【步步高】高考化学大一轮复习 专题九 第4讲 物质制备与工艺流程分析型实验题(含解析)

第4讲 物质制备与工艺流程分析型实验题

热点一 物质制备实验题

物质制备是中学化学试验的重要组成部分，以新物质制备为背景的实验题，涉及知识面广、题型多变、思维发散空间大，能很好的考查学生综合运用化学试验基础知识解决实际问题的能力，因而倍受高考命题者的青睐。

解答此类试题的一般程序是

第一，认真阅读题干，抽取有用信息；第二，仔细观察装置图(或框图)，联想熟悉的实验，观察装置图(或框图)，找出每件仪器(或步骤)与熟悉的某一实验相似的地方，分析每件仪器中所装药品的作用；第三，通读问题，整合信息作出答案，把所有的问题进行综合分析，运用题给信息和化学基础知识作出正确答案。

【典例】 (2013·山东理综，30) 审题指导

TiO2既是制备其他含钛化合物的原料，又是一种性能优异的白色颜料。

(1)实验室利用反应TiO2(s)＋CCl4(g)=====△TiCl4(g)＋CO2(g)，在无水无氧条件下制备TiCl4，实验装置示意图如下：

有关物质性质如下表：

物质 熔点

/℃ 沸点

/℃ 其他

CCl4 －23 76 与TiCl4互溶

TiCl4 －25 136 遇潮湿空气产生白雾

仪器A的名称是________。装置E中的试剂是________。反应开始前依次进行如下操作：

组装仪器、________、加装药品、通N2一段时间后点燃酒精灯。反应结束后的操作包括：①停止通N2

②熄灭酒精灯

③冷却至室温。正确的顺序为________(填序号)。欲分离D中的液态混合物，所采用操作的名称是________。 题干信息：反应条件是无水无氧，因而要先排空气，且要保持反应装置内干燥。

装置图信息：A的作用干燥氮气，B处产生CCl4(g)，C为核心反应装置，D为冷凝装置，E为干燥装置，防止空气中的水蒸气进入。

表格信息：根据CCl4和TiCl4的沸点可知在冰水中都会液化，分离可用蒸馏。

问题信息：回答操作顺序，联系题干信息和装置特点知，N2必须进行干燥处理(干燥管)；然后通过N2排除系统内的空气(O2)，点燃酒精灯，使反应发生；为了防止倒吸，反应结束后，应先熄灭酒精灯。

(2)工业上由钛铁矿(FeTiO3)(含Fe2O3、SiO2等杂质)制备TiO2的有关反应包括：

酸溶 FeTiO3(s)＋2H2SO4(aq)===FeSO4(aq)＋TiOSO4(aq)＋2H2O(l)

水解 TiOSO4(aq)＋2H2O(l)=====90 ℃H2TiO3(s)＋H2SO4(aq)

简要工艺流程如下：

①试剂A为________。钛液Ⅰ需冷却至70 ℃左右，若温度过高会导致产品TiO2回收率降低，原因是________________________。

②取少量酸洗后的H2TiO3，加入盐酸并振荡，滴加KSCN溶液后无明显现象，再加H2O2后出现微红色，说明H2TiO3中存在的杂质离子是________。这种H2TiO3即使用水充分洗涤，煅烧后获得的TiO2也会发黄，发黄的杂质是_______________(填化学式)。 题干信息：Fe2O3杂质可溶于硫酸；FeTiO3酸溶后的产物TiOSO4易水解。

流程图信息：试剂A是将溶液中的Fe3＋转化为Fe2＋。

问题信息：①解释TiO2的回收率，联系题干信息，从水解的视角。

②Fe2＋的检验方法；含Fe2＋的溶液蒸干后变为Fe2O3。

解析 (1)注意审题，该反应是在无水无氧条件下制备的；安装完装置，首先检查气密性，然后装入药品。根据反应条件，N2必须进行干燥处理(干燥管)。然后通过N2排除系统内的空气(O2)，点燃酒精灯，使反应发生。为了防止倒吸，反应结束后，应先熄灭酒精灯，再冷却到室温，最后停止通N2。在D中冷凝的液体有CCl4和TiCl4，根据沸点不同，可采用分馏的方法分离。

(2)①加入H2SO4，除发生FeTiO3酸溶外，还发生反应Fe2O3＋6H＋===2Fe3＋＋3H2O，为了使Fe3＋转化成Fe2＋，所以应加入Fe粉(A)，钛液中含有FeSO4和TiOSO4，考虑到温度越高，TiOSO4的水解程度越大，造成TiOSO4提前水解生成H2TiO3沉淀，在过滤时，造成钛损失。

②由于Fe2＋不可能全部结晶生成绿矾，造成H2TiO3中含Fe2＋，滴入H2O2发生反应

2Fe2＋＋2H＋＋H2O2===2Fe3＋＋2H2O，所以当加入KSCN后，显红色，由于在H2TiO3中含Fe2＋，所以煅烧后会发生反应生成Fe2O3，造成TiO2发黄。

答案 (1)干燥管 浓H2SO4 检查气密性 ②③① 分馏(或蒸馏) (2)①Fe 温度过高会导致TiOSO4提前水解，产生H2TiO3沉淀 ②Fe2＋ Fe2O3

题组一 气体制备方案探究

1．N2在诸多领域用途广泛。某化学兴趣小组为探究在实验室制备较为纯净N2的方法，进行了认真的准备。请你参与交流与讨论。

[查阅资料]N2的制法有下列三种方案：

方案1：加热NaNO2和NH4Cl的浓溶液制得N2。

方案2：加热条件下，以NH3还原CuO可制得N2，同时获得活性铜粉。

方案3：将空气缓缓通过灼热的铜粉获得较纯的N2。

[实验准备]以实验室常见仪器(药品)等设计的部分装置如下图(有的夹持和加热仪器未

画出)。

[分析交流]

(1)若以方案1制得N2，应选择的发生装置是___________________。

(2)若按方案2制得干燥、纯净的N2，且需要的NH3以生石灰和浓氨水作原料，整套制气装置按气流从左到右的连接顺序是______________(填写序号)。获得N2的反应原理是

___________________________________________________(写反应方程式)。

(3)若以排水法收集N2，其中会混入水蒸气。但也不宜用排空气法，其原因是_________________________________________________________________。

你提出的收集方法是_______________________________________________。

(4)上述三个方案中，制得的N2纯度最差的是__________。在N2纯度要求不甚严格的情况下，有人建议将方案2和方案3结合使用，你认为其优点是________。

答案 (1)A

(2)E→D→B→C 2NH3＋3CuO=====△3Cu＋N2＋3H2O

(3)N2的相对分子质量28与空气的平均相对分子质量相近(用气体密度大小比较回答问题也可) 用气囊收集(其他合理答案也可)

(4)方案3 CuO和Cu可循环利用，节省药品

解析 (1)采用反应器的特点与反应物的状态以及反应条件有关，方案1为加热两种液态物质，符合此条件的只有A设备。(2)方案2为固体和气体的反应，反应器应选择B，但要求通入的氨气干燥且纯净，利用浓氨水和生石灰反应制取氨气为固液不加热的装置，选择E，但同时有水蒸气生成，因此利用碱石灰来干燥，反应完毕后产生的水蒸气与没有参与反应的氨气与氮气一同导出，利用浓硫酸既可以除去水，又可以除去氨气。(3)排气法收集气体主要是利用气体密度的差别。因此利用可以直接排空内部空气的装置来收集氮气。(4)方案3利用了除去空气中的氧气即得氮气的原理，空气中除了氧气和氮气外还有二氧化碳和稀有气体，因此不纯净。

2．实验室用KClO3和浓盐酸反应也可以制备氯气。某研究性学习小组利用如图所示装置在实验室中制取Cl2并探究其相关性质：

(1)装置A中存在一处错误，请改正这处错误：___________________。

(2)写出装置A中发生反应的化学方程式：________________。

(3)为了除去氯气中的氯化氢，需要在装置A、B之间添加装置E，装置E中所盛装的试剂为________________。为了探究使有色布条褪色的是氯气还是氯气与水反应的生成物，需要在整套装置中添加装置E，其中加入浓硫酸，装置E在整套装置中的添加位置为________(填序号)。

a．A、B之间 b．B、C之间

c．C、D之间 d．D之后

(4)取下集气瓶B，将铁丝加热至红热状态，伸入集气瓶B中，可以观察到的现象是_____________________，能检验该反应产物中铁元素价态的试剂是________(填序号)。

a．氯水 b．蒸馏水和铁粉

c．氢氧化钠溶液 d．KSCN溶液

(5)另外一个化学学习小组就环境保护方面指出了上述装置的缺陷，并给出了改进措施，该改进措施是_____________________

答案 (1)长颈漏斗换为分液漏斗

(2)KClO3＋6HCl(浓)===KCl＋3Cl2↑＋3H2O

(3)饱和食盐水 b

(4)集气瓶内有棕褐色烟产生 bcd

(5)在装置D后增加一个盛装碱液的装置，用碱液吸收剩余的氯气

解析 (1)长颈漏斗与分液漏斗的结构不同，前者无控制活塞，不能控制液体的添加量，而且制备的气体会从“长颈”中逸出。(2)该反应中，氯酸钾是氧化剂，将HCl氧化，氧化产物即氯气。(3)干燥的氯气没有漂白作用，而制备的氯气中往往含有水蒸气，为了排除水蒸气对探究氯气不具备漂白作用的干扰，需要对氯气进行干燥。(4)铁丝在氯气中的燃烧产物为氯化铁。氯水与氯化铁不反应；氯化铁溶液与铁粉可以发生反应，生成氯化亚铁；氯化铁与氢氧化钠溶液反应生成红褐色的氢氧化铁沉淀；铁离子与KSCN溶液反应，现象为溶液变血红色。(5)氯气有毒，实验中需要对尾气进行处理。

题组二 非气体物质的制备实验探究

3．某实验小组利用如下装置(部分固定装置略去)制备氮化钙(Ca3N2)，并探究其实验式。

(1)按图连接好实验装置。检查装置的气密性，方法是__________________________。

(2)反应过程中末端导管必须始终插入试管A的水中，目的是________。

(3)制备氮化钙的操作步骤是：①打开活塞K并通入N2；②点燃酒精灯，进行反应；③反应结束后，________；④拆除装置，取出产物。

(4)数据记录如下：

空瓷舟质

量m0/g 瓷舟与钙的

质量m1/g 瓷舟与产物

的质量m2/g

14.80 15.08 15.15

① 计算得到实验式CaxN2，其中x＝________

②若通入的N2中混有少量O2，请比较x与3的大小，并给出判断依据：_______________。

答案 (1)关闭活塞K，微热反应管，试管A中有气泡冒出，停止加热；冷却后若末端导管中水柱上升且高度保持不变，说明装置气密性良好

(2)防止空气中的氧气通过末端导管进入实验装置，氧化单质钙，生成氧化钙，引入杂质

(3)熄灭酒精灯，待玻璃管冷却至室温，停止通入氮气，并关闭活塞

(4)①2.80 ②x＜3，产物中生成了CaO

解析 (2)要保证整个装置不能混入其他气体；(3)一定要使玻璃管冷却后再停止通入氮气流；(4)要确定x值必须求出钙和氮的原子个数比，根据题目所给的数据可做如下计算①m(Ca)＝(15.08－14.80) g＝0.28 g，m(N)＝(15.15－15.08) g＝0.07 g，则n(Ca)∶n(N)＝0.2840∶0.0714＝7∶5，则x＝145；②若通入的N2中混有少量O2，则产物中就有可能混有了CaO，而Ca3N2中钙的质量分数为 81.08%，CaO中钙的质量分数为71.43%，所以产物中混有了CaO会导致钙的质量分数减小，x的值偏小。