基于實驗專題的模型認知——以常見氣體的制備微專題為例

重慶 王 明 陳厚波

一、氣體制備實驗的基本思維模型

1.發生裝置

發生裝置的選擇應從反應原理入手，根據反應物的狀態和反應條件綜合選擇。高中化學中有如圖所示幾類發生裝置值得我們重點注意。

圖1

2.凈化除雜

反應原理中涉及的易揮發的物質，如反應物、副產物或水蒸氣等，是最主要的雜質氣體。為避免對后續的收集或性質檢驗造成影響，應想辦法將其一一除去。

圖4

圖5

圖6

(1)洗氣瓶：如上圖4所示，注意氣體“長進短出”時進行的步驟為洗氣。

(2)干燥管：球形干燥管(如上圖5所示)，氣體應“大進小出”；“U”形干燥管(如上圖6所示)，氣體可從任意一邊進入。

(3)要注意氣體在進入加熱的玻璃儀器前，都應該先干燥以避免儀器受熱不均而炸裂。

3.收集裝置

根據制備氣體的物理性質(密度、溶解性等)，選擇合適的收集裝置是氣體制備實驗的重要環節。通過對歷年高考試題和考試大綱的分析發現，有如下兩種方式值得我們重點注意。

圖7

圖8

(1)排水法：裝置如上圖7所示，集氣瓶中應事先裝滿水，氣體應該從e口進入。

(2)排空氣法：裝置如上圖8所示，密度比空氣小的氣體應該從e口進入，密度比空氣大的氣體應該從d口進入。

4.尾氣處理

化學核心素養中“科學精神和社會責任”，要求化學教師和有化學素養的學生能夠改變大眾對化學的固有認識——有毒、有害、污染嚴重。氣體制備或性質檢驗實驗完成后，為了避免對環境的污染，通常需要進行尾氣處理。

(1)溶液吸收：酸性氣體用堿性溶液吸收，如CO2、Cl2和SO2可以用NaOH溶液吸收；堿性氣體可以用酸溶液吸收，如NH3可用稀硫酸吸收；易溶于水的氣體可用蒸餾水吸收，如NH3、HCl。還應注意的是，某些氣體如NH3，在用溶液吸收尾氣時，要注意防倒吸。

極易溶于水的氣體才考慮防止倒吸，如NH3(1∶700)、HCl(1∶500)、SO2(1∶40)；其余如CO2、Cl2等，即使用NaOH溶液吸收，也不考慮防倒吸。

(2)固態試劑吸收：如SO2、CO2、Cl2等酸性氣體，可以用裝有堿石灰的干燥管吸收。

(4)吸收尾氣同時防止空氣中的某種成分進入：常見的是裝置最后連接裝有堿石灰的干燥管，除了吸收尾氣外還具有隔離空氣中的水和CO2的功能；類似的裝置還可以是，最后連接裝有濃硫酸的洗氣瓶，除了吸收堿性的尾氣外也可以隔離空氣中的H2O(g)。

二、高中常見氣體的制備模型

氣體原理發生裝置凈化除雜收集裝置尾氣處理H2SFeS+2HClFeCl2+H2S↑啟普發生器先通入飽和NaHS(aq)中,再通入無水CaCl2(或P2O5)中向上排空氣法通入NaOH(aq)HCl2NaCl+H2SO4(濃)△Na2SO4+2HCl↑分液漏斗,圓底燒瓶,加熱通入濃硫酸中向上排空氣法通入NaOH(aq)NH32NH4Cl+Ca(OH)2△CaCl2+2NH3↑+2H2O略微向下傾斜的大試管,加熱通入堿石灰中向下排空氣法通入水中濃氨水加熱濃氨水+NaOH(固體)分液漏斗、圓底燒瓶,加熱通入堿石灰中向下排空氣法通入水中O22H2O2MnO22H2O+O2↑固+液不加熱型、略微向下傾斜的大試管,加熱通入無水CaCl2中排水法或向上排氣法無

續表

三、模型認知基礎上的證據推理

氣體制備及其性質檢驗作為化學實驗的重要組成部分，在高考中頻繁出現，有時甚至成為實驗考試的主角。熟練掌握上述的幾種制備方法后，運用思維模型，輔以嚴密的證據推理即可解決高考中出現的相關問題。

【例1】(2019·全國卷Ⅰ·9)實驗室制備溴苯的反應裝置如下圖所示，關于實驗操作或敘述錯誤的是

( )

A.向圓底燒瓶中滴加苯和溴的混合液前需先打開K

B.實驗中裝置b中的液體逐漸變為淺紅色

C.裝置c中的碳酸鈉溶液的作用是吸收溴化氫

D.反應后的混合液經稀堿溶液洗滌、結晶，得到溴苯

【答案】D

【解析】此題類似于氣體制備，并檢驗、吸收某些物質。運用上述的思維模型可得：

無收集HBr裝置。

據此分析，A、B、C均正確，D中應是利用苯和溴苯的沸點差距進行蒸餾。故答案為D。

【例2】(2017·全國卷Ⅰ·10)實驗室用H2還原WO3制備金屬W的裝置如圖所示(Zn粒中往往含有硫等雜質，焦性沒食子酸溶液用于吸收少量氧氣)。下列說法正確的是

( )

A.①、②、③中依次盛裝KMnO4溶液、濃H2SO4、焦性沒食子酸溶液

B.管式爐加熱前，用試管在④處收集氣體并點燃，通過聲音判斷氣體純度

C.結束反應時，先關閉活塞K，再停止加熱

D.裝置Q(啟普發生器)也可用于二氧化錳與濃鹽酸反應制備氯氣

【答案】D

后面沒有收集和尾氣處理裝置。④處收集并點燃氣體判段純度(除去空氣)。根據前述分析得出：A錯誤；B正確；反應結束時，為避免④后空氣中的氧氣進入氧化金屬W，應“先停止加熱，待冷卻后再關閉活塞，停止產生H2”，故C錯誤；啟普發生器并不能加熱，故D錯誤。

【例3】(2016·全國卷Ⅰ·26節選)選氮的氧化物(NOx)是大氣污染物之一，工業上在一定溫度和催化劑條件下用NH3將NOx還原生成N2。某同學在實驗室中對NH3與NO2反應進行了探究。回答下列問題：

(1)氨氣的制備

A

B

C

D

E

F

①氨氣的發生裝置可以選擇上圖中的________，反應的化學方程式為_________________

②欲收集一瓶干燥的氨氣，選擇上圖中的裝置，其連接順序為：發生裝置→________________(按氣流方向，用小寫字母表示)。

四、實驗方案的分析與評價

從思維層級來看，上述試題僅涉及了解、模仿、應用等低層級思維，高考作為一種選拔性考試，肯定會涉及分析、綜合、評價等高層級思維。對制備或性質檢驗實驗的評價與分析的本質——對模型“發生→凈化除雜→收集→尾氣處理”中的某個或某幾個部分提出評價和改進意見。

(1)草酸晶體受熱分解后得到的氣體主要成分有________，甲同學利用下圖的裝置驗證分解產物中的CO2，乙同學仔細分析后認為此裝置最大的問題是________。

(2)乙同學改進后的裝置如下圖所示，則裝置B的作用是_________________

(3)丙同學仔細觀察乙同學設計的裝置圖后，認為方案中A裝置的大試管口應略向下傾斜。這種認識是否正確，并簡要說明理由_________________

(4)甲、乙、丙三位同學討論后，決定對A裝置再次改進，下列哪種改進方案最合理________。(填序號)

a

b

c

(5)丁同學為了驗證分解產物中的CO，選用乙同學實驗中的裝置A、B和如圖所示的部分裝置(可以重復選用)進行實驗。

D

E

F

G

H

I

①丁同學的實驗裝置中，依次連接的合理順序為A、B、________。裝置H反應管中盛有的物質是________。

②能證明草酸晶體分解產物中有CO的現象是_________________

【答案】(1)CO、CO2和H2C2O4·2H2O(g) 凈化裝置部分沒有排除H2C2O4·2H2O(g)對CO2鑒別的干擾

(2)使H2C2O4·2H2O(g)冷凝，排除對CO2鑒別的干擾

(3)錯誤，草酸晶體的熔點為101℃，此物質受熱分解變為液態，試管口向下傾斜是錯誤的

(4)b

(5)①F、D、G、H、D、I CuO粉末 ②H中的黑色粉末變紅，H后連接的D中澄清石灰水變混濁

【解析】(1)根據分解反應的化學方程式和題目已知能得出受熱分解的主要氣體有：CO、CO2和H2C2O4·2H2O(g)；根據題目信息能使澄清石灰水變混濁的也可能是H2C2O4·2H2O(g)，所以實驗裝置最大的問題是凈化裝置部分沒有排除H2C2O4·2H2O(g)對CO2鑒別的干擾。

(2)裝置B中用冰水冷凝的作用是將H2C2O4·2H2O(g)冷凝，排除對CO2鑒別的干擾。

(3)按固體加熱實驗操作規范，試管口確實應該略向下傾斜，但根據信息草酸晶體的熔點為101℃，此物質在分解升華前應先變為液態，若發生裝置的試管口仍然向下傾斜會使液體下滴，故乙同學的看法是錯誤的。

(4)固體加熱時試管口向上不符合操作規范，但試管口向下又會使液體下滴，所以綜合來看b是最好的解決方案。

(5)檢驗CO時應利用其還原性，但有還原性氣體很多，故需要同時檢驗反應后的產物CO2；同時，CO2和H2C2O4·2H2O(g)的存在對CO檢驗的現象有影響，故在檢驗之前應考慮利用凈化裝置將其除去；完成實驗后，應考慮有毒氣體CO的尾氣處理，還要注意的是氣體物質在進入加熱裝置前最好先干燥，以免引發試管破裂的危險。①合理順序為A→B→F→D→G→H→D→I；H中應加入黑色的CuO粉末。②H中的黑色粉末變紅，其后連接的D中澄清石灰水變混濁。

化學核心素養中“證據推理與模型認知”揭示了學生在考試中解決化學問題的一般方法——頭腦中提取解題模型→題目中獲取各種證據→證據推理和數據演繹→正確答案。實際教學實踐中教師和學生總是希望一個模型能解決所有的化學問題，而這是絕不可能達到的！為了解決這個矛盾，學生會爭取多“刷題”，希望能建立起足夠多的解題模型，以便解決各種考試中的化學問題。教師應該做些什么呢？筆者認為，教師應該通過自己的分析總結讓一個模型盡可能多的解決化學問題，從而真正的解放和提升學生。