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专题十二　综合实验设计与评价
【知识重构】
　常见物质的制备
物质的制备实验是中学化学实验的重要内容,它涉及试剂的选择及取用、仪器的选择及组装、物质的加热等多种基本实验操作,具有较强的综合性。一般思路:发生原理(装置)→除杂→干燥→主体实验→尾气处理等。
1.试剂的选择:以实验室常用药品为原料,依据反应原理,选择方便经济安全的试剂,尽量做到有适宜的反应速率,且所得物质比较纯净。如用锌粒与酸制取氢气,一般选择稀硫酸,不用盐酸,因为盐酸是挥发性酸,制取的氢气中会混有HCl气体。
2.装置的选择:由反应物的状态,反应条件和所制备气体的性质、量的多少决定。装置选择应根据实验设计的思路:发生装置→除杂装置→干燥装置→主体实验装置(或收集装置)→尾气处理装置等。
3.仪器的组装:在组装仪器时,应从下而上,从左至右,先塞好后固定;先检验装置的气密性再加入试剂;加入试剂时,先固后液;实验开始时,先验纯,再点灯;在连接导管时,对于洗气装置应“长”进“短”出;量气装置应“短”进“长”出;干燥管应“大”进“小”出;先净化后干燥。
4.物质的除杂(以气体为例)
①除杂顺序:先除杂,后除水,加热除氧放末尾。
②解题步骤:a.判断气体中的杂质,凡是反应物中有易挥发性液体,如盐酸、浓硝酸、溴水等,制得的气体中一定含有相应的杂质,如HCl、HNO3、溴蒸气及水蒸气等,还有一些会发生副反应,如乙醇和浓硫酸反应制乙烯时,由于副反应的发生而使乙烯中含有SO2、CO2和水蒸气等杂质;b.根据杂质选择合适的试剂;c.根据试剂选择合适的装置。
5.尾气处理:污染环境的有毒气体需处理,不污染环境的无毒气体直接排入空气中。常见的处理方法:燃烧法(如CH4、C2H2、H2、CO等)、碱液吸收法(如Cl2、NO2、H2S、SO2等)、水溶法(如HCl、NH3等)。
6.纯度检验:采用可行的方法对制备的物质进行检验,确定实验是否成功。
　化学实验条件的控制
1.化学实验条件的控制方法
2.高考中常见实验条件的控制
常见的操作 思考方向
加过量试剂 使反应完全进行(或增大产率、提高转化率)
加氧化剂(如H2O2) 氧化还原性物质,生成目标产物或除去某种离子
通入N2或其他惰性气体 除去装置中的空气,排除氧气等气体的干扰
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
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”可除去氧化物(膜) ③“碱作用”可除去油污,除去铝片的氧化膜,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(水浴、冰浴、油浴) ①防止副反应的发生 ②使化学平衡移动;控制化学反应的方向 ③控制固体的溶解与结晶(如趁热过滤能防止某物质降温时析出) ④控制反应速率;使催化剂达到最大活性 ⑤升温:促进溶液中的气体逸出,使某物质达到沸点而挥发 ⑥加热煮沸:促进水解,聚沉后利于过滤分离 ⑦降温:防止物质高温分解或挥发;降温(或减压)可以减少能源消耗,降低对设备的要求
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,同时减少晶体在洗涤过程中的溶解损耗 ③用特定的有机试剂洗涤晶体:洗去晶体表面的杂质,降低晶体的溶解度,有利于晶体析出,减少损耗等 ④洗涤沉淀的方法:沿玻璃棒向漏斗中加入蒸馏水至浸没沉淀,待水自然流下,重复以上操作2~3次
分离、提纯 ①过滤、蒸发、萃取、分液、蒸馏等 ②从溶液中得到晶体的步骤:蒸发浓缩→冷却结晶→过滤→洗涤→干燥
　化学实验方案的设计与评价
1.化学实验方案的设计
(1)物质制备型实验方案的设计
应遵循以下原则:①条件合适,操作方便;②原理正确,步骤简单;③原料丰富,价格低廉;④产物纯净,污染物少。
设计的基本流程:确定目标产物→确定可能原理→设计可能实验方案→优化实验方案→选择原料→设计反应装置(方法、仪器等)→进行实验(步骤、操作要点、控制反应条件等)→分离提纯产品。
(2)性质探究型实验方案的设计
主要是从物质的结构特点或从所属类型的典型代表物去推测物质可能具有的一系列性质,而后据此设计出合理的实验方案,去探索它可能具有的性质。
设计的基本流程:确定物质的组成、结构和类型→提出性质猜想→设计实验并逐个验证→记录现象和数据→归纳分析→合理推断、得出结论。
(3)性质验证型实验方案的设计
求证物质所具备的性质,关键是设计出简洁的实验方案,要求操作简单,简便易行,现象明显,且安全可行。
设计的基本流程:确定物质的性质→设计可能实验方案→优化实验方案→进行实验(原理、方法、步骤、仪器、药品、操作要点等)→观察现象、记录数据→综合分析、得出结论。
2.化学实验方案的评价
(1)从“可行性”方面
①实验原理是否正确、可行;
②实验操作是否安全、合理;
③实验步骤是否简单、方便;
④实验效果是否明显等。
(2)从“绿色化学”方面
①反应原料是否易得、安全、无毒;
②反应速率是否较大;
③原料利用率以及合成物质的产率是否较高;
④合成过程是否会造成环境污染。
(3)从“安全性”方面
①净化、吸收气体及熄灭酒精灯时要防止液体倒吸;
②进行某些易燃易爆实验时要防爆炸,如H2还原CuO前应先通入H2,气体点燃前应先验纯等;
③防氧化,如H2还原CuO后要“先灭灯再停氢”,白磷切割宜在水中等;
④防吸水,如实验中取用、制取易吸水、潮解、水解的物质宜采取必要的防吸水措施,以保证达到实验目的。
(4)从“规范性”方面
①冷凝回流。有些反应中,为减少易挥发液体反应物的损耗和充分利用原料,需在反应装置上加装冷凝回流装置,如长玻璃管、冷凝管等;
②易挥发液体产物(导出时可为蒸气)的及时冷却;
③仪器拆卸与组装顺序相反,按照从右向左,从高到低的顺序拆卸;
④其他,如实验操作顺序、试剂加入顺序、实验方法使用顺序等。
3.化学实验方案设计与评价考查内容
　探究型实验方案
1.探究型实验的常见类型
(1)对未知产物的探究
通过化学反应原理猜测可能生成哪些物质,对这些物质逐一进行检验来确定究竟含有哪些物质。虽然探究型实验主要考查考生的探究能力,但在问题中常常包含了对实验基础知识的考查。例如:
①常见物质分离的提纯方法:结晶法、蒸馏法、过滤法、升华法、萃取法、渗析法等。
②常见气体的制备、净化、干燥、收集等方法。
③熟悉重点操作:气密性检查、测量气体体积、防倒吸、防污染等。
(2)物质性质的探究
①在探究过程中往往可以利用对比实验,即设置几组平行实验来进行对照和比较,从而研究和揭示某种规律,解释某种现象形成的原因或证明某种反应机理。
②无机物、有机物性质的探究,必须在牢牢掌握元素及其化合物知识的基础上,大胆猜想,细心论证。脱离元素及其化合物知识,独立看待实验问题是不科学的,只有灵活运用元素及其化合物的知识,才能将探究型实验变为验证型实验,使复杂问题简单化。
2.探究型实验的基本程序
解答探究型实验题的基本程序可用以下流程图表示:
(1)提出问题
要提出问题,首先得发现问题,对题干给出的信息进行对比、质疑,通过思考提出值得探究的问题。此外,实验中出现的特殊现象也是发现问题、提出问题的重要契机。
(2)提出猜想
所谓猜想就是根据已有知识对问题的解决提出的几种可能的情况。有一些问题,结论有多种可能(这就是猜想),只能通过实验进行验证。
(3)设计验证方案
提出猜想后,就要结合题干给出的条件,设计出科学、合理、安全的实验方案,对可能的情况进行探究。实验设计中,关键点是对试剂的选择和实验条件的调控。
(4)观察实验现象,得出结论
根据设计的实验方案,结合实验现象进行推理分析或计算分析得出结论。
　定量实验
1.常见的定量测定型实验题包括混合物成分的测定、物质纯度的测定以及化学式的确定等。该类试题常涉及物质的称量、物质的分离与提纯、中和滴定、一定物质的量浓度溶液的配制等实验操作。
2.定量测定数据的常用方法
(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。量气装置的设计:下列装置中,A是常规的量气装置,B、C、D是改进后的量气装置。
(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:利用滴定原理,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。
(5)热重法:只要物质受热时发生质量变化,都可以用热重法来研究物质的组成,热重法是一种在控制温度的条件下,测量物质的质量与温度关系的方法,通过分析热重曲线,我们可以知道样品及其可能产生的中间产物的组成、热稳定性、热分解情况及生成产物等与质量相联系的信息。
3.测定实验中要有数据的采集与处理意识
(1)称量固体质量时,中学阶段中一般用托盘天平,可估读到0.1 g,在精确度要求高的实验中可以用分析天平或电子天平,可精确到0.0001 g。
(2)测量液体体积时,一般选用适当规格的量筒,可估读到0.1 mL。准确度要求高的定量实验中,如中和滴定实验中选用滴定管(酸式或碱式),可估读到0.01 mL。容量瓶作为精密的定容仪器,用于配制一定物质的量浓度的溶液,一般不用于量取液体的体积。
(3)气体除了量取外,还可以称量。称气体的质量时一般有两种方法:一种方法是称反应装置在放出气体前后的质量,计算其减小值;另一种方法是称吸收装置吸收气体前后的质量,计算其增大值。
(4)用pH试纸或pH计(精确到0.01)直接测出溶液的pH,经过计算可以得到溶液中H+或OH-的物质的量浓度。为了数据的准确性,实验中要采取必要的措施,确保离子完全沉淀、气体完全被吸收等,必要时可以进行平行实验,重复测定,然后取其平均值进行计算。例如:中和滴定实验中测量酸或碱的体积时要进行2~3次平行滴定,取体积的平均值求算未知溶液的浓度,但对于“离群”数据(指与其他数据有很大差异的数据)要舍弃,因为数据“离群”的原因可能是操作中出现了较大的失误。
4.实验数据处理时的“五看”
一看数据是否符合测量仪器的精度特点,如用托盘天平测得的质量的精确度为0.1 g,若精确度值超过了这个范围,说明所得数据是无效的。
二看数据是否在误差允许范围内,若所得的数据明显超出误差允许范围,要舍去。
三看反应是否完全,是不是过量反应物作用下所得的数据,只有完全反应时所得的数据,才能进行有效处理和应用。
四看所得数据的测试环境是否一致,特别是气体体积数据,只有在温度、压强一致的情况下才能进行比较、计算。
五看数据测量过程是否规范、合理,错误和违反测量规则的数据需要舍去。
5.定量实验试题中,如何减小误差的措施是必考点,常见的措施:
(1)定量仪器的使用(特别是读数,如量气装置读数时要冷却至室温且保证液面相平);
(2)减少固体产物的损失或除去杂质,如洗涤沉淀以及选用合适的洗涤剂;
(3)保证气体产物全部被吸收,如向装置中通入足量惰性气体将气体产物赶出等;
(4)沉淀剂的选用,如选用氢氧化钡效果比选用氢氧化钙效果好(因为碳酸钡的相对分子质量比碳酸钙大,称量误差对结果造成的影响小);
(5)防止其他气体物质的干扰,如防止固体产物吸收空气中的二氧化碳和水等;
(6)恒压漏斗的使用;
(7)许多实验中的数据处理,都是对多次测定结果求取平均值,但对于“离群”数据(指与其他测定数据有很大差异的数据)要舍弃,因为数据“离群”的原因可能是在操作中出现了较大的失误。
【题型解码】
题型1　无机物的制备
例1　(2024·河北高考)市售的溴(纯度99%)中含有少量的Cl2和I2,某化学兴趣小组利用氧化还原反应原理,设计实验制备高纯度的溴。回答下列问题:
(1)装置如图(夹持装置等略),将市售的溴滴入盛有浓CaBr2溶液的B中,水浴加热至不再有红棕色液体馏出。仪器C的名称为　　　　　　　　;CaBr2溶液的作用为　　　　　　　　　　　　　　　　　;D中发生的主要反应的化学方程式为　　　　　　　　　　　　　　　　　　。
(2)将D中溶液转移至　　　　(填仪器名称)中,边加热边向其中滴加酸化的KMnO4溶液至出现红棕色气体,继续加热将溶液蒸干得固体R。该过程中生成I2的离子方程式为　　　　　　　　　　　　　　　　　。
(3)利用图示相同装置,将R和K2Cr2O7固体混合均匀放入B中,D中加入冷的蒸馏水。由A向B中滴加适量浓硫酸,水浴加热蒸馏。然后将D中的液体分液、干燥、蒸馏,得到高纯度的溴。D中蒸馏水的作用为　　　　和　　　　。
(4)为保证溴的纯度,步骤(3)中K2Cr2O7固体的用量按理论所需量的 计算,若固体R质量为m克(以KBr计),则需称取　　　　(用含m的代数式表示)g K2Cr2O7 (M=294 g·mol-1)。
(5)本实验所用钾盐试剂均经重结晶的方法纯化。其中趁热过滤的具体操作为漏斗下端管口紧靠烧杯内壁,转移溶液时用　　　　　　　　　　　　　　　　　,滤液沿烧杯壁流下。
变式1　(2024·浙江1月选考)H2S可用于合成光电材料。某兴趣小组用CaS 与MgCl2反应制备液态H2S,实验装置如图,反应的化学方程式为CaS+MgCl2+2H2OCaCl2+Mg(OH)2+H2S↑。
已知:①H2S的沸点是-61 ℃,有毒;
②装置A内产生的H2S气体中含有酸性气体杂质。
请回答:
(1)仪器X的名称是　　　　　　。
(2)完善虚框内的装置排序:A→B→　　　　　　→F→G
(3)下列干燥剂,可用于装置C中的是　　　。
A.氢氧化钾　　　　　B.五氧化二磷
C.氯化钙 D.碱石灰
(4)装置G中汞的两个作用:①平衡气压;②　　　　。
(5)下列说法正确的是　　　　。
A.该实验操作须在通风橱中进行
B.装置D的主要作用是预冷却H2S
C.加入的MgCl2固体,可使MgCl2溶液保持饱和,有利于平稳持续产生H2S
D.该实验产生的尾气可用硝酸吸收
(6)取0.680 g H2S产品,与足量CuSO4溶液充分反应后,将生成的CuS置于已恒重、质量为31.230 g的坩埚中,煅烧生成CuO,恒重后总质量为32.814 g。产品的纯度为　　　　。
题型2　有机物的制备
例2　(2024·新课标卷)吡咯类化合物在导电聚合物、化学传感器及药物制剂上有着广泛应用。一种合成1-(4-甲氧基苯基)-2,5-二甲基吡咯(用吡咯X表示)的反应和方法如下:
实验装置如图所示,将100 mmol己-2,5-二酮(熔点为-5.5 ℃,密度为0.737 g·cm-3)与100 mmol 4-甲氧基苯胺(熔点为57 ℃)放入①中,搅拌。
待反应完成后,加入50%的乙醇溶液,析出浅棕色固体。加热至65 ℃,至固体溶解,加入脱色剂,回流20 min,趁热过滤。滤液静置至室温,冰水浴冷却,有大量白色固体析出。经过滤、洗涤、干燥得到产品。
回答下列问题:
(1)量取己-2,5-二酮应使用的仪器为　　　　　　　　(填名称)。
(2)仪器①用铁夹固定在③上,③的名称是　　　　　　;仪器②的名称是　　　　　　。
(3)“搅拌”的作用是　　　　　　　　　　　　　　　　　。
(4)“加热”方式为　　　　　　。
(5)使用的“脱色剂”是　　　　。
(6)“趁热过滤”的目的是　　　　　　　　　　　　　　　　;用　　　　　　　　　　洗涤白色固体。
(7)若需进一步提纯产品,可采用的方法是　　　　。
变式2　(2024·辽宁高考)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　　　　(填标号)。
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)。
题型3　组成或性质探究
例3　(2023·湖北高考)学习小组探究了铜的氧化过程及铜的氧化物的组成。回答下列问题:
(1)铜与浓硝酸反应的装置如下图,仪器A的名称为　　　　,装置B的作用为　　　　。
(2)铜与过量H2O2反应的探究如下:
实验②中Cu溶解的离子方程式为　　　　　　　　　　　　　　　;产生的气体为　　　　　　。比较实验①和②,从氧化还原角度说明H+的作用是　　　　　。
(3)用足量NaOH处理实验②新制的溶液得到沉淀X,元素分析表明X为铜的氧化物,提纯干燥后的X在惰性氛围下加热,m g X完全分解为n g黑色氧化物Y,=。X的化学式为　　　。
(4)取含X粗品0.0500 g(杂质不参加反应)与过量的酸性KI完全反应后,调节溶液至弱酸性。以淀粉为指示剂,用0.1000 mol·L-1 Na2S2O3标准溶液滴定,滴定终点时消耗Na2S2O3标准溶液15.00 mL。(已知:2Cu2++4I-2CuI↓+I2,I2+2S22I-+S4)标志滴定终点的现象是　　　　　　　　　　　　　　　　　,粗品中X的相对含量为　　　　。
变式3　(2021·广东高考)含氯物质在生产生活中有重要作用。1774年,舍勒在研究软锰矿(主要成分是MnO2)的过程中,将它与浓盐酸混合加热,产生了一种黄绿色气体。1810年,戴维确认这是一种新元素组成的单质,并命名为chlorine(中文命名“氯气”)。
(1)实验室沿用舍勒的方法制取Cl2的化学方程式为 　　　　　　　　　　　　　　　　　。
(2)实验室制取干燥Cl2时,净化与收集Cl2所需装置的接口连接顺序为　　　　　。
(3)某氯水久置后不能使品红溶液褪色,可推测氯水中　　　　已分解。检验此久置氯水中Cl-存在的操作及现象是　　　　　　　　　　　　　　　　　。
(4)某合作学习小组进行以下实验探究。
①实验任务　通过测定溶液电导率,探究温度对AgCl溶解度的影响。
②查阅资料　电导率是表征电解质溶液导电能力的物理量。温度一定时,强电解质稀溶液的电导率随溶液中离子浓度的增大而增大;离子浓度一定时,稀溶液电导率随温度的升高而增大。25 ℃时,Ksp(AgCl)=1.8×10-10。
③提出猜想
猜想a:较高温度的AgCl饱和溶液的电导率较大。
猜想b:AgCl在水中的溶解度s(45 ℃)>s(35 ℃)>s(25 ℃)。
④设计实验、验证猜想　取试样Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ(不同温度下配制的AgCl饱和溶液),在设定的测试温度下,进行表1中实验1~3,记录数据。
表1
实验序号 试样 测试温度/℃ 电导率/(μS·cm-1)
1 Ⅰ:25 ℃的AgCl饱和溶液 25 A1
2 Ⅱ:35 ℃的AgCl饱和溶液 35 A2
3 Ⅲ:45 ℃的AgCl饱和溶液 45 A3
⑤数据分析、交流讨论　25 ℃的AgCl饱和溶液中,c(Cl-)≈　　　　mol·L-1(已知:≈1.34)。
实验结果为A3>A2>A1。小组同学认为,此结果可以证明③中的猜想a成立,但不足以证明猜想b成立。结合②中信息,猜想b不足以成立的理由有 　　　　　　　　　　　　　　　　　。
⑥优化实验　小组同学为进一步验证猜想b,在实验1~3的基础上完善方案,进行实验4和5。请完成表2中内容。
表2
实验序号 试样 测试温度/℃ 电导率/(μS·cm-1)
4 Ⅰ 　　　 B1
5 　　　 　　　 B2
⑦实验总结　根据实验1~5的结果,并结合②中信息,小组同学认为猜想b也成立。猜想b成立的判断依据是　　　　　　　　　　　　　　　　　。
题型4　物质的定量分析
例4　(2024·安徽高考)测定铁矿石中铁含量的传统方法是SnCl2-HgCl2-K2Cr2O7滴定法。研究小组用该方法测定质量为a g的某赤铁矿试样中的铁含量。
【配制溶液】
①c mol·L-1 K2Cr2O7标准溶液
②SnCl2溶液:称取6 g SnCl2·2H2O溶于20 mL浓盐酸,加水至100 mL,加入少量锡粒。
【测定含量】按下图所示(加热装置略去)操作步骤进行实验。
已知:氯化铁受热易升华;室温时HgCl2可将Sn2+氧化为Sn4+,难以氧化Fe2+;Cr2可被Fe2+还原为Cr3+。
回答下列问题:
(1)下列仪器在本实验中必须用到的有　　　　　　(填名称)。
(2)结合离子方程式解释配制SnCl2溶液时加入锡粒的原因: 　　　　　　　　　　　　　　　　　。
(3)步骤Ⅰ中“微热”的原因是　　　　　　　　　　　　　　　　　。
(4)步骤Ⅲ中,若未“立即滴定”,则会导致测定的铁含量　　　　(填“偏大”“偏小”或“不变”)。
(5)若消耗c mol·L-1 K2Cr2O7标准溶液V mL,则a g试样中Fe的质量分数为　　　(用含a、c、V的代数式表示)。
(6)SnCl2-TiCl3-KMnO4滴定法也可测定铁的含量,其主要原理是利用SnCl2和TiCl3将铁矿石试样中Fe3+还原为Fe2+,再用KMnO4标准溶液滴定。
①从环保角度分析,该方法相比于SnCl2-HgCl2-K2Cr2O7滴定法的优点是　　　　　　　　　　　　　　　　　。
②为探究KMnO4溶液滴定时,Cl-在不同酸度下对Fe2+测定结果的影响,分别向下列溶液中加入1滴0.1 mol·L-1KMnO4溶液,现象如表所示:
溶液 现象
空白实验 2 mL 0.3 mol·L-1 NaCl溶液+0.5 mL试剂X 紫红色不褪去
实验ⅰ 2 mL 0.3 mol·L-1 NaCl溶液+0.5 mL 0.1 mol·L-1硫酸 紫红色不褪去
实验ⅱ 2 mL 0.3 mol·L-1 NaCl溶液+0.5 mL 6 mol·L-1硫酸 紫红色明显变浅
表中试剂X为　　　　;根据该实验可得出的结论是　　　　　　　　　　　　　　　　　。
变式4　(2024·山东高考)利用“燃烧-碘酸钾滴定法”测定钢铁中硫含量的实验装置如图所示(夹持装置略)。
实验过程如下:
①加样:将a mg样品加入管式炉内瓷舟中(瓷舟两端带有气孔且有盖),聚四氟乙烯活塞滴定管G内预装c(KIO3)∶c(KI)略小于1∶5的KIO3碱性标准溶液,吸收管F内盛有盐酸酸化的淀粉水溶液。向F内滴入适量KIO3碱性标准溶液,发生反应KIO3+5KI+6HCl6KCl+3I2+3H2O,使溶液显浅蓝色。
②燃烧:按一定流速通入O2,一段时间后,加热并使样品燃烧。
③滴定:当F内溶液浅蓝色消退时(发生反应SO2+I2+2H2OH2SO4+2HI),立即用KIO3碱性标准溶液滴定至浅蓝色复现。随SO2不断进入F,滴定过程中溶液颜色“消退-变蓝”不断变换,直至终点。
回答下列问题:
(1)取20.00 mL 0.1000 mol·L-1 KIO3的碱性溶液和一定量的KI 固体,配制1000 mL KIO3碱性标准溶液,下列仪器必须用到的是　　　　(填字母)。
A.玻璃棒　　　　　　B.1000 mL锥形瓶
C.500 mL容量瓶 D.胶头滴管
(2)装置B和C的作用是充分干燥O2,B中的试剂为　　　　。装置F中通气管末端多孔玻璃泡内置一密度小于水的磨砂浮子(见放大图),目的是　　　　　　　。
(3)该滴定实验达到终点的现象是　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　;滴定消耗KIO3碱性标准溶液V mL,样品中硫的质量分数为　　　　(用代数式表示)。
(4)若装置D中瓷舟未加盖,会因燃烧时产生粉尘而促进SO3的生成,粉尘在该过程中的作用是　　　　;若装置E冷却气体不充分,可能导致测定结果偏大,原因是　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　;若滴定过程中,有少量I不经I2直接将SO2氧化成H2SO4,测定结果会　　　　(填“偏大”“偏小”或“不变”)。
【真题改编】
(非选择题第1题9分;第2题9分,总计18分)
1.(2023·辽宁高考改编)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.制噻吩钠:向烧瓶中加入300 mL液体X和m g Na,加热至Na熔化后,盖紧塞子,振荡至大量微小Na珠出现。降温至10 ℃,加入25 mL噻吩,反应至Na珠消失。
ⅱ.制噻吩乙醇钠:降温至-10 ℃,加入稍过量的的四氢呋喃溶液,反应30 min。
ⅲ.分离、提纯产品:①恢复室温,加入70 mL水,搅拌30 min　②加盐酸调pH至4~6,继续反应2 h,分液　③用水洗涤有机相,二次分液　④向有机相中加入无水MgSO4,静置,过滤　⑤对滤液进行蒸馏,分离出四氢呋喃、噻吩和液体X等杂质　⑥得到n g产品。
按要求回答下列问题:
(1)步骤ⅰ中液体X可以选择　　　　　(填字母)。(1分)
a.水　　b.甲苯　　c.乙醇　　d.苯酚
(2)步骤ⅰ中制2-噻吩钠的化学方程式为　　　　　　　　　　　　　　　　　。(2分)
(3)步骤ⅱ中反应放热,为防止温度过高引发副反应,加入溶液的方式为　　　　　　(填“缓慢加入”或“一次性加入”)。(1分)
(4)写出步骤ⅲ中用盐酸调节pH的化学方程式:　　　　　　　　　　　　　　　　　。加入无水MgSO4的作用为　。(3分)
(5)产品“2-噻吩乙醇”(Mr=128)的产率为　　　　(用含m、n的代数式表示)。(2分)
2.(2023·新课标卷改编)实验室由安息香制备二苯乙二酮的反应式如下:
安息香　　　　　　二苯乙二酮
相关信息如表所示:
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,干燥后得淡黄色晶体1.6 g。
回答下列问题:
(1)下列关于安息香分子的说法正确的是　　　　　　。(1分)
A.分子所含官能团名称为羧基
B.一氯代物有6种
C.分子式为C14H12O2
D.分子中所有碳原子可能共平面
(2)仪器A中应加入　　　　(填“水”或“油”)作为热传导介质。(1分)
(3)仪器B的名称是　　　　　　;冷却水应从　　　　(填“a”或“b”)口通入。(2分)
(4)获得粗品中若含有未被氧化的安息香,可用少量　　　　洗涤除去。(1分)
(5)粗品重结晶操作:加热溶解→ 活性炭脱色→ 　　　　　　→ 　　　　　　→ 过滤→ 洗涤→ 干燥。(2分)
(6)本实验的产率最接近于　　　　　(填字母)。(2分)
a.90%　　b.85%　　c.80%　　d.75%
【新题快递】
(非选择题第1题12分;第2题11分;第3题12分;第4题12分;第5题16分,总计63分)
1.铬酰氯是一种无机化合物,化学式为CrO2Cl2,熔点为-96.5 ℃,沸点为117 ℃,常温下为深红棕色液体,放置在空气中会迅速挥发并水解,在有机合成中作氧化剂、氯化剂和溶剂。在实验室中可由重铬酸钾、浓硫酸与氯化钠反应得到铬酰氯,反应机理为浓硫酸先分别与重铬酸钾和氯化钠反应生成CrO3和氯化氢两种中间产物,然后CrO3迅速与氯化氢反应生成铬酰氯。实验装置如图所示(夹持装置略):
回答下列问题:
(1)A的名称是　　　　　　;B的进水口为　　　　(填“a”或“b”)。(1分)
(2)浓硫酸在反应前应装入冰箱中冷却至0 ℃左右,其目的是　　　　　　　　　　　　　。(2分)
(3)写出CrO3与氯化氢反应生成铬酰氯的化学方程式:　　　　　　　　　　　　　　　　　　　。(2分)
(4)投料时,加入过量氯化钠粉末可以显著增大铬酰氯的产率,原因是　　　　　　　　　　　　　　　　　　　。(2分)
(5)反应结束后,用电热套加热A装置,收集117 ℃左右的馏分,收集装置选用冰水浴的目的是　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　。(2分)
(6)图中C装置未画出,应为下列装置中的　　　　(填字母),该装置的作用是　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　。(3分)
2.苯胺(),沸点为184 ℃,呈碱性,易被氧化,微溶于水,易溶于乙醚等有机物,广泛应用于医药和染料行业。实验室用硝基苯与H2反应制备苯胺的反应原理为+3H2+2H2O,实验装置如图所示(部分夹持装置省略)。
已知:+HCl(苯胺盐酸盐,易溶于水)。
回答下列问题:
(1)试管中发生反应的离子方程式为　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　,实验中不能用盐酸代替稀硫酸的原因是　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　。(4分)
(2)实验时,须先打开K,通一段时间H2的原因是　　　　　　　　　　　　　　　　　　　。(2分)
(3)实验制得的苯胺粗品中含有少量硝基苯,某同学设计如下流程提纯苯胺、回收硝基苯。(5分)
①“步骤Ⅰ”中“分液”需要用到下列仪器中的　　　　　　(填仪器名称)。
②“步骤Ⅱ”中,加入NaOH溶液发生反应的化学方程式为　　　　　　　　　　　　　　　　　　　。
③“步骤Ⅱ”中,加入乙醚的作用是　　　　　　　　　;干燥苯胺的步骤中可以选用下列干燥剂中的　　　　(填字母)。
A.浓硫酸　　　　　　　B.碱石灰
C.无水MgSO4 D.P2O5
3.磺化聚苯乙烯可用于制作高性能离子交换膜。某研究小组用乙酰基磺酸(CH3COOSO3H)制备磺化聚苯乙烯的过程如下:
Ⅰ.乙酰基磺酸的制备
向装有一定量二氯乙烷溶剂的烧杯中,加入 7.6 mL乙酸酐[(CH3CO)2O],控制溶液温度在10 ℃以下,边搅拌边分批加入2.7 mL浓硫酸,得到乙酰基磺酸溶液。
(1)制备过程中需使用的玻璃仪器有烧杯、温度计、　　　　　　　　　　。(1分)
(2)控制溶液温度在10 ℃以下的目的是　　　　　　　　　　。(2分)
(3)乙酸酐与浓硫酸按物质的量之比1∶1反应的化学方程式为　　　　　　　　　　　　　　　　　　　。(2分)
Ⅱ.聚苯乙烯的磺化
组装好装置(夹持设备略去),控制反应温度为65 ℃,缓慢滴加乙酰基磺酸溶液,得到浅棕色液体。将所得的浅棕色液体慢慢滴入装有沸水的烧杯中,得到淡黄色的磺化聚苯乙烯颗粒,颗粒经过滤、洗涤、干燥得到样品。
聚苯乙烯的链节与乙酰基磺酸反应原理如下:
(4)控制反应温度为65 ℃,应采用　　　　进行加热;冷却水应从　　　　(填“a” 或“b” ) 口通入。(2分)
(5)产品是否洗涤干净,可通过检测洗涤液中是否存在 S 来判断,检测的方法是　　　　　　　　　　　　　。(2分)
Ⅲ.磺化度的测定
称取0.500 g干燥的磺化聚苯乙烯样品于锥形瓶中,用苯-甲醇混合液溶解,以酚酞为指示剂,用0.1000 mol·L-1 NaOH-甲醇标准溶液滴定至终点,消耗的标准液的体积为10.00 mL,计算磺化度。
已知:R—SO3H+NaOHR—SO3Na+H2O。
聚苯乙烯链节的式量为104,磺化聚苯乙烯中含磺酸基链节的式量为184。
(6)该样品的磺化度为　　　　　(磺化度=×100%,精确到0.1%)。(2分)
(7)若样品未充分干燥,将导致测得的磺化度　　　　(填“偏高”“偏低”或“无影响”)。(1分)
4.某实验小组采用氯化氢法对实验室NaCl粗品(含少量KNO3)进行提纯,并测定提纯产品中的NaCl纯度。实验装置及步骤如下,回答下列问题:
Ⅰ.NaCl粗品提纯
(1)装置A中用于制取HCl气体的反应利用了浓硫酸的　　　　(填字母标号),装置A中发生反应的化学方程式为　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　。(3分)
a.脱水性　　　　　　b.高沸点
c.强氧化性 d.强酸性
(2)仪器a的名称是　　　　　　,仪器b的作用是　　　　　　　　　　　　　　。(3分)
(3)装置B中析出NaCl晶体的原理是　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　。待晶体不再析出后,停止通气,过滤、洗涤、干燥得到NaCl晶体。(2分)
Ⅱ.NaCl晶体纯度测定
称取1.000 g干燥的NaCl晶体溶于烧杯中,将溶液转移到100 mL容量瓶中,定容、摇匀。
移取10.00 mL溶液于锥形瓶中,调节待测液的pH并滴加K2CrO4指示剂。
用0.1000 mol·L-1标准AgNO3溶液在避光条件下滴定至终点。
(已知:Ag2CrO4为砖红色沉淀)
(4)称取NaCl晶体质量时,　　　　(填“能”或“不能”)使用托盘天平。(1分)
(5)滴定终点时的实验现象为　　　　　　　　　　　　　。(1分)
(6)平行滴定三次,消耗的AgNO3标准溶液的平均体积为17.05 mL,所得产品中NaCl晶体纯度约为　　　　　(精确到0.01%)。(2分)
5.过氧化锶(Sr2+]2-)通常用作分析试剂、氧化剂、漂白剂等。SrO2是一种白色粉末,加热条件下可与CO2、水蒸气反应,室温下在水中逐渐形成无色晶体SrO2·8H2O,与酸作用生成H2O2。
(1)甲同学在实验室中利用锶单质制备过氧化锶的过程中可能用到的仪器和装置如图所示:(6分)
①按气流从左到右的流向,导管接口顺序为a→　　　　　　　　　　(选择必要的仪器和装置,可重复选择)。
②SrO2在空气中会变质生成碳酸盐,写出该反应的化学方程式:　　　　　　　　　　　　　。
③连接好装置进行实验,实验步骤如下,正确的操作顺序为　　　　　　　　(填字母)。
a.打开分液漏斗活塞,将水滴入烧瓶中
b.检查装置气密性
c.在相应装置中装入药品
d.加热
e.关闭分液漏斗活塞
f.停止加热
(2)乙同学在通入氨气的条件下,在水溶液中可制得SrO2·8H2O,实验装置如图所示:(8分)
①盛装SrCl2溶液的仪器名称为　　　　　　　　　　,仪器X的作用是　　　　　　。
②该方法制备SrO2·8H2O的离子方程式为　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　,NH3的作用是　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　(从平衡角度回答)。
③实验结束后,得到SrO2·8H2O的操作为 　　　　　　　　　　　　　。
(3)除SrO2·8H2O外,现提供下列试剂:FeCl2溶液、HCl溶液、HNO3溶液、KSCN溶液、H2O2溶液。设计实验证明SrO2的氧化性比FeCl3的氧化性强: 　　　　　　　　　　　　　。(2分)
【原创好题】
(非选择题第1题10分;第2题9分,总计19分)
1.(有机物制备)某小组设计实验制备内型双环[2,2,1]-2-庚烯-5,6-二羧酸。
【反应的化学方程式】
【试剂】
1.6 g(2 mL,0.24 mol)环戊二烯,2.0 g(0.02 mol)马来酸酐,醋酸乙酯,石油醚(沸点:60~90 ℃)
【步骤】
①在干燥的圆底烧瓶中加入2 g马来酸酐和7 mL醋酸乙酯,在温水浴中使之溶解。然后,加入7 mL石油醚,混合均匀后将此溶液置于冰浴中冷却。加入2 mL新蒸馏的环戊二烯,在冷水浴中振荡烧瓶,直至放热反应完成,析出白色结晶。
②将反应混合物进行水浴加热使固体重新溶解,再让其缓缓冷却,得到内型双环[2,2,1]-2-庚烯-5,6-二羧酸酐的白色针状结晶,抽滤、干燥,称重,得到的内型双环[2,2,1]-2-庚烯-5,6-二羧酸酐的质量约为2.0 g。
③称取1.0 g内型双环[2,2,1]-2-庚烯-5,6-二羧酸酐,置于锥形瓶中,加入15 mL水,加热至沸腾,使固体和油状物完全溶解后,让其自然冷却,必要时用玻璃棒摩擦瓶壁,得到白色棱状结晶,抽滤、干燥得到内型双环[2,2,1]-2-庚烯-5,6-二羧酸0.5 g。
回答下列问题:
(1)步骤①中,圆底烧瓶的规格应选择　　　(填字母)。(1分)
A.50 mL　　　　　　　B.100 mL
C.250 mL D.500 mL
(2)步骤①中,使用干燥的烧瓶,“干燥”的目的是　　　　　　　　　　　　;石油醚的作用是　　　　。(2分)
(3)步骤②中,利用如图装置抽滤,相对普通过滤,其优点主要有　　　　　　　　　　　　　(答两条)。(2分)
(4)步骤③中,用玻璃棒摩擦瓶壁的目的是　　　　　　　　　。(1分)
(5)本实验产率约为　　　　(填字母)。(2分)
a.13.7%
b.30.5%
c.35.6%
d.45.6%
(6)参照上述反应原理,写出和反应的化学方程式:　　　　　　　　　　　　　。(2分)
2.(无机物制备)ClO2是一种易溶于水且难溶于有机溶剂的气体,是一种广谱消毒剂。某小组先制备干燥纯净的氯气,再用NaClO2固体与Cl2反应制备和收集纯净的ClO2,实验装置如图所示(部分夹持装置省略)。已知:ClO2能与NaOH溶液反应。
根据下列装置回答相关问题:
(1)A装置中橡胶管L的作用是　　　　　　　　　　　　　;
写出A装置中反应的离子方程式:　　　　　　　　　　　　　。(3分)
(2)补充装置管口连接顺序(可重复使用):afg→　　　　　　　→i。(1分)
(3)G中试剂可以用下列试剂替换的是　　　(填序号)。(1分)
①水　②NaOH溶液　③KI溶液　④苯
(4)气态物质贮存和运输不便,常将其转化成固态物质。常将ClO2通入含双氧水和NaOH的混合液中,转化成NaClO2(亚氯酸钠),该反应的化学方程式为　　　　　　　　　　　　　。(2分)
(5)有效氯含量可衡量含氯消毒剂的相对消毒能力大小,其定义:每克含氯消毒剂的氧化能力相当于多少克Cl2的氧化能力。NaClO、ClO2、NaClO2作消毒剂,还原产物均为Cl-,则这三种消毒剂的有效氯含量由大到小的排序为　　　　　　　　　　　(填化学式)。(2分)
参考答案
例1　答案　(1)直形冷凝管　除去Cl2,抑制Br2的溶解　Br2+K2C2O42KBr+2CO2↑
(2)蒸发皿　2Mn+10I-+16H+2Mn2++5I2+8H2O
(3)液封　降低温度
(4)
(5)玻璃棒引流,玻璃棒下端靠在三层滤纸处
【信息提取】市售的溴(纯度99%)中含有少量的Cl2和I2,实验利用氧化还原反应原理制备高纯度的溴,市售的溴滴入浓CaBr2溶液中,Cl2可与CaBr2发生氧化还原反应而被除去,I2与Br2一起被蒸馏进入草酸钾溶液中,并被草酸钾还原为I-、Br-。向溶液中滴加高锰酸钾溶液氧化I-,加热蒸干得到KBr固体,将KBr固体和K2Cr2O7固体混合均匀加入圆底烧瓶中,同时滴加适量浓硫酸,水浴加热蒸馏,将得到的液体分液、干燥、蒸馏,可得到高纯度的溴。
解析　(1)仪器C为直形冷凝管,用于冷凝蒸气;市售的溴中含有少量的Cl2,Cl2可与CaBr2发生氧化还原反应而被除去;水浴加热时,Br2、I2蒸发进入装置D中,分别与K2C2O4发生氧化还原反应,由于Br2为进入D的主要物质,故主要反应的化学方程式为Br2+K2C2O42KBr+2CO2↑。(2)将D中溶液转移至蒸发皿中,边加热边向其中滴加酸化的KMnO4溶液,出现红棕色气体(Br2)时说明KMnO4已将KI全部氧化,发生反应的离子方程式为2Mn+10I-+16H+2Mn2++5I2+8H2O;KBr几乎未被氧化,继续加热将溶液蒸干所得固体R的主要成分为KBr。(3)密度Br2>H2O,D中冷的蒸馏水起到液封的作用,同时冷的蒸馏水温度较低,可减少溴的挥发。(4)m g KBr固体的物质的量为 mol,根据转移电子数相等可得关系式6KBr~6e-~ K2Cr2O7,则理论上需要K2Cr2O7的物质的量为× mol,应称取的K2Cr2O7的质量为× mol××294 g·mol-1= g。
变式1　答案　(1)圆底烧瓶
(2)E→C→D
(3)BC
(4)液封
(5)ABC
(6)99%
【信息提取】装置A为H2S的发生装置,不能骤冷,所以装置D、E都是冷却H2S的装置,装置C干燥H2S,装置F冷却并收集H2S,G作为平衡气压和尾气处理装置。
解析　(1)仪器X的名称是圆底烧瓶。(2)制备气体的装置包括发生装置、除杂装置、收集装置和尾气处理装置,由于不能骤冷,要逐步冷却,所以B连E,E连C,C连D,D连F。(3)H2S是酸性气体,不可以用碱性干燥剂干燥,所以不可以用氢氧化钾和碱石灰进行干燥,故选BC。(4)装置G中的汞可以阻止空气中的水蒸气等进入体系,若水蒸气冷却至-80 ℃极易结冰,从而堵塞导管,因此汞的第二个作用是液封。(5)A项,H2S有毒,该实验操作须在通风橱中进行,正确;B项,气体不能骤冷,装置D的主要作用是预冷却H2S,正确;C项,加入的MgCl2固体,可使MgCl2溶液保持饱和,有利于平稳持续产生H2S,正确;D项,该实验产生的尾气不可用硝酸吸收,硝酸的氧化性虽然可以把H2S氧化为S单质,但是稀硝酸产生的NO或者浓硝酸产生的NO2也会污染空气,错误。(6)根据铜元素守恒可知,氧化铜的质量为32.814 g-31.230 g=1.584 g,则氧化铜的物质的量为0.0198 mol,硫化铜的物质的量为0.0198 mol,则H2S的物质的量为0.0198 mol,H2S的质量为0.6732 g,产品纯度为×100%=99%。
例2　答案　(1)量筒(或酸式滴定管)
(2)铁架台　球形冷凝管
(3)使反应物充分接触,增大反应速率
(4)水浴(或油浴)
(5)活性炭
(6)除去不溶性杂质,避免固体产物析出　50%的乙醇溶液
(7)重结晶
【信息提取】将100 mmol己-2,5-二酮与100 mmol 4-甲氧基苯胺放入两颈烧瓶中,利用球形冷凝管进行冷凝回流,提高原料利用率;通过搅拌来增大反应速率。反应完成后,加入50%的乙醇溶液,析出浅棕色固体(含杂质的产品);加热至65 ℃,至固体溶解,加入脱色剂(脱色剂为不溶于水和乙醇等溶剂的固体,如活性炭),回流20 min,趁热过滤,使产品尽可能多地进入滤液中。滤液静置至室温,冰水浴冷却,有大量白色固体析出,经过滤、洗涤、干燥得到产品。
解析　(1)己-2,5-二酮的熔点为-5.5 ℃,因此常温下为液体,该实验没有精确计算,粗称可选用量筒,精确量取液体,可选用酸式滴定管。(3)己-2,5-二酮的熔点为-5.5 ℃,常温下为液体,4-甲氧基苯胺的熔点为57 ℃,常温下为固体,搅拌可使反应物充分接触,增大反应速率。(4)由题给信息可知,应用水浴(或油浴)加热,这样便于控制温度,且受热更均匀。(5)“脱色剂”的作用是吸附反应过程中产生的有色物质,结合题中信息,加入脱色剂后回流,趁热过滤,保留滤液,即脱色剂为不溶于水和乙醇等溶剂的固体,所以可以选用活性炭作脱色剂。(6)由题给信息可知,产品吡咯X为白色固体,可溶解在65 ℃的50%的乙醇溶液中,所以应趁热过滤,使产品尽可能多地进入滤液中,防止溶质结晶损失,提高产率;由加入50%的乙醇溶液,析出浅棕色固体可知,常温下产品不溶于50%的乙醇溶液,所以为减少损失,洗涤时可用50%的乙醇溶液。
变式2　答案　(1)催化剂　无有毒气体二氧化硫产生(合理即可)
(2)吸收生成的水,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
【信息提取】乙酸与过量乙醇在一定温度下、硫酸氢钠作催化剂、甲基紫的乙醇溶液和变色硅胶作指示剂的条件下反应制取乙酸乙酯。用饱和碳酸钠溶液除去其中的乙酸至无二氧化碳逸出;分离出有机相,洗涤,加无水硫酸镁后过滤,滤液蒸馏时收集73~78 ℃馏分,得到纯度为98.0%的乙酸乙酯6.60 g。
解析　(1)该实验可实现乙酸乙酯的绿色制备及反应过程可视化,浓硫酸的作用是作催化剂和吸水剂,所以NaHSO4在反应中起催化剂作用;浓硫酸还具有强氧化性和脱水性,用浓硫酸作催化剂时,可能发生副反应,产生二氧化硫,所以用NaHSO4代替浓H2SO4的优点是副产物少,可实现乙酸乙酯的绿色制备,无有毒气体二氧化硫产生。(2)变色硅胶吸水,除指示反应进程外,还可吸收加热时生成的水,使平衡正向移动,提高乙酸乙酯的产率。(3)A项,若向反应液中直接加入变色硅胶,则反应后需要过滤出硅胶,而使用小孔冷凝柱承载则无需分离,正确;B项,反应的平衡常数只与温度有关,错误;C项,小孔冷凝柱并没有投入溶液中,不能起到沸石的作用,不能防止暴沸,错误;D项,由题中“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”可知,若向反应液中直接加入变色硅胶,则变色硅胶由蓝色变为粉红色,会影响观察反应液的颜色,所以使用小孔冷凝柱不影响甲基紫指示反应进程,正确。(5)由反应CH3COOH+CH3CH2OHCH3COOCH2CH3+H2O可知,100 mmol乙酸与150 mmol乙醇反应时,理论上可获得的乙酸乙酯的质量为0.1 mol×88 g·mol-1=8.8 g,则该实验中乙酸乙酯的产率为×100%=73.5%。(6)若改用C2OH作为反应物进行反应,则发生的反应为CH3COOH+CH3COHCH3CO18OCH2CH3+H2O,生成的乙酸乙酯的摩尔质量为90 g·mol-1,所以质谱检测目标产物分子离子峰的质荷比数值应为90。
例3　答案　(1)具支试管　防倒吸
(2)Cu+H2O2+2H+Cu2++2H2O　O2　提供酸性环境,增强氧化剂的氧化性
(3)CuO2
(4)当滴入最后半滴Na2S2O3溶液时,锥形瓶内的溶液蓝色消失,且在半分钟内不再恢复原来的颜色　96%
解析　(2)根据铜片溶解、溶液变蓝可知,在酸性条件下铜和过氧化氢发生反应,生成硫酸铜,故实验②中Cu溶解过程的离子方程式为Cu+H2O2+2H+Cu2++2H2O;H2O2在Cu2+催化作用下能分解放出O2;实验②是在酸性条件下发生的反应,且反应中氢元素的化合价没有发生变化,因此H+的作用是提供酸性环境,增强氧化剂的氧化性。(3)在该反应中m(Cu)=n g×= g,因为=,则X中m(O)=n g×+(m-n) g= g,则X中==,则X为CuO2。(4)CuO2在酸性条件下与KI发生反应2CuO2+8I-+8H+2CuI↓+3I2+4H2O,则2CuO2~3I2~6Na2S2O3,则样品中m(CuO2)=×2×96 g·mol-1=0.048 g,w(CuO2)=×100%=96%。
变式3　答案　(1)MnO2+4HCl(浓)MnCl2+Cl2↑+2H2O
(2)cdbae
(3)HClO　取少许久置的氯水于试管中,滴加过量稀硝酸,使其酸化,再加入少量AgNO3溶液,若有白色沉淀生成,则证明原溶液中含有Cl-
(4)⑤1.34×10-5　测试温度不同,根据电导率结果无法判断不同温度下饱和溶液的溶解度　⑥45 ℃　Ⅱ　45 ℃
⑦A3>B2>B1
解析　(2)根据化学方程式可知,实验室制取的Cl2中含有HCl、H2O,氯气有毒,必须进行尾气处理,因此先使用饱和食盐水吸收HCl气体,再用浓硫酸除去水蒸气,最后用NaOH溶液吸收尾气,洗气瓶应“长进短出”,因此接口连接顺序为cdbae。(3)久置后的氯水不能使品红溶液褪色,说明HClO已完全分解。(4)⑤25 ℃时,Ksp(AgCl)=c(Ag+)×c(Cl-),根据沉淀溶解平衡可知,饱和AgCl溶液中c(Ag+)=c(Cl-),所以有c(Cl-)==≈1.34×10-5 mol·L-1。⑥如果要判断AgCl在水中的溶解度随温度的变化情况,可以用不同温度下配制的饱和溶液在相同温度下测试,如果高温下的饱和溶液电导率比低温下的饱和溶液电导率高,则可知温度升高,饱和溶液中离子浓度增大。所以可以用试样Ⅰ和Ⅱ在45 ℃下测试,与实验3比较。
例4　答案　(1)容量瓶、量筒
(2)Sn2+易被空气氧化为Sn4+,离子方程式为2Sn2++O2+4H+2Sn4++2H2O,加入Sn,发生反应Sn4++Sn2Sn2+,可防止Sn2+被氧化
(3)增大试样的溶解速率,减少浓盐酸的挥发
(4)偏小
(5)%
(6)①更安全,对环境更友好　②H2O　酸性越强,KMnO4的氧化性越强,Cl-被KMnO4氧化的可能性越大,对Fe2+测定结果造成干扰的可能性越大,因此在进行KMnO4标准液滴定时,要控制溶液的pH
【信息提取】浓盐酸与试样反应,使得试样中Fe元素以离子形式存在,滴加稍过量的SnCl2使Fe3+还原为Fe2+,冷却后滴加HgCl2,将多余的Sn2+氧化为Sn4+,加入硫酸和磷酸混合液后,滴加指示剂,用K2Cr2O7进行滴定,将Fe2+氧化为Fe3+。
解析　(1)配制SnCl2溶液需要用到容量瓶和量筒,滴定过程中需要用到酸式滴定管,但给出的为碱式滴定管,因此给出的仪器中,本实验必须用到的是容量瓶、量筒。(4)步骤Ⅲ中,若未“立即滴定”,Fe2+易被空气中的O2氧化为Fe3+,导致测定的铁含量偏小。(5)根据离子方程式6Fe2++Cr2+14H+6Fe3++2Cr3++7H2O可得,n(Fe2+)=6×n(Cr2)=6×10-3cV mol,a g试样中Fe元素的质量为6×10-3cV mol×56 g·mol-1=0.336cV g,质量分数为×100%=%。(6)①SnCl2-HgCl2-K2Cr2O7滴定法中,HgCl2氧化Sn2+的离子方程式为Sn2++Hg2+Sn4++Hg,生成的Hg有剧毒,因此SnCl2-TiCl3-KMnO4滴定法相比于SnCl2-HgCl2-K2Cr2O7滴定法的优点是更安全,对环境更友好。②2 mL 0.3 mol·L-1 NaCl溶液+0.5 mL试剂X为空白试验,因此X为H2O;由表格信息可知,酸性越强,KMnO4的氧化性越强,Cl-被KMnO4氧化的可能性越大,对Fe2+测定结果造成干扰的可能性越大,因此在进行KMnO4标准液滴定时,要控制溶液的pH。
变式4　答案　(1)AD
(2)浓硫酸　防止倒吸
(3)当加入最后半滴KIO3碱性标准溶液后,溶液由无色突变为蓝色且30 s内不变色　%
(4)催化剂　通入F的气体温度过高,导致部分I2升华,从而消耗更多的KIO3碱性标准溶液　不变
【信息提取】由题中信息可知,利用“燃烧-碘酸钾滴定法”测定钢铁中硫含量的实验中,氧气经干燥、净化后通入管式炉中将钢铁中的硫氧化为SO2,然后将生成的SO2导入碘液中吸收,通过消耗的KIO3碱性标准溶液的体积来测定钢铁中的硫的含量。
解析　(1)取20.00 mL 0.1000 mol·L-1 KIO3的碱性溶液和一定量的KI固体,配制1000 mL KIO3碱性标准溶液(稀释到体积增大50倍后KIO3的浓度为0.0020 mol·L-1),需要用碱式滴定管或移液管量取20.00 mL 0.1000 mol·L-1 KIO3的碱性溶液,需要用一定精确度的天平称量一定质量的KI固体,需要在烧杯中溶解KI固体,溶解时要用到玻璃棒搅拌,需要用1000 mL容量瓶配制标准溶液,需要用胶头滴管定容,因此,所给仪器中必须用到的是AD。(2)装置B和C的作用是充分干燥O2,浓硫酸具有吸水性,常用于干燥某些气体,因此B中的试剂为浓硫酸。装置F中通气管末端多孔玻璃泡内置一密度小于水的磨砂浮子,其目的是防止倒吸,因为磨砂浮子的密度小于水,若球泡内水面上升,磨砂浮子也随之上升,磨砂浮子可以作为一个磨砂玻璃塞将导气管的出气口堵塞上,从而防止倒吸。(3)由S元素守恒及SO2+I2+2H2OH2SO4+2HI、KIO3+5KI+6HCl6KCl+3I2+3H2O可得关系式3S~3SO2~3I2~KIO3,若滴定消耗KIO3碱性标准溶液V mL,则n(KIO3)=V×10-3 L×0.0020 mol·L-1=2.0000×10-6V mol,n(S)=3n(KIO3)=6.0000×10-6V mol,样品中硫的质量分数为×100%=%。(4)若装置D中瓷舟未加盖,燃烧时产生的粉尘能催化SO2的氧化反应从而促进SO3的生成,因此,粉尘在该过程中的作用是催化剂;若装置E冷却气体不充分,则通入F的气体温度过高,可能导致部分I2升华,这样就要消耗更多KIO3碱性标准溶液,从而导致测定结果偏大;若滴定过程中,有少量I不经I2直接将SO2氧化成H2SO4,从电子转移守恒的角度分析,I得到6e-被还原为I-,仍能得到关系式3S~3SO2~ KIO3,测定结果不会变。
1.答案　(1)b
(2)2+2Na2+H2↑
(3)缓慢加入
(4)+HCl+NaCl
除去有机相中的水分
(5)×100%
解析　(1)水、乙醇、苯酚都和钠反应,不能作为反应的溶剂,故选b。(3)步骤ⅱ的反应为放热反应,为防止温度过高引发副反应,应该缓慢加入溶液。(4)步骤ⅲ中用盐酸调节pH的化学方程式为+HCl+NaCl;硫酸镁具有吸水性,可以用来除去水分。(5)步骤ⅰ中向烧瓶中加入m g的钠,钠的物质的量为 mol,钠完全反应,根据反应过程中物质的量关系可知,生成2-噻吩乙醇的物质的量为 mol,则质量为×128 g,故产率为×100%。
2.答案　(1)CD
(2)油
(3)球形冷凝管　a
(4)热水
(5)趁热过滤　冷却结晶
(6)c
解析　由安息香制备二苯乙二酮时,先将作为溶剂的10 mL冰乙酸、5 mL水及催化剂(9.0 g FeCl3·6H2O)在圆底烧瓶中混合,边搅拌边加热,至固体全部溶解;为防止液体暴沸,停止加热并待溶液沸腾平息后加入2.0 g安息香,加热回流45~60 min,让安息香充分反应;加入50 mL水,煮沸后冷却,有黄色固体析出;过滤,并用冷水洗涤固体3次,得到粗品;粗品用75%的乙醇重结晶,得到二苯乙二酮晶体。(1)安息香分子所含官能团的名称为酮羰基和羟基,A项错误;安息香分子的一氯代物有8种,,B项错误;安息香的分子式为C14H12O2,C项正确;安息香分子中所有碳原子可能共平面,D项正确。(2)从表中数据可以看出,反应物的沸点都高于100 ℃,而水的沸点只有100 ℃,所以仪器A中应加入油作为热传导介质。(3)仪器B的名称是球形冷凝管;冷却水应从下口进,从上口出,即从a口通入。(4)安息香易溶于热水,而二苯乙二酮不溶于水,若粗品中混有少量未氧化的安息香,可用少量热水洗涤的方法除去。(5)粗品重结晶操作:加热溶解→ 活性炭脱色→ 趁热过滤→ 冷却结晶→ 过滤→ 洗涤→ 干燥。(6)安息香的相对分子质量为212,二苯乙二酮的相对分子质量为210,理论上,2.0 g安息香参加反应,生成的二苯乙二酮的质量为 ≈1.98 g,二苯乙二酮的实际产量为1.6 g,则本实验的产率为×100%≈80.8%。
1.答案　(1)圆底烧瓶　b
(2)防止温度过高,反应速率过大
(3)CrO3+2HClCrO2Cl2+H2O
(4)加入过量氯化钠可产生过量的氯化氢,使更多的CrO3参与反应
(5)将CrO2Cl2迅速冷凝便于收集,提高产率(或减缓铬酰氯挥发)
(6) B　吸收未参与反应的HCl和逸出的铬酰氯蒸气,防止空气中的水蒸气进入装置
解析　(1)A的名称是圆底烧瓶;直形冷凝管中冷水遵循“下进上出”原则,B的进水口为b。(2)浓硫酸在反应前应冷却至0 ℃左右,其目的是防止温度过高、反应速率过大。(4)CrO3与氯化氢反应的化学方程式为CrO3+2HClCrO2Cl2+H2O,加入过量氯化钠可产生过量的氯化氢,使更多的CrO3参与反应。(5)CrO2Cl2的沸点为117 ℃,反应结束后,用电热套加热A装置,收集117 ℃左右的馏分,收集装置选用冰水浴的目的是将CrO2Cl2迅速冷凝便于收集,提高产率(或减缓铬酰氯挥发)。(6)C装置的作用是吸收未参与反应的HCl和逸出的铬酰氯蒸气,防止空气中的水蒸气进入装置,可以用碱石灰吸收,A项,不能用无水氯化钙吸收酸性气体;C项,该装置不能吸收空气中的水分;D项,没有防倒吸装置。
2.答案　(1)Zn+2H+Zn2++H2↑　盐酸会挥发出HCl,使氢气不纯,对实验造成干扰
(2)排尽装置中的空气,防止苯胺被氧化
(3)①烧杯、分液漏斗　②+NaOH+NaCl+H2O、NaOH+HClNaCl+H2O
③萃取苯胺　B
解析　试管中发生锌与稀硫酸的反应,离子方程式为Zn+2H+Zn2++H2↑,用氢气排尽装置中的空气,用硝基苯与H2反应制备苯胺,经蒸馏得到粗产品,加盐酸分液得到硝基苯,水相中加入氢氧化钠溶液以及乙醚,再经过一系列操作得到苯胺。(3)①“步骤Ⅰ”中“分液”需要用到烧杯和分液漏斗。③苯胺易溶于乙醚,则“步骤Ⅱ”中,加入乙醚的作用是萃取苯胺;苯胺呈碱性,易被氧化,则可以选用碱石灰干燥苯胺。
3.答案　(1)10 mL量筒(或量筒)、玻璃棒
(2)减小反应速率
(3)(CH3CO)2O+H2SO4(浓)CH3COOSO3H+CH3COOH
(4)水浴　a
(5)取少量最后一次洗出液于试管中,滴加 BaCl2 溶液,观察是否有白色沉淀产生,若没有沉淀产生,则说明洗涤干净
(6)24.8%
(7)偏低
解析　(1)实验过程中量取7.6 mL 乙酸酐需要10 mL量筒,边搅拌边分批加入2.7 mL浓硫酸,搅拌需要的仪器为玻璃棒,所以还需要的仪器为10 mL量筒和玻璃棒。(4)控制反应温度为65 ℃,低于100 ℃,为使反应物受热均匀,应采用水浴加热;为提高冷凝效果,冷却水应从a口通入。(6)根据R—SO3H+NaOHR—SO3Na+H2O可知,0.500 g干燥的磺化聚苯乙烯样品中,磺化聚苯乙烯中含磺酸基链节的物质的量为0.1000 mol·L-1×0.01 L=10-3 mol,磺化聚苯乙烯中含磺酸基链节的质量为184 g·mol-1×10-3 mol=0.184 g,聚苯乙烯链节的质量为0.500 g-0.184 g=0.316 g,则聚苯乙烯链节的物质的量为 mol,所以该样品的磺化度为×100%≈24.8%。(7)若样品未充分干燥,则样品中不能消耗标准液的物质的比例增大,将导致测得的磺化度偏低。
4.答案　(1)b　H2SO4(浓)+NaClNaHSO4+HCl↑[或H2SO4(浓)+2NaClNa2SO4+2HCl↑]
(2) 分液漏斗　防止装置B中溶液倒吸入装置A中
(3)溶液中c(Cl-)增加,使NaCl的溶解平衡向析出NaCl晶体的方向移动
(4)不能
(5)当滴入最后半滴AgNO3标准溶液后,锥形瓶中出现砖红色浑浊,半分钟内砖红色浑浊不消失
(6)99.74%
解析　(1)由题干实验装置图可知,装置A中利用浓硫酸的高沸点或者难挥发性使NaCl与浓硫酸加热制得HCl,由于HCl极易溶于水,需要防止倒吸,将尾气通入装置C的NaOH溶液中进行吸收。(4)托盘天平是一种粗略的称量仪器,结果只能精确到小数点后一位,而题干要称量1.000 g干燥的NaCl晶体,故不能使用托盘天平。(5)由题干信息可知,本实验使用K2CrO4作指示剂,故当滴入最后半滴AgNO3标准溶液后,锥形瓶中出现砖红色浑浊,半分钟内砖红色浑浊不消失时即为滴定终点。(6)平行滴定三次,消耗的AgNO3标准溶液的平均体积为17.05 mL,结合反应Ag++Cl-AgCl↓可知,n(NaCl)=n(AgNO3)=c·V=0.1000 mol·L-1×17.05×10-3 L=1.705×10-3 mol,所得产品中NaCl晶体纯度为×100%≈99.74%。
5.答案　(1)①b→c→h→i(或i→h)→b→c　②2SrO2+2CO22SrCO3+O2　③bcadfe
(2)①三颈烧瓶　防止倒吸　②Sr2++2NH3+8H2O+H2O2SrO2·8H2O+2N　中和反应生成的H+,促进反应进行,同时防止产物和酸发生反应　③蒸发浓缩、冷却结晶、过滤、洗涤、干燥
(3)在盐酸酸化的氯化亚铁溶液中滴加硫氰化钾溶液,再向其中加少量过氧化锶,若溶液变红,说明有铁离子生成,则证明SrO2的氧化性比FeCl3的强
解析　(1)①根据题干信息可知,过氧化锶在加热条件下可与CO2、水蒸气反应,室温下在水中逐渐形成无色晶体SrO2·8H2O,所以过氧化钠和水反应制得的氧气必须干燥后才能和锶单质在加热条件下发生反应,且必须有防止空气中的水蒸气进入硬质玻璃管的装置。③连接好装置后,正确的操作顺序:检查装置气密性,在相应装置中装入药品,打开分液漏斗活塞,将水滴入烧瓶中,以便用产生的O2排尽装置内的其他气体,在加热条件下Sr与纯净的O2反应生成SrO2,停止加热后继续产生O2,防止空气中的杂质气体进入硬质玻璃管中与SrO2反应,冷却后再关闭分液漏斗活塞。(2)②SrCl2、过氧化氢和氨气在溶液中发生反应可以生成SrO2·8H2O,该反应中没有化合价的变化,根据质量守恒和电荷守恒可知,离子方程式为Sr2++2NH3+8H2O+H2O2SrO2·8H2O+2N;NH3可以保持碱性环境,防止产物和酸反应。
1.答案　(1)A
(2)避免水与反应中的酸酐反应　作溶剂
(3)过滤较快、固体较干燥、固体与液体易分离等
(4)促进晶体析出
(5)a
(6)
解析　(1)烧瓶中液体体积约为烧瓶容积的1/3,反应物液体总体积约为16 mL,选择50 mL圆底烧瓶。(2)马来酸酐易与水反应,实验前要烘干烧瓶等仪器;石油醚作溶剂。(3)抽滤的原理是减压过滤,在减压条件下,过滤较快、固体较干燥。(4)用玻璃棒摩擦瓶壁,形成晶种,有利于晶体析出。(5)根据投料量可知,以马来酸酐为计算依据,理论上生成0.02 mol产品。产品相对分子质量为182,产率η=×100%≈13.7%。
2.答案　(1)平衡气压,使浓盐酸顺利滴下　ClO-+Cl-+2H+Cl2↑+H2O
(2)bcedlmkjbc
(3)④
(4)2ClO2+H2O2+2NaOH2NaClO2+O2+2H2O
(5)ClO2>NaClO2>NaClO
解析　(1)漂粉精主要成分为次氯酸钙,其与浓盐酸发生归中反应,生成氯气、氯化钙和水。(2)本实验分三部分:制备纯净、干燥的氯气;制备并收集较纯的二氧化氯;吸收尾气。依题意可知,可用氢氧化钠溶液吸收尾气,但是要防止水进入二氧化氯收集装置;氯气与固体反应时气态产品中混有氯气,要考虑除氯气。根据“相似相溶”规律可知,二氧化氯是极性分子,氯气是非极性分子,用非极性溶剂(苯、四氯化碳等)吸收未反应的氯气。装置的排序:制备氯气(A)、除去氯化氢(D)、干燥氯气(B)、主反应装置(C)、除去氯气(G)、收集二氧化氯(F)、吸水装置(B)、吸收尾气(E)。(3)苯可以替代四氯化碳用于吸收二氧化氯中的氯气。(4)双氧水既可作氧化剂,又可作还原剂。根据氧化还原反应原理可知,氯元素的化合价降低,双氧水中氧元素的化合价升高。反应物为二氧化氯、双氧水和氢氧化钠,产物为次氯酸钠、氧气和水。

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