气体制备实验原理

article/2025/6/9 3:43:54

1. 气体制备实验的基本思路

实验目的→实验原理→药品选择→反应装置→操作步骤→注意事项→形成方案

2. 确定制气原理的依据

⑴ 原料(常见药品)方便经济;

⑵ 有适应的反应速率;

⑶ 反应条件简单;

⑷ 副反应少,产物尽量纯净。

如不选择电解饱和食盐水制取氯气。其原因是反应条件要求高,两种产物、不易收集等。

3. 实验操作顺序

装配仪器→检查气密性→装固体药品→加液体药品→制气→除杂、干燥→收集→防倒吸防氧化措施→尾气处理→拆除仪器。

⑴ 仪器的连接顺序:发生装置→除杂装置→收集装置→尾气处理装置

① 先检验气密性,后装入药品,最后点燃酒精灯。

② 加试剂顺序:先固后液,固体先放入,液体后滴加。

③ 加热操作先后顺序的选择。若气体发生需加热,应先用酒精灯加热发生气体的装置,等产生气体后,再给实验需要加热的固体物质加热。

目的是:一则防止爆炸(如氢气还原氧化铜);

二则保证产品纯度,防止反应物或生成物与空气中其它物质反应。

如用浓硫酸和甲酸共热制CO,再用CO还原Fe2O3,实验时应首先点燃CO发生装置的酒精灯,生成的CO赶走空气后,再点燃加热Fe2O3的酒精灯。而熄灭酒精灯的顺序则相反,原因是:在还原性气体中冷却Fe可防止灼热的Fe再被空气中的O2氧化,并防止石灰水倒吸。

④ 实验仪器的拆卸要注意安全和科学性,有些实验为防止“爆炸”或“氧化”,应考虑停止加热或停止通气的顺序。

如对有尾气吸收装置的实验,必须将尾气导管提出液面后才熄灭酒精灯,以免造成溶液倒吸;用氢气还原氧化铜的实验应先熄灭加热氧化铜的酒精灯,同时继续通氢气,待加热区冷却后才停止通氢气,这是为了避免空气倒吸入加热区使铜氧化,或形成可爆气;拆卸用排水法收集需加热制取气体(如O2)的装置时,需先把导管从水槽中取出,才能熄灭酒精灯,以防止水倒吸。

如:加热KMnO4或KClO3与MnO2的混合物制氧气的操作步骤

⑴ 查:检查装置气密性。

⑵ 装:装入药品(如果是高锰酸钾制氧气,在试管口塞一团棉花,防止高锰酸钾颗粒进入导管把导管堵塞)。

⑶ 定:固定装置(铁夹夹在离试管口约1/3处;试管口略向下倾斜,防止冷凝水倒流引起试管的炸裂)。

⑷ 点:点燃酒精灯开始加热(一定要先预热,然后使用酒精灯外焰集中加热药品部位)。

⑸ 收:收集气体(只有当气泡连续、均匀冒出时才可以收集,之前排出的气体可能是试管中的空气)。

⑹ 离:导管撤离水槽。

⑺ 熄:熄灭酒精灯。最后两步不能颠倒,否则水槽中的水会倒流进试管,引起试管的炸裂。

4. 装置、仪器的安装和操作顺序

⑴ 装置的连接顺序

制气及性质检验装置一般由以下五部分组成:

发生装置→净化装置→干燥装置→收集装置→尾气处理装置

① 根据反应物状态及反应条件,确定发生装置;

② 根据气体及杂质的性质,确定净化装置;

③ 根据气体的性质选择干燥剂,确定干燥装置;

④ 根据气体水溶液及密度,确定收集装置;

⑤ 根据气体的毒性选择吸收剂,确定尾气处理装置。

⑵ 仪器连接顺序:

安装较复杂的一套仪器装置时的顺序:

先零后整,先主后次;从下装到上,从左装到右;然后将实验桌上的仪器用木垫垫放在同一水平面上。

①“由下到上”原则,如制氯气的发生装置安装顺序是:放铁架台→摆酒精灯→固定铁圈→放置石棉网→固定带双孔塞和分液漏斗、导管的圆底烧瓶。

②“从左到右”原则,如制氯气:发生装置→收集装置→吸收装置。

③“先塞后定”原则,如带导管的胶塞在烧瓶固定前塞好。

④ 仪器间连接顺序是否正确。如广口瓶做洗气时“进气管长,出气管短”;干燥管除杂质时“大进小出”;

⑶ 绘装置图程序:先主后次,先左后右,先整体后部分,先直线后曲线,先长宽比例后对称连线,先轻笔描轮廓,后修改重笔绘出。

二、常见气体的实验室制取原理

① 氧气O2:2KMn04=K2MnO4+MnO2+O2↑

2KClO3=2KCl+3O2↑

2H2O2=2H2O+O2↑

② 氢气H2:Zn+H2SO4(稀)=ZnSO4+H2↑

③ 二氧化碳CO2:CaCO3+2HCl=CaCl2+CO2↑+H2O

④ 氯气Cl2:MnO2+4HCl(浓)=Cl2↑+MnCl2+2H20

16HCl(浓)+2KMnO4=2MnCl2+5Cl2↑+2KCl+8H2O

⑤ 氨气NH3:Ca(OH)2+2NH4Cl=2NH3↑+CaCl2+2H2O

NH3·H2O=NH3↑+H2O

⑥ 氯化氢HCl:NaCl(固)+H2SO4(浓)=NaHSO4+HCl↑

NaCl(固)+NaHSO4=Na2SO4+HCl↑

2NaCl(固)+H2SO4(浓) =Na2SO4+2HCl↑

⑦ 硫化氢H2S:FeS+H2SO4(稀)=FeSO4+H2S↑

⑧ 二氧化硫SO2:Na2SO3+H2SO4(浓)=Na2SO4+SO2↑+H2O

⑨ 二氧化氮NO2:Cu+4HNO3(浓)=Cu(NO3)2+2NO2↑+2H2O

⑩ 一氧化氮NO:3Cu+8HNO3(稀)=3Cu(NO3)2+2NO↑+4H2O

⑪ 甲烷CH4:CH3COONa+NaOH= Na2CO3+CH4↑

⑫ 乙烯C2H4:C2H5OHCH2=CH2↑+H2O

⑬ 乙炔C2H2:CaC2+2H2O→Ca(OH)2+CH≡CH↑

⑭ 氮气N2:NaNO2+NH4Cl=NaCl+N2↑+2H2O

三、气体制备装置的选择及注意事项

⒈ 选择原则:根据反应原理、反应物状态和反应所需条件等因素来选择反应装置。

⒉ 装置气密性的检验

⑴ 微热法(基本法):

① 简单装置(单孔塞装置):把导气管一端放入水中,用双手捂住烧瓶或试管,借手的热量使容器内的空气膨胀(或用酒精灯加热),容器内的空气则从导管口形成气泡冒出,把手(酒精灯)拿开,过一会,水沿导管上升,形成一小段水柱,说明装置不漏气。

② 带有分液漏斗的装置:应塞紧橡皮塞,关闭分液漏斗活塞,然后按①法操作。

⑵ 液差法

① 带有长颈漏斗的装置:通常方法为:塞紧橡皮塞,夹紧止水夹后,从漏斗注入一定量水,使漏斗内的水面高于容器内的水面,停止加水后,液面差保持不变,说明装置不漏气。

② 启普发生器:关闭活塞后,从漏斗注入一定量的水,使漏斗内的水面高于容器内的水面,停止加水后,漏斗中与容器中的液面差保持不再变化,说明启普发生器不漏气。

⑶ 抽气法:如图装置,活塞慢慢向外拉时,若气密性完好,则液体中的导管口会有大量的气泡产生,活塞向内推时,导管中会有水柱上升。

⑷ 分段法:较多仪器内壁连接在一起的装置,可分段检查。

⒊ 装置基本类型:

固体与固体加热制气体

注意事项:

① 试管口应稍向下倾斜,防止产生的水蒸气在试管口冷凝后倒流而引起试管炸裂;

② 铁夹应夹在距试管口约1/3处;

③ 固体药品应平铺在试管底部。

④ 胶塞上的导管伸入试管里面不能太长,否则会妨碍气体的导出。

固体与液体不加热制气体

注意事项:

① 块状固体与液体在常温下反应制备气体时可用启普发生器,如图甲,当制取气体的量不多时,也可采用简易装置,如图乙;

② 装置乙、丁、戊、己中长颈漏斗的下端应伸入液面以下,否则起不到液封的作用;

③ 加入的液体反应物(如酸)要适当;

④ 加入块状固体药品的大小要适宜。

⑤ 粉末状固体与液体反应或产物为糊状物时常采用装置丙

固体与液体加热制气体

液体与液体加热制气体。

注意事项:

① 先把固体药品加入烧瓶中,然后滴加液体药品,要注意液体滴加的速度,保证产气速率平稳,便于收集;

② 若使用分液漏斗,则需要在滴液的过程中,打开漏斗活塞,以保证液体能够顺利滴下;

③ 分液漏斗应盖上盖,注意盖上的凹槽对准分液漏斗颈部的小孔;

④ 分液漏斗中的液体滴完后,要关闭漏斗活塞,防止气体经漏斗逸出;

⑤ 装置乙中的温度计必须插在反应液中;

⑥ 烧瓶加热需要垫石棉网

⑦ 胶塞上的导管伸入试管内不能过长,否则会影响气体导出;

⑧ 如用排水集气法收集气体,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,防止水倒吸。

⒋ 气体发生装置的应用

根据反应原理、反应物状态和反应所需条件等因素来选择反应装置。

⑴ 固体或固体混合物加热制备气体,可用实验室制备氧气的装置。可制备的气体有O2、NH3、CH4等。

⑵ 块状固体与液体的混合物在常温下反应制备气体,可用启普发生器,当制取气体的量不多时,也可采用简易装置,如上表图②所示。可制备气体有:H2、CO2、H2S等。

⑶ 固体与液体或液体与液体的混合物加热制备气体,可用实验室制备氯气的装置,如上图③所示。可制备的气体有:Cl2、HCl、CH2=CH2等。

⒌ 气体的收集装置及方法

选择原则:根据气体的溶解性或密度。

⑴ 易溶或与水反应的气体:用向上(或下)排空气法;

⑵ 与空气成分反应或与空气密度相近的气体:排水(液)法;

⑶ 可溶性气体考虑用排液法;

⑷ 两种方法皆可用时,排水法收集的气体较纯,但制取的气体要干燥。

应用举例

⑴ 排液法:难溶或微溶于水且不与水反应的气体可用排水法收集如H2、O2、CO、CH4、NO(只能用排液法收集)、CH2=CH2、CH≡CH等。有的气体不能用排水法收集,但用排非水溶剂法收集如用排饱和食盐水收集Cl2,用排饱和NaHCO3溶液收集CO2;用排四氯化碳或煤油法收集氨气;用排饱和亚硫酸钠溶液法收集SO2等。

① 排水法:

ⅰ 难溶或微溶于水,且与水不发生化学反应的气体,都可用排水集气法收集;

ⅱ 用排水集气法收集气体时,导管不伸入试管(或集气瓶)底部。

② 排特殊溶液法:

ⅰ 氯气可用排饱和食盐水的方法收集;

ⅱ 二氧化碳可用排饱和碳酸氢钠溶液的方法收集

⑵ 排空法:不与空气反应、密度与空气相差较大的气体可用排空法收集;又可分为向上排空气法和向下排空气法。

① 向上排空气法:相对分子量比空气大的气体。空气的平均式量是29,式量大于29的气体如O2、HCl、CO2、SO2、H2S、Cl2、NO2(只用排空气)等;

ⅰ 比空气密度大的气体可用向上排空气法收集;

ⅱ 用排空气法收集气体时,导管一定要伸入集气瓶(或试管)底部,目的是把集气瓶(或试管)中的空气尽量排出;

ⅲ 为防止外界空气向集气瓶内扩散,集气瓶口可盖上毛玻璃片,若用试管收集时,可在试管口塞上一小团疏松的棉花。

② 向下排空气法:相对分子量小于29的气体,如H2、CH4、NH3等。

用排气法收集气体时,导气管一定要伸入集气瓶底部,把空气尽量排出。为了减少空气扩散,集气瓶口可盖上毛玻璃片;试管口轻轻塞上一小团疏松的棉花。

比空气密度小的气体可用向下排空气法收集,如H2、NH3和CH4等气体

⒎ 量取气体——量气装置:

装置(I):反应后应恢复到室温再读数,实验前广口瓶中应充满水,气体体积即量筒中水的体积。

装置(Ⅱ):读数时应上下移动乙管,使甲、乙管液面相平。读取反应前后甲管中液面体积读数的差值即为气体体积。


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