實驗裝置的選擇與優化

文章編號:1005-6629(2010)07-0078-04 中圖分類號:G633.8 文獻標識碼:B

[題目]世界環保聯盟將全面禁止在自來水中加氯，取而代之的是安全高效的殺菌劑ClO2。ClO2是一種黃綠色、有刺激性氣味的氣體，熔點:-59 ℃，沸點:11.0 ℃，ClO2極易爆炸，生產和使用時盡量用惰性氣體稀釋，避免光照、震動或加熱。它可以看作是亞氯酸(HClO2)和氯酸(HClO3)的混合酸酐，少量的ClO2可用飽和草酸(H2C2O4)溶液與KClO3粉末在60 ℃時反應制得。甲、乙、丙三位同學設計了如下三套制備裝置(見圖1、圖2、圖3所示)(△代表熱源，鐵架臺、石棉網略):

試根據題給信息和已學知識回答下列問題:

(1)從甲、乙、丙三套裝置中選出合理部分(按氣流從左到右的方向)組裝成一套較為完善的實驗裝置________________(填寫所選部分的編號)。

(2)為了能使反應在適宜條件下進行，在組裝的裝置中還應添加某一儀器，該儀器的名稱是___________。

(3)表達這一反應的離子方程式是________，此法的優點是________。

(4)組裝后的裝置中的尾氣吸收劑與尾氣(含ClO2等氣體)能發生反應，生成的主要物質是________、________和_________(產物水除外，填寫化學式)。

(5)歐洲一些國家用NaClO3氧化濃鹽酸來制取ClO2，同時有氯氣生成，這一反應的化學方程式是________。此法的缺點是________________。

(6)文獻報道，等質量時，ClO2的消毒效果(以單位質量得到的電子數表示)是Cl2的2.63倍，由此可判斷ClO2的最終還原產物是__________(用離子符號或化學式表示)，推斷依據是___________(假設還原產物中氯的化合價為x，填計算式)。

[命題意圖]

本題選自湖北省黃岡中學2004屆第二輪復習綜合測試卷第33題 ，試題通過給出學生陌生的ClO2的性質、制備原理等新的情境，結合儀器組裝、物質的性質和制法、實驗現象描述和分析提出問題，考查考生接受新信息，運用所學知識進行聯想、遷移、分析、重組解決實驗問題的能力，同時還考查考生的思維能力和自學能力。

[試題點評]

1. 本題為制備實驗方案的評價與完善，目標產物為ClO2，由題給信息可知反應必須在60 ℃進行，由反應原理知產生的ClO2中混有CO2，故制備裝置必須水浴加熱，用降溫的方法分離出CO2，尾氣中混有少量ClO2，ClO2有毒必須有尾氣吸收裝置，據此可評價甲、乙、丙三套實驗裝置的優缺點。取三套裝置的優點即為制備ClO2的最佳裝置。

2. 本題按一定的實驗目的進行實驗裝置的連接，在審題過程中首先要弄清楚實驗的目的，將實驗過程進行分段，即第一階段做什么，第二階段做什么……然后在每一階段中再進行細化。題給三套實驗裝置均分為三個部分:ClO2的發生裝置、ClO2的收集裝置和尾氣的處理裝置。當然在過程中要對實驗或反應的特點進行分析，理清所得的各氣體成分，特別要注意所得氣體中的雜質氣體;在連接過程中一定要注意接口的順序。

3.氣體制備實驗設計要從5個部分裝置入手:發生裝置(根據反應原理和藥品特點確定裝置類型)→凈化裝置(注意分析可能會有的雜質)→干燥裝置(根據氣體類型確定)→收集裝置(根據氣體密度和溶解性確定)→尾氣處理裝置(根據氣體性質確定)，另外還要注意連接裝置時的接口順序。

4.本題一個實驗目的，多種實驗裝置設計方案，評價優劣，權衡利弊，多中選優，優化組合。主要考查了分析評價能力，這是能力目標層次較高的一種題型。

[解題思路1]從題干中我們可獲得兩條有用信息:一是ClO2的熔沸點低，有刺激性氣味，說明它是一種易揮發的有毒物質;二是制備ClO2的反應條件是60 ℃，反應的溫度低，不能用酒精燈直接加熱。

依題給信息可推知實驗的反應原理為:2H2C2O4+2KClO3=2ClO2↑+2CO2↑+K2C2O4+2H2O

觀察題給三套裝置中有共同的地方，即都可分成ClO2的發生、收集和尾氣的吸收。

對上述三套裝置的優缺點進行評價可從四個角度考慮:(1)是否能控制反應速率; (2)是否能有效控制反應條件; (3)是否能得到較純凈的ClO2; (4)是否能防止污染環境。

就裝置的三個組成部分逐一比較甲、乙、丙三個裝置圖，可知分別具有以下優點:圖3裝置中的A3既能有效控制反應溫度(發生裝置應在水浴中加熱)，又能控制反應速率(運用分液漏斗控制滴加草酸的快慢);生成的氣體是ClO2和CO2的混合物，由二氧化氯的沸點知，為分離出二氧化氯需要冷卻收集，由于二氧化氯的密度大于空氣，用試管收集時導氣管應長進短出，故收集裝置用B1;為防止污染環境，多余的二氧化氯可用堿液吸收，化學方程式為2ClO2+2NaOH=NaClO3+NaClO2+H2O，同時，尾氣中的二氧化碳與NaOH反應得到Na2CO3，故尾氣吸收裝置用C2吸收后產物中的主要物質除水外還有Na2CO3、NaClO3、NaClO2。

由于用NaClO3會產生Cl2，而世界環保聯盟將全面禁止用Cl2進行消毒的方法，所以不好。

等質量的ClO2的消毒效果是Cl2的2.63倍，也就是其得電子數是Cl2的2.63倍，所以可列算式得到:(4-x)×1/67.5=2.63×2×1/71，解得x=-1，即得到Cl-。

[解題思路2]由題中所給信息可知，制備ClO2是用飽和草酸(H2C2O4)溶液與KClO3粉末在60 ℃時反應制得，所以選用固體和液體的加熱裝置，但又要注意到該反應的條件是加熱到60 ℃，為了達此目的，應該使用水浴加熱，并用溫度計進行調控，所以選A3或A2，而ClO2是一種黃綠色、有刺激性氣味的氣體， 熔點:-59 ℃，沸點:11.0 ℃(ClO2極易爆炸，生產和使用時盡量用惰性氣體稀釋，避免光照和震動或加熱)，需要冷卻收集，且ClO2密度比空氣大，用試管收集時導氣管應“長進短出”，所以選B1裝置收集ClO2。尾氣是“ClO2可以看作是亞氯酸(HClO2)和氯酸(HClO3)的混合酸酐”，說明可與堿反應，所以選C2吸收尾氣，與NaOH反應生成的亞氯酸(HClO2)和氯酸(HClO3)對應的鹽NaClO2、NaClO3。

[參考答案]

(1)A3、B1、C2; (2)溫度計;(3)2H2C2O4+2ClO3-=2ClO2↑+2CO2+C2O42-+2H2O;生成的ClO2可被CO2稀釋，防止ClO2爆炸;(4)NaClO2;NaClO3; Na2CO3

(5)2NaClO3+4HCl(濃)=Cl2↑+2ClO2↑+2NaCl+2H2O;在ClO2中含有Cl2雜質

(6)Cl-;(4-x)×1/67.5=2.63×2×1/71

[思維拓展]根據信息遷移題的特點，可將解答信息遷移題的步驟概括為:

信息的篩選——從題設情景中提取對解題有用原理、方法等;

信息的加工——將提取的有用信息結合已學的知識進行綜合、概括、歸納整理成適合解題的一般性規律;

信息的運用——將加工的信息通過類比、聯想、正向或逆向思維遷移到所學問題中，從而順利得出答案。

[問題拓展]

1.某化學課外活動小組研究乙醇氧化的實驗并驗證其產物，設計了甲、乙、丙三套裝置(見圖4、圖5、圖6，圖中的夾持儀器均未畫出，“△”表示酒精燈熱源)，每套裝置又可劃分為①、②、③三部分。儀器中盛放的試劑為:a-無水乙醇(沸點:78 ℃);b-銅絲;c-無水硫酸銅;d-新制氫氧化銅懸濁液。

(1)簡述三套方案各自的優點

甲:_____________________________。

乙:_____________________________。

丙:_____________________________。

(2)集中三套方案的優點，組成一套比較合理完善的實驗裝置，可按氣流由左至右的順序表示為_____________________(例如甲①，乙②，丙③)。

(3)若要保證此實驗有較高的效率，還需補充的儀器有______。理由___________ 。

(4)實驗中能驗證乙醇氧化產物的實驗現象是__________________________。

(5)裝置中，若撤去第①部分，其它操作不變，則無水硫酸銅無明顯變化，其余現象與(4)相同，推斷燃燒管中主要反應的化學方程式_____________________________。

[參考答案]

(1)甲:①中用分液漏斗可以控制液體的流量，控制反應的進行;②中用熱水浴加熱，可形成較平穩的乙醇氣流，使反應更充分;②中的斜、長導管起到冷凝回流乙醇蒸氣的作用。

乙:①與③中的干燥管可防止溶液中的水與無水硫酸銅反應，避免干擾生成物的驗證。

丙:①中氧氣發生裝置中無水生成，且裝置簡單。

(2)丙①-甲②-乙③

(3)溫度計;控制水浴溫度在78 ℃或略高于78 ℃，使乙醇蒸氣平穩流出，減少揮發，提高反應效率。

(4)c處無水硫酸銅變藍;d處生成紅色沉淀。

(5)C2H5OH CH3CHO+H2↑

2. 實驗室中用濃鹽酸與MnO2共熱制Cl2，并用

Cl2和 Ca(OH)2 反應制少量漂白粉， 已知反應: 2Cl2+2Ca(OH)2=Ca(ClO)2+CaCl2+2H2O+Q(Q>0)， 溫度稍高即發生副反應: 6Cl2 +6Ca(OH)2=Ca(ClO3)2+5CaCl2+6H2O。現有三位同學設計三套實驗裝置， 見圖7、圖8、圖9(U形管中放有玻璃纖維，氣體能順利通過):

(1)請從a.不容易控制反應速率;b.容易控制反應速率;c.有副反應發生;d.可防止副反應發生;e.污染環境;f.可防止污染環境幾個方面對上述三套裝置的優缺點作出評析，并選擇符合題目要求的選項填在空格內。

(2)裝置中，圖7由A、B兩部分組成，圖8由C、D、E三部分組成，圖9由F、G兩部分組成。請從裝置中，選取合理的組成部分，組裝一套較完善的實驗裝置，裝置各部分的連接順序(按氣流從左到右的方向)是 。在此裝置中，你認為是否還缺少必要的裝置，并說明原因: 。

(3)實驗中若用12 mol·L-1的濃鹽酸100 mL與足量的MnO2反應，假定各步反應均無反應物損耗，且無副反應發生，最終生成Ca(ClO)2的物質的量總是0.15mol(填“大于”、“小于”或“等于”)，其原因是。

[參考解答] (1)d，a、e;f，a、c;b，c、e;(2)F、B、ECl2中混有HCl，應在燒瓶和U形管之間連接一個盛有飽和食鹽水的洗氣瓶，以除去HCl氣體。(3)小于;濃鹽酸隨反應的進行而變為稀鹽酸，稀鹽酸不能再與MnO2反應，從而使反應停止。