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“气体实验装置”设计专题复习教案
高考题中连续出现了一类实验设计题，要求考生联系所学过的实验知识和技能，进行知识类比、迁移和重组，全面、周密地思考才能设计出正确的实验方案和回答提出的问题。
1、 解题思路及方法
1、思考问题的顺序
（1）围绕主要问题思考：如选择适当的实验路线、方法；所用药品、仪器简单易得；实验过程快速、安全；实验现象明显。
（2）思考有关物质的制备、净化、吸收和存放等有关问题：如制取在空气中易水解的物质（如Al2S3、AlCl3、Mg3N2等）及易受潮的物质时，往往在装置末端再接一个干燥装置，以防止空气中水蒸气进入。
（3）思考实验的种类及如何合理地组装仪器，并将实验与课本实验比较、联靠。（如涉及到气体的制取和处理，对这类实验的操作程序及装置的连接顺序大体可概括为：
发生 除杂质 干燥 主体实验 尾气处理。
2、仪器连接的顺序
（1）所用仪器是否恰当，所该仪器是全用还是选用；
（2）仪器是否齐全，如制有毒气体及涉及有毒气体的实验是否有尾气的吸收装置；
（3）安装顺序是否合理，如是否遵循“自上而下，从左到右”；气体净化装置中不应先经干燥，后又经过水溶液洗气；
（4）仪器间连接顺序是否正确。如洗气时“长进短出”，干燥管除杂质时“大进小出”，排水量气时“短进气，长出水”等。
3、实验操作的顺序
（1）连接仪器，根据实验目的，注意事项，安全问题等，按气体流动顺序连接好实验仪器；
（2）检查气密性，在整套仪器连接完毕后，应先检查装置的气密性，然后装入药品。检查装置气密性的方法要依装置而定；如1~6的产气装置：
（3）装药品进行实验操作。
二、解题时，应全方位思考的问题
1、检查气体的纯度。点燃或加热通有可燃性气体（H2、CO、CH4、C2H4、C2H2等）的装置前，必须检查气体的纯度。例如用H2、CO等气体还原金属氧化物时，需要加热金属氧化物，在操作中，不能先加热，后通气，应当先通入气体，将装置内的空气排干净后，检查气体是否纯净（验纯），待气体纯净后，再点燃酒精灯加热金属氧化物。
2、加热操作先后顺序选择。若气体产生需加热，应先用酒精灯加热产生气体的装置，等产生气体后，再给实验需要加热的固体物质加热。例如用浓硫酸和甲酸共热产生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。
3、冷凝回流的问题。有的易挥发的液体反应物，为了避免反应物损耗和充分利用原料，要在发生装置设计冷凝回流装置。如在发生装置安装长玻璃管等。
4、冷却问题。有的实验为防止气体冷凝不充分而损失，需用冷凝管或用冷水或冰水冷凝气体（物质蒸气），使物质蒸气冷凝为液态便于收集。
5、防止倒吸问题。在某些实验中，由于吸收液的倒吸，会对实验产生不良的影响，如玻璃仪器的炸裂，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吸收液的倒吸。防止倒吸一般采用下列措施：
（1）切断装置：将有可能产生液体倒吸的密闭装置系统切断，以防止液体倒吸，如实验室中制取氧气、甲烷时，通常用排水法收集气体，当实验结束时，必须先从水槽中将导管拿出来，然后熄灭酒精灯。
（2）设置防护装置
①倒立漏斗式：如图（2）甲所示，这种装置可以增大气体与吸收液的接触面积，有利于吸收液对气体的吸收。当易溶性气体被吸收液吸收时，导管内压强减少，吸收液上升到漏斗中，由于漏斗容积较大，导致烧杯中液面下降，使漏斗口脱离液面，漏斗中的吸收液受自身重力的作用又流回烧瓶内，从而防止吸收液的倒吸。
②肚容式：如图（2）乙所示，当易溶于吸收液的气体由干燥管末端进入吸收液被吸收后，导气管内压强减少，使吸收液倒吸进入干燥管的吸收液本身质量大于干燥管内外压强差，吸收液受自身重量的作用又流回烧杯内，从而防止吸收液的倒吸。这种装置与倒置漏斗很类似。
③蓄液式：如图（2）丙所示，当吸收液发生倒吸时，倒吸进来的吸收液被预先设置的蓄液装置贮存起来，以防止吸收液进入受热仪器或反应容器。这种装置又称安全瓶。
④平衡压强式：如图（2）丁所示，为防止反应体系中压强减少，引起吸收液的倒吸，可以在密闭装置系统中连接一个能与外界相通的装置，起着自动调节系统内外压强差的作用，防止溶液的倒吸。
（6）具有特殊作用的实验改进装置。
①防堵塞安全装置：如图（3）所示，为防止分液漏斗中的液体不能顺利流出，用橡皮管连接成连通装置（见恒压式）；为防止粉末或糊状物堵塞导气管，可将棉花团置于导管口处（见防阻式（I、II）。
②液封装置：如图（3）所示，为防止气体从长颈漏斗中逸出，可在发生装置中的漏斗末端套住一只小试管（见液封式）
③防污染安全装置：如图（4）所示，灼烧式可用于除尾气CO；吸收式可用于除Cl2、H2S等；收集式可用于防止有毒气体进入空气中。
（7）拆卸时的安全性和科学性。实验仪器的拆卸要注意安全性和科学性，有些实验为防止“爆炸”或“氧化”，应考虑停止加热或通气的顺序，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能熄灭酒精灯，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，待加热区冷却后才能停止通氢气，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的装置时，需先把导气管从水槽中取出，才能熄灭酒精灯，以防止水倒吸；拆卸后的仪器要清洗、干燥、归位。
[例题分析]
例1．水蒸气通过灼热的煤所产生的混和气,其主要成份是CO、H2还含有CO2和水蒸气.请用下列装置设计一个实验,以确认上述混和气中含有CO和H2.
(1) 连接上述装置的正确顺序是:(填各接口的代码字母)
混和气→( )( )接( )( )接( )( )接( )( )接( )( ).
(2)确认混和气中含有H2的实验现象是 ;其理由是 .
例2．根据右上图实验,填空和回答问题:
(1)烧瓶中所发生的主要反应的化学方程式是 ,装置(Ⅱ)的烧杯中冷水所起的作用是 ,装置(Ⅲ)的烧杯中液体的作用是 .
(2)进行此实验时,烧瓶内的橡皮塞最好用锡箔包住,用橡皮管连接的两玻璃管口要相互紧靠,这是因为 .
(3)装置(Ⅲ)烧杯中使用倒置漏斗可防止液体倒吸,试简述其原因.
例3.现有一定量含有Na2O杂质的Na2O2试样.请从下图中选用适当的实验装置,设计一个最简单的实验,测定Na2O2试样的纯度(可供选用的反应物只有CaCO3固体,6mol/L盐酸和蒸馏水)
请填写下列空白:
(1)写出实验中Na2O2和Na2O分别发生反应的化学方程式.
(2)应选用的装置是(只要求写出图中装置的标号)
(3)所选用装置的连接顺序应是(填各接口的字母;连接胶管省略).
例4.在一定条件下用普通铁粉和水蒸气反应,可以得到铁的氧化物.该氧化物又可以经过此反应的逆反应,生成颗粒很细的铁粉.这种铁粉具有很高的反应活性,在空气中受撞击或受热时会燃烧,所以俗称"引火铁".请分别用下图中示意的两套仪器装置,制取上述铁的氧化物和"引火铁".实验中必须使用普通铁粉和6摩/升盐酸,其他试剂自选(装置中必要的铁架台、铁夹、铁圈、石棉网、加热设备等在图中均已略去).
填写下列空白:
(1)实验进行时试管A中应加入的试剂是 ;烧瓶B的作用是 ;烧瓶C的作用是 ;在试管D中收集得到的是 .
(2)实验时,U型管G中应加入的试剂是 ;长颈漏斗H中应加入 .
(3)两套装置中,在实验时需要加热的仪器是(填该仪器对应的字母) .
(4)烧瓶I中发生的反应有时要加入少量硫酸铜溶液,其目的是 .
(5)试管E中发生反应的化学方程式是 .
(6)为了安全,在E管中的反应发生前,在F出口处必须 ;E管中的反应开始后,在F出口处应 .
例5．实验室可用氯气与金属铁反应制备无水三氯化铁,该化合物是棕红色、易潮解，100℃左右时升华。下图是两个学生设计的实验装置、左边的反应装置相同，而右边的产品收集装置则不同，分别如（I）和（II）所示。试回答：
(1)B中反应的化学方程式为：__________________________________________;
(2)D中的反应开始前，需排除装置中的空气，应采取的方法是：__________________。
(3)D中反应化学方程式为：_______________________________ _____________。
(4)装置（Ⅰ）的主要缺点是：__________________________________________ ____ 。
(5)装置（Ⅱ）的主要缺点是：__________________________________________ _____。
如果选用此装置来完成实验，则必须采取的改进措施是：_______________________。
例6．测定一定质量的铝锌合金与强酸溶液反应产生的氢气的体积，可以求得合金中铝和锌的质量分数。现有下列实验用品：中学化学实验常用仪器、800毫升烧杯、100毫升量筒、短颈玻璃漏斗、铜网、铝锌合金样品、浓盐酸（密度1.19克/毫升）、水。按图示装置进行实验，回答下列问题。（设合金样品完全反应，产生的气体体积不超过100毫升）
（1）补充下列实验步骤，直到反应开始进行（铁架台和铁夹的安装可省略）：
①将称量后的合金样品用铜网小心包裹好，放在800毫升烧杯底部，把短颈漏斗倒扣在样品上面。
（2）合金样品用铜网包裹的目的是：
例7．1,2 - 二溴乙烷可作汽油抗爆剂的添加剂,常温下它是无色液体,密度2.18 g·cm-3,沸点131.4℃,熔点9.79℃,不溶于水,易溶于醇、醚、丙酮等有机溶剂.在实验室中可以用下图所示装置制备1,2- 二溴乙烷.其中分液漏斗和烧瓶a中装有乙醇和浓硫酸的混合液,试管d中装有液溴(表面覆盖少量水).
填写下列空白:
(1)写出本题中制备1,2-二溴乙烷的两个化学反应方程式.
__________________________________； 。
(2)安全瓶b可以防止倒吸,并可以检查实验进行时试管d是否发生堵塞．请写出发生堵塞时瓶b中的现象._________________________________.
(3)容器c中NaOH溶液的作用是:__________________________________.
(4)某学生在做此实验时,使用一定量的液溴,当溴全部褪色时,所消耗乙醇和浓硫酸混合液的量,比正常情况下超过许多.如果装置的气密性没有问题,试分析其可能的原因.
_______________________ ______________________。
例8.实验室用氨气还原氧化铜的方法测定铜的近似相对原子质量,反应的化学方程式为:
2NH3+3CuO N2↑+3Cu+3H2O↑
试回答:
(1)如果选用测定反应物CuO和生成物H2O的质量(mCuO、mH2O)时，请用下列仪器设计一个简单的实验。
①仪器连接的顺序(用字母编号表示,仪器可重复使用)
;
d中浓硫酸的作用是 , ;
实验完毕时观察到a中的现象是 ;
②列出计算Cu的相对原子质量的表达式 ;
③下列情况将使测定结果偏大的是 .(以下选择填空不限1个正确答案,均用字母编号填写)
(a)CuO未全部还原为Cu (b)CuO受潮 (c)CuO中混有Cu
(2)如果仍采用上述仪器装置,其他方案可选用测定的物理量有
例9．用下列仪器、药品验证由铜和适量浓硝酸反应产生的气体中含NO（仪器可选择使用，N2和O2的用量可自由控制）。
已知：①NO+NO2+2OH-→2NO+H2O②气体液化温度：NO2 21℃ NO -152℃
试回答：
（1）仪器的连接顺序（按左→右连接，填各接口的编号）为
（2）反应前先通入N2目的是
（3）确认气体中含NO的现象是
（4）装置F的作用是
（5）如果O2过量，则装置B中发生反应的化学方程式为：
[巩固练习]
1．工业制纯碱时，第一步是通过饱和食盐水、氨和二氧化碳反应，获得碳酸氢钠结晶，它的反应原理可以用下面的方程式表示：
NH3+CO2+H2O=NH4HCO3 NH4HCO3+NaCl（饱和）=NaHCO3↓+NH4Cl
以上反应的总结果是放热反应。请设计一个实验：用最简单的实验装置模拟实现这一过程，获得碳酸氢钠结晶。可供选择的实验用品有：6 mol·L-1盐酸，6mol·L-1硫酸，浓氨水，氢氧化钠、消石灰、石灰石、氯化铵、食盐、蒸馏水和冰，以及中学化学实验常用仪器。
⑴画出实验装置示意图（包括反应时容器中的物质），并用图中玻璃容器旁自基至右分别用A、B、C……符号标明（请见题后说明）
⑵请写出在图上用A、B、C……各玻璃容器中盛放物质的化学式或名称。A：
B： C： D： E：
⑶利用在本题所提供的实验用品，如何判断得到的产品是碳酸氢钠的结晶，而不是碳酸氢铵或食盐结晶。 答：
说明：①本题装置示意图中的仪器可以用下面的方式表示。
敞口玻璃容器 有塞玻璃容器 玻璃漏斗 分液漏斗
玻璃导管 （但应标示出在液面上或液面下）
②铁架台、石棉网、酒精灯、玻璃导管之间的联接胶管等，在示意图中不必画出。如需加热，在需加热的仪器下方，标以“△”表示。
2．有下列实验装置
示意图中A是简易的氢气发生器，B是大小适宜的圆底烧瓶，C是装有干燥剂的U形管，a是旋转活塞，D是装有还原铁粉的反应管，E是装有酚酞试液的试管。
实验前先检查实验装置的气密性。实验开始时，先关闭活塞a，并取下烧瓶B；向A中加入一定量浓度适当的盐酸，发生氢气，经必要的“操作”[见问题（2）]后，在导管的出口处点燃氢气，然后如图所示套上烧瓶B，塞紧瓶塞，氢气在烧瓶中继续燃烧。用酒精灯加热反应管D中的还原铁粉，待B中氢气的火焰熄灭后，打开活塞a，气体通过反应管D进入试管E中，使酚酞试液呈红色。请回答下列问题。
⑴实验前如何检查装置的气密性？
⑵点燃氢气闪必须进行 操作，进行该操作的方法是 。
⑶写出B、D中分别发生的化学反应方程式：
B中：
D中：
⑷C中所盛干燥剂的名称是 ；该干燥剂的作用是 。
3．某课外活动小组加热炭粉（过量）和氧化铜的混合物，再用下图装置，对获得的铜粉（含炭）样品进行实验。图中铁架台等装置已略去。请你帮助他们完成下列实验报告。
（一）实验目的：__________________________________。
（二）实验用品：仪器：天平、分液漏斗、锥形瓶、硬玻璃管、干燥管、酒精灯、洗气瓶等
药品：红褐色铜粉（含炭）样品、过氧化氢溶液、二氧化锰、碱石灰。浓硫酸等
（三）实验内容：
实验过程 实验现象 有关化学方程式
在C中加入样品标本W克，D中装入精品后并称量为m克。连接好仪器后，检查气密性
打开A的活塞，慢慢洋加溶液。
对G进行加热。当G中药品充分反应后。关闭A的活塞。停止加热：
冷却后，称量D的质量为m2克。
（3） 计算：样品中铜的质量分类=__________________（用含W、m1、m2的代数式表示）
（五）问题和讨论：
实验完成后，老师评议说：按上述实验设计，即使G中反应完全、D中吸收完全，也不会得出正确的结果。经讨论，有同学提出在B与G之间加入一个装置。再次实验后，得到了较正确的结果。那么，原来实验所测得的钢的质量分数偏小的原因可能是_______________-，在B与G之间加入的装置可以是_______________，其中盛放的药品是__________________。
4．下图虚线框中的装置可用来检验浓硫酸与木炭粉的加热条件下反应产生的所有气体产物，填写下列空白：
（1）如果装装置中①、②、③三部分仪器的连接顺序改为②、①、③，则可以检出的物质是____________；不能检出的物质是____________。
（2）如果将仪器的连接顺序变为①、③、②，则可以检出的物质是____________；不能检出的物质是____________。
（3）如果将仪器的连接顺序变为②、③、①，则可以检出的物质是____________；不能检出的物质是____________。
[参考答案]
例1．(1)(E)(F)接(D)(C)接(A)(B)[或(B)(A)]接(J)(I)接(H)(G)
(2)黑色CuO变红、无水硫酸铜变蓝因为H2通过灼热的CuO后生成铜和水蒸气,水蒸气使无水硫酸铜变蓝
例2．
冷凝 吸收未冷凝的气体
(2)溴蒸气会腐蚀橡皮塞和橡皮管 (3)答:当气体被吸收时，液体上升到漏斗中.由于漏斗的容积较大,导致烧杯中液面下降,使漏斗口脱离液面,漏斗中的液体又流回烧杯中,从而防止了倒吸.
例3．方法1
(1)2Na2O2+2H2O=4NaOH+O2↑ Na2O+H2O=2NaOH
(2)⑤①④
(3)(G)接(A)(B)接(F)
方法2
(1)2Na2O2+2CO2=2Na2CO3+O2 Na2O+CO2=Na2CO3
(2)⑤②⑥⑦①④
(3) (G)接 (D)(C) 接 (H)(I)[或(I)(H)] 接(J)(K) 〔或(K)(J)〕 接(A)(B) 接(F) (方法2全答对也只给部分分数)
例4．(1)普通铁粉(或铁粉),作为水蒸气发生器(或用来产生水蒸气);防止水倒吸(或用作安全瓶);氢气 (2)固体NaOH(或碱石灰、CaO等碱性固体干燥剂);
6摩/升HCl 注:G中如填写酸性干燥剂或液体干燥剂,则此空不给分.
(3)A、B、E (必须全对才给分,错、漏1个即不给分)
(4)加快氢气产生的速度
(6)检验氢气的纯度；点燃氢气
例5．
(1)
或
(2)B中的反应进行一段时间后，看到共绿色气体充满装置，再开始加热D (3) (4)导管易被产品堵塞，尾气排入空气，易造成环境污染
(5)产品易受潮解；在瓶E和F之间连接装有干燥剂的装置 (其他既能防止产品潮解又能防止尾气污染环境的合理答案均给分)
例6．
（1）②往烧杯中注入水，直至水面没过漏斗颈。（没答水面没过漏斗颈不给分）
③在100毫升量筒中装满水，倒置在盛水的烧杯中（量筒中不应留有气泡），使漏斗颈插入量筒中。烧杯中水面到杯口至少保留约100毫升空间。（只要黑斜体中的要点全部答对给，装满水的量筒怎样倒置在杯中可不作要求，答或不答不加分也不扣分）
④将长颈漏斗（或答玻璃棒）插入烧杯并接近烧杯底部，通过它慢慢加入浓盐酸，至有气体产生）
注：实验步骤顺序写错，或者步骤②中加入盐酸，则不论其它步骤回答是否正确，小题（1）均为0分。
（2）使样品在反应时能保持在烧杯底适当的位置（或答避免反应时样品漂浮）
例7．
(1)
CH2=CH2+Br2→CH2BrCH2Br
(2)b中水面会下降,玻璃管中的水柱会上升,甚至溢出.
(3)除去乙烯中带出的酸性气体.或答除去CO2、SO2.
(4)原因:
①乙烯发生(或通过液溴)速度过快
②实验过程中,乙醇和浓硫酸的混合液没有迅速达到170℃(答"控温不当"亦可)
例8．(1)①b c a c d 吸收未反应的氨 防止空气中水分进入 固体由黑色转变
(2)a、c
例9．（1）1 5 4 10 11 6 7 2 （10和11可颠倒）[说明：错一个即不给分] （2）驱赶装置中空气，防止反应产生的NO被氧化 （3）通入O2后装置（D）中有红棕色气体生成
（4）分离NO和NO2（或使NO2液化）[说明：其它合理回答都给分] （5）4NO2+O2+4NaOH→4NaNO3+2H2O
[巩固练习]
1．
⑴（6分）
（注：①图中无冰水冷却装置C或尾气吸收装置E，各扣1分。②图中缺少CO2发生器A、洗气装置B、反应器D任何一部分，或在图中出现使反应无法进行的错误，例如长颈漏斗下端没有插入溶液中，玻璃导管联接错误等，本小题为零分）。
⑵A CaCO3，并由漏斗加入6mol·L-1HCl；B蒸馏水（或答水）；C冰水（或答冷水）；D被氯化钠饱和的浓氨溶液；6mol·L-1H2SO4。
（注：①各容器中盛放的物质缺或错1种，则本小题零分。②由于⑴题中无容器C和E部分，本题中没回答容器C和E中盛放的物质，则不重复扣分）。
⑶取少量产品放在试管中，在酒精灯上加热至不再有气体放出时，停止加热。试管中如有白色剩余物质，则得到的产品不是碳酸氢铵。试管冷却后，向其中加入适量盐酸，反应激烈，冒大量气泡，最后剩余物全部溶解，说明得到的结晶是碳酸氢钠。如果加入盐酸后，晶体全部溶解，但没有气泡产生，则得到的结晶可能是食盐。
（注：未能答全上述要点者不给分）
2．⑴在A中放入少量水，使水面刚浸没漏斗颈下端，打开旋塞a，在烧瓶B底部稍加热，若在A中漏斗颈骨水面上升，且E中导管口有气泡逸出，表示装置不漏气。（也可以关闭活塞a，用同样的方法分别在烧瓶B底部和反应管D下部稍加热，检查活塞前、后两部分装置是否漏气。两种回答都正确）
⑵检验氢气纯度 （1分） 用排水法（或向下排气法）收集一试管氢气，用拇指堵住，移近火焰，没有尖锐的爆鸣声，表示氢气纯度合格，可以点燃和收集。
⑶B中 2H2+O2 = 2H2O （1分） D中 N2+3H2 。 　　2NH3 （2分）
⑷碱石灰（也可以回答生石灰、氢氧化钠固体、或任意一种碱性固体干燥剂。回答出其中任一种的名称都给分） （2分） 吸收气体中少量的水蒸气和盐酸酸雾。 （2分
3．（一）测定铜粉样品中铜的质量分数 （1分）
（三）
B、E中有气泡产生（1分） （1分） 2H2O22H2O+O2↑ (1分)
G中的红褐色粉末变成黑色（1分） 2Cu+O22CuO (1分)C+O2CO2
(四)
（五）偏小：水蒸汽通过G被D中碱石灰吸收
洗气瓶 浓硫酸 （或干燥管 碱石灰）
4．
（1）；
（2）；
（3）；
点燃
A
C
D
△
Fe
E
4
B
△
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