化学气体制取思维导图
中心主题：化学气体的实验室制取
总体思路与原则
- 反应原理
- 选择反应速率适中、易于控制、条件简单的反应。
- 原料易得、价廉、安全。
- 生成的气体易于分离和提纯。
- 发生装置
- 固固加热型：反应物均为固体，需要加热。
- 代表气体：O₂, NH₃, CH₄
- 固液不加热型：固体与液体反应，不需要加热。
- 代表气体：H₂, CO₂, H₂S, SO₂, C₂H₂
- 固液加热型：固体与液体反应，需要加热。
- 代表气体：Cl₂, HCl, NO
- 固固加热型：反应物均为固体，需要加热。
- 收集方法
- 排水法：
- 适用：不易溶于水且不与水反应的气体。
- 代表气体：H₂, O₂, CH₄, C₂H₂, NO
- 优点：收集的气体纯度高。
- 向上排空气法：
- 适用：密度比空气大（相对分子质量 > 29）且不与空气中的成分反应的气体。
- 代表气体：O₂, CO₂, Cl₂, SO₂, HCl
- 向下排空气法：
- 适用：密度比空气小（相对分子质量 < 29）且不与空气中的成分反应的气体。
- 代表气体：H₂, NH₃, CH₄
- 排水法：
- 净化与干燥
- 净化：除去气体中的杂质。
- 除杂原则：不减少目标气体量，不引入新杂质。
- 常用方法：
- 洗气：利用气体在溶液中的溶解度或反应性差异，如：用饱和NaHCO₃溶液除CO₂中的HCl；用浓硫酸除SO₂中的HCl。
- 干燥：除去气体中的水蒸气。
- 干燥剂选择：
- 浓硫酸：酸性干燥剂，可干燥酸性气体（SO₂, CO₂, Cl₂）和中性气体（O₂, H₂），不能干燥碱性气体（NH₃）。
- 碱石灰 (CaO+NaOH)：碱性干燥剂，可干燥碱性气体（NH₃）和中性气体（H₂, O₂），不能干燥酸性气体（如CO₂, SO₂, Cl₂）。
- 无水氯化钙：中性干燥剂，干燥范围广，但不能干燥NH₃（会形成CaCl₂·8NH₃）。
- 干燥剂选择：
- 装置：洗气瓶（U型管）。
- 净化：除去气体中的杂质。
- 检验与验满
- 检验：证明所收集的气体是该物质。
- O₂：带火星的木条，复燃。
- CO₂：澄清石灰水，变浑浊。
- NH₃：湿润的红色石蕊试纸，变蓝；或蘸有浓盐酸的玻璃棒，产生白烟。
- Cl₂：湿润的淀粉碘化钾试纸，变蓝。
- 验满：证明集气瓶已集满气体。
- O₂（向上排空气法）：将带火星的木条放在瓶口，复燃。
- CO₂（向上排空气法）：将燃着的木条放在瓶口，熄灭；或用湿润的澄清石灰水放在瓶口，变浑浊。
- H₂（向下排空气法）：将燃着的木条放在瓶口，产生轻微的爆鸣声。
- Cl₂, NH₃（排空气法）：用湿润的淀粉碘化钾试纸（Cl₂）或湿润的红色石蕊试纸（NH₃）放在瓶口，变色。
- 检验：证明所收集的气体是该物质。
常见气体制备详解
| 气体 | 化学方程式 | 反应原理 | 发生装置 | 收集方法 | 净化/干燥 | 检验/验满 | 注意事项 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 氧气 (O₂) | 2KClO₃ --(MnO₂, △)--> 2KCl + 3O₂↑2KMnO₄ --(△)--> K₂MnO₄ + MnO₂ + O₂↑ |
固固加热型 | 固固加热型 | 排水法 或 向上排空气法 | 一般不需要 | 检验：带火星木条复燃。 验满（排空气）：瓶口带火星木条复燃。 |
用KMnO₄时，试管口要放一团棉花，防止KMnO₄粉末进入导管。 用KClO₃时，必须加MnO₂作催化剂。 |
| 氢气 (H₂) | Zn + H₂SO₄(稀) = ZnSO₄ + H₂↑Zn + 2HCl = ZnCl₂ + H₂↑ |
固液不加热型 | 固液不加热型 (启普发生器) | 排水法 或 向下排空气法 | 用浓硫酸或无水CaCl₂干燥 | 检验：点燃，有淡蓝色火焰，唯一产物是水。 验满（向下排空气）：瓶口点燃，有轻微爆鸣声。 |
不能用浓硫酸，因为Zn与浓硫酸反应生成SO₂。 点燃前必须验纯。 |
| 二氧化碳 (CO₂) | CaCO₃ + 2HCl = CaCl₂ + H₂O + CO₂↑ |
固液不加热型 | 固液不加热型 | 向上排空气法 | 用浓硫酸干燥 | 检验：通入澄清石灰水，变浑浊。 验满（排空气）：瓶口燃着的木条熄灭。 |
不能用H₂SO₄，因为生成CaSO₄微溶，会包裹在CaCO₃表面，使反应停止。 最好用稀盐酸，浓盐酸挥发性强，使CO₂不纯。 |
| 氯气 (Cl₂) | MnO₂ + 4HCl(浓) --(△)--> MnCl₂ + Cl₂↑ + 2H₂O2KMnO₄ + 16HCl(浓) = 2KCl + 2MnCl₂ + 5Cl₂↑ + 8H₂O |
固液加热型 | 固液加热型 | 向上排空气法 | 用浓硫酸干燥（除HCl） | 检验：湿润的淀粉碘化钾试纸，变蓝。 验满（排空气）：瓶口湿润淀粉碘化钾试纸变蓝。 |
必须用浓盐酸。 尾气用NaOH溶液吸收，防止污染。 |
| 氨气 (NH₃) | 2NH₄Cl + Ca(OH)₂ --(△)--> CaCl₂ + 2NH₃↑ + 2H₂O |
固固加热型 | 固固加热型 | 向下排空气法 | 用碱石灰干燥（不能用浓硫酸或P₂O₅） | 检验：湿润的红色石蕊试纸，变蓝。 验满（排空气）：瓶口湿润红色石蕊试纸变蓝。 |
用碱石灰干燥，不能用浓硫酸。 用湿润的红色石蕊试纸验满。 |
| 二氧化硫 (SO₂) | Na₂SO₃ + H₂SO₄(浓) = Na₂SO₄ + SO₂↑ + H₂O |
固液不加热型 | 固液不加热型 | 向上排空气法 | 用浓硫酸或P₂O₅干燥 | 检验：通入品红溶液，褪色，加热后恢复红色。 | 尾气用NaOH溶液吸收，防止污染。 |
| 氯化氢 | NaCl + H₂SO₄(浓) --(△)--> NaHSO₄ + HCl↑ |
固液加热型 | 固液加热型 | 向上排空气法 | 用浓硫酸干燥 | 检验：湿润的蓝色石蕊试纸，变红。 | 用浓硫酸，不用稀硫酸。 尾气用水吸收可制盐酸。 |
| 甲烷 (CH₄) | CH₃COONa + NaOH --(△, CaO)--> Na₂CO₃ + CH₄↑ |
固固加热型 | 固固加热型 | 排水法 或 向下排空气法 | 一般不需要 | 检验：点燃，火焰明亮，有黑烟。 | 反应条件需要CaO作催化剂。 |
| 乙烯 (C₂H₄) | CH₃CH₂OH --(浓H₂SO₄, 170℃)--> CH₂=CH₂↑ + H₂O |
液体加热分解型 | 液液加热型 (类似蒸馏) | 排水法 | 一般不需要 | 检验：通入溴水或酸性KMnO₄溶液，褪色。 | 必须用浓硫酸作催化剂和脱水剂。 温度必须控制在170℃，否则易生成乙醚。 |
| 乙炔 (C₂H₂) | CaC₂ + 2H₂O → C₂H₂↑ + Ca(OH)₂ |
固液不加热型 | 固液不加热型 (分液漏斗控制流速) | 排水法 | 一般不需要 | 检验：通入溴水或酸性KMnO₄溶液，褪色。 | 不能用启普发生器，因为反应太剧烈，会放热，产生糊状物Ca(OH)₂堵塞。 用饱和食盐水代替水，可减缓反应速率。 |
安全操作与尾气处理
- 安全操作
- 防倒吸：对于极易溶于水的气体（如HCl, NH₃），在收集或实验结束时，应先将导管从液体中移出，再熄灭酒精灯。
- 防爆炸：可燃性气体（如H₂, CH₄）在点燃前必须验纯。
- 防中毒：有毒气体（如Cl₂, SO₂, H₂S, CO）应在通风橱中进行实验，并进行尾气处理。
- 尾气处理
- 溶液吸收法：
- 碱性气体（Cl₂, SO₂, H₂S, CO₂）用NaOH溶液吸收。
- 酸性气体（NH₃）用水或酸吸收。
- 点燃法：
- 可燃性气体（如CO, H₂, CH₄）若无毒，可直接在导管口点燃。
- 收集法：
对于不溶于水且无毒的气体（如N₂），可直接用气球收集或直接排放。
- 溶液吸收法：
