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  4. 实验室制取和收集气体的思路常用仪器的名称和选用化学式的写法和意义

请阅读下列资料,并根据资料和所学知识回答问题:资料1:甲烷(CH4)是液化天然气的主要成分.甲烷是无色、无味的气体,密度(标准状况下)0.717g/L,沸点﹣161.6℃,熔点﹣182.48℃

一、题文

请阅读下列资料,并根据资料和所学知识回答问题:
资料1:甲烷(CH4)是液化天然气的主要成分.甲烷是无色、无味的气体,密度(标准状况下)0.717g/L,沸点﹣161.6℃,熔点﹣182.48℃.微溶于水,溶于乙醇、乙醚,是优质气体燃料.
资料2:实验室用无水醋酸钠固体与碱石灰粉末混合加热制甲烷.
(1)写出标号①②的仪器名称:① _____ ,② _____
(2)实验室要制备CH4,可选用装置是 ______ ,要收集CH4,可选用装置是_______(填写装置序号).
(3)甲烷和石蜡组成元素相同,试推断甲烷燃烧后的产物为 ___________(写化学式).

考点提示:实验室制取和收集气体的思路,常用仪器的名称和选用,化学式的写法和意义

二、答案

(1)酒精灯; 水槽;
(2)A;     C或E;
(3)CO2 、  H2O.

三、考点梳理

知名教师分析,《请阅读下列资料,并根据资料和所学知识回答问题:资料1:甲烷(CH4)是液化天然气的主要成分.甲烷是无色、无味的气体,密度(标准状况下)0.717g/L,沸点﹣161.6℃,熔点﹣182.48℃》这道题主要考你对 实验室制取和收集气体的思路常用仪器的名称和选用化学式的写法和意义 等知识点的理解。

关于这些知识点的“解析掌握知识”如下:

知识点名称:实验室制取和收集气体的思路,常用仪器的名称和选用,化学式的写法和意义

考点名称:实验室制取和收集气体的思路
  • 实验室制取气体的思路:

          1.知识要点详解在初中化学中,主要应掌握O2、H2、CO2的实验室制法。可以从制备所需仪器、药品、反应原理、收集方法、实验装置、验满、验纯及操作要点等方面进行比较。通过比较,能够总结和归纳实验室制取气体的思路。即:研究反应原理一根据所选药品的状态和反应条件,选择适当的仪器组成相应的实验装置一根据实验装置的特点,设计合理的实验操作步骤,预测可能的注意事项一根据所制取气体的性质,选择相应的收集、检验、验满及验纯的方法。
          实验室制取气体及验证其性质的实验,属于基本操作的简单综合实验。通过对比发生装置和收集装置,总结气体的个性及几种气体的共性,提高记忆效果。 

          2.设计装置的依据制取气体的装置分两部分:气体发生装置和气体收集装置。
          发生装置的选取根据反应条件和反应物的状态而设计,收集装置是根据气体的性质(主要是物理性质)而确定的。
          确定收集装置的原则——气体的收集方法是由该气体的性质,如密度、在水中的溶解性、是否与空气或水反应、是否有毒等决定的。

  • 气体发生装置:

    ①“固+固”的反应,简称“固体加热型”,装置如图A所示,如用KMnO4或KClO3和MnO2制O2
    ②“固+液”的反应,简称“固液常温型”,装置如图B、C、D、E。如用H2O2和MnO2制O2、用锌粒与稀H2SO4制H2或用CaCO3与稀盐酸制CO2。同B装置相比,D装置具有便于添加液体药品,制取的气体量较多的优点;C装置不仅添加液体药品方便,而且可通过导管上的开关控制反应的发生和停止;E装置可通过分液漏斗的活塞控制加入药品的量和速度。

    ③“固+液”的反应的发生装置的其他改进:
    为了节约药品,方便操作,可设计如下图所示装置,这些装置都可自动控制。

    当打开弹簧夹时,溶液进入反应器内开始反应;当关闭弹簧夹时,气路不通,反应产生的气体将溶液压出反应器外,液体与同体分离,反应停止。

    气体收集装置:

    收集装置
    选择条件难溶或微溶于水,与水不发生化学反应的气体。如:H2、 O2、CH4不与空气发生反应,密度比空气密度大的气体。如:O2、 CO2不与空气发生反应,密度比空气密度小的气体。如:H2、CH4
    说明①使用排水法收集的气体较纯净,但缺点是会使收集的气体中禽有水蒸气。当导管口有连续均匀的气泡冒出时才开始收集,当有大量气泡从集气瓶口冒出时,表明气体已收集满。
    ②用向上排空气法收集气体,应注意将导管伸到接近集气瓶瓶底,同时应在瓶口盖上玻璃片,以便尽可能地排尽空气,提高所收集气体的纯度。使用排空气法收集的气体比较十燥,但纯度较低,需要验满(可燃性气体则要注意安全,点燃之前一定要验纯,否则有爆炸危险)

    药品的选取和实验方案的设计:

    (1)可行性:所选取的药品能制得要制取的气体;
    (2)药品廉价易得;
    (3)适宜的条件:要求反应条件易达到,便于控制;
    (4)反应速率适中:反应速率不能太快或太慢,以便于收集或进行实验;
    (5)气体尽量纯净;
    (6)注意安全性:操作简便易行,注意防止污染。
    例如:①实验室制取H2时选用锌粒,而不用镁条、铁片,原因是镁价格贵且反应速率太快而铁反应速率又太慢;酸选用稀硫酸,而不宜用稀盐酸、浓硫酸,因为用稀盐酸制得的H2,因混有HCl而不纯,而锌与浓硫酸反应不生成H2.
    ②制CO2时可选用用石灰石(或大理石)与稀盐酸,而不选用Na2CO3浓盐酸、稀硫酸,原因是Na2CO3,反应速率太快,浓盐酸易挥发出HCl气体,稀硫酸反应不能进行到底,也不能煅烧石灰石,因为条件不易达到,不呵操作;
    ④用KClO3、过氧化氢制O2时,要加少量的MnO2,作催化剂,以加快反应的速率

    实验室制取气体的实验操作程序:

    实验室制取气体存选择好药品、仪器后操作的一般程序:
    (1)组装仪器:一般按从左到右,从下到上的顺序进行;
    (2)检查装置气密;
    (3)装药品:若是固体跟液体反应,一般是是先装入固体再加入液体;
    (4)准备收集装置:若用排水法收集气体时,应在制取气体之前将集气瓶盛满水;
    (5)制取气体;
    (6)收集气体并验满;
    (7)拆洗仪器。
    注意:①给同体加热时.试管口要略向下倾斜;
    ②用加热KMnO4或KClO3(MnO2作催化剂)的方法制取O2,若用排水法收集,实验完毕时应先把导管移出水槽再移走酒精灯;
    ③固体跟液体反应制取气体时,要注意长颈漏斗末端要插入液面以下进行液封,以防漏气。

    装置的选取与连接:

    实验室制取气体的实验往往与气体的净化、气体的干燥综合在一起。气体综合实验的装置选择及连接顺序为:

  • 气体净化的几种方法:

    (1)吸收法:用吸收剂将杂质气体吸收除去。如除去CO中混有的少量CO2,可先用浓NaOH溶液吸收CO2,再用浓硫酸等干燥剂除去水蒸气。常用吸收剂如下表:
    吸收剂吸收的气体杂质吸收剂吸收的气体杂质
    可溶性的气体:HCl,NH3NaOHCO2,HCl,H2O
    无水CuSO4H2O碱石灰CO2,HCl ,H2O
    灼热的铜网O2NaOHCO2,HCl
    灼热的CuOH2,CO浓硫酸H2O
    (2)转化法:通过化学反血,将杂质气体转化为所要得到的气体:如除去CO2中的CO,可将混合气体通过足量的灼热CuO+COCu+CO2

    气体的干燥:

    气体的干燥是通过干燥剂来实现的,选择干燥剂要根据气体的性质。一般原则是:酸性干燥剂不能用来干燥碱性气体,碱性干燥剂不能用来干燥酸性气体,干燥装置由干燥剂的状念决定.
    (1)常见的干燥剂
    干燥剂可干燥的气体不可干燥的气体
    名称或化学式酸碱性状态
    浓H2SO4酸性液体H2、N2、O2、CO2、HCl、CH4、CONH3
    固体NaOH、生石灰,碱石灰(氢氧化钠和生石灰的混合物)碱性固态H2、O2、N2、CH4、CO、NH3CO2、SO2、HCl
    无水CaCl2中性固态除NH3外的所有气体NH3

    (2)干燥装置的选择
     ①除杂试剂为液体时,常选用洗气瓶,气体一般是 “长进短出”,如下图A。
    ②除杂试剂为同体时,常选用干燥管(球形或u 形),气体一般是“大进小出”,如下图B、C。
    ③需要通过加热与固体试剂发生化学反应除去的气体,常采用硬质玻璃管和酒精灯,如下图D。


    装置连接顺序的确定规律:

    (1)除杂和干燥的先后顺序
    ①若用洗气装置除杂,一般除杂在前,干燥在后。原因:从溶液中出来的气体通常混有水蒸气,干燥在后可将水蒸气完全除去。如除去CO中混有的CO2和水蒸气,应将气体先通过。NaOH溶液,再通过浓H2SO4
    ②若用加热装置除杂,一般是干燥在前,除杂在后。如除去CO2中混有的CO和水蒸气,应将气体先通过浓H2SO4,再通过灼热的CuO。
    (2)除去多种杂质气体的顺序一般是先除去酸性较强的气体。如N2中混有 HCl、H2O(气)、O2时,应先除去HCl,再除去水,最后除去O2(用灼热的铜网)。
    (3)检验多种气体的先后顺序(一般先验水蒸气):有多种气体需要检验时,应尽量避免前步检验对后步检验的干扰。如被检验的气体中含有CO2和水蒸气时,应先通过无水CuSO4。检验水蒸气,再通过澄清的石灰水检验CO2.

    确定气体收集方法的技巧:

    (1)排水集气法适用于“不溶于水且小与水反应的气体”,如下图A。
    (2)向上排空气法适用于“密度比空气大且小与空气成分反应的气体”(相对分子质量大于29的气体),如下图B。
    (3)向下排空气法适用于“密度比空气小且小与空气成分反应的气体”(相对分子质量小于29的气体),如下图C。

     (4)不能用排空气法收集的气体
    ①气体的密度与空气的密度相近时不能用排空气法收集
    ②当气体与空气中某一成分反应时不能用排空气法收集
    (5)有毒气体收集方法的确定
    ①有毒,但气体难溶于水时,一般采用排水法收集。如下图D
    ②有毒,但气体叉易溶于水时,则采用带双孔胶塞(一长一短的导气管)的集气瓶利用排空气法收集该气体,但必须接尾气处理装置,以免多余的有毒气体逸散到空气中污染空气,如收集氨气可用图E。


    气体制取实验中关于仪器或装置选择题目的解题技巧:

    (1)需要研究气体实验室制法的化学反应原理;
    (2)需要研究制取这种气体所应采用的实验装置;
    (3)需要研究如何证明制得的气体就是要制取的气体。
    根据给出的仪器或装置进行选取时,应明确制取气体的发生装置主要是两套(同体加热型和固液常温型),依据反应物的状态和反应条件来确定选用哪套发生装置;气体的收集装置主要就是三套(向上排空气法、向下排空气法和排水法),依据气体的性质来确定选用什么样的收集装置。选择仪器时要注意先对实验原理进行判断,然后再根据原理确定装置所需要的仪器。
  • 实验室制取气体的思路图:
  •  

考点名称:常用仪器的名称和选用
  • 常用的实验仪器:
    试管、烧杯、蒸发皿、坩埚、酒精灯、漏斗、洗气瓶、干燥管、
    托盘天平、量筒、容量瓶、滴定管、玻璃棒、量气装置等。
  • 常用仪器对比分析:

    常见的化学仪器

    主要用途

    分类

    名称

    图示

    用于加热仪器试管(1)用作少量试剂的反应容器,在常温或加热时使用
    (2)作为小型气体发生器
    (3)收集少量气体
    蒸发皿用于溶液的蒸发、浓缩
    燃烧匙用于盛放可燃性固体物质进行燃烧实验
    烧杯(1)溶解物质配制溶液
    (2)较大量试剂反应容器
    (3)常温或加热使用
    锥形瓶,烧瓶(圆底,平底)(1)用作较大量液体反应的容器和气体发生装置,在常温或加热时使用
    (2)锥形瓶是蒸馏的接收容器
    酒精灯用于加热
    盛放物质的仪器集气瓶(1)收集和储存少量气体
    (2)进行物质和气体之间的反应
    滴瓶,滴管滴瓶用于盛放少量液体试剂
    细口瓶储存液体药品
    广口瓶储存固体药品
    计量仪器托盘天平称量物质的质量(精确度为0.1g)
    量筒量取一定体积的液体或间接测量气体的体积
    漏斗普通漏斗过滤,注入液体
    长颈漏斗用于注入液体
    分液漏斗(1)注入液体
    (2)分液漏斗用于分离两种密度不同且互不相溶的液体
    夹持仪器铁架台固定和放置各种仪器
    试管夹夹持试管进行简单的加热试验
    坩埚钳夹持坩埚或夹持热的蒸发皿等
    辅助仪器水槽排水集气
    药匙取用固体药品(粉末状或小颗粒状)
    玻璃棒搅拌液体,引流,沾取液体
    石棉网用于烧杯或烧瓶加热时垫在底部,使仪器受热均匀
    试管刷用于刷洗试管等玻璃仪器
    温度计用于测量温度
考点名称:化学式的写法和意义
  • 概念:
    用元素符号和数字的组合表示物质组成的式子,叫做化学式。如可用O2,H2O,MgO分别表示氧气、水、氧化镁的化学式。

    对概念的理解:
    (1)混合物不能用化学式表示,只有纯净物才能用化学式表示。
    (2)每一种纯净物只有一个化学式,但一个化学式有可能用来表示不同的物质。如氧气的化学式是O2,没有别的式子再能表示氧气;P既是红磷的化学式,也是白磷的化学式。
    (3)纯净物的化学式不能臆造,化学式可通过以下途径确定:
    ①科学家通过进行精确的定量实验,测定纯净物中各元素的质量比,再经计算得出。
    ②已经确定存在的物质可根据化合价写出。

    书写规则:
    1.单质化学式的写法:
    首先写出组成单质的元素符号,再在元素符号右下角用数字写出构成一个单质分子的原子个数。稀有气体是由原子直接构成的,通常就用元素符号来表示它们的化学式。金属单质和固态非金属单质的结构比较复杂,习惯上也用元素符号来表示它们的化学式。
    2.化合物化学式的写法:
    首先按正前负后的顺序写出组成化合物的所有元素符号,然后在每种元素符号的右下角用数字写出每个化合物分子中该元素的原子个数。一定顺序通常是指:氧元素与另一元素组成的化合物,一般要把氧元素符号写在右边;氢元素与另一元素组成的化合物,一般要把氢元素符号写在左边;金属元素、氢元素与非金属元素组成的化合物,一般要把非金属元素符号写在右边。直接由离子构成的化合物,其化学式常用其离子最简单整数比表示。

    化学式的读法:

    一般是从右向左叫做“某化某”,如“CuO”叫氧化铜。当一个分子中原子个数不止一个时,还要指出一个分子里元素的原子个数,如“P2O5”叫五氧化二磷。有带酸的原子团要读成“某酸某”如“CuSO4”叫硫酸铜,还有的要读“氢氧化某”,如“NaOH”叫氢氧化钠。“氢氧化某”是碱类物质,电离出来的负电荷只有氢氧根离子。
  • 化学式的意义:
    (1)由分子构成的物质
    化学式的含义以H2O为例
    质的含义宏观①表示一种物质
    ②表示物质的元素组成
    ①表示水
    ②表示水是由氢、氧两种元素组成的
    微观①表示物质的一个分子
    ②表示组成物质每个分子的原子种类和数目
    ③表示物质的一个分子中的原子总数
    ①表示一个水分子
    ②表示一个水分子是由两个氧原子和一个氧原子构成的
    ③表示一个水分子中含有三个原子
    量的含义①表示物质的相对分子质量
    ②表示组成物质的各元素的质量比
    ③表示物质中各元素的质量分数
    ①H2O的相对分子质R =18
    ②H2O中氢元素和氧元素质量比为1:8
    ③H2O中氢元素的质量分数=100%=11.1%

    (2)由原子构成的物质(以Cu为例)
    宏观:
    表示该物质:铜
    表示该物质由什么元素组成:铜由铜元素组成
    微观:表示该物质的一个原子—一个铜原子。
  • 化学式和化合价的关系:
    (1)根据化学式求化合价
    ①已知物质的化学式,根据化合价中各元素的正负化合价代数和为0的原则确定元素的化合价。
    标出已知、未知化合价:
    列出式子求解:(+1)×2+x×1+(-2)×3=0 x=+4
    ②根据化合价原则,判断化学式的正误,如判断化学式KCO3是否正确
    标出元素或原子团的化合价
    计算正负化合价代数和是否为0:(+1)×1+(-2)×1=-1≠0,所以给出的化学式是错误的,正确的为K2CO3
    ③根据化合价原则,计算原子团中某元素的化合价,如计算NH4+中氮元素的化合价和H2PO4-(磷酸二氢根)中磷元素的化合价。
    由于NH4+带一个单位的正电荷,不是电中性的,因此各元素的化合价代数和不为多,而是等于+1. 设氮元素的化合价为x
    x+(+1)×4=+1 x=-3
    所以在NH4+中,氮元素的化合价为-3. 同理H2PO4-带一个单位的负电荷、不是电中性的、因此各元素的化合价代数和不为零,而是-1.
    设磷元素的化合价为y
    (+1)×2+y+(-2)×4=-1 y=+5 所以在H2PO4-中磷元素的化合价为+5.
    ④根据化合价原则,确定物质按化合价的排序。如H2S,S,SO2,H2SO4四种物质中均含有硫元素,并且硫元素的化合价在四种物质中分别为:-2,0, +4,+6,故这四种物质是按硫元素的化合价由低到高的顺序排列的。

    (2)根据化合价写化学式
    根据化合物中化合价的代数和等于0的原则,已知元素的化合价可以推求实际存在物质的化学式,主要方法有两种:
    ①最小公倍数法

    步骤举例
    一般把正价元素的符号(或原子团)写在左边,负价元素的符号(或原子团)写在右边,并把化合价写在元素符号(或原子团)的正上方
    求出两种元素化合价绝对位的最小公倍数,然后求出每种元素的原子个数=因为|-2|×|+3|=6,所以Al原子个数为6/3=2,O原子个数=6/2=3
    将原子个数写在相应元素符号的正下角Al2O3
    检验各种元素正负化合价的代数和是否为0,确定化学式的正确性(+3)×2+(-2)×3=0,所以该化学式正确。

    ②交叉法
    步骤例1 硫酸铜例2 氧化钙
    排列分析名称,确定元素符号(或原子团)的顺序铝 硫酸根
    Al  SO4
    钙 氧
    Ca  O
    标价标上化合价 、  、
    约简将化合价的绝对值约成最简整数比 、
    交叉将整数交叉写在元素符号(或原子团)的右下角
    检验根据正负化合价代数和是否为0,检验正误(+3)×2+(-2)×3=0(+2)+(-2)=0

    确定化学式的几种方法:
    1. 根据化合价规则确定化学式
    例1:若A元素的化合价为+m,B元素的化合价为-n,已知m与n都为质数,求A,B两元素化合后的物质的化学式。
    解析:由题意知正、负化合价的最小公倍数为m ·n,A的原子个数为(m·n)/m=n,B的原子个数为 (m·n)/n=m
    答案:所求化学式为AnBm.

    2. 根据质量守恒定律确定化学式
    例2:根据反应方程式2XY+Y2==2Z,确定Z 的化学式
    解析:根据质量守恒定律,反应前后原子种类不变,原子数目没有增减,反应前有两个X原子,四个Y原子,则两个Z分子含有两个X原子和四个Y原子。
    答案:z的化学式为XY2

    3. 利用原子结构特征确定化学式
    例3:X元素的原子核外有17个电子,Y元素的原子最外层有2个电子,求X、Y两元素所形成的化合物的化学式。
    解析:X元素的原子核外有17个电子,Y元素的原子最外层有2个电子,X原子易得1个电子,Y原子易失2个电子,根据电子得失相等可求化合物的化学式为YX2

    4.利用元素质量比确定化学式:
    例4:有一氮的氧化物,氮、氧两元素的质量比为7: 4,求此氧化物的化学式。
    解析:设此氧化物的化学式为NxOy,根据xN:yO =7:4 得14x:16y=7:4,即x:y=2:1。
    答案:所求氧化物的化学式为N2O。

    5. 利用化学式中所含原子数、电子数确定化学式
    例5:某氮氧化合物分子中含有3个原子,23个电子,求此化合物的化学式。
    解析:设此化合物的化学式为NxOy,则
    x+y=3
    7x+8y=23
    解得x=1,y=2
    答案:所求化学式NO2

    利用化学式的变形比较元素的原子个数:

    例:质量相等的SO2和SO3分子中,所含氧原子的个数比为?
    解析:SO2的相对分子质量为64,SO3的相对分子质量为80,二者的最小公倍数是320,二者相对分子质量相等时物质的质量相同,转化为分子个数SO2 为320/64=5,SO3为320/80=4,即5SO2与4SO3质量相同,所以含氧原子的个数比为(5×2):(4×3)=10:12=5:6。
    四、利用守恒法进行化学式计算:
    例:由Na2S、Na2SO3、Na2SO4三种物质构成的混合物中,硫元素的质量分数为32%,则混合物中氧元素的质量分数为?
     解析:在Na2S,Na2SO3,Na2SO4中,钠原子与硫原子的个数比是恒定的,都是2:1,因而混合物中钠、硫元素的质量比(或质量分数比)也是恒定的。设混合物中钠元素的质量分数为x,可建立如下关系式。
    Na ——S
    46  32
    x   32%
    46/32=x/32%
    解得x=46%
    混合物中氧元素的质量分数为1-32%-46%=22%。

    利用平均值法判断混合物的组成

    找出混合物中各组分的平均值(包括平均相对原子质量、平均相对分子质量、平均质量、平均质量分数等),再根据数学上的平均值原理,此平均值总是介于组成中对应值的最大值与最小值之间,由此对混合物的组分进行推理判断。
    例:某气休可能由初中化学中常见的一种或多种气体组成,经测定其中只含C,O两种元素,其质量比为3:8,则该气体可能是?
    解析:由题给条件知,该气体只含C,O两种元素,而这两种元素组成的气体可能是CO2、CO,O2。CO2中C,O两种元素的质量比是3:8,CO中C,O两种元素的质量比是3:4,O2中C,O两种元素的质量比是0 (因C的质量为0)。题中给出该气体中C,O两种元素的质量比是3:8,故符合题意的气体组成为:CO2或 CO,O2或CO,O2,CO2。

    利用关系式法解题技巧:
    关系式法是根据化学式所包含的各种比例关系,找出已知量之间的比例关系,直接列比例式进行计算的方法。
    例: 多少克(NH4)2SO4与42.4g尿素CO(NH2)2所含的氮元素质量相等?
    设与42.4g尿素中所含氮元素质量相等的(NH4)2SO4的质量为x
    (NH4)2SO4——2N——CO(NH2)2
      132         60
       x         42.4g
    132/x=60/42.4g
    x=93.28
  • 化学式前和化学式中数字的含义:
    ①化学式前面的数字表示粒子(原子、分子)数目;
    ②离子符号前的数字表示离子的数目;
    ③化学式石一下角的数字表示该粒子中对应原子或原子团的数目;
    ④离子符号右上角的数字表示该离子所带电荷数。

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