制取气体是实验化学中基本与重要的一项技能。在部分
化学反应中有气体参与,但是气体试剂不便于储存,所以在进行实验前要通过反应来生成这种气体,随制随用。
气体制取的目的
气体制取是实验化学中的一项基本技能,气体制取的目的是制备纯净的气体以便于实验等工作。因此制取气体需要考虑很多因素,以便达到目的。
基本步骤
气体制取是化学实验的一部分,因此也需要确定方案以便实验顺利进行。
确定生成气体的反应
通常一种气体可能由多种反应产生,例如,对于
氯气,既可以加热
浓盐酸与
二氧化锰得到,也可以
电解食盐水得到,也可以电解熔融的
氯化钠得到。但是限于实验室的条件与实验技术,并不是所有反应都适合实验室制备、收集气体,如电解饱和食盐水得到的氯气是潮湿的,电解氯化钠不便于收集,同时耗费太多资源。因此在制取气体时一定要考虑是否便于
收集、反应条件、
经济性等多种因素。
确定装置
确定了反应之后,就要考虑反应装置。
考虑实验细节
实验中有一些细节是需要考虑的。如何时开始
加热,何时完成收集。这些细节可能影响到气体的纯度或者引起危险。例如:排水收集
氧气时,刚开始有气泡不能收集、导管不能伸入集气瓶太长不便于取出;排空气法
二氧化碳时要在结束时眼前用燃烧的木条检验是否集满。
进行实验
一定要检查
气密性。按照具体的步骤进行实验,实验时要小心谨慎,注意观察现象并填写实验报告。
装置
一般的连接方式是 反应装置 → (纯化装置) → 收集装置 → (后续处理)。
反应装置
对于反应装置,主要考虑:
通常有:固体液体常温装置,固体加热装置,固体液体加热装置。
纯化装置
反应时通常可能伴有
副反应或者杂质。为了防止这些杂质导致产品不纯,因此要将气体通过一些装置(洗气瓶等),去除这些杂质。通常有如下几类:
收集装置
考虑气体的密度、在某些液体的溶解度:确定收集方式。例如二氧化碳易溶于水所以不适用排水法,但可以排空气或者排油;SO3易溶于水但不易溶于煤油,因此可以排油等。
尾气处理
一些气体若进入大气会造成污染、引发人畜中毒,因此在实验时要把混有这种气体的尾气处理掉。
常见方法:
常见气体的制备
这里大体介绍一些气体的制取方法与实验装置。具体的实验要视情况而定。
氯气
制取原理:强氧化剂氧化
含氧化合物制取方程式:MnO2+4HCl(浓) =加热= MnCl2+Cl2↑+2H2O
检验:能使湿润的蓝色石蕊试纸先变红后褪色;
除杂质:先通入饱和食盐水(除HCl),再通入浓H2SO4(除
水蒸气)
收集:排饱和食盐水法或向上排气法
尾气回收:Cl2+2NaOH = NaCl+NaClO+H2O
此实验的一些注意事项:1、
盐酸一定是
浓盐酸,
稀盐酸在此条件下不与
二氧化锰反应;而实验时浓盐酸浓度逐渐降低,到达一定限度后不再反应。因此实际实验中所添加的的浓盐酸实际的量要比理论值多一些。2、要使用NaCl的饱和溶液出去
HCl气体。HCl可在NaCl的饱和溶液中溶解,但是Cl2基本不溶于NaCl的饱和溶液。3、
烧瓶加热要垫
石棉网。
氧气
制取原理:H2O2分解、KMnO4分解、KClO3在MnO2催化与加热下分解
检验:能使带火星的木条复燃;
此实验的一些注意事项:
如果使用
过氧化氢分解法制取,要注意H2O2加入MnO2中。
如果使用
长颈漏斗,要注意液封;使用加热
高锰酸钾制取氧气,要注意试管略向下倾斜,同时注意预热,最好在试管口垫棉花以免高锰酸钾进入导管。
排水法收集时注意:1、刚开始有气泡冒出是有可能是原装置中的空气,不要收集。2、导管口稍稍伸入集气瓶即可;3、水槽中的水不要加太满。
氨气
制取方程式:Ca(OH)2+2NH4Cl = CaCl2+NH3↑+2H2O
装置:略微向下倾斜的大试管,加热
检验:湿润的红色石蕊试纸,变蓝
除杂质:通入碱石灰(除水蒸气)
收集:向下排气法
此实验的一些注意事项:试管口略向下倾斜;如图1所示,收集的试管要塞一团棉花;
硫化氢
制取方程式:FeS+2HCl = FeCl2+H2S↑
除杂质:先通入饱和
NaHS溶液(除HCl),再通入固体CaCl2(或P2O5)(除水蒸气)
收集:向上排气法
此实验的一些注意事项:
硫化氢不仅气味不佳,而且有毒,可以使用反应CuSO4+H2S=CuS↓+H2SO4来除去。
二氧化硫
制取原理:稳定性强酸与不稳定性弱酸盐的复分解
制取方程式:Na2SO3+H2SO4 = Na2SO4+SO2↑+H2O
检验:先通入品红试液,褪色。后加热又恢复原红色;
除杂质:通入浓H2SO4(除水蒸气)
收集:向上排气法
氯化氢
制取原理:高沸点酸与金属氯化物的复分解
制取方程式:NaCl+H2SO4 = Na2SO4+2HCl↑
装置:分液漏斗,圆底烧瓶,加热
检验:通入AgNO
3溶液,产生白色沉淀,再加稀HNO3沉淀不溶
除杂质:通入浓硫酸(除水蒸气)
收集:向上排气法
二氧化氮、一氧化氮
制取原理:不活泼金属与
浓硝酸、
稀硝酸的氧化—还原;
制取方程式:Cu+4HNO3 = Cu(NO3)2+2NO2↑+2H2O
3Cu+8HNO3(稀) = 3Cu(NO3)2+2NO↑+4H2O
装置:分液漏斗,圆底烧瓶(或用大试管,锥形瓶)
检验:
二氧化氮:红棕色气体,通入
AgNO3溶液颜色变浅,但无沉淀生成
收集:二氧化氮:向上排气法 一氧化氮:特殊方法
尾气处理:3NO2+H2O = 2HNO3+NO NO+NO2+2NaOH = 2NaNO2+H2O
此实验的注意事项:
硝酸在不同浓度下与不活泼金属生成不同的气体。要注意浓度。制取
一氧化氮时,不要用排空气法。一氧化氮与氧气反应。
一氧化碳
制取原理:浓硫酸对有机物的脱水作用
制取方程式:HCOOH =浓硫酸、加热= CO↑+H2O
检验:燃烧,
蓝色火焰,无水珠,产生气体能使澄清石灰水变浑浊
除杂质:通入浓硫酸(除水蒸气)
甲烷
制取方程式:CH3COONa+NaOH =加热= CH4↑+Na2CO3
装置:略微向下倾斜的大试管,加热
收集:排水法或向下排空气法
乙烯
制取方程式:CH3CH2OH =浓硫酸、加热= CH2=CH2↑+H2O
除杂质:通入NaOH溶液(除SO2、CO2),通入浓硫酸(除水蒸气)
收集:排水法
此实验的注意事项:控制温度。
乙醇可以在
浓硫酸和高温的
催化发生脱水反应,随着温度的不同生成物也不同。如果温度在140℃左右生成物是
乙醚。
乙炔
制取方程式:CaC2+2H2O = Ca(OH)2+CH≡CH↑
检验:无色气体,能燃烧,产生明亮的火焰,并冒出浓的黑烟
除杂质:通入
硫酸铜溶液(除H2S、PH3),通入
浓硫酸(除水蒸气)
此实验的注意事项:不要使用
蒸馏水与电石反应,要使用饱和食盐水,避免剧烈反应引发事故。