例析氣體壓強在全國卷實驗綜合題中的考查

福建 洪茲田 新疆 張新芹

壓強是物理中常用的物理量，壓強對氣體的影響最大。在全國卷高考理綜化學試題中常常遇到和氣體壓強有關的實驗，與氣體壓強結合的化學實驗綜合題成為近幾年高考的熱點和難點。現對氣體壓強在全國卷高考化學實驗大題中的考查方式進行梳理總結并建構思維模型，希望對以氣體壓強為背景的化學實驗大題的復習有所幫助。

一、氣體壓強在高考試題中的命題趨勢和考查特點

1.命題趨勢

表1 近四年全國卷高考題中的氣體壓強問題

2.考查特點

分析2016～2019年全國卷理綜化學試題中涉及氣體壓強的實驗大題，不難發(fā)現近4年氣體壓強的應用呈現高頻考查的趨勢，特別是在全國卷Ⅰ中。

(1)從引起氣體壓強變化的原因看，考查重點主要集中在兩大類：

①基于氣體溫度變化引起的氣體壓強變化

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

②基于氣體物質的量變化(含溶解或反應)引起的氣體壓強變化

例如，2019年全國卷Ⅰ27(2)考查因反應進行，導致氣體的物質的量減少，引起氣體壓強減小；2018年全國卷Ⅰ26(3)考查因反應進行導致氣體的物質的量增大，引起氣體壓強增大；2016年全國卷Ⅰ26(1)②考查因氣體溶解導致氣體的物質的量減小，引起氣體壓強減少；2016年全國卷Ⅰ26(2)③④考查因反應導致氣體的物質的量減小，引起氣體壓強減小。

另外，由理想氣體狀態(tài)方程：pV=nRT(R為常數)可知，影響氣體壓強(p)變化的因素除了上述的氣體溫度(T)、氣體物質的量(n)外，還有氣體體積(V)的變化。當氣體體積V增大(擴容)時，氣體壓強p增大；當氣體體積V減小(壓縮)時，氣體壓強p減小。當然，此類因素在實驗綜合題中也可能涉及。

(2)從氣體壓強變化對實驗進行的作用看，考查重點主要集中在兩大類：

①利用氣體壓強變化保障實驗順利進行

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

②防止氣體壓強變化對實驗造成干擾

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

二、氣體壓強在化學實驗中的應用思維模型

三、氣體壓強在高考實驗大題中的深度應用

【例1】(2016·全國卷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。某同學在實驗室中對NH3與NO2反應進行了探究?；卮鹣铝袉栴}：

(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，其連接順序為：發(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

將上述收集到的NH3充入注射器X中，硬質玻璃管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行實驗。

操作步驟實驗現象解釋原因打開K1,推動注射器活塞,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反應的化學方程式: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保證實驗的順利進行。NH3易溶于水，因此可用水作為吸收劑。同時，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為合適裝置。

【思維模型】

【答案】(2)③Z中NaOH溶液產生倒吸現象 ④反應后氣體分子數減少(產物H2O為液體)，恢復到室溫，Y管中壓強小于外界壓強

【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，關閉k2、K3，加熱b，蒸氣充滿管路；停止加熱，關閉k1，g中蒸餾水倒吸進入c，原因是____________________；打開k2放掉水。重復操作2～3次。

【答案】(1)避免b中壓強過大

【解析】(1)本題考查利用安全管保持氣壓穩(wěn)定，從而保證實驗順利進行。導管a與大氣相連，當裝置b中壓力過大時，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，管路中形成負壓

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

【思維模型】

【例3】(2018·全國卷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，將三價鉻還原為二價鉻；二價鉻再與醋酸鈉溶液作用即可制得醋酸亞鉻。實驗裝置如圖所示，回答下列問題：

(1)實驗中所用蒸餾水均需經煮沸后迅速冷卻……

(2)將過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，關閉K3。

①c中溶液由綠色逐漸變?yōu)榱了{色……

②同時c中有氣體產生……

(3)打開K3，關閉K1和K2。c中亮藍色溶液流入d，其原因是________________。

【答案】c中產生H2使壓強大于大氣壓

【解析】本題考查利用反應產生的氫氣使c中壓強增大，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生成醋酸亞鉻。打開K3，關閉K1和K2，由于c中鋅繼續(xù)與鹽酸反應生成氫氣，產生的H2使c中 壓強大于大氣壓，故c中亮藍色CrCl2溶液能流入d裝置與CH3COONa溶液反應。

【思維模型】

【例4】(2019·全國卷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，在實驗室中探究采用廢鐵屑來制備硫酸鐵銨，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，反應產生的氣體需要凈化處理，合適的裝置為________(填標號)。

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驗的順利進行。鐵屑中含有的少量硫化物與H2SO4反應生成少量有劇毒的H2S氣體，H2S氣體易與NaOH溶液反應，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，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、氣體壓強在化學實驗中的應用實例

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】化學實驗中常見的6種檢查裝置氣密性的裝置，根據裝置本身的特點不同，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。思維模型由學生自行完成。

2.倒吸的原理及應用

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形成了負壓，外界大氣壓將液體壓入裝置內的現象。利用倒吸原理，根據實驗的具體要求有時需要產生倒吸。例如圖2-5裝置，氨氣溶于水產生噴泉現象；有時又需要防止倒吸，例如圖2-1、2-2與2-4裝置；有時利用此原理平衡裝置氣壓，例如圖2-3裝置。思維模型由學生自行完成。

3.平衡氣壓裝置

圖3-1

圖3-2

圖3-3

圖3-4

【解讀】平衡氣壓表現在定量測定氣體體積時，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。思維模型由學生自行完成。

4.高壓排液，物質制備

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產生的H2將裝置中的空氣排凈；關閉止水夾a，A中產生的高壓H2將FeSO4溶液排入B中，與NaOH溶液反應生成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。思維模型由學生自行完成。

5.簡易啟普發(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制取氫氣為例，在圖5-1所示的裝置中，打開活塞，向漏斗內加入稀硫酸，至浸沒鋅粒，反應開始，驗純，收集氫氣，實現隨開隨用。關閉活塞，p內>p外，生成的H2將稀硫酸壓到漏斗中使鋅粒與酸液脫離，反應停止，實現隨關隨停。思維模型由學生自行完成。

6.儲存氣體

圖6-1

圖6-2

【解讀】如圖6-1所示，關閉彈簧夾Y，打開X，通入氣體，漏斗內液面上升，氣體儲存在廣口瓶中；關好彈簧夾X，打開Y，氣體在液體的壓力作用下，釋放出來，供實驗使用。思維模型由學生自行完成。

7.恒壓漏斗

圖7-1

圖7-2

【解讀】滴液漏斗側管的兩個作用：(1)在側管作用下，漏斗內壓強和裝置內壓強一樣大，則在重力作用下液體可以順利滴下(平衡壓強，使液體順利滴下)。(2)制取氣體并測其體積時，側管作用還有使滴入燒瓶的液體體積等于進入分液漏斗的氣體體積，從而消除加入的液體對氣體體積的影響。思維模型由學生自行完成。

五、氣體壓強實驗大題的考查趨勢預測