初高中化学通用衔接教材第9讲 常见气体的实验室制备.docx
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初高中化学通用衔接教材第9讲常见气体的实验室制备
第9讲 常见气体的实验室制备
教材分析
初中教材要求
高中教材要求
已掌握实验室制备O2、H2、CO2的常见化学原理和相应的气体发生装置，能选用恰当方法收集并检验气体。
进一步学习Cl2、NH3、NO、SO2、C2H4等气体的实验室制备化学原理，学会根据化学反应原理选择恰当的气体发生装置。
学会根据化学原理分析制备气体中可能含有的杂质，从而选用恰当试剂和装置除去这些杂质，以制备纯净、干燥的气体。
进一步学会依据气体性质选择恰当方法进行气体的收集、尾气处理等，从而掌握实验室制备气体装置的基本流程：
发生装置→除杂装置→干燥装置→收集装置→尾气吸收装置。
（高中教材无章节专门讲解）
1．氧气的实验室制备
（1）反应原理
①高锰酸钾固体加热分解制备：
2KMnO4
K2MnO4＋MnO2＋O2↑。
②常温下，用过氧化氢溶液和二氧化锰反应制备
2H2O2
2H2O＋O2↑。
（2）发生装置
图1
原理①中反应物为固体，且需不断加热，一般选用图1装置。
在本发生装置中，为了防止生成的细小颗粒堵塞导管，在大试管口可放一松软棉花球，以吸附这些细微颗粒。
加热时，一般先均匀加热整个试管，后集中于反应物固体部位加热。
如果使用排水法收集气体，当停止制气时，应先从水槽中把导管撤出，然后再撤走酒精灯，以防止（冷）水倒流进入气体发生装置中，使（热）试管破裂。
原理②中反应物过氧化氢是液体，MnO2是固体，反应不需加热，一般选用图2中装置。
在本反应原理中的两种反应物一般分开放置，其中固体（也可以是液体）放置在平底烧瓶、广口瓶或锥形瓶等适合反应的容器中，另一种液体可放在分液漏斗或长颈漏斗中。
一般气体发生装置只能有一个导气口，因此用长颈漏斗组装气体发生装置时，长颈漏斗下端要伸到液面以下，用液体封住下端口，从而防止氧气从长颈漏斗逸出。
图2
（3）收集方法
因为氧气是不溶于水、密度比空气大的气体，实验室既可以用排水法收集氧气，也可以用向上排空气法收集氧气。
当然，有时也可以用气球、氧气袋收集。
为保证尽可能将集气瓶中的空气排净，用向上排空气法收集氧气时，导管口要插到集气瓶底部；而用排水法收集氧气时，不能一有气泡产生就收集（开始排出气体实为装置内的空气），要等到气泡均匀冒出时，再开始收集气体。
（4）验满方法
排水法收集气体时，直接观察瓶体中的水是否被排出或瓶口是否有气泡冒出，即可验满。
用排空气法收集O2时，检验O2收集满的方法是把带火星的木条放在集气瓶口，若复燃，证明氧气收集满了。
（5）集气瓶放置
存有气体的集气瓶在放置时，应尽量避免气体因本身惯性而逸出，一般比空气轻的气体，容易上升；而密度比空气重的气体，容易下降。
前者通常将集气瓶倒放，后者常将集气瓶正放。
2．二氧化碳的实验室制法
（1）反应原理：
实验室一般用石灰石（碳酸钙）和稀盐酸制备
CaCO3＋2HCl===CaCl2＋CO2↑＋H2O。
一般不能用碳酸钠代替大理石，碳酸钠通常是粉末状态，和稀盐酸反应时反应速率太快，不宜收集气体；也不能用浓盐酸代替稀盐酸，因为浓盐酸易挥发，收集的CO2气体中就会混有较多的HCl气体，更不能用稀硫酸代替稀盐酸，因为生成的CaSO4微溶于水，会覆盖在大理石表面，阻止反应继续进行。
当然直接用碳酸钠和稀硫酸是可以连续产生气体的，同样因为速率过快，不宜收集，也不是好的实验室制备方法。
（2）发生装置
碳酸钙为块状、不溶性固体，盐酸为液体，常温下二者即可反应，实验室一般用图2中装置进行气体制备。
实验室制备二氧化碳的经典装置是启普发生器，该装置操作灵活，使用方便，但制作工艺要求高，价格较高，实验室一般不再使用此装置制备气体。
（3）收集方法
CO2密度比空气大、微溶于水，所以一般用向上排空气法收集，而不用排水法收集。
（4）验满方法
将燃着的木条放在集气瓶口，若木条熄灭，证明CO2已收集满。
（5）集气瓶放置
CO2密度比空气大，集气瓶正放，保存效果好。
资料卡片 启普发生器
英文名：
Gasgenerators一种实验室常用的气体发生装置，是荷兰科学家启普（PetrusJacobusKipp1808～1864）发明的，并以他的姓命名。
它用普通玻璃制成，构造见下图，由球形漏斗、容器和导气管三部分组成。
应用范围：
启普发生器是用固体与液体试剂在常温条件（不用加热）下起反应制取气体的典型装置。
如氢气、二氧化碳等均可以用它来制取。
固体呈粉末状、固体与液体相遇后溶解、反应过程中放热产生高温气体，如二氧化硫、二氧化氮等，都不适宜用此装置制取。
1．气体发生装置的选择
（1）实验室制取气体，首先要选择合适的反应装置，选择依据是反应物的状态和反应条件，初中我们所学的反应装置主要有以上两类（见图1和图2装置），图1装置适用于反应物为固体（不能出现液体），且需加热才能发生的反应，图2装置适用于反应物为液体和固体、液体和液体，但不需加热就能发生的反应。
【例题1】 已知实验室可以采用氯酸钾（KClO3）固体和二氧化锰（MnO2）固体共热来制取氧气，反应方程式为2KClO3
2KCl＋3O2↑，若用该反应制备氧气，应该选择的发生装置为________（填“图1”或“图2”）。
【例题2】 实验室用锌粒和稀硫酸反应制取H2，反应方程式为Zn＋H2SO4===ZnSO4＋H2↑，可以采用的发生装置为________（填“图1”或“图2”）。
【例题3】 实验室用铜片和浓硫酸共热可制取二氧化硫，反应方程式为Cu＋2H2SO4（浓）
CuSO4＋SO2↑＋2H2O，制备该气体时能否选用图2中的发生装置。
为什么？
（2）实验室制备气体的常见发生装置如下：
气体发生装置示意图
反应物状态及加热条件
固态反应物，加热（不能有液体）
液体和固体、液体和液体，不加热
液体和固体、液体和液体，加热
可以制取的气体
O2、NH3
O2、H2、CO2
2．气体的净化（干燥）装置
气体的净化就是除去气体中含有的其他杂质，气体的干燥是指除去气体中存在的水蒸气，二者本质是一样的，一般原理都是选择恰当的化学试剂，吸收或反应消耗杂质、水蒸气，但又不能与该气体发生反应。
像干燥CO2、SO2等酸性气体时，不能选用碱石灰、固体烧碱等碱性类试剂，既可选用浓硫酸、五氧化二磷等酸性试剂，也可选用无水氯化钙、硅胶等中性试剂。
净化或干燥仪器和净化剂、干燥剂的状态有关，如果是液态类物质，通常用洗气瓶；如果是固态类物质，可选用干燥管或U形管。
（1）常见干燥剂及其干燥对象、存放仪器
常见干燥剂
液态干燥剂
固态干燥剂
浓硫酸
无水氯化钙
碱石灰
存放仪器
洗气瓶
球形干燥管
U形管
可干燥气体
H2、O2、CO2、N2、CO
H2、O2、CO2、N2、CO
H2、O2、NH3、N2、CO
不可干燥气体
NH3
NH3
HCl、CO2、Cl2、SO2
气流方向
气体a进b出（长进短出）
气体a进b出（大进小出）
（2）常见净化装置
试剂状态
液体
固态
装置
洗气瓶
双通硬质玻璃管
球形干燥管
实例
用NaOH溶液除去O2中的CO2
灼热的铜丝除去氮气中的O2
碱石灰除去氨气中的水蒸气或CO2
气流方向
长进短出
左进右出
大进小出
3.气体的收集装置
一般根据气体在水中溶解性和密度不同确定气体的收集方法，如果气体不能和水发生反应，在水中溶解度也不大，就可以采用排水法收集（也可用其他不溶解气体的饱和溶液代替水，如可用排饱和碳酸氢钠溶液收集CO2气体）。
如果气体不能和空气中的物质发生反应，就可用排空气法收集，根据气体和空气的密度不同（相对分子质量大于29的比空气重，否则比空气轻），又分为向上排空气法和向下排空气法，和空气密度相差越大，效果越好，如果和空气密度接近，收集气体往往不纯，排空气法收集气体纯度一般不如排水法。
气体性质
不溶于水、不和水反应
比空气轻、不和空气反应
比空气重、不和空气反应
收集方法
排水法
向下排空气法
向上排空气法
收集装置
气流方向
短进长出
开放式：
（玻璃片或棉花球）
封闭式（气体A进空气B出）
开放式
封闭式（气体B进空气A出）
实例
H2、O2、N2、CO
CH4、H2、NH3
SO2、O2、Cl2、CO2
4.制取干燥纯净气体的基本流程
【例题4】 实验室用二氧化锰（MnO2）固体和浓盐酸共热来制取氯气（Cl2），反应方程式为
MnO2＋4HCl（浓）
MnCl2＋Cl2↑＋2H2O
（已知Cl2能溶于水，难溶于饱和氯化钠溶液，有毒，能与氢氧化钠溶液发生反应，HCl极易溶于水）
（1）根据反应物的状态和反应条件分析，组装气体发生装置的主要玻璃仪器有________________________________________________________________________。
（2）根据反应物的状态和反应条件分析，氯气中可能混有的杂质气体有________________，除去这些气体的对应试剂应选择______________。
应先除去________，再除去________。
（3）可以采用____________、________法收集氯气。
（4）多余的Cl2能否排入大气？
__________，若不能，应采用什么方法吸收多余的尾气？
________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
实验室制备干燥纯净气体的一般流程
→
→
→
→
其中发生装置类型由反应物状态及是否加热决定；除杂试剂或干燥剂的选择取决于气体及其所含杂质的性质差异，除杂装置取决于除杂试剂和干燥剂的状态；收集装置取决于气体本身的性质，如气体溶解性、与空气的密度差异等；理论上多余气体都不能直接排放到空气中去，应选择恰当的试剂溶解或反应吸收，其原理类似于除杂或干燥。
按此流程组装好装置后，在加入药品正式制备气体之前，必须对该系统进行气密性检查，有关气体实验的“气密性检查”方法详见第10讲。
相应的实验室装置示意图如下（以实验室制取Cl2为例）：
5．防倒吸装置
在某些实验中，由于吸收液的倒吸，会对实验产生不良影响，如玻璃仪器的破裂、反应试剂的污染等。
因此，在有关实验中必须采取一定的措施防止液体的倒吸。
液体为什么会倒吸呢？
主要原因是因内部压强减小，造成外界压强大于内部压强，把液体压入内部容器。
造成内部压强减小的原因主要有两种：
一是在制取气体的结束阶段，气体的量逐渐减少，压强减小；另一种是生成的气体极易被吸收液吸收（溶解或反应），导致内部压强迅速减小。
常见的防止倒吸装置如下表：
装置类型
装置示意图
防倒吸原理
装置组装要点
倒置漏斗式
漏斗容积较大，容纳水多。
当水倒吸进漏斗后，引起烧杯内液面下降，漏斗边缘与烧杯中水分离后，漏斗中的水又落回烧杯中
气液充分接触，吸收效果好。
但漏斗边缘只能刚好没过液面，不能插入太深，否则不能防倒吸
肚容缓冲式
干燥管（烧瓶）容积较大，可容纳较多的水倒吸其中，当干燥管与烧杯中液体分离后，倒吸入其中的液体因重力作用落回烧杯中
气液接触，吸收效果好。
第1个装置中左边的导管要长，否则不能防倒吸。
和上栏一样，第2个装置中下端不能插入过深
隔离式
导气管末端不插入液体中，导气管与液体呈隔离状态，液体自然无法倒吸
气体与液体不接触，吸收效果较差
分液式
气体通过水伸入CCl4（不溶于水，密度比水大的有机溶剂），气体不溶于CCl4，不会倒吸，气体因惯性自下往上经过水时，可被充分吸收
气液逆流充分接触，吸收效果好，一般多用于溶解气体
蓄液安全瓶式
发生倒吸时，液体会首先储存在前一容器中，容积大小不同，补救时间长短也不同。
前一容器又称安全瓶
吸收效果一般。
安全瓶中两个导管口都只稍露出即可。
理论上不及时补救，液体也会倒吸入其他容器
（满分50分 限时30min）
一、选择题（本题包括5小题，每小题4分，共20分，每小题有1～2个正确答案，全对得4分，不全对得2分。
）
1．以下各种吸收尾气的装置中，适合于吸收易溶于水的气体且能防止倒吸的是（ ）
2．用下列实验装置完成对应实验（部分仪器已省略），能达到实验目的的是（ ）
A．干燥氢气B．吸收HCl
C．吸收NH3D．闻气味
3．用下列实验装置完成对应的实验（部分仪器已省略），不能达到目的的是（ ）
4．下列有关实验原理或操作正确的是（ ）
A．选择合适的试剂，用图1所示装置可分别制取少量CO2、O2
B．实验室与碳酸钙反应制备纯净CO2，浓盐酸比稀盐酸效果更好
C．洗涤沉淀时（见图2），向漏斗中加适量水，搅拌并滤干
D．用锌粒和稀硫酸为试剂，用图3装置可制取少量氢气
5．拟用下图装置制取表中的四种干燥、纯净的气体（图中铁架台、铁夹、加热及收集装置均已略去；必要时可加热；a、b、c、d表示相应仪器中加入的试剂）。
由此所得实验结论正确的是（ ）
气体
a
b
c
d
CO2
Na2CO3粉末
稀盐酸
浓H2SO4
NaOH溶液
O2
双氧水
MnO2
H2O
浓H2SO4
H2
浓盐酸
锌粒
浓H2SO4
H2O
HCl
NaCl固体
浓H2SO4
NaOH溶液
浓H2SO4
A.能制得干燥纯净的CO2
B．能制得干燥纯净的O2
C．能制得干燥纯净的H2
D．能制得干燥纯净的HCl
二、填空题（本题包括3小题，共30分）
6．（10分）常见仪器的使用、常见气体的制取是初中化学实验的基础内容。
请根据下列实验装置回答问题。
（1）E装置中除导气管外，另两种仪器的名称是________、________。
B中仪器①的名称是________。
（2）使用A装置制取气体，对反应物状态的要求是____________，用B装置制取气体时，除要求是固体与液体间反应外，还应满足的条件是____________。
（3）选择________（填一种装置序号，下同）与E组合装置可制取少量氧气，实验结束时的操作要点是________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
先在D装置中加满水后，气体从____________（选“a”或“b”）进，也能达到和E相同的效果。
（4）用C装置可以收集O2、CH4、NH3、Cl2中的____________（填化学式），选用D装置也能达到同样效果，此时要求气体从________（选“a”或“b”）进入。
7．（8分）归纳与演绎是重要的科学方法，也是常用的化学学习方法，请用该方法解决下列问题。
（1）我们已经学过实验室制取O2、H2、CO2三种气体的反应原理、制取与收集方法。
请你归纳出选择实验室制取气体反应发生装置，主要考虑因素有____________（填序号）。
①反应物的状态 ②生成气体的溶解性 ③反应条件
④原料为纯净物 ⑤气体的密度
（2）研究课上，小明同学为了探究氨气的某些性质，做了以下实验（从左向右依次是他所做实验及现象）。
通过实验，小明同学可得出氨气的三点性质，分别是
①____________；②____________；③____________。
（3）在获得氨气的主要性质后，小明决定自己来制取氨气，他先查阅了有关资料，知道可通过多种反应得到NH3，他准备分别用以下两种化学反应来制备氨气，请结合所学帮助他完成氨气的实验制备方案。
①2NH4Cl（固体）＋Ca（OH）2（固体）
CaCl2＋2NH3↑＋2H2O
②CaO（固体）＋NH3·H2O（浓）===NH3↑＋Ca（OH）2
若选择反应①作为实验室制取NH3的反应原理，需要用上图装置中的________作NH3发生装置，若用E来收集氨气，实验过程中产生的后果是________________，若用D装置来收集，气体由________端导入。
若选择反应②作为实验室制取NH3的反应原理，需要用上图装置中的________作NH3发生装置。
8．（12分）下图A、B、C、D是实验室常用的气体发生装置，E和F是常见的除杂或干燥装置，G和H是常用的气体收集装置，请回答下列问题：
（1）请写出在装置C中放入氯酸钾和二氧化锰混合物加热制取氧气的化学方程式________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
（2）已知过氧化钠（Na2O2）是一种淡黄色固体，常温下可与水反应生成氢氧化钠和氧气。
如果在实验室中用B作气体发生装置，用过氧化钠和水反应来制取一瓶干燥的氧气，所选装置的正确连接顺序是（填写管口字母）______________。
若只改变B装置中的药品，仍采用已连接的整套装置，还可以用来制取的气体是____________（在H2、CO2中选择）。
（3）装置A和C都可以作为实验室制取氧气的发生装置，A和C相比，具有较多优点，请写出其中的一条__________________________________________________________________。
（4）已知无水酒精和浓硫酸在加热时可生成不溶于水，不和空气、酸、碱等反应的乙烯（C2H4）气体，但其中会混进CO2、SO2、水蒸气。
在实验室应选择________________（填字母代号）作为气体发生装置，为除去乙烯气体中的CO2、SO2气体，所选装置的正确连接顺序是气体发生装置→__________________（填写管口字母）。
答案精析
【例题1】 图1
【例题2】 图2
【例题3】 不能选用图2中装置。
因为此反应需要加热，图2装置中容器一般都不宜于加热，所以图2装置不可用。
解析 虽然生成SO2的反应物中既有液体也有固体，但需在加热条件下才能产生。
如果选用图2装置进行反应，铜片无论是放在平底烧瓶还是广口瓶中，或者是锥形瓶中，这些容器一般都不宜用于加热，所以图2装置不可用。
图3
显然，我们只需将图2中平底烧瓶、广口瓶或锥形瓶改成大试管、圆底烧瓶等可加热玻璃容器。
大试管的底面积较小，可直接加热，但由于容量小，制备气体量少，一般都会选用圆底烧瓶。
圆底烧瓶瓶底较大，一般不宜直接加热，需要通过石棉网进行间接加热。
由于高中阶段制备气体大多对环境有危害，为减少这些气体的外逸，一般都选用分液漏斗，它既可以减少气体的逸出，又能有效控制加入液体的量，从而控制产生气体的量，实验室用于固体和液体通过加热制备气体的常用发生装置，如图3所示。
【例题4】
（1）圆底烧瓶、分液漏斗、酒精灯
（2）HCl、水蒸气 饱和食盐水、浓硫酸 HCl 水蒸气
（3）排饱和食盐水 向上排空气
（4）不能，可用氢氧化钠溶液吸收
解析
（1）反应物为液体和固体且在加热条件下反应，故选择图3装置即圆底烧瓶＋分液漏斗＋酒精灯。
（2）反应物之一为浓盐酸，浓盐酸具有挥发性，因此氯气中既会混有挥发出的HCl气体，也会含水蒸气。
根据题给信息，可用饱和氯化钠溶液除去HCl，用浓硫酸吸收水蒸气。
应先吸收HCl气体，再除去水蒸气。
若先除水蒸气，再用饱和食盐水吸收HCl，氯气中必会重新带进水蒸气，一般干燥总是放在除杂之后的道理就在于此。
（3）根据氯气性质可预测，收集氯气既可用向上排空气法，也可用排饱和食盐水法。
（4）Cl2有毒，不能直接排放。
可用氢氧化钠溶液吸收多余的Cl2。
限时作业
1．BD [A中气体没有进入溶液，不能被充分吸收，且为密闭体系，不安全；C中倒置漏斗没入水中太深，吸收过程中烧杯中水面不会与漏斗中的液面分离，会引起倒吸。
]
2．CD [A中干燥气体应长进短出，使气体通过溶液才能干燥气体，B中HCl极易溶于水会引起倒吸，故A、B都不能达到实验目的。
C中CCl4密度比稀H2SO4大，NH3不溶于CCl4，将NH3通入CCl4，不会倒吸，气体在逸出过程中与上层的稀H2SO4接触，从而被充分吸收。
]
3．BC [B中CO2的密度比空气大，用向上排空气法收集时，应将导管伸入集气瓶底部，即从左边通入气体，C中苯的密度比水小，在上层，将HCl气体通入苯中，气体直接逸出，不能被吸收。
]
4．A [B中浓盐酸挥发产生HCl，使产生的气体不纯，C中过滤时不能搅拌，以免弄破滤纸，D中H2比空气轻，收集H2时要用向下排空气法。
]
5．B
6．
（1）集气瓶 水槽 分液漏斗
（2）使用固体反应物 常温下即可反应
（3）A 结束时先将导管从水槽中移出后再停止加热 b
（4）CH4、NH3（密度比空气小） b
7．
（1）①③
（2）①氨气的密度比空气小 ②氨气易溶于水
③氨气的水溶液呈碱性
（3）A 因氨气极易溶于水中，造成A装置中压强快速减小，水槽中的水倒吸进A，引起试管破裂 e B或C
8．
（1）2KClO3
2KCl＋3O2↑
（2）b接e，f接i CO2
（3）通过分液漏斗控制滴加液体的量，既控制反应的快慢（反应速率），也可控制产生气体的量（答对其中一点即可得分）
（4）A h，g接e，f
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