填“Ⅰ”“Ⅱ”或“Ⅲ”);试管b中发生反应的离子方程式为 。
答案:(1)CO2 H2 铁钉中含碳元素,在加热条件下会与浓硫酸反应生成CO2;随着反应进行,浓硫酸变稀,铁与稀硫酸反应产生氢气
(2)①酸性KMnO4溶液(其他合理答案也可) 验证SO2是否被完全吸收
②澄清石灰水 ③无水硫酸铜变蓝色
④防止空气中H2O进入干燥管而影响杂质气体的检验
(3)①a试管中溶液变浑浊 ②Ⅱ
解析:(1)铁钉中含碳元素,在加热条件下会与浓硫酸反应生成CO2;随着反应进行,浓硫酸变稀,铁与稀硫酸反应产生氢气,故制得的SO2中可能混有杂质CO2和H2。(2)①装置B中加入的酸性KMnO4溶液能检验并吸收SO2,若SO2被吸收完全,装置C中的品红溶液不褪色。②装置D中加入的澄清石灰水,可检验气体中是否有CO2。③装置E中浓硫酸可干燥气体,装置F中CuO与H2反应生成H2O,G中无水硫酸铜吸收水蒸气后变蓝色。④装置H中装有干燥剂,其作用为防止空气中的H2O进入干燥管而影响杂质气体的检验。
题型三 以有机化合物制备为背景的综合实验问题
解题思路
1.根据题给信息弄清楚反应物及目标产物的性质特点
反应物及目标产物的性质特点主要包括溶解性、挥发性、熔沸点及聚集状态等等。
2.根据研究制备反应,弄清楚反应的特点
反应特点包括反应的可逆性、副反应的多少、反应的热量变化情况及反应的选择性等等。
3.分析制备装置等构成,弄清楚每个仪器的作用
仪器的作用常常包括冷凝管的作用、三颈烧瓶的作用、滴液漏斗的作用、温度计的作用。
4.还要弄清楚反应条件的控制方法
比如,加热方法、酸碱性环境、溶剂化作用等等。
5.还要关注如下几个问题
(1)有机化合物易挥发,因此在反应中通常要采用冷凝回流装置,以减少有机化合物的挥发,提高原料的利用率和产物的产率。
(2)有机反应通常都是可逆反应,且易发生副反应,因此常使某种价格较低的反应物过量,以提高另一反应物的转化率和产物的产率,同时在实验中需要控制反应条件,以减少副反应的发生。
(3)根据产品与杂质的性质特点选择合适的分离提纯方法,如蒸馏、分液等。
题型训练
1.(2023辽宁卷)2-噻吩乙醇(Mr=128)是抗血栓药物氯吡格雷的重要中间体,其制备方法如下:
Ⅰ.制钠砂。向烧瓶中加入300 mL液体A和4.60 g金属钠,加热至钠熔化后,盖紧塞子,振荡至大量微小钠珠出现。
Ⅱ.制噻吩钠。降温至10 ℃,加入25 mL噻吩,反应至钠砂消失。
Ⅲ.制噻吩乙醇钠。降温至-10 ℃,加入稍过量的环氧乙烷的四氢呋喃溶液,反应30 min。
Ⅳ.水解。恢复室温,加入70 mL水,搅拌30 min;加盐酸调pH至4~6,继续反应2 h,分液;用水洗涤有机相,二次分液。
Ⅴ.分离。向有机相中加入无水MgSO4,静置,过滤,对滤液进行蒸馏,蒸出四氢呋喃、噻吩和液体A后,得到产品17.92 g。
回答下列问题。
(1)步骤Ⅰ中液体A可以选择 。
a.乙醇 b.水
c.甲苯 d.液氨
(2)噻吩沸点低于吡咯( )的原因是 。
(3)步骤Ⅱ的化学方程式为 。
(4)步骤Ⅲ中反应放热,为防止温度过高引发副反应,加入环氧乙烷溶液的方法是 。
(5)步骤Ⅳ中用盐酸调节pH的目的是 。
(6)下列仪器在步骤Ⅴ中无需使用的是 (填名称);无水MgSO4的作用为 。
(7)产品的产率为 (用Na计算,精确至0.1%)。
答案:(1)c
(2)噻吩与吡咯均为分子晶体,噻吩分子间仅存在范德华力,而吡咯分子间还存在氢键,沸点更高
(3)
(4)少量多次加入
(5)提供酸性环境,利于水解
(6)球形冷凝管与分液漏斗 干燥吸水
(7)70.0%
解析:(1)钠能与乙醇、水、液氨发生置换反应,因此只能选择甲苯作为溶剂。
(2)通过实验中的物质对结构化学的内容进行考查,噻吩与吡咯均为分子晶体,噻吩分子间仅存在范德华力,而吡咯分子间还存在氢键,沸点更高。
(3)该反应为置换反应,其化学方程式为 。
(4)因反应放热,为防止温度过高引发副反应,应将环氧乙烷溶液少量多次加入。
(5)该过程为将2-噻吩乙醇钠水解为2-噻吩乙醇,提供酸性环境,利于水解并产生可溶性的NaCl,便于后续分液。
(6)向有机相中加入无水硫酸镁的目的为吸水干燥。进行过滤所需的装置为:漏斗、烧杯、玻璃棒;后续的蒸馏过程中所需的仪器有:酒精灯、蒸馏烧瓶、温度计、直形冷凝管、尾接管、锥形瓶。因此用不到的仪器为球形冷凝管和分液漏斗。
(7)按Na计算,根据反应物Na的物质的量为0.2 mol可知理论上产物的物质的量为0.2 mol,质量为25.6 g,实际得到的产物为17.92 g,因此其产率为70.0%。
2.(2024吉林卷)某实验小组为实现乙酸乙酯的绿色制备及反应过程可视化,设计实验方案如下:
Ⅰ.向50 mL烧瓶中分别加入5.7 mL乙酸(100 mmol)、8.8 mL乙醇(150 mmol)、1.4 g NaHSO4固体及4~6滴1‰甲基紫的乙醇溶液。向小孔冷凝柱中装入变色硅胶。
Ⅱ.加热回流50 min后,反应液由蓝色变为紫色,变色硅胶由蓝色变为粉红色,停止加热。
Ⅲ.冷却后,向烧瓶中缓慢加入饱和Na2CO3溶液至无CO2逸出,分离出有机相。
Ⅳ.洗涤有机相后,加入无水MgSO4,过滤。
Ⅴ.蒸馏滤液,收集73~78 ℃馏分,得无色液体6.60 g,色谱检测纯度为98.0%。
回答下列问题。
(1)NaHSO4在反应中起 作用,用其代替浓硫酸的优点是 (答出一条即可)。
(2)甲基紫和变色硅胶的颜色变化均可指示反应进程。变色硅胶吸水,除指示反应进程外,还可 。
(3)使用小孔冷凝柱承载,而不向反应液中直接加入变色硅胶的优点是
(填字母)。
A.无需分离
B.增大该反应平衡常数
C.起到沸石作用,防止暴沸
D.不影响甲基紫指示反应进程
(4)下列仪器中,分离有机相和洗涤有机相时均需使用的是 (填名称)。
(5)该实验乙酸乙酯的产率为 (精确至0.1%)。
(6)若改用C2OH作为反应物进行反应,质谱检测目标产物分子离子峰的质荷比数值应为 (精确至1)。
答案:(1)催化剂 浓硫酸具有脱水性,使原料炭化,NaHSO4无脱水性,使产品产率更高(或其他合理答案)
(2)吸收生成的H2O,使平衡正向移动,提高乙酸乙酯的产率
(3)AD (4)分液漏斗 (5)73.5% (6)90
解析:乙酸乙酯的制备原理为
其中浓硫酸的作用为催化剂和吸水剂,既能催化反应,加快反应,又能吸收反应生成的水,使平衡正向移动,增大产率。本题所给实验中用NaHSO4代替浓硫酸起催化作用,用能吸水的变色硅胶吸水,使平衡正向移动,冷却后用Na2CO3溶液将剩余的酸性物质反应掉,用无水MgSO4干燥产品,最后蒸馏收集73~78 ℃馏分获得产品乙酸乙酯。
(1)用NaHSO4代替浓硫酸起催化作用,因为浓硫酸有脱水性,能够将反应原料炭化,而NaHSO4无脱水性,可提高产品产率。同时还有减少有毒气体(SO2)的产生等其他优点。
(2)变色硅胶有吸水性,可吸收反应生成的水,使酯化反应平衡右移,提高产率。
(3)不向溶液中直接加入变色硅胶的优点是后续过程中不用再分离出去,且与甲基紫指示剂分开,不会影响其指示过程。平衡常数只与温度有关。故选AD。
(4)分离有机相和洗涤有机相均需用分液漏斗进行分液。容量瓶在配制一定物质的量浓度的溶液时使用,普通漏斗在过滤时使用,洗气瓶在除气体中的杂质时使用。
(5)产率=×100%。原料中乙酸和乙醇按物质的量之比为1∶1反应,显然乙酸比乙醇的量少,利用乙酸的物质的量计算产率:
×100%=73.5%。
(6)酯化反应中,酸脱羟基醇脱氢,得到的产品应为CH3CO18OCH2CH3,其分子离子峰的质荷比数值为90。
三、定量分析型综合实验问题解决能力的训练
梳理归纳
定量实验是将化学实验与化学计量有机地结合在一起测定物质化学组成与含量的探究性实验,是近几年高考命题的常考题型。设计中先通过实验测出相关的有效数据,然后经计算得出物质的组成与含量。由于定量实验目的性、实用性强,更能激发学生的学习兴趣,培养学生严谨求实的科学态度。因此复习过程中要注重定性实验拓展到定量实验的探讨。
1.定量分析型综合实验题数据的测定方法
(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纯度。
(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。
2.解题注意事项
(1)实验中要具备的三种意识。
①要有消除干扰气体的意识。如用“惰性气体”将干扰气体排出,或用溶液吸收干扰气体等。
②要有被测量气体全部被测量的意识。如可以采用反应结束后继续向装置中通入“惰性气体”以使被测量的气体全部被吸收剂吸收的方法。
③要有数据的采集处理意识。实验数据的采集是化学计算的基础,一般的固体试剂采用称量质量,而液体试剂和气体试剂采用测量体积。
(2)定量分析型综合实验题的解题关键为数据处理和误差分析,数据的处理一般注意五个方面。
①是否符合测量仪器的精度。
②数据是否在误差允许范围内。
③数据的测试环境。
④数据的测量过程是否规范、合理。
⑤少量物质是否完全反应;过量物质对数据是否有影响。
3.定量分析型综合实验题的解题模板
题型剖析
题型一 应用滴定原理测定型综合实验问题
解题思路
1.明确滴定原理的类型
如确定是酸碱中和滴定、氧化还原滴定、沉淀滴定,还是络合滴定。
2.依据反应特点,理清滴定试剂与待测定物质间的定量关系
一般来说,氧化还原滴定可根据电子得失守恒建立定量关系,其余滴定必须根据具体的反应情况确定定量关系。
3.搜集数据,代入计算,得出结果
滴定分析一般需要进行三次平行实验,通常应先分析数据,舍去错误的数据,再根据反应关系进行计算,得出结果。
题型训练
1.实验室利用如图装置探究SO2还原CuO,并进一步检测产物含量。已知Cu2O+2H+══Cu+Cu2++H2O。回答下列相关问题。
Ⅰ.SO2还原CuO的探究。
(1)装置B中宜放入的试剂为 ,消膜泡的作用是 。
(2)使用98%的H2SO4溶液制备SO2的速率明显小于使用65%的H2SO4溶液制备SO2,原因是 。
(3)充分反应后,黑色固体变为红色。取C中适量的产物,加水后溶液显蓝色并有红色沉淀物,取红色沉淀物滴加盐酸,溶液又呈蓝色并仍有少量红色难溶物,由此可以得出SO2与CuO反应的化学方程式为 。
Ⅱ.生成物中CuSO4含量检测。
(4)用“碘量法”测定产物中CuSO4含量。取a g固体溶于水配制成250 mL溶液,取25.00 mL溶液滴加几滴稀硫酸,再加入过量KI溶液,以淀粉溶液为指示剂用Na2S2O3标准溶液滴定,相关化学反应为
①Na2S2O3标准溶液易变质,滴定前需要标定。配制该溶液时需要的玻璃仪器有烧杯、 、玻璃棒和试剂瓶。
②若消耗0.100 0 mol·L-1 Na2S2O3标准溶液b mL,则产物中CuSO4的质量分数为 (写表达式)。
答案:(1)浓硫酸 防止B中液体被吹入装置C中
(2)98%的H2SO4溶液中H+浓度较小,反应速率较小
解析:(1)实验室一般用中等浓度的硫酸与亚硫酸盐反应制备SO2,所以装置A是制备SO2的装置,发生的反应为Na2SO3+H2SO4══Na2SO4+H2O+SO2↑,制备的SO2中含有水蒸气,应用浓硫酸干燥,消膜泡可防止B中的浓硫酸被SO2的气流吹入C装置中。
(2)制取SO2的反应实质是氢离子与亚硫酸根离子反应,98%的H2SO4溶液中溶质主要是H2SO4分子,而H+浓度较小,所以反应速率较小。
(3)根据信息,可以得出产物有硫酸铜和氧化亚铜,反应的化学方程式为3CuO+SO2 CuSO4+Cu2O。
(4)①标准溶液滴定前需要标定,不需要容积特别精准的容量瓶,所以配制Na2S2O3标准溶液时需要的玻璃仪器除了烧杯、玻璃棒和试剂瓶外,还需要量筒。
2.(2022山东卷)实验室利用FeCl2·4H2O和亚硫酰氯(SOCl2)制备无水FeCl2的装置如图所示(加热及夹持装置略)。已知SOCl2沸点为76 ℃,遇水极易反应生成两种酸性气体。
回答下列问题:
(1)实验开始先通N2。一段时间后,先加热装置 (填“a”或“b”)。装置b内发生反应的化学方程式为 。装置c、d共同起到的作用是 。
(2)现有含少量杂质的FeCl2·nH2O,为测定n值进行如下实验:
实验Ⅰ:称取m1 g样品,用足量稀硫酸溶解后,用c mol·L-1 K2Cr2O7标准溶液滴定Fe2+达终点时消耗V mL(滴定过程中 转化为Cr3+,Cl-不反应)。
实验Ⅱ:另取m1 g样品,利用上述装置与足量SOCl2反应后,固体质量为m2 g。
则n= ;下列情况会导致n测量值偏小的是 (填字母)。
A.样品中含少量FeO杂质
B.样品与SOCl2反应时失水不充分
C.实验Ⅰ中,称重后样品发生了潮解
D.滴定达终点时发现滴定管尖嘴内有气泡生成
(3)用上述装置,根据反应TiO2+CCl4 TiCl4+CO2制备TiCl4。已知TiCl4与CCl4分子结构相似,与CCl4互溶,但极易水解。选择合适仪器并组装蒸馏装置对TiCl4、CCl4混合物进行蒸馏提纯(加热及夹持装置略),安装顺序为①⑨⑧ (填序号),先馏出的物质为 。
答案:(1)a FeCl2·4H2O+4SOCl2 FeCl2+4SO2↑+8HCl↑ 冷凝回流SOCl2
(3)⑥⑩③⑤ CCl4
解析:已知SOCl2遇水极易反应生成两种酸性气体,则FeCl2·4H2O与SOCl2制备无水FeCl2的反应原理为SOCl2吸收FeCl2·4H2O受热失去的结晶水生成SO2和HCl,HCl可抑制FeCl2的水解,从而制得无水FeCl2。
(1)实验开始时先通N2,排尽装置中的空气,防止氯化亚铁被氧化。一段时间后,先加热装置a,产生的SOCl2气体充满b装置后,再加热b装置,装置b中发生反应的化学方程式为FeCl2·4H2O+4SOCl2 FeCl2+4SO2↑+8HCl↑;装置c、d的共同作用是冷凝回流SOCl2,提高SOCl2的利用率。
合题意;C项,实验Ⅰ称重后,样品发生了潮解,样品的质量变大,但是消耗的K2Cr2O7溶液的体积V不变,使n的测量值不变,不符合题意;D项,滴定达到终点时发现滴定管尖嘴内有气泡生成,导致读取的K2Cr2O7溶液的体积V偏小,使n的测量值偏大,不符合题意。
(3)组装蒸馏装置对TiCl4、CCl4混合物进行蒸馏提纯,按由下而上、从左到右的顺序组装,安装顺序为①⑨⑧,然后连接冷凝管,蒸馏装置中应选择直形冷凝管⑥、不选用球形冷凝管⑦,接着连接尾接管⑩,TiCl4极易水解,为防止外界水蒸气进入,最后连接③⑤(防止空气中的水蒸气进入),综上,安装顺序为①⑨⑧⑥⑩③⑤;由于TiCl4、CCl4分子结构相似,TiCl4的相对分子质量大于CCl4,TiCl4分子间的范德华力较大,TiCl4的沸点高于CCl4的沸点,故先蒸出的物质为CCl4。
题型二 热重分析型综合实验问题
解题思路
首先,明确加热过程中什么元素质量发生变化,什么元素质量不变。一般来说,固体加热首先失重为水的质量,然后是非金属氧化物的质量,而金属元素的质量是保持不变的。
然后,根据热重分析所得到的数据,利用质量守恒进行有关计算。
题型训练
1.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,具体流程如下:
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80~95 ℃,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 (填字母)。
(3)步骤③中选用足量的H2O2溶液,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 。
答案:(1)碱煮水洗
(2)加快反应 水浴加热 C
(3)将Fe2+全部氧化为Fe3+,不引入新的杂质 防止Fe3+水解
(4)加热浓缩、冷却结晶、过滤(洗涤)
(5)NH4Fe(SO4)2·12H2O
解析:(1)步骤①的目的是去除废铁屑表面的油污,油污在碱性条件下容易水解,所以工业上常常用热的碳酸钠溶液清洗,即碱煮水洗。(2)步骤②需要加热的目的是加快反应速率;温度保持80~95 ℃,由于保持温度比较恒定且低于水的沸点,故采用的加热方式是水浴加热(热水浴);铁屑中含有少量硫化物,硫化物与硫酸反应生成硫化氢气体,可以用氢氧化钠溶液吸收,为了防止倒吸可以加装倒置的漏斗,故选择C装置。(3)步骤③中选用足量的H2O2,H2O2可以将Fe2+氧化为Fe3+,且H2O2的还原产物为H2O,不会引入新的杂质。因为H2O2本身易分解,所以在加入时需分批加入,同时为了防止Fe3+水解,溶液要保持pH小于0.5。(4)为了除去可溶性的硫酸铵、铁离子等,需要经过的步骤为加热浓缩、冷却结晶、过滤(洗涤)。
(5)设硫酸铁铵的化学式为NH4Fe(SO4)2·xH2O,其相对分子质量为266+18x,
1.5个水分子的相对分子质量为1.5×18=27,
则 ×100%=5.6%,解得x=12,则硫酸铁铵的化学式为NH4Fe(SO4)2·12H2O。
2.草酸亚铁晶体(FeC2O4·2H2O)常用作分析试剂及显影剂等。下图是将一定质量的草酸亚铁在氩气氛围中进行热重分析的示意图(TG%表示残留固体质量占原样品质量的百分数)。请回答下列问题。
(1)B处残留物的化学式为 。C处残留物的化学式为 。
(2)A→C整个反应过程中总反应的化学方程式为 。
(3)上述FeC2O4·2H2O在氩气气氛中进行热重分析的原因是 。
若将分解得到的600 ℃时的固体与足量的浓硫酸反应后,将溶液浓缩、冷却,有带9个结晶水的晶体析出,该晶体的化学式为 。
答案:(1)FeC2O4 FeO
(2)FeC2O4·2H2O FeO+CO↑+CO2↑+2H2O
(3)防止FeC2O4在加热过程中被空气中的氧气氧化 Fe2(SO4)3·9H2O
(4)50%
解析:(1)根据图中的相关数据进行计算可知,A→B段为FeC2O4·2H2O加热生成FeC2O4和水的过程;B→60%段为FeC2O4加热生成FeCO3和CO过程;60%→C段为FeCO3加热生成FeO和CO2的过程,所以B处残留物的化学式为FeC2O4,C处残留物的化学式为FeO。(2)A→C整个反应过程中总反应的化学方程式为FeC2O4·2H2O FeO+CO↑+CO2↑+2H2O。(3)将FeC2O4·2H2O在氩气气氛中进行热重分析的原因是防止FeC2O4在加热过程中被空气中的氧气氧化。(4)由可逆反应过程“三段法”可得,反应达平衡时FeO的转化率为50%。
【项目训练突破】
1.为测定CuSO4溶液的浓度,甲、乙两同学设计了两个方案。回答下列问题。
Ⅰ.甲方案
实验原理:CuSO4+BaCl2══BaSO4↓+CuCl2
实验步骤:
足量BaCl2溶液
↓
(1)判断 沉淀完全的操作为 。
(2)步骤②判断沉淀是否洗净所选用的试剂为 。
(3)步骤③灼烧时盛装样品的仪器名称为 。
(4)固体质量为w g,则c(CuSO4)= mol·L-1。
(5)若步骤①从烧杯中转移沉淀时未洗涤烧杯,则测得c(CuSO4) (填“偏高”“偏低”或“无影响”)。
Ⅱ.乙方案
实验原理:Zn+CuSO4══ZnSO4+Cu,Zn+H2SO4══ZnSO4+H2↑
实验步骤:
①按右图安装装置(夹持仪器略去);
②……
③在仪器A、B、C、D、E中加入图示的试剂;
④调整D、E中两液面相平,使D中液面保持在
0或略低于0刻度位置,读数并记录;
⑤将CuSO4溶液滴入A中并搅拌,反应完成后,
再滴加稀硫酸至体系不再有气体产生;
⑥待体系恢复到室温,移动E管,保持D、E中两液面相平,读数并记录;
⑦处理数据。
(6)步骤②为 。
(7)步骤⑥需保证体系恢复到室温的原因是 (填字母)。
a.反应热受温度影响
b.气体密度受温度影响
c.反应速率受温度影响
(8)Zn粉质量为a g,若测得H2体积为b mL,已知实验条件下ρ(H2)=d g·L-1,则c(CuSO4)= mol·L-1(列出计算表达式)。
(9)若步骤⑥E管液面高于D管,未调液面即读数,则测得c(CuSO4) (填“偏高”“偏低”或“无影响”)。
(10)是否能用同样的装置和方法测定MgSO4溶液的浓度: (填“是”或“否”)。
答案:Ⅰ.(1)向上层清液中继续滴加BaCl2溶液,无白色沉淀生成,则沉淀完全 (2)AgNO3溶液
(3)坩埚
解析:本题考查实验基本仪器和基本操作,涉及的基础知识较多,如仪器名称、气密性的检验、沉淀的洗涤等,解答中注意答题规范即可。
Ⅰ.(4)由题意知:
CuSO4 ~ BaSO4
1 1
(5)未洗涤烧杯,会使测得的w偏小,最终导致c(CuSO4)偏低。
Ⅱ.(6)安装实验装置完毕后,要检验装置气密性。
(7)通过排水法测气体的体积,必须考虑气体密度受温度的影响。
(8)Zn+H2SO4══ZnSO4+H2↑
1 1
2.(2023新课标卷)实验室由安息香制备二苯乙二酮的反应式如下:
相关信息列表如下:
物质 性状 熔点/℃ 沸点/℃ 溶解性
安息香 白色固体 133 344 难溶于冷水溶于热水、乙醇、乙酸
二苯乙 二酮 淡黄色固体 95 347 不溶于水
溶于乙醇、苯、乙酸
冰乙酸 无色液体 17 118 与水、乙醇互溶
装置示意图如图所示,实验步骤为:
①在圆底烧瓶中加入10 mL冰乙酸、5 mL水及9.0 g FeCl3·6H2O,边搅拌边加热,至固体全部溶解。
②停止加热,待沸腾平息后加入2.0 g安息香,加热回流45~60 min。
③加入50 mL水,煮沸后冷却,有黄色固体析出。
④过滤,并用冷水洗涤固体3次,得到粗品。
⑤粗品用75%的乙醇重结晶,干燥后得淡黄色结晶1.6 g。
回答下列问题:
(1)仪器A中应加入 (填“水”或“油”)作为热传导介质。
(2)仪器B的名称是 ;冷却水应从 (填“a”或“b”)口通入。
(3)实验步骤②中,安息香必须待沸腾平息后方可加入,其主要目的是
。
(4)在本实验中,FeCl3为氧化剂且过量,其还原产物为 ;某同学尝试改进本实验:采用催化量的FeCl3并通入空气制备二苯乙二酮。该方案是否可行 简述判断理由 。
(5)本实验步骤①~③在乙酸体系中进行,乙酸除作溶剂外,另一主要作用是防止 。
(6)若粗品中混有少量未氧化的安息香,可用少量 (填字母)洗涤的方法除去。若要得到更高纯度的产品,可用重结晶的方法进一步提纯。
a.热水 b.乙酸
c.冷水 d.乙醇
(7)本实验的产率最接近于 (填字母)。
a.85% b.80%
c.75% d.70%
答案:油
(2)球形冷凝管(或回流冷凝管) a
(3)防止暴沸
(4)FeCl2(Fe2+) 可行,因空气中的氧气可将FeCl2(Fe2+)氧化为FeCl3(Fe3+),从而实现循环
(5)FeCl3水解
(6)a
(7)b
解析:(1)根据信息可知,该反应应在大于133 ℃条件下进行,故应采取高于100 ℃加热,采用油浴。
(2)仪器B为球形冷凝管(或回流冷凝管),冷却水应从低处a口通入。
(3)待沸腾平息后加入安息香的目的是防止暴沸。
(4)本实验中FeCl3把安息香氧化为二苯乙二酮的同时,其自身被还原为FeCl2,而FeCl2又被空气中的氧气氧化成FeCl3,从而实现FeCl3的循环利用,进而实现用催化计量的FeCl3和空气中的氧气氧化安息香制备二苯乙二酮。
(5)乙酸的酸性可以抑制Fe3+的水解。
(6)安息香溶于热水,而二苯乙二酮不溶于水,安息香和二苯乙二酮都溶于乙酸和乙醇。
(7)安息香生成二苯乙二酮相对分子质量减小2,故该实验的产率接近:
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