实验室制取气体的思路: 1.知识要点详解在初中化学中,主要应掌握O
2、H
2、CO
2的实验室制法。可以从制备所需仪器、药品、反应原理、收集方法、实验装置、验满、验纯及操作要点等方面进行比较。通过比较,能够总结和归纳实验室制取气体的思路。即:研究反应原理一根据所选药品的状态和反应条件,选择适当的仪器组成相应的实验装置一根据实验装置的特点,设计合理的实验操作步骤,预测可能的注意事项一根据所制取气体的性质,选择相应的收集、检验、验满及验纯的方法。
实验室制取气体及验证其性质的实验,属于基本操作的简单综合实验。通过对比发生装置和收集装置,总结气体的个性及几种气体的共性,提高记忆效果。
2.设计装置的依据制取气体的装置分两部分:气体发生装置和气体收集装置。
发生装置的选取根据反应条件和反应物的状态而设计,收集装置是根据气体的性质(主要是物理性质)而确定的。
确定收集装置的原则——气体的收集方法是由该气体的性质,如密度、在水中的溶解性、是否与空气或水反应、是否有毒等决定的。
气体发生装置:
①“固+固
”的反应,简称“固体加热型”,装置如图A所示,如用KMnO
4或KClO
3和MnO
2制O
2。
②“固+液
”的反应,简称“固液常温型”,装置如图B、C、D、E。如用H
2O
2和MnO
2制O
2、用锌粒与稀H
2SO
4制H
2或用CaCO
3与稀盐酸制CO
2。同B装置相比,D装置具有便于添加液体药品,制取的气体量较多的优点;C装置不仅添加液体药品方便,而且可通过导管上的开关控制反应的发生和停止;E装置可通过分液漏斗的活塞控制加入药品的量和速度。
③“固+液
”的反应的发生装置的其他改进:
为了节约药品,方便操作,可设计如下图所示装置,这些装置都可自动控制。
当打开弹簧夹时,溶液进入反应器内开始反应;当关闭弹簧夹时,气路不通,反应产生的气体将溶液压出反应器外,液体与同体分离,反应停止。
气体收集装置:
收集装置 |
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|
|
选择条件 |
难溶或微溶于水,与水不发生化学反应的气体。如:H2、 O2、CH4等 |
不与空气发生反应,密度比空气密度大的气体。如:O2、 CO2等 |
不与空气发生反应,密度比空气密度小的气体。如:H2、CH4等 |
说明 |
①使用排水法收集的气体较纯净,但缺点是会使收集的气体中禽有水蒸气。当导管口有连续均匀的气泡冒出时才开始收集,当有大量气泡从集气瓶口冒出时,表明气体已收集满。 ②用向上排空气法收集气体,应注意将导管伸到接近集气瓶瓶底,同时应在瓶口盖上玻璃片,以便尽可能地排尽空气,提高所收集气体的纯度。使用排空气法收集的气体比较十燥,但纯度较低,需要验满(可燃性气体则要注意安全,点燃之前一定要验纯,否则有爆炸危险) |
药品的选取和实验方案的设计: (1)可行性:所选取的药品能制得要制取的气体;
(2)药品廉价易得;
(3)适宜的条件:要求反应条件易达到,便于控制;
(4)反应速率适中:反应速率不能太快或太慢,以便于收集或进行实验;
(5)气体尽量纯净;
(6)注意安全性:操作简便易行,注意防止污染。
例如:①实验室制取H
2时选用锌粒,而不用镁条、铁片,原因是镁价格贵且反应速率太快而铁反应速率又太慢;酸选用稀硫酸,而不宜用稀盐酸、浓硫酸,因为用稀盐酸制得的H
2,因混有HCl而不纯,而锌与浓硫酸反应不生成H
2.
②制CO
2时可选用用石灰石(或大理石)与稀盐酸,而不选用Na
2CO
3浓盐酸、稀硫酸,原因是Na
2CO
3,反应速率太快,浓盐酸易挥发出HCl气体,稀硫酸反应不能进行到底,也不能煅烧石灰石,因为条件不易达到,不呵操作;
④用KClO
3、过氧化氢制O
2时,要加少量的MnO
2,作催化剂,以加快反应的速率
实验室制取气体的实验操作程序:实验室制取气体存选择好药品、仪器后操作的一般程序:
(1)组装仪器:一般按从左到右,从下到上的顺序进行;
(2)检查装置气密;
(3)装药品:若是固体跟液体反应,一般是是先装入固体再加入液体;
(4)准备收集装置:若用排水法收集气体时,应在制取气体之前将集气瓶盛满水;
(5)制取气体;
(6)收集气体并验满;
(7)拆洗仪器。
注意:①给同体加热时.试管口要略向下倾斜;
②用加热KMnO
4或KClO
3(MnO
2作催化剂)的方法制取O
2,若用排水法收集,实验完毕时应先把导管移出水槽再移走酒精灯;
③固体跟液体反应制取气体时,要注意长颈漏斗末端要插入液面以下进行液封,以防漏气。
装置的选取与连接:实验室制取气体的实验往往与气体的净化、气体的干燥综合在一起。气体综合实验的装置选择及连接顺序为:
气体净化的几种方法: (1)吸收法:用吸收剂将杂质气体吸收除去。如除去CO中混有的少量CO
2,可先用浓NaOH溶液吸收CO
2,再用浓硫酸等干燥剂除去水蒸气。常用吸收剂如下表:
吸收剂 |
吸收的气体杂质 |
吸收剂 |
吸收的气体杂质 |
水 |
可溶性的气体:HCl,NH3 |
NaOH |
CO2,HCl,H2O |
无水CuSO4 |
H2O |
碱石灰 |
CO2,HCl ,H2O |
灼热的铜网 |
O2 |
NaOH |
CO2,HCl |
灼热的CuO |
H2,CO |
浓硫酸 |
H2O |
(2)转化法:通过化学反血,将杂质气体转化为所要得到的气体:如除去CO
2中的CO,可将混合气体通过足量的灼热CuO+CO
Cu+CO
2
气体的干燥:
气体的干燥是通过干燥剂来实现的,选择干燥剂要根据气体的性质。一般原则是:酸性干燥剂不能用来干燥碱性气体,碱性干燥剂不能用来干燥酸性气体,干燥装置由干燥剂的状念决定.
(1)常见的干燥剂
干燥剂 |
可干燥的气体 |
不可干燥的气体 |
名称或化学式 |
酸碱性 |
状态 |
浓H2SO4 |
酸性 |
液体 |
H2、N2、O2、CO2、HCl、CH4、CO |
NH3 |
固体NaOH、生石灰,碱石灰(氢氧化钠和生石灰的混合物) |
碱性 |
固态 |
H2、O2、N2、CH4、CO、NH3等 |
CO2、SO2、HCl |
无水CaCl2 |
中性 |
固态 |
除NH3外的所有气体 |
NH3 |
(2)干燥装置的选择
①除杂试剂为液体时,常选用洗气瓶,气体一般是 “长进短出”,如下图A。
②除杂试剂为同体时,常选用干燥管(球形或u 形),气体一般是“大进小出”,如下图B、C。
③需要通过加热与固体试剂发生化学反应除去的气体,常采用硬质玻璃管和酒精灯,如下图D。
装置连接顺序的确定规律: (1)除杂和干燥的先后顺序
①若用洗气装置除杂,一般除杂在前,干燥在后。原因:从溶液中出来的气体通常混有水蒸气,干燥在后可将水蒸气完全除去。如除去CO中混有的CO
2和水蒸气,应将气体先通过。NaOH溶液,再通过浓H
2SO
4。
②若用加热装置除杂,一般是干燥在前,除杂在后。如除去CO
2中混有的CO和水蒸气,应将气体先通过浓H
2SO
4,再通过灼热的CuO。
(2)除去多种杂质气体的顺序一般是先除去酸性较强的气体。如N2中混有 HCl、H
2O(气)、O
2时,应先除去HCl,再除去水,最后除去O
2(用灼热的铜网)。
(3)检验多种气体的先后顺序(一般先验水蒸气):有多种气体需要检验时,应尽量避免前步检验对后步检验的干扰。如被检验的气体中含有CO
2和水蒸气时,应先通过无水CuSO
4。检验水蒸气,再通过澄清的石灰水检验CO
2.
确定气体收集方法的技巧: (1)排水集气法适用于“不溶于水且小与水反应的气体”,如下图A。
(2)向上排空气法适用于“密度比空气大且小与空气成分反应的气体”(相对分子质量大于29的气体),如下图B。
(3)向下排空气法适用于“密度比空气小且小与空气成分反应的气体”(相对分子质量小于29的气体),如下图C。
(4)不能用排空气法收集的气体
①气体的密度与空气的密度相近时不能用排空气法收集
②当气体与空气中某一成分反应时不能用排空气法收集
(5)有毒气体收集方法的确定
①有毒,但气体难溶于水时,一般采用排水法收集。如下图D
②有毒,但气体叉易溶于水时,则采用带双孔胶塞(一长一短的导气管)的集气瓶利用排空气法收集该气体,但必须接尾气处理装置,以免多余的有毒气体逸散到空气中污染空气,如收集氨气可用图E。
气体制取实验中关于仪器或装置选择题目的解题技巧: (1)需要研究气体实验室制法的化学反应原理;
(2)需要研究制取这种气体所应采用的实验装置;
(3)需要研究如何证明制得的气体就是要制取的气体。
根据给出的仪器或装置进行选取时,应明确制取气体的发生装置主要是两套(同体加热型和固液常温型),依据反应物的状态和反应条件来确定选用哪套发生装置;气体的收集装置主要就是三套(向上排空气法、向下排空气法和排水法),依据气体的性质来确定选用什么样的收集装置。选择仪器时要注意先对实验原理进行判断,然后再根据原理确定装置所需要的仪器。
实验室制取气体的思路图:
分子结构图:由分子构成的物质:
物质是由粒子构成的,构成物质的粒子有多种,分子是其中的一种。世界上许多物质是由分子构成的,分子可以构成单质,也可以构成化合物。如:氧气、氢气、C60等单质是由分子构成的;水、二氧化碳等化合物也是由分子构成的。
分子的定义:分子是保持物质化学性质的最小粒子。
概念的理解:
①分子是保持物质化学性质的“最小粒子”、不是“唯一粒子”。
②“保持”的含义是指构成该物质的每一个分子与该物质的化学性质是一致的。
③分子只能保持物质的化学物质,而物质的物理性质(如:颜色、状态等)需要大量的集合体一起来共同体现,单个分子无法体现物质的物理性质。
④“最小”不是绝对意义上的最小,而是”保持物质化学性质的最小”。如果不是在“保持物质化学性质” 这层含义上,分子还可以分成更小的粒子。
用分子的观点解释问题:
物理变化和化学变化的区别
由分子构成的物质,发生物理变化时分子本身未变,分子的运动状态、分子间的间隔发生了改变;发生化学变化时分子本身发生了变化,分子分成原子,原子重新组合变成了共他物质的分子。如:水变成水蒸气,水分子本身没有变,只是分子间的问隔变大,这是物理变化;水通直流电.水分子发生了变化,生成了氢原子和氧原子,氢.原子构成氢分子,氧原子构成氧分子,这是化学变化。
分子的表示方法:
分子可用化学式表示:如O:既可表示氧气,也可表示1个氧分子。
分子的构成:
原子结构示意图: 由原子构成的物质:绝大多数的单质是由原子构成的,如金属单质、稀有气体均是由原子直接构成的,碳、硫、磷等大多数的非金属单质也是由原子直接构成的。
原子的定义:原子是化学变化中最小的粒子。例如,化学变化中,发生变化的是分子,原子的种类和数目都未发生变化。
对原子的概念可从以下三个方面理解:
①原子是构成物质的基本粒子之一。
②原了也可以保持物质的化学性质,如由原子直接构成的物质的化学性质就由原子保持。
③原子在化学变化中不能再分,是“化学变化中最小的粒子”,脱离化学变化这一条件,原子仍可再分。
原子的性质: ①原子的质量、体积都很小;
②原子在不停地运动;
③原子之间有一定的间隔;
④原子可以构成分子,如一个氧分子是由两个氧原子构成的;也可以直接构成物质,如稀有气体、铁、汞等都是由原子直接构成的;
⑤化学反应中原子不可再分。
原子的表示方法—元素符号:原子可用元索符号表示:如O既可表示氧元素,也可表示1个氧原子。
分子和原子的联系与区别:
项目 |
分子 |
原子 |
不同点 |
本质区别 |
在化学反应中可以分成原子 |
在化学反应中不能再分 |
构成物质情况 |
大多数物质由分子构成 |
原子也能直接构成物质,但分子是由原子构成的 |
相同点 |
①质量和体积都很小 ②都在不停地运动 ③粒子间有间隔 ④都是构成物质的粒子 ⑤同种粒子性质相同,不同种粒子性质不同 |
注意事项 |
①分子是保持物质化学性质的最小粒子 ②原子是化学变化中的最小粒子 ③分子是由原子构成的 ④对于由原子直接构成的物质,原子是保持其化学性质的最小粒子 |
联系 |
分子是由原子构成的,分子,原子都是构成物质的粒子,它们的关系是
|
道尔顿的原子模型: 英国自然科学家约翰·道尔顿将古希腊思辨的原子论改造成定量的化学理论,提出了世界上第一个原子的理论模型。他的理论主要有以下四点:
①所有物质都是由非常微小的、不可再分的物质微粒即原子组成
②同种元素的原子的各种性质和质量都相同,不同元素的原子,主要表现为质量的不同
③原子是微小的、不可再分的实心球体
④原子是参加化学变化的最小单位,在化学反应中,原子仅仅是重新排列,而不会被创造或者消失。 虽然,经过后人证实,这是一个失败的理论模型,但道尔顿第一次将原子从哲学带入化学研究中,明确了今后化学家们努力的方向,化学真正从古老的炼金术中摆脱出来,道尔顿也因此被后人誉为“近代化学之父”。
单质:(1)
概念:由同种元素组成的纯净物。
(2)
单质的分类:依据组成单质元素的性质把一单质分为三类。
金属单质:由金属元素组成的单质,如铁、铜、银等
非金属单质:由非金属元素组成的单质,如碳、磷、氧气等
稀有气体单质:由稀有气体元素组成的单质,如氦、氖、氛等单质
化合物: (1)
概念:由不同种元素组成的纯净物。
(2)
化合物的分类:化合物分为有机化合物和无机化合物。
单质和化合物的区别和联系:
|
|
单质 |
化合物 |
区别 |
宏观组成 |
同种元素 |
不同种元素 |
微观构成 |
有同种原子构成 |
由不同种原子构成 |
化学性质 |
不能发生分解反应 |
一定条件下发生分解反应 |
联系 |
相互转变 |
它们均属于纯净物。单质发生化合反应可以生成化合物,化合物发生分解反应可以生成单质 |
质子数 |
同一种元素的原子,不论在一单质里还是在化合物里,原子核内质子数保持不变 |
化合物与氧化物的区别和联系:
|
化合物 |
氧化物 |
区别 |
①由不同种元素组成的纯净物叫化合物 ②由两种或两种以上元素组成 ③不一定含有氧元素 ④属于纯净物中的一类 |
①由两种元素组成的化合物中,如果有一种元素是氧元素,这种化合物叫氧化物 ②一定由两种元素组成 ③一定含有氧元素 ④属于化合物中的一类 |
联系 |
氧化物和化合物是个体与总体的关系,氧化物属于化合物中的一类 |
同种元素组成的物质一定是单质吗? 由同种元素组成的纯净物叫做单质。理解单质的概念必须抓住两点:①由同种元素组成;②必须是纯净物,如氧气是一单质。由同种元素组成的物质不一定是单质,也可能是混合物,但绝不可能是化合物,如氧气 (O
2)、臭氧(O
3)两种物质混在一起是一种混合物,但是只有一种氧元素;同样的例子还有红磷和白磷,金刚石和石墨等。
对单质和化合物概念的理解:(1)
单质的概念:①理解一单质的概念不仅要关注它是由一种元素组成,还应注意它首先是一种纯净物。如:氧气、氮气、碳、硫、铁、铜、各种稀有气体等都属于单质。
②由同种元素组成的物质不一定是单质,还可能是混合物:如:氧气与臭氧的混合物、白磷与红磷的混合物、金刚石与石墨的混合物等都只含一种元素,但都属于混合物。
(2)
化合物的概念:理解化合物的概念同样不仅要关注它是由两种或两种以上的元素组成,还应注意它首先是一种纯净物。如二氧化碳,氯化钠、高锰酸钾等都属于化合物。
共价化合物与离子化合物的区别:
1. 共价化合物
(1)概念:像HCl、CO2这样以共用电子对结合在一起的化合物为共价化合物。
(2)共价化合物的类型:
①两种非金属原子结合成的化合物,如HCl、CO2等。
②非金属与酸根构成的化合物,如H2SO4、HNO3等。
2. 离子化合物与共价化合物的区别:
离子化合物是由阴、阳离子相互作用形成的化合物;共价化合物是原子间全部以共用电子对结合形成的化合物。离子化合物由离子构成,共价化合物大多数由分子构成。
混合物:
(1)概念:由两种或多种物质混合而成的物质,没有有固定的组成,各成分保持自己原有的化学性质。
(3)常见的混合物:空气、合金、矿石、溶液等。
(4)混合物的提纯:混合物经过物理或化学的方法可以提纯。
纯净物:
(1)概念:只由一种物质组成的物质。
(3)纯净物的分类:纯净物根据物质组成的元素种类,分为两大类:单质和化合物。
纯净物和氧化物的区别:
|
纯净物 |
混合物 |
概念 |
宏观:由一种物质组成的物质 微观:由同种分子构成(对于由分子构成的物质而言) |
宏观:由两种或多种物质组成的物质 微观:由不同种分子构成(对于由分子构成的物质而言) |
区别 |
由同种物质组成(对于由分子构成的物质,是由同种分子构成的),组成是固定的 |
由不同种物质组成(对于由分子构成的物质. 是由不同种分子构成的),组成是不固定的 |
特点 |
①具有固定的组成 ②具有一定的性质 ③有专门的化学符号 |
①没有固定的组成和性质 ②各成分保持各自的性质 ③没有专门的化学符号 |
分离方法 |
组成固定,不需分离;若需将化合物分成几种单质,则必须通过化学方法才能实现 |
物理方法: 筛选 过滤 蒸馏 |
实例 |
氧气,二氧化碳,高锰酸钾 |
空气,粗盐,蔗糖水 |
联系 |
纯净物是相对而言的,自然界中绝对纯净的物质是不存在的,通常的纯净物是指含杂质很少的具有高纯度的物质。两者间的关系为 |
对纯净物和混合物概念的理解:
(1)混合物概念:混合物可以看作是由几种纯净物混合而成的,混合物的形成过程中发生的是物理变化。由于混合物的组成一般不固定,所以往往不能用化学式表示。
(2)纯净物概念:纯净物只由一种物质组成,有固定的组成.可以用化学式表示。
常考的纯净物与混合物:
(1)混合物:石油、煤、天然气、洁净的空气、生理盐水、矿泉水、汽水、碘酒、白酒、双氧水、盐酸、合金等都是混合物。
(2)纯净物:水银、烧碱、纯碱、胆矾、液态氧、液态氮、蒸馏水(纯水)、干冰、冰水共存物、金刚石、石墨、生石灰、熟石灰、氯化钠、氧化铁等都是纯净物:
物质的分类示意图:
金刚石:
金刚石俗称“金刚钻”。也就是我们常说的钻石,它是一种由纯碳组成的矿物。金刚石是自然界中最坚硬的物质。金刚石的用途非常广泛,例如:工艺品、工业中的切割工具。碳可以在高温、高压下形成金刚石。
石墨: 石墨是元素碳的一种同素异形体,每个碳原子的周边连结著另外三个碳原子(排列方式呈蜂巢式的多个六边形)以共价键结合,构成共价分子。由于每个碳原子均会放出一个电子,那些电子能够自由移动,因此石墨属于导电体。石墨是其中一种最软的矿物,它的用途包括制造铅笔芯和润滑剂。
C60:
C60分子是一种由60个碳原子构成的分子,它形似足球,因此又名足球烯。(C60这种物质是由C60分子组成的,而不是由原子构成的。) C60是单纯由碳原子结合形成的稳定分子,它具有60个顶点和32个面,其中12个为正五边形,20个为正六边形。其相对分子质量约为720。
金刚石,石墨,碳60性质及用途比较
名称 |
金刚石 |
石墨 |
碳60 |
外观 |
纯净无色透明,正八 面体形状的晶体 |
深灰色,有金属光泽,不 透明的细鳞片状的固体, 质软,有滑腻感 |
分子型似足球状, 有金属光泽,其微晶 粉末呈黄色 |
结构模型 |
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导电性 |
几乎不导电 |
良好 |
几乎不导电 |
硬度 |
天然存在的最硬物质 |
质软 |
质脆 |
导热性 |
很差 |
良好 |
很差 |
熔点 |
很高 |
很高 |
较低 |
用途 |
钻头,刻刀,装饰品 |
电极,铅笔芯,润滑剂 |
制备新材料,新配 件,医学应用 |
区别与联系 |
金刚石、石墨,C60,,的物理性质有很大差异,原因是这些单质中碳原子的排列方式不同,但由于它们都是由碳元素组成的单质,故化学性质相同。金刚石与石墨通过化学反应可以相互转变。 |
人造金刚石:
20世纪80年代,人们发现人造金刚石在半导体制造行业具有广泛的应用前景。因为计算机芯片的基体材料—硅的导热性不好,这成为进一步提高芯片性能的难题。而金刚石在导热性方而远远超过硅(甚至超过铜和银),于是它成了芯片基体材料的最佳选择。正是这种需求推动了人造金刚石的研究。
碳纤维:
碳纤维是一种纤维状碳材料,它是将有机纤维与塑料树脂结合在一起,放在惰性气氛中,在一定压强下加强热、炭化而成的。碳纤维是一种强度比钢大,密度比铝小,比不锈钢还耐腐蚀,比耐热钢还耐高温,又能如铜那样导电,具有电学、热学和力学性能的新型材料。用碳纤维与塑料制成的复合材料,可以代替铝合金来制造飞机。制成的飞机,不仅轻巧,而且消耗动力少、推力大、噪音小。用碳纤维制电子计算机的磁盘,能提高计算机的贮存量和运算速率。用碳纤维增强塑料来制造卫星和火箭等宇宙飞行器,机械强度高,质量小,可节省大量的燃料。总之,用碳纤维或碳纤维增强的塑料、玻璃、陶瓷和金属等材料来代替钢材和合金等,在化工、机电、造船,特别是飞机制造、宇航器材等领域中有广泛的应用。