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2021届高三化学二轮复习——常见非金属单质及其化合物的制备
学案及训练
核心知识梳理
1．氯气和氨气的实验室制法
物质
氯气
氨气
制备原理
MnO2＋4HCl(浓)MnCl2＋Cl2↑＋2H2O
2NH4Cl＋Ca(OH)2CaCl2＋2H2O＋2NH3↑
H3·H2O(浓)＋CaO===NH3↑＋Ca(OH)2
实验装置
注意事项
①实验前检查装置的气密性
②净化：先通过饱和食盐水除去氯化氢气体，再通过浓硫酸除去水蒸气
③收集：一般用向上排空气法收集
④尾气处理：用NaOH浓溶液吸收，反应的化学方程式为2NaOH＋Cl2===NaCl＋NaClO＋H2O
①实验前检查装置的气密性
②净化：应用碱石灰除去水蒸气，不能用浓硫酸和氯化钙作干燥剂
③收集：一般用向下排空气法收集
④尾气处理：用水或酸液吸收，但要防止发生倒吸
2.常见非金属单质及其化合物的工业制法
(1)单质
氯气
溴单质
碘单质
制备方法
电解饱和食盐水
海水提溴
海带中提碘
反应原理
2NaCl＋2H2O
2NaOH＋Cl2↑＋H2↑
Cl2＋2Br－===Br2＋2Cl－
Br2＋SO2＋2H2O===2Br－＋4H＋＋SO
Cl2＋2Br－===Br2＋2Cl－
Cl2＋2I－===2Cl－＋I2
制备流程
粗盐精盐―→饱和食盐水氯气
(2)化合物
氨
硝酸
制备方法
工业合成氨
氨氧化法
反应原理
N2＋3H22NH3
4NH3＋5O24NO＋6H2O
2NO＋O2===2NO2
3NO2＋H2O===2HNO3＋NO
制备流程
3.硫酸工业
工业上接触法制硫酸的主要设备及生产流程如下图：
各进口或出口物质的名称为：
A：含硫矿石(如FeS2)；B：炉渣；C：二氧化硫、氧气、氮气；D：尾气(SO2、O2、N2)。
接触法制硫酸分为三个阶段：
生产阶段
设备
主要反应
造气
沸腾炉
S＋O2SO2或4FeS2＋11O22Fe2O3＋8SO2
接触氧化
接触室
2SO2＋O22SO3
SO3吸收
吸收塔
SO3＋H2O===H2SO4
强化训练
1．为了证明在实验室制备Cl2的过程中会有水蒸气和HCl挥发出来，小明设计了如图所示的实验装置，按要求填空。
(1)请根据小明的意图，连接相应的装置，接口顺序：
______接______，______接______，______接______。(填字母)
(2)U形管中所盛试剂的化学式为_____________________________________________。
(3)装置③中CCl4的作用是_____________________________________________________。
(4)小红认为小明的实验有缺陷，不能证明最终通入AgNO3溶液中的气体只有一种。为了确保实验结论的可靠性，证明最终通入AgNO3溶液的气体只有一种，小红同学提出在某两个装置之间再加装置⑤。你认为装置⑤应加在____________之间(填装置序号)。瓶中可以放入____________。
(5)小强看到小明设计的装置后提出无需多加装置，只需将原来烧杯中的AgNO3溶液换成其他溶液。你认为可将溶液换成________，如果观察到________的现象，则证明制Cl2时有HCl挥发出来。
答案　(1)b　e　f　d　c　a(e、f可互换)　(2)CuSO4　(3)吸收Cl2　(4)①③　湿润的KI?淀粉试纸(或润湿的有色布条)　(5)紫色石蕊溶液(其他合理答案也可)　紫色石蕊溶液变红而不褪色
解析　实验室制备Cl2的原理：MnO2＋4HCl(浓)MnCl2＋Cl2↑＋2H2O，为证明在制备Cl2的过程中会有H2O(g)和HCl(g)挥发出来，则要分别检验H2O(g)和HCl(g)。H2O(g)可以利用无水硫酸铜检验；HCl(g)溶于水电离出Cl－，可利用硝酸银溶液检验；考虑到Cl2溶于水也能产生HCl，会干扰HCl的检验，故在检验HCl之前，要先除去Cl2；Cl2易溶于CCl4，而HCl难溶于CCl4，故可利用CCl4将Cl2除去。
(1)分析装置可知装置①的作用是检验HCl，装置②的作用是制备Cl2，装置③的作用是用CCl4除Cl2，装置④的作用是用无水硫酸铜检验是否有水生成。先用②制备Cl2，然后用④检验H2O，再利用③除去Cl2，注意气体进入③时要长进短出，最后利用①检验HCl。装置接口顺序：b→e→f→d→c→a(e、f可互换)。(2)无水硫酸铜与水反应生成蓝色的五水硫酸铜晶体，可用来检验水。(3)Cl2易溶于CCl4，可用来吸收Cl2。(4)①装置用来检验HCl气体，为了确保实验结论的可靠性，应排除Cl2的干扰，在③吸收Cl2之后要检验Cl2是否完全除去，在装置③、①之间再连接装置⑤，⑤中可放湿润的KI?淀粉试纸(或润湿的有色布条)，当观察到装置③中CCl4显浅黄绿色，装置⑤中湿润的KI?淀粉试纸(或润湿的有色布条)无颜色变化时，能确保结论正确。(5)将原来烧杯中的AgNO3溶液换成紫色石蕊溶液，气体通过紫色石蕊溶液变红而不褪色，证明制Cl2时有HCl挥发出来。
总结归纳：氯气的制备及注意事项
(1)反应原理及实验装置
用强氧化性物质(如MnO2、KMnO4等)和浓盐酸反应。如MnO2＋4HCl(浓)MnCl2＋Cl2↑＋2H2O。注意：KMnO4与浓盐酸反应不需要加热。
(2)实验室用MnO2和浓盐酸制取Cl2时应注意以下五点：
①为了减少制得的Cl2中HCl的含量，加热温度不宜过高且应分批滴加浓盐酸，以减少HCl的挥发。
②必须用浓盐酸加热才可反应，稀盐酸不反应。
③收集时采用向上排空气法或排饱和食盐水法(Cl2在饱和食盐水中的溶解度较小)。
④验满方法：将湿润的淀粉碘化钾试纸靠近盛Cl2的集气瓶口，观察到试纸立即变蓝，则证明已集满(常用方法)；也可用观察集气瓶中氯气的黄绿色是否达到瓶口来判断。
⑤尾气吸收时，用NaOH溶液吸收Cl2，不能用澄清石灰水吸收Cl2，因为澄清石灰水中含Ca(OH)2的量少，吸收不完全。
(3)完整的制取气体并进行验证其性质的实验装置
一套完整的制取气体的实验装置包括四个部分：发生装置→净化装置→收集或性质验证装置→尾气处理装置。在组合装置制取气体时，可按此顺序选择需要的仪器和相应的药品，对有毒气体、可燃性气体必须有尾气处理装置。
2．空气吹出法工艺，是目前“海水提溴”的最主要方法之一。其工艺流程如下：
(1)步骤③的离子方程式为________________________________________________。
(2)步骤⑤中溴蒸气冷凝后得到液溴与溴水的混合物，可利用它们的相对密度相差很大的特点进行分离。分离仪器的名称是__________________________________________。
(3)溴水混合物Ⅱ中溶有一定量的氯气，因此在步骤⑤中可将蒸馏产生的气体通过________(填试剂名称)溶液，以除去氯气。
(4)步骤⑤的蒸馏过程中，温度应控制在80～90
℃。温度过高或过低都不利于生产，请解释原因：________________________________________________________________________。
(5)步骤①中用硫酸酸化可提高Cl2的利用率，理由是__________________________
________________________________________________________________________。
(6)提取溴单质，采用蒸馏“溴水混合物Ⅱ”而不是蒸馏“溴水混合物Ⅰ”，请说明原因：________________________________________________________________________。
答案　(1)Br2＋SO2＋2H2O===4H＋＋2Br－＋SO
(2)分液漏斗
(3)溴化铁(或其他含Br－的盐类物质)
(4)温度过高，大量水蒸气被蒸出，溴蒸气中水增加；温度过低，溴不能完全蒸出，吸收率低
(5)酸化可抑制Cl2、Br2与水反应
(6)将“溴水混合物Ⅰ”转变为“溴水混合物Ⅱ”是Br2的浓缩过程，可提高效率，减少能耗，降低成本
解析　海洋是资源的宝库，海水化工是考试的热点。占地球储量99%的溴分布在海洋中，从海水中提取溴，一般要经过浓缩、氧化、提取三个步骤。步骤①的氯气氧化发生的反应是Cl2＋2Br－===2Cl－＋Br2，生成的溴仍溶解在海水中，怎样才能把溴提取出来呢？根据溴的沸点比水低的性质，可以鼓入热空气(步骤②)，使它和热空气一起挥发出来，再用SO2吸收(步骤③)：Br2＋SO2＋2H2O===4H＋＋2Br－＋SO，这样可以得到较高浓度的含Br－的溶液，进一步用氯气氧化(步骤④)，得到Br2，然后蒸馏便得到了液溴。
3．甲、乙、丙三位同学分别用如图实验装置及化学药品(碱石灰为氢氧化钠和生石灰的混合物)制取氨气。请你参与探究，并回答问题。
(1)他们制取氨气的化学方程式为_________________________________________
________________________________________________________________________。
(2)三位同学都用向下排空气法收集氨气，其原因是___________________________________
________________________________________________________________________。
(3)三位同学用上述装置制取氨气时，其中有一位同学没有收集到氨气(实验操作都正确)。你认为没有收集到氨气的同学是________(填“甲”“乙”或“丙”)。
(4)三位同学都认为他们的实验装置还可用加热NH4HCO3固体来制取纯净的氨气。你判断能够达到实验目的的是________(填“甲”“乙”或“丙”)。该装置中的NH4HCO3固体能否用NH4Cl固体代替？________(填“能”或“不能”)。
答案　(1)2NH4Cl＋Ca(OH)2CaCl2＋2NH3↑＋2H2O
(2)NH3的密度比空气小且极易溶于水
(3)乙
(4)丙　不能
解析　(1)氯化铵和氢氧化钙制取氨气的化学方程式为2NH4Cl＋Ca(OH)22NH3↑＋CaCl2＋2H2O。
(2)NH3极易溶于水，故不能用排水集气法，但NH3的密度小于空气的密度，故可以用向下排空气法收集NH3。
(3)乙同学所用装置把产生的NH3通入到浓H2SO4中，NH3被吸收。
(4)NH4HCO3受热分解的化学方程式为NH4HCO3NH3↑＋CO2↑＋H2O。丙同学所用装置中的碱石灰能吸收CO2和H2O，所以丙可达到目的。NH4Cl受热分解为NH3和HCl，但冷却后又重新化合生成NH4Cl，所以不能用NH4Cl固体代替NH4HCO3固体。
归纳总结：氨气的两种制备方法
实验室中主要有两种氨气的制法：一是固体与固体加热的方式；二是采用浓氨水中(NH3＋H2ONH3·H2ONH＋OH－)平衡移动原理进行制备。
(1)加热NH4Cl和Ca(OH)2固体混合物制取氨气
2NH4Cl＋Ca(OH)22NH3↑＋CaCl2＋2H2O，实验装置如图Ⅰ。
(2)加热浓氨水
反应原理：NH3·H2ONH3↑＋H2O，反应发生装置如图Ⅱ。
(3)浓氨水中加固态碱性物质
浓氨水中存在以下平衡：NH3＋H2ONH3·H2ONH＋OH－，加入固态碱性物质(如CaO、NaOH固体、碱石灰等)，消耗水且使c(OH－)增大，使平衡逆向移动，同时反应放热，促进NH3·H2O的分解，反应发生装置如图Ⅲ。
4．工业上制硫酸的设备分为三大部分，一是沸腾炉、二是接触室、三是吸收塔。在沸腾炉内二硫化亚铁与氧气发生反应，生成二氧化硫；在接触室内有催化剂存在下二氧化硫进一步与氧气化合，生成三氧化硫；
三氧化硫经过吸收塔时，采用98.3%的浓硫酸吸收，三氧化硫与水化合形成硫酸。为研究吸收SO3应选用的物质，仿照工业上制备硫酸的流程设计了下面的实验装置。
(1)根据上述设计，说明该实验的目的：___________________________________________
________________________________________________________________________；
写出在沸腾炉内发生反应的化学方程式：_____________________________________________
________________________________________________________________________。
(2)装置甲在本实验中的作用之一是____________________________________________
________________________________________________________________________。
(3)反应中要求乙反应器内氧气的量要比二氧化硫的量多一倍左右，控制这一比例的实验现象是________________________________________________________________________
________________________________________________________________________；
实验时发现，丁装置在反应过程中先出现气泡，不久就出现了白雾，而丙装置一直都没有任何现象。据此得出的下列结论中正确的是________(填字母)。
A．浓硫酸不能吸收产生的气体
B．水与三氧化硫的反应是放热反应
C．浓硫酸吸收的效果比水好
D．水的吸收效果比浓硫酸好
(4)上述实验装置有合理的，也有不合理的。请就某一方面说说你对该实验装置的评价：________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
答案　(1)比较浓硫酸和水吸收三氧化硫的效果
4FeS2＋11O22Fe2O3＋8SO2
(2)净化二氧化硫和氧气，吸收水分(答案合理即可)
(3)甲装置中，通O2的导管口冒泡的速率大约是SO2导管口的2倍　BC
(4)缺少尾气吸收装置(其他合理答案均可)

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