高考化学答题技巧之化学综合实验 题型四 以无机物制备为载体的综合实验(解析版)Word（42页）

题型四 以无机物制备为载体的综合实验 题型特点 规律： 明确实验目的―→找出实验原理→ 分析装置作用―→得出正确答案 审题、破题秘诀 ①审信息 题目中一般会告诉若干条信息，这些信息一定会应用在解题中 ②看步骤 明确实验设计中有哪些步骤 ③判原理 找出实现实验目的的原理 ④找作用 判断各个装置在实验中的作用 ⑤关注量 在计算时要关注题目中有哪些已知量，要计算哪些量 以无机物制备为载体的综合实验题是对元素及其化合物知识和化学实验仪器及操作技能的综合 考查，命题形式和命题角度灵活，同时也能够很好地考查学生的化学实验与探究能力，检测实验探 究与创新意识学科核心素养的形成，是多年来高考命题的热点、重点和难点。考查常见仪器的正确 使用、物质间的反应、物质分离、提纯的基本操作、实验方案的评价与设计、实验安全及事故处理 方法等。涉及装置的选择、仪器的连接顺序、物质的纯化、尾气的处理等等。试题涉及知识面广， 形式灵活多变。旨在考查考生化学实验与探究的能力及科学探究与创新意识的核心素养。 方法支招 ①巧审题， 明确实验的 目的和原理 实验原理是解答实验题的核心，是实验设计的依据和起点。 实验原理可从题给的化学情境(或题首所给实验目的)并结合元素化 合物等有关知识获取 ②想过程， 理清实验操 作的先后顺 序 根据实验原理所确定的实验方案中的实验过程，确定实验操作的方 法步骤，把握各步实验操作的要点，理清实验操作的先后顺序 ③看准图， 分析各项实 验装置的作 用 有许多综合实验题图文结合，思考容量大。在分析解答过程中，要 认真细致地分析图中所示的各项装置，并结合实验目的和原理，确 定它们在该实验中的作用 说明：细分析，得出正确的实验结论。实验现象(或数据)是化学原理的外在表现。 一、物质制备题中的常考点 实验装置的 组合顺序 气体发生→除杂→干燥→主体实验→尾气处理 接口的连接原则 总体上遵循装置的排列顺序，但对于吸收装置应“长”进“短”出；量气装置应 “短”进“长”出；洗气装置应“长”进“短”出；干燥管应“粗”进“细”出 实验操作顺序 气体发生一般按：装置选择与连接→气密性检査一装固体药品→加液体药品→开始 实验(按程序)→拆卸仪器→其他处理等 加热操作 注意事项 主体实验加热前一般应先通原料气赶走空气后再点燃酒精灯，其目的一是防止爆 炸，如H2还原CuO、CO 还原Fe2O3；二是保证产品纯度，如制Mg3N2、CuCl2等。 反应结束时，应先熄灭酒精灯，继续通原料气直到冷却为止 尾气处理 有毒气体常采用溶液(或固体)吸收或将其点燃，无毒气体直接排放 二、物质制备中常见的基本操作 如何检查沉淀 是否完全 静置后，在上层清液中继续滴加××溶液，若无沉淀生成，则说明沉淀完全 如何洗涤沉淀 沿玻璃棒向漏斗中加蒸馏水浸没沉淀表面，待水自然流下后，重复以上操作2 到3 次 如何检查沉淀 是否洗涤干净 取少许最后一次洗涤液于试管中，滴加××溶液，振荡，若无沉淀产生，则沉淀洗涤 干净 从溶液中 获得晶体方法 ①晶体受热不分解：蒸发结晶 ②晶体受热分解：蒸发浓缩，降温(冷却)结晶 “浸取”提高 浸取率方法 将固体粉碎、适当升高温度、加过量的某种物质、搅拌 三、气体的制备 1．气体制备与性质实验装置的连接流程 2．有气体参与的制备实验的注意事项 (1)操作顺序问题 与气体有关的实验操作顺序：装置选择与连接 气密性检查 装入固体药品 加液体药品 按程序实验 拆卸仪器 (2)加热操作的要求 ①使用可燃性气体(如H2、CO、CH4等)时，先用原料气赶走系统内的空气，再点燃酒精灯加热，以防 止爆炸 ②制备一些易与空气中的成分发生反应的物质(如H2还原CuO 的实验)，反应结束时，应先熄灭酒精 灯，继续通原料气至试管冷却 (3)尾气处理的方法：有毒气体常采用溶液(或固体)吸收或将其点燃的方法，不能直接排放 (4)特殊实验装置 ①制备在空气中易吸水、潮解以及水解的物质(如Al2S3、AlCl3等)，往往在装置的末端再接一个干燥 装置，以防止空气中水蒸气的进入 ②用液体吸收气体，若气体溶解度较大，要加防倒吸装置 ③若制备物质易被空气中氧气氧化，应加排空气装置 ④制备的物质若为液态且易挥发时，应将收集装置置于冷水浴中 (5)冷凝回流 有些反应中，为减少易挥发液体反应物的损耗和充分利用原料，需在反应装置上加装冷凝回流装置(如 长玻璃管、冷凝管等) 四、物质制备中实验条件的控制 1．常见实验条件的控制方法 试剂的作用、用量、状态，温度的控制，pH 的调节等，要熟练掌握有关物质的制备原理，理解实验条 件控制的目的，知道常见实验条件的控制方法。 2．条件的控制 控制pH 的目的 ①除去加入的显酸性或显碱性的物质，防止引入杂质；②选择性除去原 料中的某种或全部的杂质金属离子；③除去生成物中的酸性物质，防止设 备腐蚀；④除去废液中酸性物质、碱性物质、重金属离子，防止环境污 染；⑤提供酸性或碱性介质参加反应；⑥与生成物反应促进平衡正向移动 控制温度的目的 ①实验中控制较低的温度可能是防止物质挥发或是增加物质的溶解量或 是防止物质分解速率加快 ②控制温度不能过高，可能是防止发生副反应或从化学平衡移动原理考 虑 与试剂 有关的条件控制 ①一是试剂的用量、浓度或滴加速度等 ②二是试剂的状态与固体表面积的大小 3．化学实验中温度控制的方法 加热 加快化学反应速率或使化学平衡向某方向移动 降温 防止某物质在高温时分解或使化学平衡向某方向移动 控制温度在 一定范围 若温度过低，则反应速率(或溶解速率)较慢；若温度过高，则某物质(如H2O2、 氨水、草酸、浓硝酸、铵盐等)会分解或挥发 水浴加热 受热均匀，温度可控，且温度不超过100 ℃ 冰水浴冷却 防止某物质分解或挥发 趁热过滤 保持过滤温度，防止温度降低后某物质析出 减压蒸发 减压蒸发降低了蒸发温度，可以防止某物质分解(如浓缩双氧水需减压蒸发低浓 度的双氧水溶液) 五、新情境下物质制备方案的设计 物质制备实验方案的设计应遵循以下原则： ①条件合适，操作方便；②原理正确，步骤简单；③原料丰富，价格低廉；④产物纯净，污染物少。 整体思路 分析原料成分和制备的物质之间的关系，确定除杂操作和制备反应的先后顺 序 除杂设计 搞清除杂的原理，设计好除杂的先后顺序，一步或多步除去杂质 产品获取 基本要求 纯度高、产率高(一是减少产品的损失，二是防止副反应的发生) 控制条件 温度(说明具体的温度或范围)，pH(指明具体的pH 或范围)，反应物的 浓度或用量，洗涤试剂的选择，是否要趁热过滤等 六、实验“十大目的”及答题方向 加入某一物质的目的 一般可从洗涤、除杂、溶解、沉淀等方面考虑 反应前后 通入某一气体的目的 一般可从排除气体、提供反应物等方面考虑 酸(碱)浸的目的 一般可从某些元素从矿物中溶解出来方面考虑 物质洗涤 (水洗、有机物洗)的目的 一般可从洗去杂质离子和减少损耗方面及易干燥考虑 趁热过滤的目的 一般可从“过滤”和“趁热”两个方面考虑 控制温度的目的 一般可从反应速率、平衡移动、溶解度、稳定性、挥发、升华 等方面考虑 控制pH 的目的 一般可从酸、碱性对反应的影响方面考虑 某一实验操作的目的 一般可从除杂、检验、收集、尾气处理、防倒吸、改变反应速 率、保证实验安全等方面考虑 使用某一仪器的目的 一般可从仪器的用途方面考虑，注意一些组合仪器的使用如安 全瓶，量气瓶 控制加入量的目的 一般可从加入的物质与反应体系中的其他物质发生的反应方面 考虑。如为了防止发生反应消耗产物或生成其他物质，从而影 响产品的产率或纯度 1．(2023•浙江省1 月选考，20) (10 分)某研究小组制备纳米ZnO，再与金属有机框架(MOF)材料复合制 备荧光材料ZnO@MOF，流程如下： 已知：①含锌组分间的转化关系： ②ε-Zn(OH)2是Zn(OH)2的一种晶型，39℃以下稳定。 请回答： (1)步骤Ⅰ，初始滴入ZnSO4溶液时，体系中主要含锌组分的化学式是___________。 (2)下列有关说法不正确的是___________。 A．步骤Ⅰ，搅拌的作用是避免反应物浓度局部过高，使反应充分 B．步骤Ⅰ，若将过量 溶液滴入ZnSO4溶液制备ε-Zn(OH)2，可提高ZnSO4的利用率 C．步骤Ⅱ，为了更好地除去杂质，可用 的热水洗涤 D．步骤Ⅲ，控温煅烧的目的是为了控制 的颗粒大小 (3)步骤Ⅲ，盛放样品的容器名称是___________。 (4)用Zn(CH3COO)2和过量(NH4)2CO3反应，得到的沉淀可直接控温煅烧得纳米ZnO，沉淀无需洗涤的 原因是___________。 (5)为测定纳米ZnO 产品的纯度，可用已知浓度的 标准溶液滴定 。从下列选项中选择合理 的仪器和操作，补全如下步骤[“___________”上填写一件最关键仪器，“(___________)”内填写一种操作， 均用字母表示]。___________ 用___________(称量ZnO 样品 )→用烧杯(___________)→用___________(___________)→用移液管(_ __________)→用滴定管(盛装 标准溶液，滴定 ) 仪器：a.烧杯；b.托盘天平；c.容量瓶；d.分析天平；e.试剂瓶 操作：f.配制一定体积的Zn2+溶液；g.酸溶样品；h.量取一定体积的Zn2+溶液；i.装瓶贴标签 (6)制备的ZnO@MOF 荧光材料可测Cu2+浓度。已知ZnO@MOF 的荧光强度比值与Cu2+在一定浓度范 围内的关系如图。 某研究小组取7.5×10-3g 人血浆铜蓝蛋白(相对分子质量1.5×105)，经预处理，将其中Cu 元素全部转化 为Cu2+并定容至1L。取样测得荧光强度比值为10.2，则1 个血浆铜蓝蛋白分子中含___________个铜原子。 【答案】(1)[Zn(OH)4]2- (2)BC (3)坩埚 (4)杂质中含有CH3COO-、CO3 2-、NH4 +，在控温煅烧过程中分解或被氧化为气体而除去 (5)d→(g)→c(f)→(h) (6)8 【解析】本题为一道无机物制备类的工业流程题，首先向氢氧化钠溶液中滴加硫酸锌溶液并搅拌，此 时生成ε-Zn(OH)2，分离出ε-Zn(OH)2后再控温煅烧生成纳米氧化锌，进一步处理后得到最终产品。(1)初始 滴入ZnSO4溶液时，氢氧化钠过量，根据信息①可知，体系中主要含锌组分的化学式是[Zn(OH)4]2-；(2)A 项，步骤Ⅰ，搅拌可以使反应物充分接触，加快反应速率，避免反应物浓度局部过高，A 正确；B 项，根 据信息①可知，氢氧化钠过量时，锌的主要存在形式是[Zn(OH)4]2-，不能生成ε-Zn(OH)2，B 错误；C 项， 由信息②可知，ε-Zn(OH)239℃以下稳定，故在用50℃的热水洗涤时会导致，ε-Zn(OH)2分解为其他物质， C 错误；D 项，由流程可知，控温煅烧时ε-Zn(OH)2会转化为纳米氧化性，故，控温煅烧的目的是为了控制 ZnO 的颗粒大小，D 正确；故选BC；(3)给固体药品加热时，应该用坩埚，故步骤Ⅲ，盛放样品的容器名 称是坩埚；(4)两者反应时，除了生成固体ZnO 外，还会生成二氧化碳，氨气和水蒸气，即杂志都是气体， 故沉淀不需要洗涤的原因是：杂质中含有CH3COO-、CO3 2-、NH4 +，在控温煅烧过程中分解或被氧化为气体 而除去；(5)为了使测定结果尽可能准确，故可以用分析天平称量ZnO 的质量，选择d，随后可以用酸来溶 解氧化锌，故选g，溶解后可以用容量瓶配制一定浓度的溶液，故选c(f)，再用移液管量取一定体积的配好 的溶液进行实验，故选h，故答案为：d→(g)→c(f)→(h)；(6)人血浆铜蓝蛋白的物质的量n(人血浆铜蓝蛋 白)= ，由于实验测得荧光强度比值为10.2 ，则铜离子浓度n(Cu2+)= ，则则1 个血浆铜蓝蛋白分子中含8 个铜原子。 2．(2022•湖南选择性考试)某实验小组以 溶液为原料制备BaCl2·2H2O，并用重量法测定产品中 BaCl2·2H2O 的含量。设计了如下实验方案： 可选用试剂：NaCl 晶体、BaS 溶液、浓H2SO4、稀H2SO4、CuSO4溶液、蒸馏水 步骤1. BaCl2·2H2O 的制备 按如图所示装置进行实验，得到BaCl2溶液，经一系列步骤获得BaCl2·2H2O 产品。 步骤2，产品中BaCl2·2H2O 的含量测定 ①称取产品0.5000g，用 水溶解，酸化，加热至近沸； ②在不断搅拌下，向①所得溶液逐滴加入热的0.100 mol·L-1H2SO4溶液， ③沉淀完全后，60℃水浴40 分钟，经过滤、洗涤、烘干等步骤，称量白色固体，质量为0.4660g。 回答下列问题： (1)Ⅰ是制取_______气体的装置，在试剂a 过量并微热时，发生主要反应的化学方程式为_______； (2)Ⅰ中b 仪器的作用是_______；Ⅲ中的试剂应选用_______； (3)在沉淀过程中，某同学在加入一定量热的H2SO4溶液后，认为沉淀已经完全，判断沉淀已完全的方 法是_______； (4)沉淀过程中需加入过量的H2SO4溶液，原因是_______； (5)在过滤操作中，下列仪器不需要用到的是_______(填名称)； (6)产品中BaCl2·2H2O 的质量分数为_______(保留三位有效数字)。 【答案】(1) HCl H2SO4(浓)+NaCl NaHSO4+HCl↑ (2)防止倒吸 CuSO4溶液 (3)静置，取上层清液于一洁净试管中，继续滴加硫酸溶液，无白色沉淀生成，则已沉淀完全 (4)使钡离子沉淀完全 (5)锥形瓶 (6)97.6% 【解析】装置I 中浓硫酸和氯化钠共热制备HCl，装置II 中氯化氢与BaS 溶液反应制备BaCl2·2H2O， 装置III 中硫酸铜溶液用于吸收生成的H2S，防止污染空气。(1)由分析可知，装置I 为浓硫酸和氯化钠共热 制取HCl 气体的装置，在浓硫酸过量并微热时，浓硫酸与氯化钠反应生成硫酸氢钠和氯化氢，发生主要反 应的化学方程式为：H2SO4(浓)+NaCl NaHSO4+HCl↑。(2)氯化氢极易溶于水，装置II 中b 仪器的作用 是：防止倒吸；装置II 中氯化氢与BaS 溶液反应生成H2S，H2S 有毒，对环境有污染，装置III 中盛放 CuSO4溶液，用于吸收H2S。(3)硫酸与氯化钡反应生成硫酸钡沉淀，因此判断沉淀已完全的方法是静置， 取上层清液于一洁净试管中，继续滴加硫酸溶液，无白色沉淀生成，则已沉淀完全。(4)为了使钡离子沉淀 完全，沉淀过程中需加入过量的硫酸溶液。(5)过滤用到的仪器有：铁架台、烧杯、漏斗、玻璃棒，用不到 锥形瓶。(6)由题意可知，硫酸钡的物质的量为： =0.002mol，依据钡原子守恒，产品中 BaCl2·2H2O 的物质的量为0.002mol，质量为0.002mol×244g/mol=0.488g，质量分数为： 100%=97.6%。 3．(2022•重庆卷)研究小组以无水甲苯为溶剂，PCl5(易水解)和NaN3为反应物制备米球状红磷。该红 磷可提高钠离子电池的性能。 (1)甲苯干燥和收集的回流装置如图1 所示(夹持及加热装置略)。以二苯甲酮为指示剂，无水时体系呈 蓝色。 ①存贮时，Na 应保存在_____中。 ②冷凝水的进口是______(填“a”或“b”)。 ③用Na 干燥甲苯的原理是_____(用化学方程式表示)。 ④回流过程中，除水时打开的活塞是_____；体系变蓝后，改变开关状态收集甲苯。 (2)纳米球状红磷的制备装置如图2 所示(搅拌和加热装置略)。 ①在Ar 气保护下，反应物在A 装置中混匀后转入B 装置，于280℃加热12 小时，反应物完全反应。 其化学反应方程式为_____。用Ar 气赶走空气的目的是_____。 ②经冷却、离心分离和洗涤得到产品，洗涤时先后使用乙醇和水，依次洗去的物质是_____和_____。 ③所得纳米球状红磷的平均半径R 与B 装置中气体产物的压强p 的关系如图3 所示。欲控制合成 R=125nm 的红磷，气体产物的压强为_____kPa，需NaN3的物质的量为______mol(保留3 位小数)。已知： p=a×n，其中a=2.5×105kPa•mol-1，n 为气体产物的物质的量。 【答案】(1)煤油 b 2Na+2H2O=2NaOH+H2↑ K2、K3 (2)2PCl5+10NaN3=2P+15N2↑ +10 NaCl 防止PCl5遇空气中的水蒸气而发生水解 甲苯 NaCl 104 0.027 【解析】本实验要用无水甲苯作溶剂，故需要先制备无水甲苯，图1 装置中Na 与水反应除去水，生 成的H2从K2排出，待水反应完后，打开K1收集无水甲苯；图2 中将甲苯和NaN3加入三颈瓶中，然后通入 Ar 排出装置中的空气，再滴入PCl5和甲苯，混合均匀后，转移到反应釜中制备纳米球状红磷。(1)①钠在 空气中容易反应，故应保存在煤油中；②为了充分冷凝，冷凝水应从下口进上口出，故冷凝水的进口是 b；③Na 与水反应可除去水，故用钠干燥甲苯的原理是2Na+2H2O=2NaOH+H2↑；④回流过程中，打开活 塞K2、K3，使生成的气体排出装置。(2)①根据题意可知，反应物为PCl5和NaN3，产物为P，根据化合价 的变化规律可知化学方程式为2PCl5+10NaN3=2P+15N2↑ +10 NaCl；由于PCl5易水解，故用Ar 赶走空气的 目的是防止PCl5遇空气中的水蒸气而发生水解。②根据反应可知，得到的产物上沾有甲苯和NaCl，用乙醇 洗去甲苯，用水洗去NaCl。③R=125nm 时可换算出横坐标为8，此时纵坐标对应的值为10，故气体产物 的压强为104kPa ；已知p=a×n ，其中a=2.5×105kPa•mol-1 ， ，根据反应 2PCl5+10NaN3=2P+15N2↑ +10 NaCl 可知，n(NaN3)= N2= ×0.04mol=0.027mol。 4．(2022•江苏卷，15)实验室以二氧化铈(CeO2)废渣为原料制备Cl-含量少的Ce2(CO3)3，其部分实验过 程如下： (1)“酸浸”时CeO2与H2O2反应生成Ce3+并放出O2，该反应的离子方程式为_______。 (2)pH 约为7 的CeCl3溶液与NH4HCO3溶液反应可生成Ce2(CO3)3沉淀，该沉淀中 含量与加料方式 有关。得到含Cl-量较少的Ce2(CO3)3的加料方式为_______(填序号)。 A．将NH4HCO3溶液滴加到CeCl3溶液中 B．将CeCl3溶液滴加到NH4HCO3溶液中 (3)通过中和、萃取、反萃取、沉淀等过程，可制备 含量少的Ce2(CO3)3。已知Ce3+能被有机萃取剂 (简称HA)萃取，其萃取原理可表示为 Ce3+ (水层)+3HA(有机层) Ce(A)3 (有机层)+3H+(水层