题型18 无机物制备综合实验
一、解题策略
物质的制备应根据目标产品的组成来确定原料及反应原理，设计反应路径，选择合适的仪器和装置，最后根据生成物的性质将产品分离提纯出来。
气体制备与性质探究型实验流程及考查角度
二、题型分类
【典例1】【2019·课标全国Ⅰ，27】硫酸铁铵[NH4Fe(SO4)2·xH2O]是一种重要铁盐。为充分利用资源，变废为宝，在实验室中探究采用废铁屑来制备硫酸铁铵，具体流程如下：
回答下列问题：
（1）步骤①的目的是去除废铁屑表面的油污，方法是_________________。
（2）步骤②需要加热的目的是_____________，温度保持80～95 ℃，采用的合适加热方式是__________________________________________。
铁屑中含有少量硫化物，反应产生的气体需要净化处理，合适的装置为________(填标号)。
（3）步骤③中选用足量的H2O2，理由是____________________________________。
分批加入H2O2，同时为了_______，溶液要保持pH小于0.5。
（4）步骤⑤的具体实验操作有___________________________，经干燥得到硫酸铁铵晶体样品。
（5）采用热重分析法测定硫酸铁铵晶体样品所含结晶水数，将样品加热到150 ℃时失掉1.5个结晶水，失重5.6%。硫酸铁铵晶体的化学式为__________________。
【答案】（1）碱煮水洗
（2）加快反应速率 热水浴 C
（3）将Fe2＋全部氧化为Fe3＋；不引入杂质 防止Fe3＋水解
（4）加热浓缩、冷却结晶、过滤(洗涤)
（5）NH4Fe(SO4)2·12H2O
【解析】
（1）除去铁屑表面油污的方法是，用热纯碱溶液清洗铁屑，再用水洗。
（2）铁与稀硫酸反应时加热，可提高反应速率。温度低于水的沸点，可以用热水浴加热，受热均匀且便于控制。含少量硫化物的铁屑与稀硫酸反应有H2S生成。氢气不与碱溶液反应，而硫化氢能与碱溶液反应，而H2S在水中溶解度小，故氢气中混有的硫化氢用烧碱溶液除去，又因为硫化氢与碱反应较快，容易引起倒吸，C装置倒置漏斗能防倒吸。故宜选择C装置吸收硫化氢。
（3）铁与稀硫酸反应生成硫酸亚铁和氢气，加入足量双氧水的目的是将Fe2＋全部氧化为Fe3＋，发生反应为2Fe2＋＋H2O2＋2H＋===2Fe3＋＋2H2O，从生成物看，又不引入杂质。铁离子对双氧水分解起催化作用，分批加入双氧水，避免反应过快、放出热量较多，减少双氧水分解，以免造成氧化剂损失；铁离子易水解，保持溶液呈强酸性，避免铁离子发生水解反应生成氢氧化铁。
（4）步骤⑤是要从溶液中得到硫酸铁铵晶体，故实验操作有加热浓缩、冷却结晶、过滤(洗涤)。
（5）失重5.6%是质量分数，设结晶水合物的化学式为NH4Fe(SO4)2·xH2O，由题意知266＋18x(1.5×18)＝100(5.6)，解得x＝12。
【典例2】【2018·课标全国Ⅰ，26】醋酸亚铬[(CH3 COO)2Cr·2H2O]为砖红色晶体，难溶于冷水，易溶于酸，在气体分析中用作氧气吸收剂。一般制备方法是先在封闭体系中利用金属锌作还原剂，将三价铬还原为二价铬；二价铬再与醋酸钠溶液作用即可制得醋酸亚铬。实验装置如图所示。回答下列问题：
（1）实验中所用蒸馏水均需经煮沸后迅速冷却，目的是_______________________。
仪器a的名称是________。
（2）将过量锌粒和氯化铬固体置于c中，加入少量蒸馏水，按图连接好装置。打开K1、K2，关闭K3。
①c中溶液由绿色逐渐变为亮蓝色，该反应的离子方程式为_______________。
②同时c中有气体产生，该气体的作用是______________________。
（3）打开K3，关闭K1和K2。c中亮蓝色溶液流入d，其原因是________________；
d中析出砖红色沉淀。为使沉淀充分析出并分离，需采用的操作是________、________、洗涤、干燥。
（4）指出装置d可能存在的缺点_____________________。
【答案】（1）去除水中溶解氧 分液漏斗
（2）①Zn＋2Cr3＋===Zn2＋＋2Cr2＋ ②排除c中空气
（3）c中产生H2使压强大于大气压 (冰浴)冷却 过滤
（4）敞开体系，可能使醋酸亚铬与空气接触
【解析】
（1）审题时抓住醋酸亚铬“在气体分析中用作氧气吸收剂”，这暗示醋酸亚铬具有强还原性，易被氧气氧化，故该实验中使用的蒸馏水必须去除溶解氧。
（2）①依题意可知，c中溶液由绿色逐渐变为亮蓝色，主要是由于锌与铬离子反应生成亚铬离子和锌离子，即Zn＋2Cr3＋===Zn2＋＋2Cr2＋。②c中产生的气体为氢气，该气体主要用于排尽装置内的空气，避免O2氧化Cr2＋。
（3）c中有氢气产生，打开K3，关闭K1和K2后，c中压强大于外界压强，从而将c中溶液压入醋酸钠溶液中。析出并分离产品的操作是冷却、过滤、洗涤、干燥。（4）观察d装置，可发现其与空气相通，这会导致生成的醋酸亚铬被O2氧化。
1．某化学兴趣小组制取氯酸钾和氯水并进行有关探究实验。
实验一 制取氯酸钾和氯水
利用下图所示的实验装置进行实验。
（1）制取实验结束后，取出B中试管冷却结晶，过滤，洗涤。该实验操作过程需要的玻璃仪器有________。
（2）若对调B和C装置的位置，________(填“能”或“不能”)提高B中氯酸钾的产率。
实验二 氯酸钾与碘化钾反应的研究
（3）在不同条件下KClO3可将KI氧化为I2或KIO3。该小组设计了系列实验研究反应条件对反应产物的影响，其中系列a实验的记录表如下(实验在室温下进行)：
|
试管编号 |
1 |
2 |
3 |
4 |
|
0.20 mol·L－1 KI/mL |
1.0 |
1.0 |
1.0 |
1.0 |
|
KClO3(s)/g |
0.10 |
0.10 |
0.10 |
0.10 |
|
6.0 mol·L－1H2SO4/mL |
0 |
3.0 |
6.0 |
9.0 |
|
蒸馏水/mL |
9.0 |
6.0 |
3.0 |
0 |
|
实验现象 |
|
|
|
|
①系列a实验的实验目的是________________。
②设计1号试管实验的作用是________________。
③若2号试管实验现象为“黄色溶液”，取少量该溶液加入淀粉溶液显蓝色；假设氧化产物唯一，还原产物为KCl，则此反应的离子方程式为___________________________。
实验三 测定饱和氯水中氯元素的总量
（4）该小组设计的实验方案为使用下图装置，加热15.0 mL饱和氯水试样，测定产生气体的体积。此方案不可行的主要原因是__________________________。(不考虑实验装置及操作失误导致不可行的原因)
（5）根据下列资料，为该小组设计一个可行的实验方案(不必描述操作过程的细节)：______________________________________________________________________。
资料：ⅰ.次氯酸会破坏酸碱指示剂；
ⅱ.次氯酸或氯气可被SO2、H2O2和FeCl2等物质还原成Cl－。
【答案】（1）烧杯、漏斗、玻璃棒、胶头滴管(不填“胶头滴管”也可)
（2）能
（3）①研究反应体系中硫酸浓度对反应产物的影响；②硫酸浓度为0的对照实验 ③ClO3-＋6I－＋6H＋=Cl－＋3I2＋3H2O
（4）因存在Cl2的重新溶解、HClO分解等，此方案无法测定试样含氯总量(或其他合理答案)
（5）量取一定量的试样，加入足量的H2O2溶液，加热除去过量的H2O2，冷却，再加入足量的硝酸银溶液，称量沉淀质量(或其他合理答案)
【解析】
（1）制取实验结束后，由取出B中试管进行的操作(冷却结晶、过滤、洗涤)，可知该实验操作过程中需要的玻璃仪器有烧杯、漏斗、玻璃棒、胶头滴管；
（2）Cl2与热的KOH溶液反应生成KClO3、KCl和H2O，与冷的KOH溶液反应生成KClO、KCl和H2O。因此，若将装置B、C的位置对调，可以除去Cl2中的杂质气体HCl，故能提高B中KClO3的产率；
（3）①根据表格中的数据可知：KI、KClO3的物质的量及浓度不变，改变的是硫酸溶液的体积和水的多少，二者的总体积相等，由此可见系列a实验的目的是研究反应体系中硫酸浓度对反应产物的影响；
②设计1号试管实验的作用是作对照实验，比较影响结果；
③根据2号试管实验现象为“黄色溶液”，取少量该溶液加入淀粉溶液显蓝色，证明生成了I2；若氧化产物唯一，还原产物为KCl，根据氧化还原反应中电子守恒、电荷守恒及元素原子守恒可知该反应的离子方程式为：ClO3-＋6I－＋6H＋===Cl－＋3I2＋3H2O；
（4）该小组设计的实验方案不可行的主要原因是溶液中存在Cl2的重新溶解以及HClO分解生成HCl和O2等，无法测定试样含氯总量，故答案为因存在Cl2的重新溶解、HClO分解等，此方案无法测定试样含氯总量；
（5）由于HClO具有强氧化性会破坏酸碱指示剂，因此实验设计时不能用酸碱指示剂，可以利用氯水的强氧化性，向该溶液中加入足量的H2O2溶液，H2O2把氯元素完全还原为Cl－，H2O2被氧化成O2，然后加热除去过量的H2O2，冷却，再加入足量的AgNO3溶液，过滤、洗涤生成的AgCl沉淀，干燥后称量沉淀质量，结合氯原子守恒即可确定其中含有的氯元素的质量，故答案为量取一定量的试样，加入足量的H2O2溶液，加热除去过量的H2O2，冷却，再加入足量的硝酸银溶液，称量沉淀质量。
2．过氧化钙是一种温和的氧化剂，常温下为白色固体，易溶于酸，难溶于水、乙醇等溶剂。
（1）某实验小组拟选用如图装置(部分固定装置略)制备过氧化钙，按气流方向连接顺序为________(填仪器接口的字母编号，装置可重复使用)。
实验步骤如下：
①检验装置的气密性后，装入药品；
②打开分液漏斗活塞，通入一段时间气体，加热药品；
③反应结束后，先熄灭酒精灯，待反应管冷却至室温后，停止通入气体；
④拆除装置，取出产物。
实验步骤③的操作目的是___________________________。
（2）利用反应Ca2＋＋H2O2＋2NH3＋8H2O===CaO2·8H2O↓＋2NH4(＋)，在碱性环境下制取CaO2·8H2O的装置如下：
①仪器C的名称为________；反应结束后，经________(填操作名称)、洗涤、低温烘干可获得CaO2·8H2O。
②装置A试管中反应的化学方程式为___________________________；
装置B中用冰水浴控制温度，其可能的原因是__________________。
③测定产品中CaO2·8H2O含量的实验步骤如下：
步骤一：准确称取a g产品放入锥形瓶中，加入适量蒸馏水和过量b g KI晶体，再滴入少量2 mol·L－1硫酸，充分反应。
步骤二：向上述锥形瓶中加入几滴________(作指示剂)。
步骤三：逐滴加入浓度为c mol·L－1Na2S2O3溶液至反应完全，滴定至终点，记录数据。重复上述操作2次，三次平均消耗Na2S2O3溶液的体积为V mL，则CaO2·8H2O的质量分数为________ (用含字母的式子表示)。(已知：I2＋2S2O3(2－)===2I－＋S4O6(2－))
【答案】（1）cedabe或cedbae 防止倒吸
（2）①分液漏斗 过滤
②Ca(OH)2＋2NH4Cl△(=====)CaCl2＋2NH3↑＋2H2O
温度低可减少过氧化氢分解，提高过氧化氢的利用率(或反应放热，温度低有利于提高产率) ③淀粉溶液 a(108cV×10－3)×100%
【解析】
（1）过氧化钙能与空气中的H2O、CO2反应，因此制得的O2必须干燥，且要防止空气中的H2O、CO2进入装置，则装置的连接顺序为：O2的制备装置→O2的干燥装置→CaO2的制备装置→防变质装置，按气流方向连接顺序为cedabe或cedbae。实验结束后，为了防止倒吸，先熄灭酒精灯，待反应管冷却至室温后，再停止通入氧气。
（2）①仪器C的名称为分液漏斗。反应结束后，三颈烧瓶中的混合物经过滤、洗涤、低温烘干可获得CaO2·8H2O。②根据CaO2·8H2O的制备原理知，装置A为氨气的发生装置，发生反应的化学方程式为：Ca(OH)2＋2NH4Cl△(=====)CaCl2＋2NH3↑＋2H2O。装置B中用冰水浴控制温度，可能的原因是温度低可减少过氧化氢的分解，提高过氧化氢的利用率。③根据2CaO2＋2H2O===2Ca(OH)2＋O2↑、O2＋4KI＋2H2SO4===2K2SO4＋2I2＋2H2O、I2＋2S2O3(2－)===2I－＋S4O6(2－)，达到滴定终点时I2完全被消耗，故可以用淀粉溶液作指示剂。根据滴定原理可得关系式：2CaO2·8H2O～O2～2I2～4S2O3(2－)，则n(CaO2·8H2O)＝2(1)n(Na2S2O3)＝2(1)×c mol·L－1×V×10－3 L，故CaO2·8H2O的质量分数为2(1)×cV×10－3 mol×216 g·mol－1÷a g×100%＝a(108cV×10－3)×100%。
3．【2019·天津理综，9】环己烯是重要的化工原料。其实验室制备流程如下：
回答下列问题：
Ⅰ.环己烯的制备与提纯
（1）原料环己醇中若含苯酚杂质，检验试剂为____________________________，
现象为__________________________________________。
（2）操作1的装置如图所示(加热和夹持装置已略去)。
①烧瓶A中进行的可逆反应化学方程式为_______________________，
浓硫酸也可作该反应的催化剂，选择FeCl3·6H2O而不用浓硫酸的原因为________(填序号)。
a．浓硫酸易使原料炭化并产生SO2
b．FeCl3·6H2O污染小、可循环使用，符合绿色化学理念
c．同等条件下，用FeCl3·6H2O比浓硫酸的平衡转化率高
②仪器B的作用为____________________________。
（3）操作2用到的玻璃仪器是________________________________。
（4）将操作3(蒸馏)的步骤补齐：安装蒸馏装置，加入待蒸馏的物质和沸石，________________________，弃去前馏分，收集83 ℃的馏分。
Ⅱ.环己烯含量的测定
在一定条件下，向a g环己烯样品中加入定量制得的b mol Br2，与环己烯充分反应后，剩余的Br2与足量KI作用生成I2，用c mol·L－1的Na2S2O3标准溶液滴定，终点时消耗Na2S2O3标准溶液V mL(以上数据均已扣除干扰因素)。
测定过程中，发生的反应如下：
②Br2＋2KI===I2＋2KBr
③I2＋2Na2S2O3===2NaI＋Na2S4O6
（5）滴定所用指示剂为________。样品中环己烯的质量分数为________________(用字母表示)。
（6）下列情况会导致测定结果偏低的是________(填序号)。
a．样品中含有苯酚杂质
b．在测定过程中部分环己烯挥发
c．Na2S2O3标准溶液部分被氧化
【答案】（1）FeCl3溶液 溶液显紫色
（2）①
a、b
②冷凝回流，减少环己醇蒸出
（3）分液漏斗、烧杯
（4）通冷凝水，加热
（5）淀粉溶液 a(）×82)
（6）bc
【解析】
（1）利用苯酚遇FeCl3溶液显紫色，检验环己醇中含有的苯酚。
（2）①烧瓶A中进行的可逆反应为
。a项，浓硫酸易使原料炭化并产生SO2，会降低原料利用率，正确；b项，使用FeCl3·6H2O不产生有毒气体，污染小，可以循环使用，符合绿色化学理念，正确；c项，同等条件下，浓硫酸能吸收反应生成的水，促进反应向右进行，故用浓硫酸比用FeCl3·6H2O的平衡转化率高，错误。②仪器B的作用为冷凝回流，减少环己醇蒸出。
（3）操作2得到有机相和水相，为分液操作，用到的玻璃仪器有分液漏斗、烧杯。
（4）蒸馏实验开始时，先通冷凝水，后加热。
（5）达到滴定终点时，单质碘完全被消耗，可用淀粉溶液作指示剂。根据测定过程中发生的反应可知，n(Br2)＝n(环己烯)＋n(I2)＝n(环己烯)＋2(1)n(Na2S2O3)，则n(环己烯)＝n(Br2)－2(1)n(Na2S2O3)＝(b－2(1)cV×10－3) mol，故样品中环己烯的质量分数为(b－2(1)cV×10－3) mol×82 g·mol－1÷a g×100%＝a(）×82)×100%。
（6）a项，样品中含有苯酚杂质，苯酚能与溴反应，会导致样品消耗的Br2偏多，剩余的Br2偏少，最终消耗的Na2S2O3溶液偏少，测定结果偏高，错误；b项，在测定过程中部分环己烯挥发，会导致样品消耗的Br2偏少，剩余的Br2偏多，最终消耗的Na2S2O3溶液偏多，测定结果偏低，正确；c项，Na2S2O3标准溶液部分被氧化，最终消耗的Na2S2O3溶液偏多，测定结果偏低，正确。
4．正丁醛是一种化工原料。某实验小组利用如下装置合成正丁醛。
发生的反应如下：
CH3CH2CH2CH2OH
CH3CH2CH2CHO
反应物和产物的相关数据列表如下：
|
|
沸点/℃ |
密度/(g·cm-3) |
水中溶解性 |
|
正丁醇 |
117.2 |
0.8109 |
微溶 |
|
正丁醛 |
75.7 |
0.8017 |
微溶 |
实验步骤如下：
将6.0gNa2Cr2O7放入100mL烧杯中，加30mL水溶解，再缓慢加入5mL浓硫酸，将所得溶液小心转移至B中。在A中加入4.0g正丁醇和几粒沸石，加热。当有蒸汽出现时，开始滴加B中溶液。滴加过程中保持反应温度为90—95℃，在E中收集90℃以下的馏分。将馏出物倒入分液漏斗中，分去水层，有机层干燥后蒸馏，收集75—77℃馏分，产量2.0g。
回答下列问题：
（1）实验中，能否将Na2Cr2O7溶液加到浓硫酸中，说明理由_____。
（2）加入沸石的作用是_____。若加热后发现未加沸石，应采取的正确方法是______。
（3）上述装置图中，B仪器的名称是_____，D仪器的名称是_____。
（4）分液漏斗使用前必须进行的操作是_____（填正确答案标号）。
a．润湿 b．干燥 c．检漏 d．标定
（5）将正丁醛粗产品置于分液漏斗中分水时，水在_____层（填“上”或“下”）
（6）反应温度应保持在90—95℃，其原因是_____。
（7）本实验中，正丁醛的产率为_____%。
【答案】（1）不能，易迸溅
（2）防止暴沸 冷却后补加
（3）分液漏斗 直形冷凝管
（4）c
（5）下
（6）既可保证正丁醛及时蒸出，又可尽量避免其被进一步氧化
（7）51
【解析】
（1）不能将Na2Cr2O7溶液加到浓硫酸中，因为浓硫酸的密度大，容易发生迸溅。
（2）加入沸石的作用是防止暴沸，若加热后发现未加沸石，应该冷却后补加。
（3）B仪器的名称是分液漏斗，D仪器的名称直形冷凝管。
（4）分液漏斗使用前必须进行的第一项操作是检漏
（5）正丁醛密度为0.8017 g·cm-3，小于水的密度
（6）根据题目所给反应物和产物的沸点数据可知，反应温度保持在90—95℃，既可保证正丁醛及时蒸出，又可尽量避免其被进一步氧化。
（7）设正丁醛的产率为x %，根据关系式
C4H10O ——C4H8O
74 72
4x 2
解得：x=51
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