以气体为载体制备类实验的基本操作

山东 张市场

《普通高中化学课程标准(2017年版2020年修订)》对制备类实验提出以下学业要求：学业质量水平4，质量描述4-2，“能基于‘绿色化学’理念设计无机化合物制备和有机化合物合成的方案，并对方案进行评价和优化”。新高考对制备类实验提出了更高的要求，要求考查学生运用所学知识分析问题、解决问题的能力，实现知识的迁移和应用，提升学生的化学学科核心素养。制备类实验是新高考实验考查的高频考点，以气体为载体的制备类实验的考查尤其多。高考复习教学实践表明，思维模型的建构能有效地提高高三化学此类实验复习的质量和效率。

表1 新高考物质制备类综合实验两年考向

此处学情为学生对以气体为载体的制备类实验没有一个清晰、系统的认识，“一看就会，一做就错”。一知半解，没有理清逻辑关系，不会规范作答，没有形成关键能力。学生对以气体为载体的制备类实验的一些基本的、常见的操作认识似是而非，没有完全掌握，必备知识不够。教师通过思维模型的建构，使学生掌握以气体为载体物质制备类实验的一般思路和设计方法，提升学生证据推理与模型认知核心素养；掌握以气体为载体物质制备类实验的基本操作，规范作答，提升学生科学探究与创新意识核心素养，此过程教师可辅以交互式虚拟实验室的操作。

一、建构以气体为载体制备类实验的解题模型

确定核心制备反应及其反应装置，以此为中心，结合物质性质确定其他装置的作用，将复杂装置分为五部分模型：发生装置、净化装置、制备(收集)装置、后防装置、尾气处理装置，如图1。

图1 以气体为载体制备类实验的解题模型

例如，“无水四氯化锡(SnCl4)常用作有机合成的氯化催化剂。实验室可用熔融的锡(熔点232℃)与Cl2反应制备SnCl4(遇水极易水解)，装置如图所示”。分析其装置，可建立如下模型，对装置的划分如图2所示。

图2 以气体为载体制备类实验的题型建模

建构模型后将复杂装置简单化，明确各分模型的作用后，可以确定分模型的基本操作。将基本操作熟练掌握后，对以气体为载体的制备类实验就会驾轻就熟。

二、以气体为载体制备类实验的基本操作

1.基本操作——检查气密性

有气体参与反应的装置都需要检查气密性。学生往往不能规范描述。教学中教师可将学生的易错点用NOBOOK化学虚拟实验室虚拟实验，观察现象，加深印象，得出正确的气密性检查方法。检查气密性的规范操作为：形成封闭体系→操作形成压强差→观察现象→得出结论。

表2 各装置气密性的检查

续表

2.基本操作——先通后通

先通：若装置中空气干扰实验，核心制备反应开始前，向装置中先通入原料气或无关惰性气体排除装置中的空气，防止其干扰实验。使用可燃性气体如：H2、CO、CH4等加热时，先用原料气排除装置中的空气，再点燃酒精灯，以防止爆炸。对陌生型反应，要注意题目信息，若反应物或生成物易和空气发生反应，则需先通入原料气或无关惰性气体排除装置中的空气。先通的目的是排除××装置中的空气。实验中若是其他气体干扰试验，则作答为“排除××装置中的××”。

后通：核心制备反应停止后，若产物与空气反应，则需要继续通入原料气或无关惰性气体直至产物冷却，防止其与空气反应。定量实验中，需将气体产物排到后续装置充分吸收。若原料或产物中有污染性气体，需将此气体排到后续吸收装置，防止污染空气。规范作答时，后通的目的是“防止产物与空气反应；或将气体产物排到××装置充分吸收；或将污染性气体排到××装置充分吸收”。

【例1】(2021·山东省学业水平等级考试·18节选)六氯化钨(WCl6)可用作有机合成催化剂，熔点为283℃，沸点为340℃，易溶于CS2，极易水解。实验室中，先将三氧化钨(WO3)还原为金属钨(W)再制备WCl6，装置如图3所示(夹持装置略)。回答下列问题：

(1)检查装置气密性并加入WO3。先通N2，其目的是________；一段时间后，加热管式炉，改通H2，对B处逸出的H2进行后续处理。

图3

(2)WO3完全还原后，进行的操作为：①冷却，停止通H2；②以干燥的接收装置替换E；③在B处加装盛有碱石灰的干燥管；④……；⑤加热，通Cl2；⑥……。

碱石灰的作用是________；操作④是________，目的是________。

【参考答案】(1)排除装置中的空气；

(2)吸收多余Cl2，防止污染空气；防止空气中的水蒸气进入E中；再次通入N2；排除装置中的H2。

【解析】粗写出核心制备反应：WO3+H2高温W+H2O，W+Cl2高温WCl6确定管式炉为制备装置，E为收集装置，依据核心制备反应分析前后装置和操作。H2为可燃性气体，加热前应排除装置中的空气，H2验纯后方可加热，需先通；通Cl2反应时，装置中残留H2会在加热时与Cl2反应，应先通N2排除，需先通。据题中信息可知WCl6极易水解，需在制备装置前后防水，需前防后防：前防为干燥气体，后防为防止空气中水蒸气进入装置E。Cl2为污染性气体，需尾气处理，盛有碱石灰的干燥管可起到后防水蒸气和尾气处理的双重作用。据此对装置进行模型分析如图4所示。

图4

3.基本操作——防倒吸

加热制取气体，排水法停止收集时，应先将导管撤出水槽，再撤酒精灯，否则会倒吸。其他装置，通常为防倒吸，可在两装置间加一个安全瓶。教学中教师可通过虚拟实验演示，明确原理，加深印象。极易溶于水的气体有HCl、HBr、NH3等，这些气体必须防倒吸。

【例2】(2020·浙江7月选考·30节选)

图5

(1)步骤Ⅰ：单向阀的作用是________。

【答案】防止倒吸

【解析】据题目给出的核心反应，装置C为制备装置，装置A为发生装置制取反应气体SO2，SO2会与装置C中混合溶液发生反应，且导管进入液面以下，需要防倒吸的装置，单向阀可以防止发生倒吸。

4.基本操作——前防后防

图6

前防：核心制备反应装置需要通入气体加热的、制备反应物或生成物易水解的、易吸水的，应在核心制备反应装置之前防水蒸气，因此，前防的目的是防止水蒸气进入装置。

后防：核心制备反应物或生成物易水解的、易吸水的，应在核心制备反应装置之后防水蒸气。后防也可能是防空气中的O2或CO2。回答后防装置的作用时，应指明所防气体。因此，后防的目的是“防止××(应指明所防气体)进入××装置”。

【例3】(2021·浙江6月选考·30节选)Cl2O是很好的氯化剂，实验室用如图7装置(夹持仪器已省略)制备高纯Cl2O。已知：

②常压下，Cl2沸点-34.0℃，熔点-101.0℃；Cl2O沸点2.0℃，熔点-120.6℃。

请回答：

图7

(1)①装置A的作用是去除原料气中的少量水分，可用的试剂是________。

②将上图中装置组装完整，虚框D中应选用________。

【参考答案】(1)①浓硫酸；②a

图8

5.综合应用装置连接

思维模型建构后，通过各模型基本操作的训练，学生对以气体为载体制备类实验有了更深的认识，更深的理解，可以迁移应用，完成制备类综合实验解题。

【例4】(2021·河北省选择性考试·14节选)化工专家侯德榜发明的侯氏制碱法为我国纯碱工业和国民经济发展做出了重要贡献，某化学兴趣小组在实验室中模拟并改进侯氏制碱法制备NaHCO3，进一步处理得到产品Na2CO3和NH4Cl，实验流程如图9：

图9

回答下列问题：

(1)从A～E中选择合适的仪器制备NaHCO3，正确的连接顺序是________(按气流方向，用小写字母表示)。

(3)生成NaHCO3的总反应的化学方程式为________。

图10

按解题模型五个部分顺序排序：发生装置、净化装置、制备(收集)装置、后防装置、尾气处理，得出装置连接顺序。

三、总结