以氣體為載體制備類實驗的基本操作

山東 張市場

《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)(2017年版2020年修訂)》對制備類實驗提出以下學(xué)業(yè)要求：學(xué)業(yè)質(zhì)量水平4，質(zhì)量描述4-2，“能基于‘綠色化學(xué)’理念設(shè)計無機(jī)化合物制備和有機(jī)化合物合成的方案，并對方案進(jìn)行評價和優(yōu)化”。新高考對制備類實驗提出了更高的要求，要求考查學(xué)生運(yùn)用所學(xué)知識分析問題、解決問題的能力，實現(xiàn)知識的遷移和應(yīng)用，提升學(xué)生的化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。制備類實驗是新高考實驗考查的高頻考點(diǎn)，以氣體為載體的制備類實驗的考查尤其多。高考復(fù)習(xí)教學(xué)實踐表明，思維模型的建構(gòu)能有效地提高高三化學(xué)此類實驗復(fù)習(xí)的質(zhì)量和效率。

表1 新高考物質(zhì)制備類綜合實驗兩年考向

此處學(xué)情為學(xué)生對以氣體為載體的制備類實驗沒有一個清晰、系統(tǒng)的認(rèn)識，“一看就會，一做就錯”。一知半解，沒有理清邏輯關(guān)系，不會規(guī)范作答，沒有形成關(guān)鍵能力。學(xué)生對以氣體為載體的制備類實驗的一些基本的、常見的操作認(rèn)識似是而非，沒有完全掌握，必備知識不夠。教師通過思維模型的建構(gòu)，使學(xué)生掌握以氣體為載體物質(zhì)制備類實驗的一般思路和設(shè)計方法，提升學(xué)生證據(jù)推理與模型認(rèn)知核心素養(yǎng)；掌握以氣體為載體物質(zhì)制備類實驗的基本操作，規(guī)范作答，提升學(xué)生科學(xué)探究與創(chuàng)新意識核心素養(yǎng)，此過程教師可輔以交互式虛擬實驗室的操作。

一、建構(gòu)以氣體為載體制備類實驗的解題模型

確定核心制備反應(yīng)及其反應(yīng)裝置，以此為中心，結(jié)合物質(zhì)性質(zhì)確定其他裝置的作用，將復(fù)雜裝置分為五部分模型：發(fā)生裝置、凈化裝置、制備(收集)裝置、后防裝置、尾氣處理裝置，如圖1。

圖1 以氣體為載體制備類實驗的解題模型

例如，“無水四氯化錫(SnCl4)常用作有機(jī)合成的氯化催化劑。實驗室可用熔融的錫(熔點(diǎn)232℃)與Cl2反應(yīng)制備SnCl4(遇水極易水解)，裝置如圖所示”。分析其裝置，可建立如下模型，對裝置的劃分如圖2所示。

圖2 以氣體為載體制備類實驗的題型建模

建構(gòu)模型后將復(fù)雜裝置簡單化，明確各分模型的作用后，可以確定分模型的基本操作。將基本操作熟練掌握后，對以氣體為載體的制備類實驗就會駕輕就熟。

二、以氣體為載體制備類實驗的基本操作

1.基本操作——檢查氣密性

有氣體參與反應(yīng)的裝置都需要檢查氣密性。學(xué)生往往不能規(guī)范描述。教學(xué)中教師可將學(xué)生的易錯點(diǎn)用NOBOOK化學(xué)虛擬實驗室虛擬實驗，觀察現(xiàn)象，加深印象，得出正確的氣密性檢查方法。檢查氣密性的規(guī)范操作為：形成封閉體系→操作形成壓強(qiáng)差→觀察現(xiàn)象→得出結(jié)論。

表2 各裝置氣密性的檢查

續(xù)表

2.基本操作——先通后通

先通：若裝置中空氣干擾實驗，核心制備反應(yīng)開始前，向裝置中先通入原料氣或無關(guān)惰性氣體排除裝置中的空氣，防止其干擾實驗。使用可燃性氣體如：H2、CO、CH4等加熱時，先用原料氣排除裝置中的空氣，再點(diǎn)燃酒精燈，以防止爆炸。對陌生型反應(yīng)，要注意題目信息，若反應(yīng)物或生成物易和空氣發(fā)生反應(yīng)，則需先通入原料氣或無關(guān)惰性氣體排除裝置中的空氣。先通的目的是排除××裝置中的空氣。實驗中若是其他氣體干擾試驗，則作答為“排除××裝置中的××”。

后通：核心制備反應(yīng)停止后，若產(chǎn)物與空氣反應(yīng)，則需要繼續(xù)通入原料氣或無關(guān)惰性氣體直至產(chǎn)物冷卻，防止其與空氣反應(yīng)。定量實驗中，需將氣體產(chǎn)物排到后續(xù)裝置充分吸收。若原料或產(chǎn)物中有污染性氣體，需將此氣體排到后續(xù)吸收裝置，防止污染空氣。規(guī)范作答時，后通的目的是“防止產(chǎn)物與空氣反應(yīng)；或?qū)怏w產(chǎn)物排到××裝置充分吸收；或?qū)⑽廴拘詺怏w排到××裝置充分吸收”。

【例1】(2021·山東省學(xué)業(yè)水平等級考試·18節(jié)選)六氯化鎢(WCl6)可用作有機(jī)合成催化劑，熔點(diǎn)為283℃，沸點(diǎn)為340℃，易溶于CS2，極易水解。實驗室中，先將三氧化鎢(WO3)還原為金屬鎢(W)再制備WCl6，裝置如圖3所示(夾持裝置略)?；卮鹣铝袉栴}：

(1)檢查裝置氣密性并加入WO3。先通N2，其目的是________；一段時間后，加熱管式爐，改通H2，對B處逸出的H2進(jìn)行后續(xù)處理。

圖3

(2)WO3完全還原后，進(jìn)行的操作為：①冷卻，停止通H2；②以干燥的接收裝置替換E；③在B處加裝盛有堿石灰的干燥管；④……；⑤加熱，通Cl2；⑥……。

堿石灰的作用是________；操作④是________，目的是________。

【參考答案】(1)排除裝置中的空氣；

(2)吸收多余Cl2，防止污染空氣；防止空氣中的水蒸氣進(jìn)入E中；再次通入N2；排除裝置中的H2。

【解析】粗寫出核心制備反應(yīng)：WO3+H2高溫W+H2O，W+Cl2高溫WCl6確定管式爐為制備裝置，E為收集裝置，依據(jù)核心制備反應(yīng)分析前后裝置和操作。H2為可燃性氣體，加熱前應(yīng)排除裝置中的空氣，H2驗純后方可加熱，需先通；通Cl2反應(yīng)時，裝置中殘留H2會在加熱時與Cl2反應(yīng)，應(yīng)先通N2排除，需先通。據(jù)題中信息可知WCl6極易水解，需在制備裝置前后防水，需前防后防：前防為干燥氣體，后防為防止空氣中水蒸氣進(jìn)入裝置E。Cl2為污染性氣體，需尾氣處理，盛有堿石灰的干燥管可起到后防水蒸氣和尾氣處理的雙重作用。據(jù)此對裝置進(jìn)行模型分析如圖4所示。

圖4

3.基本操作——防倒吸

加熱制取氣體，排水法停止收集時，應(yīng)先將導(dǎo)管撤出水槽，再撤酒精燈，否則會倒吸。其他裝置，通常為防倒吸，可在兩裝置間加一個安全瓶。教學(xué)中教師可通過虛擬實驗演示，明確原理，加深印象。極易溶于水的氣體有HCl、HBr、NH3等，這些氣體必須防倒吸。

【例2】(2020·浙江7月選考·30節(jié)選)

圖5

(1)步驟Ⅰ：單向閥的作用是________。

【答案】防止倒吸

【解析】據(jù)題目給出的核心反應(yīng)，裝置C為制備裝置，裝置A為發(fā)生裝置制取反應(yīng)氣體SO2，SO2會與裝置C中混合溶液發(fā)生反應(yīng)，且導(dǎo)管進(jìn)入液面以下，需要防倒吸的裝置，單向閥可以防止發(fā)生倒吸。

4.基本操作——前防后防

圖6

前防：核心制備反應(yīng)裝置需要通入氣體加熱的、制備反應(yīng)物或生成物易水解的、易吸水的，應(yīng)在核心制備反應(yīng)裝置之前防水蒸氣，因此，前防的目的是防止水蒸氣進(jìn)入裝置。

后防：核心制備反應(yīng)物或生成物易水解的、易吸水的，應(yīng)在核心制備反應(yīng)裝置之后防水蒸氣。后防也可能是防空氣中的O2或CO2?；卮鸷蠓姥b置的作用時，應(yīng)指明所防氣體。因此，后防的目的是“防止××(應(yīng)指明所防氣體)進(jìn)入××裝置”。

【例3】(2021·浙江6月選考·30節(jié)選)Cl2O是很好的氯化劑，實驗室用如圖7裝置(夾持儀器已省略)制備高純Cl2O。已知：

②常壓下，Cl2沸點(diǎn)-34.0℃，熔點(diǎn)-101.0℃；Cl2O沸點(diǎn)2.0℃，熔點(diǎn)-120.6℃。

請回答：

圖7

(1)①裝置A的作用是去除原料氣中的少量水分，可用的試劑是________。

②將上圖中裝置組裝完整，虛框D中應(yīng)選用________。

【參考答案】(1)①濃硫酸；②a

圖8

5.綜合應(yīng)用裝置連接

思維模型建構(gòu)后，通過各模型基本操作的訓(xùn)練，學(xué)生對以氣體為載體制備類實驗有了更深的認(rèn)識，更深的理解，可以遷移應(yīng)用，完成制備類綜合實驗解題。

【例4】(2021·河北省選擇性考試·14節(jié)選)化工專家侯德榜發(fā)明的侯氏制堿法為我國純堿工業(yè)和國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展做出了重要貢獻(xiàn)，某化學(xué)興趣小組在實驗室中模擬并改進(jìn)侯氏制堿法制備NaHCO3，進(jìn)一步處理得到產(chǎn)品Na2CO3和NH4Cl，實驗流程如圖9：

圖9

回答下列問題：

(1)從A～E中選擇合適的儀器制備NaHCO3，正確的連接順序是________(按氣流方向，用小寫字母表示)。

(3)生成NaHCO3的總反應(yīng)的化學(xué)方程式為________。

圖10

按解題模型五個部分順序排序：發(fā)生裝置、凈化裝置、制備(收集)裝置、后防裝置、尾氣處理，得出裝置連接順序。

三、總結(jié)