實驗室常見氣體的萬能制備裝置

田勤奮，莊建東

（福建農林大學材料工程學院，福建福州350002）

實驗室常見氣體的萬能制備裝置

田勤奮，莊建東*

（福建農林大學材料工程學院，福建福州350002）

氣體制備是化學化工實驗中的重要內容，而實驗室中常涉及到多種氣體的制備。因此，設計一種簡易的實驗裝置可以涵蓋多種氣體的制備及其驗證尤為必要，可以將其稱之為萬能實驗裝置。本文詳細介紹一種可以制備7種氣體的萬能實驗裝置。

化工實驗；氣體制備；萬能實驗裝置

氣體制備是化學化工實驗中的重要內容，常常從氣體制取原理、發生裝置，除雜、干燥、收集、尾氣處理等方面來考查，涉及了元素和化合物的性質以及儀器使用方法[1-3]。

實驗室中常涉及到多種氣體的制備，而有一種裝置可以制備7種氣體，此裝置被稱為萬能實驗裝置。如圖1所示是制備7種氣體及驗證氣體性質的裝置圖，此萬能實驗裝置覆蓋面廣，應用極為廣泛。

1 氣體的制備

下面以命題的方式闡述這種萬能實驗裝置，來加深對其的理解及認識。已知甲和乙是制氣裝置，丙是除雜裝置或反應裝置，丁（1）或丁（2）是尾氣吸收裝置或反應裝置。

圖1 萬能實驗裝置

1.1 HCl的制備

（1）如甲是HCl，乙是CaCO3，丙是飽和NaHCO3，丁（1）是苯酚鈉溶液，此裝置的實驗目的是_____。

如把丁（1）換為Na2SiO3溶液，也能達到類似的目的，此時丁（1）化學方程式為_____。

如把丁（1）換為Ca(ClO)2溶液，目的不變，此時丁（1）的現象為_____。

如把丁（1）換為NaAlO2溶液，也能達到類似的目的，此時丁（1）離子方程式為_____。

解析：此裝置的目的是證明酸性HCl＞H2CO3＞苯酚，還可證明HCl＞H2CO3＞H2SiO3，HCl＞H2CO3＞Al(OH)3，HCl＞H2CO3＞HClO。現象是乙中有氣泡，丁（1）中有白色沉淀。相關反應略。

（2）如甲、乙均是2種濃的無機酸溶液，丙中試管無液體，丁（2）中用水為吸收劑。丙中收集到的是HCl氣體，為了追求平穩的氣流，問甲是___，乙是___；為了追求快速的氣流，問甲是_____ ，乙是___。

解析：把濃硫酸滴在濃HCl中，由于濃硫酸密度大，兩者很快混合，放熱，加速HCl的揮發，且氣流平穩。當把濃HCl滴在濃硫酸中時，由于濃HCl密度小，接界處放出大量熱，HCl急速揮發。然后是制O2，且O2無需尾氣處理。用H2O2和MnO2或H2O和Na2O2可制得O2。O2把亞鐵鹽氧化為鐵鹽，鐵鹽用KSCN檢驗，呈血紅色。相應的離子方程式是：

1.2 Cl2的制備

如欲證明氧化性：KMnO4＞Cl2＞I2，則甲是___，乙是___，丙是___，丁（1）是___。此時制氣的化學方程式為___。

解析：此裝置還可證明氧化性的順序，KMnO4＞Cl2＞Br2，KMnO4＞Cl2＞FeCl3，KMnO4＞Cl2＞S。其中，甲為濃HCl，乙為KMnO4，丁（1）為NaOH溶液，根據需要可以是KI淀粉溶液或NaBr的CCl4溶液或FeCl2溶液或Na2S溶液。

1.3 SO2的制備

（1）如甲是70%濃H2SO4，乙為Na2SO3，欲證明：

①SO2具有漂白性，丙為____，丁（2）為____。

②SO2具有還原性，丙為___，丙中離子方程式為___。

③SO2具有氧化性，丙中現象為淡黃色沉淀，則丙中為____溶液。

解析：由于SO2是酸性氣體，易溶，所以尾氣處理時用NaOH，但要防倒吸用品紅褪色證明SO2的漂白性。用氯水、溴水、FeCl3溶液、酸性KMnO4溶液變色證明SO2的還原性。用Na2S或H2S溶液中產生淡黃色沉淀證明SO2的氧化性。涉及的離子反應方程式為：

（2）如甲是密度為1.84g/cm3的無色粘稠液體，乙是第三周期某片狀金屬單質，丙中試管為紅色液體，反應后變為無色，給燒杯中加入沸水，那么試管中液體變為___色。此時制氣的方程式是_____。

解析：第三周期金屬單質有3種，由于鋁在濃硫酸中鈍化，鈉反應太過劇烈，只能是鎂，鎂條是片狀。相應的離子方程式是：Mg+2H2SO4=MgSO4+SO2↑+2H2O。SO2使品紅褪色后，加熱，紅色復現。

1.4 NH3的制備

（1）如丙中試管為無色液體，通入某氣體后變為紅色，然后給燒杯中加入沸水，丙中試管液體紅色變淺。問甲是___，乙是____，丁（2）的離子方程式為___。

（2）如丙中試管為藍色液體，通入某氣體后變為藍色沉淀，后又深藍色溶液。加入乙醇，有深藍色晶體析出。寫出丙中兩個離子反應的方程式_______。

（3）如丙中試管為無色液體，通入某氣體后變為白色沉淀，后又變為無色溶液，加入乙醛，熱水浴加熱有銀鏡出現。則丙中為_______。

解析：（1）這是NH3的性質。NH3使苯酚的水溶液變紅。加熱，NH3揮發，氨水濃度減小，堿性變弱，紅色變淺甚至消失。把濃氨水滴在生石灰或NaOH固體上可制得NH3。

（2）藍色溶液是CuSO4溶液，藍色沉淀是Cu(OH)2，深藍色液體是Cu(NH3)42+，深藍色晶體是[Cu(NH3)4]SO4。

相應的離子方程式是：

（3）無色液體是AgNO3溶液，沉淀是AgOH，后又轉化為Ag(NH3)2OH，最后發生銀鏡反應。

1.5 C2H2的制備

如欲制取C2H2，并除去H2S雜質，問甲是___，乙是____，丙中離子方程式____，丁（1）是____。

解析：用飽和食鹽水和電石制乙炔。由于電石中含雜質，所以乙炔中的H2S用CuSO4溶液除雜。H2S尾氣用NaOH吸收。相應的離子方程式是：H2S+ Cu2+=CuS↓+2H+。

1.6 NO2的制備

如甲是濃的有些發黃的刺激性液體，乙是紅色固體，丙中試管無液體，反應后丙中有紅棕色氣體生成，然后給燒杯中加入冰水，試管中現象為___。原因是____。丁（2）是NaOH，是尾氣處理裝置，他與該氣體發生氧化還原反應，產物之一是食品著色劑，寫出該反應___。

解析：這是Cu和濃HNO3制NO2。NO2轉化為N2O4是放熱反應，溫度越低，越易轉化，所以冰水中紅棕色氣體漸漸變淡[4]。NO2和NaOH的反應是氧化還原反應，NO2既是氧化劑又是還原劑，食品著色劑是NaNO2。從化合價角度分析，還有另一種產物是NaNO3。

1.7 H2S的制備

此裝置還可制取并收集H2S氣體，則制氣及尾氣處理裝置的離子反應方程式是___。

解析：實驗室制H2S的方法是：FeS+ 2H+=Fe2++H2S↑。用NaOH吸收尾氣H2S：H2S +2OH-=S2-+2H2O。

2 結論

本實驗裝置囊括了7種氣體的實驗室制備，且對制備過程的各個環節進行了討論。同時，對7種重要氣體的制備、凈化和驗證及尾氣處理方法進行總結。通過討論和總結，歸納出氣體制備、凈化雜和驗證中的一些規律，達到指導化學化工實驗的目的[5，6]。

[1]徐俊龍.常見氣體的制法及反應原理[J].廣東教育(高中版),2015,11(11):21-24.

[2]劉淑珍.CO2氣體制備裝置的改進[J].湖北醫學院咸寧分院學報,1989,3(3):49.

[3]王世騰.化學實驗課常見氣體的制備與實驗設計[J].中國教育技術裝備,2016,30(11):15-16.

[4]洪冬梅.NO2與NO氣體制備演示一體化微型實驗探究[J].科教文匯,2014,11(9):168.

[5]鄭玉海.氣體制備的思維拓展[J].實驗教學與儀器,2003,20(9):21-24.

[6]姜素霞,韓中樞,夏春.標準氣體的制備方法及配制技術[J].化學分析計量,2004,13(6):71-72.

Universal Experiment Apparatus for Gas Preparation in Laboratory

Tian Qin-fen, Zhuang Jian-dong*
(College of Materials Engineering, Fujian Agriculture and Forestry University, Fujian Fuzhou 350002)

The preparation of gas is an important part in the chemical and chemical engineering experiments, and the laboratory often involves the preparation of a variety of gases. Therefore, it is necessary to design a simple experimental device which can cover the preparation and verification of various gases, it can be called universal experimental device. In this paper, a universal experimental device for preparing seven kinds of gases was introduced in detail.

Chemical experiments; Gas preparation; Universal experimental apparatus

G633.8

A

2096-0387（2017）01-0041-03

國家自然科學基金青年基金項目（21303244）。

田勤奮（1986-），女，漢，陜西寶雞人，碩士，實驗師，研究方向：實驗教學及實驗室管理。

莊建東（1984-），男，福建福州人，博士，副教授。研究方向：功能材料。