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实验综合题突破

实验综合题突破

命题调研 (2015~2019五年大数据)

2015~2019五年考点分布图

核心素养与考情预测

核心素养:

科学探究与创新意识

考情解码:

实验综合题主要以物质制备和性质探究考查为主,通常为考生提供一个真实的实验环境,让考生用已有的化学原理和实验技能,结合新信息、新问题去研究和解决问题,预计2020年难度会有所增大,可能涉及到方案设计、定量分析等较高层次的要求。

1.(2019·课标全国Ⅰ,27)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________(填标号)。

(3)步骤③中选用足量的H2O2,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__________________。

解析 

(1)除去铁屑表面油污的方法是,用热纯碱溶液清洗铁屑,再用水洗。

(2)铁与稀硫酸反应时加热,可提高反应速率。

温度低于水的沸点,可以用热水浴加热,受热均匀且便于控制。

含少量硫化物的铁屑与稀硫酸反应有H2S生成。

氢气不与碱溶液反应,而硫化氢能与碱溶液反应,而H2S在水中溶解度小,故氢气中混有的硫化氢用烧碱溶液除去,又因为硫化氢与碱反应较快,容易引起倒吸,C装置倒置漏斗能防倒吸。

故宜选择C装置吸收硫化氢。

(3)铁与稀硫酸反应生成硫酸亚铁和氢气,加入足量双氧水的目的是将Fe2+全部氧化为Fe3+,发生反应为2Fe2++H2O2+2H+===2Fe3++2H2O,从生成物看,又不引入杂质。

铁离子对双氧水分解起催化作用,分批加入双氧水,避免反应过快、放出热量较多,减少双氧水分解,以免造成氧化剂损失;铁离子易水解,保持溶液呈强酸性,避免铁离子发生水解反应生成氢氧化铁。

(4)步骤⑤是要从溶液中得到硫酸铁铵晶体,故实验操作有加热浓缩、冷却结晶、过滤(洗涤)。

(5)失重5.6%是质量分数,设结晶水合物的化学式为NH4Fe(SO4)2·xH2O,由题意知

,解得x=12。

答案 

(1)碱煮水洗

(2)加快反应速率 热水浴 C

(3)将Fe2+全部氧化为Fe3+;不引入杂质 防止Fe3+水解

(4)加热浓缩、冷却结晶、过滤(洗涤)

(5)NH4Fe(SO4)2·12H2O

2.(2019·课标全国Ⅱ,28)咖啡因是一种生物碱(易溶于水及乙醇,熔点234.5℃,100℃以上开始升华),有兴奋大脑神经和利尿等作用。

茶叶中含咖啡因约1%~5%、单宁酸(Ka约为10-6,易溶于水及乙醇)约3%~10%,还含有色素、纤维素等。

实验室从茶叶中提取咖啡因的流程如图所示。

索氏提取装置如图所示。

实验时烧瓶中溶剂受热蒸发,蒸汽沿蒸汽导管2上升至球形冷凝管,冷凝后滴入滤纸套筒1中,与茶叶末接触,进行萃取。

萃取液液面达到虹吸管3顶端时,经虹吸管3返回烧瓶,从而实现对茶叶末的连续萃取。

回答下列问题:

(1)实验时需将茶叶研细,放入滤纸套筒1中,研细的目的是_________________________。

圆底烧瓶中加入95%乙醇为溶剂,加热前还要加几粒________。

(2)提取过程不可选用明火直接加热,原因是_________________________。

与常规的萃取相比,采用索氏提取器的优点是_____________。

(3)提取液需经“蒸馏浓缩”除去大部分溶剂。

与水相比,乙醇作为萃取剂的优点是_____________________。

“蒸馏浓缩”需选用的仪器除了圆底烧瓶、蒸馏头、温度计、接收管之外,还有________(填标号)。

A.直形冷凝管B.球形冷凝管

C.接收瓶D.烧杯

(4)浓缩液加生石灰的作用是中和________和吸收________。

(5)可采用如图所示的简易装置分离提纯咖啡因。

将粉状物放入蒸发皿中并小火加热,咖啡因在扎有小孔的滤纸上凝结,该分离提纯方法的名称是________。

解析 

(1)实验时将茶叶研细,能增加茶叶与溶剂的接触面积,使萃取更加充分。

乙醇为溶剂,为防止加热时暴沸,需在加热前向乙醇中加入几粒沸石。

(2)由于溶剂乙醇具有挥发性和易燃性,因此在提取过程中不可用明火直接加热。

本实验中采用索氏提取器的优点是溶剂乙醇可循环使用,能减少溶剂用量,且萃取效率高。

(3)提取液需经“蒸馏浓缩”除去大部分溶剂,与水相比,乙醇作为萃取剂具有沸点低和易浓缩的优点。

“蒸馏浓缩”需选用的仪器除了所给仪器外,还有直形冷凝管和接收瓶(如锥形瓶)。

(4)向浓缩液中加入生石灰能中和单宁酸并吸收水分。

(5)结合分离提纯咖啡因的装置及将粉状物放入蒸发皿并小火加热,咖啡因凝结在扎有小孔的滤纸上,可知该分离提纯的方法为升华。

答案 

(1)增加固液接触面积,提取充分 沸石 

(2)乙醇易挥发,易燃 使用溶剂量少,可连续萃取(萃取效率高)

(3)乙醇沸点低,易浓缩 AC (4)单宁酸 水 (5)升华

3.(2018·课标全国Ⅰ,26)醋酸亚铬[(CH3COO)2Cr·2H2O]为砖红色晶体,难溶于冷水,易溶于酸,在气体分析中用作氧气吸收剂。

一般制备方法是先在封闭体系中利用金属锌作还原剂,将三价铬还原为二价铬;二价铬再与醋酸钠溶液作用即可制得醋酸亚铬。

实验装置如图所示。

回答下列问题:

(1)实验中所用蒸馏水均需经煮沸后迅速冷却,目的是_______________________。

仪器a的名称是________。

(2)将过量锌粒和氯化铬固体置于c中,加入少量蒸馏水,按图连接好装置。

打开K1、K2,关闭K3。

①c中溶液由绿色逐渐变为亮蓝色,该反应的离子方程式为_______________。

②同时c中有气体产生,该气体的作用是______________________。

(3)打开K3,关闭K1和K2。

c中亮蓝色溶液流入d,其原因是________________;

d中析出砖红色沉淀。

为使沉淀充分析出并分离,需采用的操作是________、________、洗涤、干燥。

(4)指出装置d可能存在的缺点_____________________。

解析 

(1)审题时抓住醋酸亚铬“在气体分析中用作氧气吸收剂”,这暗示醋酸亚铬具有强还原性,易被氧气氧化,故该实验中使用的蒸馏水必须去除溶解氧。

(2)①依题意可知,c中溶液由绿色逐渐变为亮蓝色,主要是由于锌与铬离子反应生成亚铬离子和锌离子,即Zn+2Cr3+===Zn2++2Cr2+。

②c中产生的气体为氢气,该气体主要用于排尽装置内的空气,避免O2氧化Cr2+。

(3)c中有氢气产生,打开K3,关闭K1和K2后,c中压强大于外界压强,从而将c中溶液压入醋酸钠溶液中。

析出并分离产品的操作是冷却、过滤、洗涤、干燥。

(4)观察d装置,可发现其与空气相通,这会导致生成的醋酸亚铬被O2氧化。

答案 

(1)去除水中溶解氧 分液漏斗

(2)①Zn+2Cr3+===Zn2++2Cr2+ ②排除c中空气

(3)c中产生H2使压强大于大气压 (冰浴)冷却 过滤

(4)敞开体系,可能使醋酸亚铬与空气接触

4.(2017·课标全国Ⅱ,28)水中溶解氧是水生生物生存不可缺少的条件。

某课外小组采用碘量法测定学校周边河水中的溶解氧。

实验步骤及测定原理如下:

Ⅰ.取样、氧的固定

用溶解氧瓶采集水样。

记录大气压及水体温度。

将水样与Mn(OH)2碱性悬浊液(含有KI)混合,反应生成MnO(OH)2,实现氧的固定。

Ⅱ.酸化、滴定

将固氧后的水样酸化,MnO(OH)2被I-还原为Mn2+,在暗处静置5min,然后用标准Na2S2O3溶液滴定生成的I2(2S2O

+I2===2I-+S4O

)。

回答下列问题:

(1)取水样时应尽量避免搅动水体表面,这样操作的主要目的是_____________________________。

(2)“氧的固定”中发生反应的化学方程式为_______________________。

(3)Na2S2O3溶液不稳定,使用前需标定。

配制该溶液时需要的玻璃仪器有烧杯、玻璃棒、试剂瓶和________;蒸馏水必须经过煮沸、冷却后才能使用,其目的是杀菌、除________及二氧化碳。

(4)取100.00mL水样经固氧、酸化后,用amol·L-1Na2S2O3溶液滴定,以淀粉溶液作指示剂,终点现象为___________________________;

若消耗Na2S2O3溶液的体积为bmL,则水样中溶解氧的含量为________mg·L-1。

(5)上述滴定完成时,若滴定管尖嘴处留有气泡会导致测定结果偏________。

(填“高”或“低”)

解析 本题采用碘量法测定水中的溶解氧的含量,属于氧化还原滴定。

(1)取水样时,若搅拌水体,会造成水底还原性杂质进入水样中,或者水体中的氧气因搅拌溶解度降低逸出。

(2)根据氧化还原反应原理,Mn(OH)2被氧气氧化为MnO(OH)2,由此可得方程式2Mn(OH)2+O2===2MnO(OH)2。

(3)一定物质的量浓度溶液的配制还需要容量瓶;加热可以除去溶解的氧气,避免实验结果不准确。

(4)该实验用硫代硫酸钠标准液滴定I2,因此终点现象为当最后一滴标准液滴入时,溶液由蓝色变为无色,且半分钟内无变化;根据关系式O2~2MnO(OH)2~2I2~4Na2S2O3

可得水样中溶解氧的含量为[(ab×10-3)mol÷4×32g·mol-1×103mg·g-1]÷0.1L=80abmg·L-1。

(5)终点读数时有气泡,气泡占据液体应占有的体积,会导致所测溶液体积偏小,最终结果偏低。

答案 

(1)避免水底还原性杂质进入水样中(或者防止水体中的氧气逸出)

(2)2Mn(OH)2+O2===2MnO(OH)2

(3)容量瓶 氧气

(4)当最后一滴标准液滴入时,溶液由蓝色变为无色,且半分钟内无变化 80ab

(5)低

智能点一 实验仪器与实验装置

1.传统实验装置分析

实验装置

主要作用

①中橡皮管的作用:

平衡压强,使液体能顺利滴下;降低液体体积对气体体积测量的干扰

②的作用:

干燥或除去气体中的杂质

③的作用:

吸收尾气,防止污染空气

④的作用:

干燥气体或吸收气体;防止空气中二氧化碳、水蒸气对实验的影响

⑤的作用:

安全瓶,防止瓶内压强过大

⑥的作用:

混合气体;干燥气体;通过观察气泡速率控制流量

⑦的作用:

测量气体体积。

读数时注意:

装置冷却到室温,上下移动量气管使两液面高度一致,平视量气管内凹液面最低处读出数值

⑧中仪器名称与作用:

a为布氏漏斗,b为抽滤瓶或吸滤瓶,两者组合配合抽气,使抽滤瓶内压强减小,加快过滤的速率

2.经典考题实验装置分析

实验目的

实验装置

注意事项

探究三草酸合铁酸钾{K3[Fe(C2O4)3]·3H2O}的热分解产物

①反应前通N2是为了隔绝空气;反应后通N2是为了使反应产生的气体全部进入后续装置

②B装置作用是检验分解产物中有CO2生成

③C装置作用是除去CO2

④F装置作用是检验分解产物中有CO生成

⑤为防止倒吸,停止实验时应先熄灭装置A、E的酒精灯,冷却后停止通入氮气

探究硫酸亚铁的分解产物

①通入干燥的N2是为了排除装置中的空气。

②根据实验后反应管中残留固体为红色粉末,其分解的化学方程式为2FeSO4

Fe2O3+SO2↑+SO3↑。

③欲检验SO2和SO3,必须先用C中BaCl2溶液检验SO3,再用D中的品红溶液检验SO2。

ClO2的制备、吸收、释放和应用

①反应原理:

2NaClO3+4HCl===2ClO2↑+Cl2↑+2NaCl+2H2O

②F中导管应该长进短出

③ClO2在D中被稳定剂完全吸收生成NaClO2,此时F中溶液的颜色不变,则装置C的作用是吸收Cl2

制备KClO溶液

①B的作用是除去HCl,没有B装置,KClO的产率会下降

②为了减少副反应,C中加冰水浴

制备无水氯化铁

①制备无水氯化铁,分液漏斗中加入浓盐酸、烧瓶中加入二氧化锰

②B装置内液体为饱和食盐水,吸收Cl2中的HCl,C装置内液体为浓H2SO4,干燥Cl2

热分解CuCl2·2H2O制备CuCl

①反应原理

②反应结束后先熄灭酒精灯,冷却,停止通入HCl,继续通入氮气是为了防止生成的CuCl被氧化

仪器连接顺序思维流程:

接口的连接:

总体做到“自下而上,从左到右”。

净化装置应:

“长”进“短”出

量气装置应:

“短”进“长”出

干燥管应:

“粗”进“细”出

【案例1】 三氯化硼(BCl3)常用作有机合成的催化剂,也可用于制取乙硼烷(B2H6),遇水能够发生水解反应。

某兴趣小组设计如图所示装置,用单质硼与氯气反应制备三氯化硼。

已知:

BCl3的熔点为-107.3℃,沸点为12.5℃;SiCl4的熔点为-70℃,沸点为57.6℃。

(1)装置的连接顺序为A、________、F。

(2)装置D的作用是________,装置F可用一个盛装________(填试剂名称)的干燥管代替。

(3)实验过程中,应先点燃A处的酒精灯,当观察到________________________时再点燃B处的酒精灯。

即答即纠 

(1)E、C、B、D

(2)冷却和收集三氯化硼 碱石灰

(3)装置F中试剂瓶内充满黄绿色气体

智能点二 实验操作分析

1.实验条件控制

常见控制条件操作

思维方向

增大原料浸出率的措施

搅拌、升高温度、延长浸出时间、增大气液或固液接触面积

减压蒸馏(减压蒸发)的原因

减小压强,使液体沸点降低,防止××物质受热分解(如H2O2、浓硝酸、NH4HCO3等)

蒸发、反应时的气体氛围

抑制××离子的水解(如加热蒸发AlCl3溶液时需在HCl气流中进行,加热MgCl2·6H2O得MgCl2时需在HCl气流中进行等)

调节溶液的pH

①调节溶液的酸碱性,抑制水解(或使其中某些金属离子形成氢氧化物沉淀)

②“酸作用”还可除去氧化物(膜)

③“碱作用”还可除去油污,除去铝片氧化膜,溶解铝、二氧化硅等

④特定的氧化还原反应需要的酸性条件(或碱性条件)

控制温度

①加热的目的:

加快化学反应速率或使化学平衡向某方向移动

②降温的目的:

防止某物质在高温时分解或使化学平衡向某方向移动

③控制温度在一定范围的目的:

若温度过低,则反应速率(或溶解速率)较慢;若温度过高,则某物质(如H2O2、氨水、草酸、浓硝酸、铵盐等)会分解或挥发

④水浴加热的好处:

受热均匀,温度可控,且温度不超过100℃

⑤冰水浴冷却的目的:

防止某物质分解或挥发

⑥趁热过滤的原因:

保持过滤温度,防止温度降低后某物质析出

2.操作目的分析

常见操作

思维方向

通入N2或其他惰性气体

除去装置中的空气,排除氧气的干扰

末端放置干燥管

防止空气中的水蒸气或二氧化碳干扰实验

洗涤晶体

①水洗:

通常是为了除去晶体表面水溶性的杂质

②“冰水洗涤”:

能洗去晶体表面的杂质离子,同时防止晶体在洗涤过程中的溶解损耗

③用特定有机试剂清洗晶体:

洗去晶体表面的杂质,降低晶体的溶解度、有利于析出,减少损耗等

④洗涤沉淀的方法:

往漏斗中加入蒸馏水至浸没沉淀,待水自然流下后,重复以上操作2~3次

固液加热型制气装置中恒压分液漏斗上的支管的作用

保证反应器(一般为圆底烧瓶)内气压与恒压分液漏斗内气压相等(平衡气压),使分液漏斗中的液体易于滴下

冷凝回流的作用及目的

防止××蒸气逸出脱离反应体系,提高××物质的转化率

3.基本操作规范答题

基本操作

答题规范

滴定操作

滴定时,左手控制滴定管活塞,右手振荡锥形瓶,眼睛注视锥形瓶内溶液颜色的变化

证明沉淀完全的操作

静置,取沉淀后的上层清液,加入××试剂(沉淀剂),若没有沉淀生成,说明沉淀完全

洗涤沉淀的操作

沿玻璃棒向漏斗(过滤器)中的沉淀上加蒸馏水至没过沉淀,静置使其全部滤出,重复操作数次

检验沉淀是否洗涤干净的操作

取最后一次洗涤液,加入××试剂(根据沉淀可能吸附的杂质离子,选择合适的检验试剂),若没有××(特征现象)出现,证明沉淀已洗涤干净

从溶液中得到晶体的操作

蒸发浓缩→冷却结晶→过滤→洗涤(包括水洗、冰水洗、热水洗、乙醇洗等)→干燥

蒸发结晶的操作

将溶液转移到蒸发皿中加热,并用玻璃棒不断搅拌,待有大量晶体出现时停止加热,利用余热蒸干剩余水分

【案例2】 亚氯酸钠(NaClO2)是一种高效的漂白剂和消毒剂,它可用NaClO3和草酸(H2C2O4)反应制得的ClO2制取。

已知:

无水草酸100℃可以升华,亚氯酸钠(NaClO2)是一种高效的漂白剂和消毒剂,ClO2有类似Cl2的性质。

某兴趣小组探究亚氯酸钠的制备与性质。

(1)制备ClO2时实验需在60~100℃进行的原因是____________________,控制所需温度的方法是_________________________。

(2)用如图所示装置制备NaClO2时,首先关闭止水夹Ⅱ,打开水夹Ⅰ,从进气口通入足量ClO2,充分反应。

①仪器a的名称为________,仪器b的作用是_____________________。

②装置A中生成NaClO2的离子方程式为___________。

③若从装置A反应后的溶液中获得NaClO2晶体,则主要操作有减压蒸发浓缩、降温结晶、________、________、干燥等。

即答即纠 

(1)若温度过低,化学反应速率较慢;若温度过高,草酸升华或分解 水浴加热

(2)①烧瓶(圆底烧瓶) 防止倒吸

②2ClO2+2OH-+H2O2===2ClO

+2H2O+O2↑

③过滤 洗涤

微题型1 物质制备类综合实验

[典例演示1]碘化钠可用作甲状腺肿瘤防治剂、祛痰剂和利尿剂等。

实验室用NaOH、单质碘和水合肼(N2H4·H2O)为原料可制备碘化钠。

资料显示:

水合肼有还原性,能消除水中溶解的氧气;NaIO3是一种氧化剂。

回答下列问题:

(1)水合肼的制备原理:

NaClO+2NH3===N2H4·H2O+NaCl

①用如图所示装置制取水合肼,其连接顺序为________(按气流方向,用小写字母表示)。

②开始实验时,先向氧化钙中滴加浓氨水,一段时间后再向装置B的三口烧瓶中缓慢滴加NaClO溶液。

滴加NaClO溶液时不能过快的理由:

_________________________________。

(2)碘化钠的制备

ⅰ.向三口烧瓶中加入8.4gNaOH及30mL水,搅拌、冷却,加入25.4g碘单质,打开恒温磁力搅拌器,保持60~70℃至反应完全;

ⅱ.继续加入稍过量的N2H4·H2O,还原NaIO和NaIO3,得NaI溶液粗品,同时释放一种空气中含有的气体;

ⅲ.向上述反应液中加入1.0g活性炭,煮沸半小时,然后将溶液与活性炭分离;

ⅳ.将步骤ⅲ中分离出的溶液蒸发浓缩、冷却结晶、过滤、洗涤、干燥,得产品24.0g。

①步骤ⅰ反应完全的现象是________。

②步骤ⅱ中IO

参与反应的离子方程式为___________________________。

③步骤ⅲ中将溶液与活性炭分离的方法是____________。

④本次实验的产率为________。

实验发现,水合肼实际用量比理论值偏高,可能的原因是______________________________________。

⑤某同学检验产品NaI中是否混有NaIO3杂质。

取少量固体样品于试管中,加水溶解,滴加少量淀粉溶液后再滴加适量稀硫酸,片刻后溶液变蓝,由此得出NaI中含有NaIO3杂质。

请评价该实验结论的合理性:

________(填写“合理”或“不合理”),__________________________。

(若认为合理写出离子方程式,若认为不合理说明理由)。

[思维程序指导]

实验目的

制备碘化钠

实验原理

(1)制备NH3:

由“先向氧化钙中滴加浓氨水”可知,反应为NH3·H2O+CaO===Ca(OH)2+NH3↑

(2)制备N2H4·H2O:

由“一段时间后再向装置B的三口烧瓶中缓慢滴加NaClO溶液”可知,反应为NaClO+2NH3===N2H4·H2O+NaCl

(3)制备NaI:

由“向三口烧瓶中加入8.4gNaOH及30mL水,搅拌、冷却,加入25.4g碘单质”可知,反应为I2+2NaOH===NaI+NaIO+H2O、3I2+6NaOH===5NaI+NaIO3+3H2O。

由“继续加入稍过量的N2H4·H2O,还原NaIO和NaIO3,得NaI溶液粗品,同时释放一种空气中含有的气体”可知,反应为2IO

+3N2H4·H2O===3N2↑+2I-+9H2O、2IO-+N2H4·H2O===N2↑+2I-+3H2O

实验装置

装置的连接顺序:

制备NH3→安全瓶→制备N2H4·H2O→尾气处理,所以装置的连接顺序为f、a、b、c、d、e(a和b的顺序可互换)

实验操作

(1)制备N2H4·H2O时,滴加NaClO溶液时不能过快的理由:

滴加NaClO溶液过快,过量的NaClO溶液会继续氧化生成的水合肼(N2H4·H2O),降低其产率

(2)步骤ⅲ中将溶液与活性炭分离的方法:

将固体与液体分离的操作为过滤

实验现象

步骤ⅰ反应完全的现象:

由步骤ⅰ的原料I2可知,当固体I2完全消失,且溶液颜色变为无色时,即可判断I2已反应完全

计算及

评价

根据碘原子守恒:

I2  ~  2NaI

254300

25.4gm(NaI)

,解得m(NaI)=30.0g

NaI的产率为24.0g÷30.0g×100%=80%

(1)由“水合肼有还原性,能消除水中溶解的氧气”可知,消耗水合肼的量偏大的原因是水合肼能与溶液中的氧气反应。

(2)在酸性环境中,除了NaI与NaIO3反应可生成I2外,NaI与溶液中的O2还可以生成I2,故该实验结论不合理

答案 

(1)①f、a、b、c、d、e(a和b的顺序可互换)

②滴加NaClO溶液过快,过量的NaClO溶液会继续氧化水合肼,降低其产率

(2)①无固体残留且溶液呈无色

②2IO

+3N2H4·H2O===3N2↑+2I-+9H2O

③过滤 ④80% 水合肼能与水中的溶解氧反应 ⑤不合理 可能是I-在酸性环境中被O2氧化成I2而使淀粉变蓝

[题型训练1](热点再现:

有机制备实验)(2019·课标全国Ⅲ,27)乙酰水杨酸(阿司匹林)是目前常用药物之一。

实验室通过水杨酸进行乙酰化制备阿司匹林的一种方法如下:

水杨酸

醋酸酐

乙酰水杨酸

熔点/℃

157~159

-72~-74

135~138

相对密度/(g·cm-3)

1.44

1.10

1.3

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