例析氣體壓強(qiáng)在全國(guó)卷實(shí)驗(yàn)綜合題中的考查

福建 洪茲田 新疆 張新芹

壓強(qiáng)是物理中常用的物理量，壓強(qiáng)對(duì)氣體的影響最大。在全國(guó)卷高考理綜化學(xué)試題中常常遇到和氣體壓強(qiáng)有關(guān)的實(shí)驗(yàn)，與氣體壓強(qiáng)結(jié)合的化學(xué)實(shí)驗(yàn)綜合題成為近幾年高考的熱點(diǎn)和難點(diǎn)。現(xiàn)對(duì)氣體壓強(qiáng)在全國(guó)卷高考化學(xué)實(shí)驗(yàn)大題中的考查方式進(jìn)行梳理總結(jié)并建構(gòu)思維模型，希望對(duì)以氣體壓強(qiáng)為背景的化學(xué)實(shí)驗(yàn)大題的復(fù)習(xí)有所幫助。

一、氣體壓強(qiáng)在高考試題中的命題趨勢(shì)和考查特點(diǎn)

1.命題趨勢(shì)

表1 近四年全國(guó)卷高考題中的氣體壓強(qiáng)問題

2.考查特點(diǎn)

分析2016～2019年全國(guó)卷理綜化學(xué)試題中涉及氣體壓強(qiáng)的實(shí)驗(yàn)大題，不難發(fā)現(xiàn)近4年氣體壓強(qiáng)的應(yīng)用呈現(xiàn)高頻考查的趨勢(shì)，特別是在全國(guó)卷Ⅰ中。

(1)從引起氣體壓強(qiáng)變化的原因看，考查重點(diǎn)主要集中在兩大類：

①基于氣體溫度變化引起的氣體壓強(qiáng)變化

例如，2017年全國(guó)卷Ⅰ26(1)和(3)分別考查因溫度升高引起的氣體壓強(qiáng)增大、因溫度降低引起的氣體壓強(qiáng)減小。

②基于氣體物質(zhì)的量變化(含溶解或反應(yīng))引起的氣體壓強(qiáng)變化

例如，2019年全國(guó)卷Ⅰ27(2)考查因反應(yīng)進(jìn)行，導(dǎo)致氣體的物質(zhì)的量減少，引起氣體壓強(qiáng)減小；2018年全國(guó)卷Ⅰ26(3)考查因反應(yīng)進(jìn)行導(dǎo)致氣體的物質(zhì)的量增大，引起氣體壓強(qiáng)增大；2016年全國(guó)卷Ⅰ26(1)②考查因氣體溶解導(dǎo)致氣體的物質(zhì)的量減小，引起氣體壓強(qiáng)減少；2016年全國(guó)卷Ⅰ26(2)③④考查因反應(yīng)導(dǎo)致氣體的物質(zhì)的量減小，引起氣體壓強(qiáng)減小。

另外，由理想氣體狀態(tài)方程：pV=nRT(R為常數(shù))可知，影響氣體壓強(qiáng)(p)變化的因素除了上述的氣體溫度(T)、氣體物質(zhì)的量(n)外，還有氣體體積(V)的變化。當(dāng)氣體體積V增大(擴(kuò)容)時(shí)，氣體壓強(qiáng)p增大；當(dāng)氣體體積V減小(壓縮)時(shí)，氣體壓強(qiáng)p減小。當(dāng)然，此類因素在實(shí)驗(yàn)綜合題中也可能涉及。

(2)從氣體壓強(qiáng)變化對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行的作用看，考查重點(diǎn)主要集中在兩大類：

①利用氣體壓強(qiáng)變化保障實(shí)驗(yàn)順利進(jìn)行

例如，2018年全國(guó)卷Ⅰ26(3)考查利用反應(yīng)產(chǎn)生的高壓氫氣將CrCl2溶液壓入另一個(gè)裝置并與醋酸鈉反應(yīng)生成醋酸亞鉻。2017年全國(guó)卷Ⅰ26(3)考查利用降溫引起負(fù)壓，錐形瓶中的蒸餾水倒吸，從而用來(lái)清洗儀器。2017年全國(guó)卷Ⅰ26(1)考查利用安全管防止水蒸氣發(fā)生器內(nèi)由于氣壓太大造成的橡皮塞脫落。

②防止氣體壓強(qiáng)變化對(duì)實(shí)驗(yàn)造成干擾

例如，2019年全國(guó)卷Ⅰ27(2)和2016年全國(guó)卷Ⅰ26(1)②均是考查利用倒扣漏斗防止氣體壓強(qiáng)變化引起液體發(fā)生倒吸。

二、氣體壓強(qiáng)在化學(xué)實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用思維模型

三、氣體壓強(qiáng)在高考實(shí)驗(yàn)大題中的深度應(yīng)用

【例1】(2016·全國(guó)卷Ⅰ·26節(jié)選)氮的氧化物(NOx)是大氣污染物之一，工業(yè)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(xué)在實(shí)驗(yàn)室中對(duì)NH3與NO2反應(yīng)進(jìn)行了探究。回答下列問題：

(1)氨氣的制備

A

B

C

D

E

F

②欲收集一瓶干燥的氨氣，選擇上圖中的裝置，其連接順序?yàn)椋喊l(fā)生裝置→____________(按氣流方向，用小寫字母表示)。

(2)氨氣與二氧化氮的反應(yīng)

將上述收集到的NH3充入注射器X中，硬質(zhì)玻璃管Y中加入少量催化劑，充入NO2(兩端用夾子K1、K2夾好)。在一定溫度下按圖示裝置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

操作步驟實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象解釋原因打開K1,推動(dòng)注射器活塞,使X中的氣體緩慢通入Y管中①Y管中紅棕色氣體慢慢變淺②反應(yīng)的化學(xué)方程式:8NH3+6NO2催化劑7N2+12H2O將注射器活塞退回原處并固定,待裝置恢復(fù)到室溫Y管中有少量水珠生成的氣態(tài)水凝聚打開K2③ ④

【答案】d→c→f→e→i

【解析】(1)②本題考查吸收NH3的試劑和利用倒扣的漏斗作為防倒吸裝置來(lái)保證實(shí)驗(yàn)的順利進(jìn)行。NH3易溶于水，因此可用水作為吸收劑。同時(shí)，為了防止液體發(fā)生倒吸，故選用倒扣的漏斗作為防倒吸裝置。綜上，F(xiàn)為合適裝置。

【思維模型】

【答案】(2)③Z中NaOH溶液產(chǎn)生倒吸現(xiàn)象 ④反應(yīng)后氣體分子數(shù)減少(產(chǎn)物H2O為液體)，恢復(fù)到室溫，Y管中壓強(qiáng)小于外界壓強(qiáng)

【思維模型】

回答下列問題：

(1)a的作用是________________。

(3)清洗儀器：g中加蒸餾水；打開k1，關(guān)閉k2、K3，加熱b，蒸氣充滿管路；停止加熱，關(guān)閉k1，g中蒸餾水倒吸進(jìn)入c，原因是____________________；打開k2放掉水。重復(fù)操作2～3次。

【答案】(1)避免b中壓強(qiáng)過(guò)大

【解析】(1)本題考查利用安全管保持氣壓穩(wěn)定，從而保證實(shí)驗(yàn)順利進(jìn)行。導(dǎo)管a與大氣相連，當(dāng)裝置b中壓力過(guò)大時(shí)，安全管a中液面上升，使裝置b中壓力穩(wěn)定。

【思維模型】

【答案】(3)c中溫度下降，管路中形成負(fù)壓

【解析】(3)本題考查利用降溫引起負(fù)壓，使錐形瓶中的蒸餾水倒吸，從而清洗儀器。加熱b后水蒸氣進(jìn)入裝置c，停止加熱后，導(dǎo)致裝置c內(nèi)溫度降低、壓強(qiáng)減小而發(fā)生倒吸。

【思維模型】

【例3】(2018·全國(guó)卷Ⅰ·26節(jié)選)醋酸亞鉻[(CH3COO)2Cr·H2O]為磚紅色晶體，難溶于冷水，易溶于酸，在氣體分析中用作氧氣吸收劑。一般制備方法是先在封閉體系中利用金屬鋅作還原劑，將三價(jià)鉻還原為二價(jià)鉻；二價(jià)鉻再與醋酸鈉溶液作用即可制得醋酸亞鉻。實(shí)驗(yàn)裝置如圖所示，回答下列問題：

(1)實(shí)驗(yàn)中所用蒸餾水均需經(jīng)煮沸后迅速冷卻……

(2)將過(guò)量鋅粒和氯化鉻固體置于c中，加入少量蒸餾水，按圖連接好裝置，打開K1、K2，關(guān)閉K3。

①c中溶液由綠色逐漸變?yōu)榱了{(lán)色……

②同時(shí)c中有氣體產(chǎn)生……

(3)打開K3，關(guān)閉K1和K2。c中亮藍(lán)色溶液流入d，其原因是________________。

【答案】c中產(chǎn)生H2使壓強(qiáng)大于大氣壓

【解析】本題考查利用反應(yīng)產(chǎn)生的氫氣使c中壓強(qiáng)增大，將c中的CrCl2溶液壓入d裝置，使氯化鉻和醋酸鈉兩種溶液混合并反應(yīng)生成醋酸亞鉻。打開K3，關(guān)閉K1和K2，由于c中鋅繼續(xù)與鹽酸反應(yīng)生成氫氣，產(chǎn)生的H2使c中 壓強(qiáng)大于大氣壓，故c中亮藍(lán)色CrCl2溶液能流入d裝置與CH3COONa溶液反應(yīng)。

【思維模型】

【例4】(2019·全國(guó)卷Ⅰ·27節(jié)選)硫酸鐵銨[NH4Fe(SO4)2·xH2O]是一種重要鐵鹽。為充分利用資源，變廢為寶，在實(shí)驗(yàn)室中探究采用廢鐵屑來(lái)制備硫酸鐵銨，具體流程如圖所示：

回答下列問題：

(2)步驟②鐵屑中含有少量硫化物，反應(yīng)產(chǎn)生的氣體需要凈化處理，合適的裝置為________(填標(biāo)號(hào))。

A

B

C

D

【答案】C

【解析】本題考查H2S氣體的吸收試劑和利用倒扣的漏斗作為防倒吸裝置保證實(shí)驗(yàn)的順利進(jìn)行。鐵屑中含有的少量硫化物與H2SO4反應(yīng)生成少量有劇毒的H2S氣體，H2S氣體易與NaOH溶液反應(yīng)，因此可用NaOH溶液作為吸收劑(H2S氣體在水中的溶解度不大，不宜用水作吸收劑)。同時(shí)，為了防止液體發(fā)生倒吸，選用倒扣的漏斗作為防倒吸裝置。綜上，C為合適的裝置。

【思維模型】

四、氣體壓強(qiáng)在化學(xué)實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用實(shí)例

1.裝置氣密性檢查

圖1-1

圖1-2

圖1-3

圖1-4

圖1-5

圖1-6

【解讀】化學(xué)實(shí)驗(yàn)中常見的6種檢查裝置氣密性的裝置，根據(jù)裝置本身的特點(diǎn)不同，檢查方法不盡相同，例如圖1-1 微熱法，圖1-2、1-3液差法，圖1-4氣壓法，圖1-5抽氣法，圖1-6吹氣法，但其原理相似。思維模型由學(xué)生自行完成。

2.倒吸的原理及應(yīng)用

圖2-1

圖2-2

圖2-3

圖2-4

圖2-5

所謂倒吸是由于裝置內(nèi)形成了負(fù)壓，外界大氣壓將液體壓入裝置內(nèi)的現(xiàn)象。利用倒吸原理，根據(jù)實(shí)驗(yàn)的具體要求有時(shí)需要產(chǎn)生倒吸。例如圖2-5裝置，氨氣溶于水產(chǎn)生噴泉現(xiàn)象；有時(shí)又需要防止倒吸，例如圖2-1、2-2與2-4裝置；有時(shí)利用此原理平衡裝置氣壓，例如圖2-3裝置。思維模型由學(xué)生自行完成。

3.平衡氣壓裝置

圖3-1

圖3-2

圖3-3

圖3-4

【解讀】平衡氣壓表現(xiàn)在定量測(cè)定氣體體積時(shí)，常用到如圖3-1所示排液量氣裝置，也可能是類似圖3-2、3-3、3-4這樣的平衡氣壓裝置。思維模型由學(xué)生自行完成。

4.高壓排液，物質(zhì)制備

圖4

【解讀】以圖4裝置制備Fe(OH)2沉淀，操作如下：打開止水夾a，利用鐵粉與稀硫酸反應(yīng)產(chǎn)生的H2將裝置中的空氣排凈；關(guān)閉止水夾a，A中產(chǎn)生的高壓H2將FeSO4溶液排入B中，與NaOH溶液反應(yīng)生成Fe(OH)2沉淀。由于生成的Fe(OH)2在H2的氛圍中不易被氧化，故可明顯觀察到白色沉淀。思維模型由學(xué)生自行完成。

5.簡(jiǎn)易啟普發(fā)生器

圖5-1

圖5-2

圖5-3

圖5-4

圖5-5

【解讀】以鋅粒與稀硫酸反應(yīng)制取氫氣為例，在圖5-1所示的裝置中，打開活塞，向漏斗內(nèi)加入稀硫酸，至浸沒鋅粒，反應(yīng)開始，驗(yàn)純，收集氫氣，實(shí)現(xiàn)隨開隨用。關(guān)閉活塞，p內(nèi)>p外，生成的H2將稀硫酸壓到漏斗中使鋅粒與酸液脫離，反應(yīng)停止，實(shí)現(xiàn)隨關(guān)隨停。思維模型由學(xué)生自行完成。

6.儲(chǔ)存氣體

圖6-1

圖6-2

【解讀】如圖6-1所示，關(guān)閉彈簧夾Y，打開X，通入氣體，漏斗內(nèi)液面上升，氣體儲(chǔ)存在廣口瓶中；關(guān)好彈簧夾X，打開Y，氣體在液體的壓力作用下，釋放出來(lái)，供實(shí)驗(yàn)使用。思維模型由學(xué)生自行完成。

7.恒壓漏斗

圖7-1

圖7-2

【解讀】滴液漏斗側(cè)管的兩個(gè)作用：(1)在側(cè)管作用下，漏斗內(nèi)壓強(qiáng)和裝置內(nèi)壓強(qiáng)一樣大，則在重力作用下液體可以順利滴下(平衡壓強(qiáng)，使液體順利滴下)。(2)制取氣體并測(cè)其體積時(shí)，側(cè)管作用還有使滴入燒瓶的液體體積等于進(jìn)入分液漏斗的氣體體積，從而消除加入的液體對(duì)氣體體積的影響。思維模型由學(xué)生自行完成。

五、氣體壓強(qiáng)實(shí)驗(yàn)大題的考查趨勢(shì)預(yù)測(cè)