實(shí)驗(yàn)裝置的連接順序問題應(yīng)答策略例析

邊永平

(河北省豐寧滿族自治縣第一中學(xué) 068350)

化學(xué)綜合實(shí)驗(yàn)題考查內(nèi)容全面，知識(shí)與能力考查并重.在高中化學(xué)中基本概念和理論、元素與化合物、有機(jī)化學(xué)等板塊內(nèi)容均可命制綜合實(shí)驗(yàn)題.實(shí)驗(yàn)裝置的連接是進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的必要環(huán)節(jié)，其中實(shí)驗(yàn)裝置的連接順序問題在考題中常常出現(xiàn)，對(duì)整道題起到統(tǒng)領(lǐng)作用，可以說是實(shí)驗(yàn)?zāi)康牡闹苯芋w現(xiàn).只有對(duì)實(shí)驗(yàn)?zāi)康耐耆I(lǐng)會(huì)，對(duì)整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中各個(gè)環(huán)節(jié)真正研究透徹，才能解答完整.很多考生解答過程中常出現(xiàn)實(shí)驗(yàn)裝置連接順序顛倒，或者缺少某些必要裝置.本文擬通過幾例習(xí)題，對(duì)實(shí)驗(yàn)裝置連接順序問題應(yīng)答策略進(jìn)行分析，供參考.

1 物質(zhì)制備實(shí)驗(yàn)

試題特點(diǎn)給出某些裝置和試劑，制備指定物質(zhì).

應(yīng)答策略明確實(shí)驗(yàn)?zāi)康?，理解各部分裝置的功能，制備實(shí)驗(yàn)的裝置連接順序一般是：制備原料—防倒吸裝置(安全瓶)—除雜—干燥—合成目標(biāo)產(chǎn)物—尾氣處理

例1采用如圖1所示的裝置可以用氫氣還原三氧化鎢來制取金屬鎢,(注:鋅粒中含有少量雜質(zhì)硫，少量氧氣可以采用焦性沒食子酸溶液加以吸收)，下列敘述正確的是( ).

圖1

A.圖中裝置①、②、③內(nèi)盛裝的試劑依次為酸性高錳酸鉀溶液、濃硫酸、焦性沒食子酸溶液

B.在加熱三氧化鎢之前，需要裝置末端收集氣體做爆鳴試驗(yàn)，用以檢驗(yàn)氣體純度

C.實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)，應(yīng)先將活塞K關(guān)閉，然后停止加熱管式爐

D.實(shí)驗(yàn)室采用MnO2和濃HCl反應(yīng)制Cl2時(shí)也可以采用裝置Q

解析第二個(gè)裝置為安全瓶，起到防倒吸作用.Q為啟普發(fā)生器，用于制H2，因鋅粒含雜質(zhì)，制得的H2中可能混有H2S，需要用KMnO4溶液進(jìn)行除雜.接下來用焦性沒食子酸溶液吸收氧氣，再進(jìn)行干燥，故①、②、③中依次盛裝酸性高錳酸鉀溶液、焦性沒食子酸溶液、濃硫酸，即A項(xiàng)錯(cuò)誤；B項(xiàng)操作是對(duì)H2進(jìn)行驗(yàn)純，正確；為了防止生成的金屬W在受熱時(shí)被空氣氧化，結(jié)束反應(yīng)時(shí)要先停止加熱，再繼續(xù)通入氫氣直至冷卻，故C項(xiàng)錯(cuò)誤；二氧化錳與濃鹽酸反應(yīng)制備氯氣需要加熱條件，而啟普發(fā)生器不能加熱，即D項(xiàng)錯(cuò)誤.答案為B.

2 定量測定實(shí)驗(yàn)

試題特點(diǎn)題目常要求測定某物質(zhì)的純度、或者某結(jié)晶水合物中結(jié)晶水的含量、或是測定氣體摩爾體積的數(shù)值、或者某反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率(產(chǎn)率)等等.

應(yīng)答策略通過特定反應(yīng)，將原物質(zhì)分解、轉(zhuǎn)化、吸收，或者再通過新的反應(yīng)生成新物質(zhì)，借助某些吸收裝置的質(zhì)量變化找出相關(guān)數(shù)據(jù).為提高實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性，必要時(shí)還需要在裝置的前端通入經(jīng)過處理的不參與反應(yīng)的氣體，確保殘留在裝置中的氣體被充分吸收.裝置末端要注意連接防止空氣進(jìn)入造成干擾的裝置.

例2二氧化硫可以反應(yīng)成三氧化硫，可用如圖2所示裝置來測定該反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率.已知三氧化硫的熔、沸點(diǎn)分別是16.8℃和44.8℃.已知制備二氧化硫的化學(xué)方程式為：

圖2

Na2SO4+SO2↑+H2O

(1)為了完成實(shí)驗(yàn)，選擇圖3提供的裝置填空，裝置Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ方框中分別是____、____、____(填裝置代號(hào)).

圖3

(2)從乙處導(dǎo)管均勻通入氧氣，為提高二氧化硫的轉(zhuǎn)化率，實(shí)驗(yàn)時(shí)向燒瓶中滴加濃硫酸和加熱V2O5(催化劑)的兩步操作中，應(yīng)先進(jìn)行的是____.

(3)用amol亞硫酸鈉粉末和濃硫酸(足量)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，待反應(yīng)結(jié)束時(shí)，繼續(xù)通入一定量氧氣，最后測得裝置Ⅲ增加的質(zhì)量為bg，則該實(shí)驗(yàn)中二氧化硫的轉(zhuǎn)化率為____%(用含有a、b的代數(shù)式表示)

(4)裝置末端使用球形干燥管的作用是____.

解析(1)利用裝置Ⅰ對(duì)二氧化硫進(jìn)行干燥，應(yīng)選用濃硫酸；三氧化硫的熔點(diǎn)是16.8℃，沸點(diǎn)是44.8℃，當(dāng)溫度低于16.8℃時(shí)，三氧化硫以晶體狀態(tài)存在，因此可以用冰水對(duì)生成的SO3進(jìn)行冷卻；二氧化硫、三氧化硫的尾氣處理用燒堿溶液吸收.故答案為：B；A；E.

(2)為提高二氧化硫生成三氧化硫的轉(zhuǎn)化率，應(yīng)先加熱催化劑再進(jìn)行滴加濃硫酸，這樣可以確保生成的二氧化硫盡可能地參與反應(yīng).故答案為：先加熱催化劑再滴入濃硫酸.

(4)在裝置末端使用球形干燥管的作用是：防止空氣中的二氧化碳和水蒸氣進(jìn)入裝置造成干擾.

答案見解析.

3 物質(zhì)的檢驗(yàn)實(shí)驗(yàn)

試題特點(diǎn)試題提供幾種備選試劑和必要的實(shí)驗(yàn)裝置，要求檢驗(yàn)指定反應(yīng)生成的各種產(chǎn)物.

應(yīng)答策略一般的試題中，待檢驗(yàn)的物質(zhì)往往有多種，解題的關(guān)鍵是要確定出檢驗(yàn)的先后順序.常常把容易受到干擾的物質(zhì)先檢驗(yàn)，如水蒸氣.能參與多個(gè)反應(yīng)的物質(zhì)也需要盡可能放在前面檢驗(yàn).

例3將過量的鐵粉加到濃硫酸中, 反應(yīng)生成的混合氣體中含有二氧化硫、氫氣及水蒸氣,為了檢驗(yàn)此混合氣的成分，某同學(xué)設(shè)計(jì)了以下實(shí)驗(yàn)：

(1)若過量鐵粉和濃硫酸反應(yīng)后，產(chǎn)生相等體積的二氧化硫和氫氣，則寫出總的化學(xué)方程式：____.

(2)按氣流從左到右的方向，為完成上述實(shí)驗(yàn)，圖4所示各裝置連接順序是A→____(每種裝置只能使用一次).

圖4

(3)裝置A中導(dǎo)管的作用是____，在裝置E中的球形干燥管內(nèi)盛放堿石灰，其作用是____.

(4)能夠證明反應(yīng)中有氫氣生成的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象為____.

解析(1)根據(jù)原子守恒和轉(zhuǎn)移電子守恒，可知反應(yīng)的化學(xué)方程式為：

2FeSO4+SO2↑+H2↑+2H2O

(2)三種氣體中應(yīng)先檢驗(yàn)水蒸氣，因?yàn)閺娜芤褐袑?dǎo)出的氣體會(huì)帶有水蒸氣，檢驗(yàn)水蒸氣常用無水硫酸銅；剩下的兩種氣體應(yīng)先檢驗(yàn)SO2，利用品紅溶液檢驗(yàn)；利用CuO檢驗(yàn)H2，并用無水硫酸銅檢驗(yàn)生成的水蒸氣.要注意通入CuO中的H2必須經(jīng)過干燥.則裝置連接順序?yàn)椋篈DBCFE.

(3)A中導(dǎo)管的作用為安全管，平衡氣壓.裝置E中的干燥管中盛放堿石灰，其作用是防止空氣中的水蒸氣進(jìn)入裝置干擾實(shí)驗(yàn)，并吸收多余的SO2.

(4)H2還原CuO生成Cu和H2O，證明有H2存在的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象為：F中黑色粉末變紅，E中無水硫酸銅變藍(lán).

答案見解析.

4 探究性實(shí)驗(yàn)

試題特點(diǎn)試題提供陌生的素材和情景，對(duì)某些物質(zhì)的性質(zhì)進(jìn)行探究，多以設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案和評(píng)價(jià)為主要形式.

應(yīng)答策略將題中素材和問題與已有知識(shí)建立聯(lián)系，提出假設(shè)，并據(jù)此設(shè)計(jì)可行性實(shí)驗(yàn)方案.評(píng)價(jià)某種實(shí)驗(yàn)方案是否可行多從反應(yīng)的可行性、試劑的選用要求、反應(yīng)條件以及產(chǎn)物分離角度加以分析.

例4東風(fēng)中學(xué)的課外興趣小組的同學(xué)們設(shè)計(jì)了如下探究實(shí)驗(yàn)：(1)液溴和苯發(fā)生的是取代反應(yīng)；(2)液溴和苯在催化劑作用下發(fā)生反應(yīng)的反應(yīng)機(jī)理，采用圖5所示的裝置進(jìn)行實(shí)驗(yàn).

圖5

Br2↑+MnSO4+Na2SO4+2H2O

(1)寫出實(shí)驗(yàn)室制備溴苯的化學(xué)方程式為____；儀器X的名稱為____.

(2)制取溴苯有以下操作：

①連接儀器，各裝置連接順序?yàn)?填接口字母)：d接____，____接____，____接c；

②進(jìn)行氣密性檢查；

③在裝置C中加入固體藥品，____，再將D處開關(guān)K打開，將C處的酒精燈點(diǎn)燃；將鐵絲插入混合液中，幾分鐘以后，發(fā)現(xiàn)裝置D三頸燒瓶中液體沸騰，原因是____；

④將C中活塞關(guān)閉.

(3)裝置A中要對(duì)廣口瓶采用熱水浴，其目的是____.

(4)若裝置B燒杯中出現(xiàn)淡黃色沉淀，能否據(jù)此判斷苯與液溴發(fā)生的反應(yīng)是取代反應(yīng)？____(答“能”或“否”).

(5)同學(xué)們査閱文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)：苯和液溴在三溴化鐵催化時(shí)的反應(yīng)歷程有如下三步：

①請寫出第三步反應(yīng)：Ⅲ____；

②該小組同學(xué)將裝置A中濃硫酸更換為稀硫酸，結(jié)果造成實(shí)驗(yàn)失敗，試從反應(yīng)機(jī)理分析造成實(shí)驗(yàn)失敗的可能原因是____.

解析(1)實(shí)驗(yàn)室制溴苯的化學(xué)方程式為：

(催化劑寫FeBr3也可以)；儀器X的名稱為：球形冷凝管.

(2)①根據(jù)制溴苯的化學(xué)方程式可知，首先要制Br2，C裝置中產(chǎn)生的溴蒸氣中混有水蒸氣，可通過濃硫酸(A裝置)干燥，再通入D裝置進(jìn)行反應(yīng)，即d接a，b接e，用硝酸銀溶液(B裝置)檢驗(yàn) HBr，即f接c,故接口順序?yàn)閐abefc.③裝置C中加入固體藥品MnO2和NaBr后，再通過分液漏斗滴加濃硫酸；D中液體沸騰說明苯和溴的反應(yīng)為放熱反應(yīng).

(3)A裝置對(duì)廣口瓶進(jìn)行熱水浴的目的是防止溴蒸氣冷凝.

(4)從D裝置中揮發(fā)出的HBr中帶有溴蒸氣，溴蒸氣也可以和硝酸銀溶液作用產(chǎn)生溴化銀沉淀，因此若B中有淡黃色沉淀生成，不能確定苯與液溴發(fā)生了取代反應(yīng).若將裝置改進(jìn)，即在D和B之間增加一個(gè)裝置，吸收溴蒸氣，只允許HBr進(jìn)入B裝置，就可以證明.

(5)①FeBr3為催化劑，中間過程可能參與了反應(yīng)，但最后仍為FeBr3,因此反應(yīng)式為：

②A裝置中濃硫酸若換成稀硫酸，則Br2與水反應(yīng)，生成Br-和BrO-，無法生成Br+,即導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)失敗.

答案見解析.

需要強(qiáng)調(diào)的是：在連接各裝置時(shí)，要特別注意各個(gè)裝置的接口方向，如洗氣裝置要“長進(jìn)短出”，冷凝管中冷卻水要“下進(jìn)上出”，還要注意整套裝置的氣密性和平衡壓強(qiáng)方面的問題，以及實(shí)驗(yàn)安全問題等等.