用模塊化思維破解制備類實(shí)驗(yàn)裝置

山西 劉 偉 河北 孫紅霞

用模塊化思維破解制備類實(shí)驗(yàn)裝置

以陌生物質(zhì)制備為背景的實(shí)驗(yàn)題，一直是高考考查的重點(diǎn)，而有氣體參與的制備實(shí)驗(yàn)又是此類試題中最耀眼的明星題型。由于這類實(shí)驗(yàn)涉及的物質(zhì)多、裝置多、反應(yīng)多，令廣大考生望而生畏，本文重點(diǎn)解決有氣體參與的制備類實(shí)驗(yàn)的通法、通解，旨在減輕師生的備考負(fù)擔(dān)。

一、樹立模塊化思維

1.思考程序模塊化

物質(zhì)是化學(xué)實(shí)驗(yàn)的核心，所以首先要分析在給定條件下反應(yīng)后有哪些物質(zhì)存在，然后就可以結(jié)合實(shí)驗(yàn)?zāi)康淖孕性O(shè)計(jì)所需實(shí)驗(yàn)裝置或分析命題人提供的實(shí)驗(yàn)裝置的作用，有些裝置幾乎在所有制備實(shí)驗(yàn)中都會(huì)出現(xiàn)，我們稱之為“常規(guī)裝置”，還有一些裝置是出于某些特殊目的而設(shè)置，我們稱之為“個(gè)性裝置”，具體思維程序見下圖：

2.實(shí)驗(yàn)裝置模塊化

設(shè)計(jì)或分析有氣體參與的實(shí)驗(yàn)裝置時(shí)，可參照如下模塊輔助我們思考。

氣體制備實(shí)驗(yàn)自左至右可能涉及的模塊：氣體發(fā)生裝置→除雜裝置→干燥裝置→收集裝置→(尾氣處理裝置)

有氣體參與的制備實(shí)驗(yàn)自左至右可能涉及的模塊：氣體發(fā)生裝置→除雜裝置→干燥裝置→目標(biāo)產(chǎn)物制備裝置→(防干擾裝置)→(除雜裝置)→(收集裝置)→(防干擾裝置)→(尾氣處理裝置)

需要注意的是，干燥裝置本質(zhì)上屬于除雜裝置，由于此裝置在制備實(shí)驗(yàn)中非常重要和普遍，故單獨(dú)作為一個(gè)模塊列出。

上述所列裝置，括號(hào)中的裝置為個(gè)性裝置，要根據(jù)具體的題目作出選擇，如某些成分從右側(cè)進(jìn)入目標(biāo)產(chǎn)物制備裝置與裝置中的物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，則需要在目標(biāo)產(chǎn)物制備裝置的右側(cè)設(shè)置防干擾裝置；如目標(biāo)產(chǎn)物制備裝置中生成的是氣體或易揮發(fā)的物質(zhì)，就要設(shè)置收集裝置；如尾氣有毒、有害或易燃、易爆就要設(shè)置尾氣處理裝置。

3.實(shí)驗(yàn)中的潛規(guī)則

潛規(guī)則1：在有氣體參與的制備實(shí)驗(yàn)中，如果題中涉及的是中學(xué)常見氣體，且題目中沒有明確指出用哪種方法制取，要結(jié)合題中裝置，優(yōu)先選用課本上提供的制備方法。

附：常見氣體的制備方法。

潛規(guī)則2：制備類實(shí)驗(yàn)對除雜問題要求比較嚴(yán)格，氣體進(jìn)入目標(biāo)產(chǎn)物制備裝置前，那些與反應(yīng)無關(guān)的氣體一般都要除掉。

二、各模塊裝置詳解

1.氣體發(fā)生裝置

(1)“固(或液)+液”不加熱裝置

裝置①反應(yīng)液一次性通過長頸漏斗加入，不能對反應(yīng)進(jìn)行有效控制；裝置②可通過夾緊夾子，使反應(yīng)停止，打開夾子使反應(yīng)又進(jìn)行，使反應(yīng)得到控制；裝置③和④可通過分液漏斗控制反應(yīng)液的滴加速度，從而控制反應(yīng)速率；裝置⑤夾緊夾子或?qū)⒏稍锕芴崞鹈撾x反應(yīng)液，從而控制反應(yīng)進(jìn)行。

(2)“固(或液)+液”加熱裝置

裝置①為中學(xué)課本上提供的“固(或液)+液”加熱裝置，根據(jù)反應(yīng)的需要，可開發(fā)出后面5種常用的改良裝置。

裝置②可通過分液漏斗滴加反應(yīng)液，從而控制反應(yīng)速率；裝置③可通過溫度計(jì)，控制反應(yīng)溫度，減少副反應(yīng)的發(fā)生；裝置④采用水浴(或油浴)加熱，使反應(yīng)裝置受熱均勻，便于控制溫度；裝置⑤用導(dǎo)氣管g將分液漏斗上口和圓底燒瓶相連，使分液漏斗內(nèi)壓強(qiáng)和圓底燒瓶內(nèi)壓強(qiáng)相等，便于液體順利滴下；裝置⑥常用于有機(jī)物的制備，使用恒壓滴液漏斗，便于液體順利滴下，使用球形冷凝管，可使易揮發(fā)的有機(jī)物冷凝回流，提高反應(yīng)物的利用率。

(3)“固+固”加熱裝置

如裝置①所示，絕大多數(shù)情況下，“固+固”加熱裝置的試管口要略向下傾斜，防止固體中存在的水分(受熱形成水蒸氣)或反應(yīng)生成的水蒸氣在試管口冷凝為液態(tài)水，倒流回到試管底部，使試管炸裂。但少數(shù)固體在加熱過程中會(huì)熔化為液體，這種情況下就需要試管口略向上傾斜了，如裝置②所示。

2.除雜裝置

裝置①被稱為“洗氣瓶”，“洗氣瓶”盛放的是溶液或液體除雜試劑，氣體的進(jìn)入方向?yàn)椤伴L導(dǎo)氣管一端進(jìn)氣，短導(dǎo)氣管一端出氣”，除雜試劑不能影響預(yù)保留的氣體，如除去氫氣中的氯化氫氣體可選擇NaOH溶液，除去氯氣中的氯化氫氣體可選用飽和食鹽水，除去二氧化碳中的氯化氫可選擇飽和碳酸氫鈉溶液，除去乙烯中的CO2和SO2可選用NaOH溶液。

裝置②干燥管和裝置③U形管中盛放的都是固體除雜試劑，當(dāng)氣體雜質(zhì)與固體除雜試劑常溫下能反應(yīng)時(shí)，可選用此類裝置。

裝置④玻璃管中盛放的也是固體除雜試劑，當(dāng)氣體雜質(zhì)與固體除雜試劑需要在加熱條件下才能反應(yīng)時(shí)，可選用此裝置。如除去氮?dú)庵械难鯕饪蛇x用銅粉。

3.干燥裝置

用干燥劑除去少量水分的方法叫干燥，常用的干燥劑有三類：酸性干燥劑、中性干燥劑、堿性干燥劑。

酸性干燥劑濃硫酸可干燥N2、O2、H2、CO、CO2、SO2等常見氣體，不能干燥NH3以及還原性氣體H2S、HI、HBr等。

中性干燥劑無水CaCl2可干燥絕大多數(shù)氣體，但不能干燥NH3。

堿性干燥劑堿石灰能干燥N2、O2、H2、NH3等氣體。

干燥劑濃硫酸常用裝置①盛放，無水CaCl2、堿石灰常用裝置②或裝置③盛放。

4.目標(biāo)產(chǎn)物制備裝置

根據(jù)反應(yīng)物的狀態(tài)以及反應(yīng)條件的不同，選擇不同類型的裝置。

裝置①常用于氣體和固體加熱反應(yīng)，裝置②常用于氣體和溶液反應(yīng)。

5.收集裝置

(1)常見排空氣收集裝置

裝置①是經(jīng)典向下排空氣法收集氣體的裝置，用來收集密度比空氣小的氣體，裝置②是經(jīng)典向上排空氣法收集氣體的裝置，用來收集密度比空氣大的氣體，裝置③和裝置④既可收集密度比空氣大的氣體也可收集密度比空氣小的氣體，從a口或c口進(jìn)氣可收集密度比空氣大的氣體，從b口或d口進(jìn)氣可收集密度比空氣小的氣體(判斷秘訣：把收集裝置想象成限制氣體自由的集中營，從哪個(gè)導(dǎo)氣管口進(jìn)入收集裝置后，氣體聚集在該導(dǎo)氣管出口附近，就是正確的進(jìn)氣方向。)

(2)常見的排液收集裝置

難溶于水且與水不發(fā)生反應(yīng)的氣體，都可用上圖三個(gè)裝置排水收集。若收集易溶于水或能與水反應(yīng)的氣體，我們可以把水換成其他的液體，如可用排植物油收集氨氣，可用排飽和食鹽水收集氯氣等。

(3)特殊物質(zhì)的收集裝置

若某產(chǎn)物在反應(yīng)溫度下是氣體，但離開目標(biāo)產(chǎn)物制備裝置后，溫度降低該物質(zhì)變成固態(tài)物質(zhì)，為了防止固態(tài)物質(zhì)堵塞導(dǎo)氣管，發(fā)生危險(xiǎn)，連接目標(biāo)產(chǎn)物制備裝置和收集裝置的導(dǎo)氣管往往很粗，如裝置①所示。

若某產(chǎn)物在反應(yīng)溫度下是氣體，而降溫后易轉(zhuǎn)化為液體或固體物質(zhì)，可給收集裝置增加冷凝裝置，使氣體及時(shí)冷凝為液體或固體，減少揮發(fā)，便于收集。如裝置①中盛有冷水的燒杯和裝置②中盛有冰水的水槽。

6.尾氣處理裝置

有毒、有害的氣體(如氯氣、氯化氫、二氧化硫等)或易燃、易爆的氣體需要設(shè)置尾氣處理裝置。

裝置①若盛有堿液(如NaOH溶液)可吸收氯氣、氯化氫、二氧化硫等。

裝置②若盛有堿石灰也可吸收氯氣、氯化氫、二氧化硫等。

裝置③是典型的“引燃法”處理尾氣，可處理H2、CO等易燃、易爆的氣體。

若氣體在吸收液中溶解度較大，則可能會(huì)導(dǎo)致裝置中壓強(qiáng)迅速降低，可使用裝置④→裝置⑧所示裝置，預(yù)防倒吸事故的發(fā)生。

7.防干擾裝置

有些制備實(shí)驗(yàn)，空氣中的某些成分(如水蒸氣、CO2、O2等)可能會(huì)與目標(biāo)產(chǎn)物制備裝置中的物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)或者制備實(shí)驗(yàn)中用到了可燃性氣體，而可燃性氣體與空氣混合加熱會(huì)發(fā)生爆炸，在目標(biāo)產(chǎn)物制備裝置發(fā)生反應(yīng)前，要先通入一段時(shí)間的氣體，排盡裝置中的空氣。