製取氣體

製取氣體是實驗化學中基本與重要的一項技能。在部分化學反應中有氣體參與,但是氣體試劑不便於儲存,所以在進行實驗前要通過反應來生成這種氣體,隨制隨用。

基本介紹

  • 中文名:製取氣體
  • 外文名:Gas production
  • 學科:化學
  • 分類:實驗化學
  • 目的:製備純淨的氣體以便於實驗等工作
氣體製取的目的,基本步驟,確定生成氣體的反應,確定裝置,考慮實驗細節,進行實驗,裝置,反應裝置,純化裝置,收集裝置,尾氣處理,常見氣體的製備,氯氣,氧氣,氨氣,硫化氫,二氧化硫,氯化氫,二氧化氮、一氧化氮,一氧化碳,甲烷,乙烯,乙炔,

氣體製取的目的

氣體製取是實驗化學中的一項基本技能,氣體製取的目的是製備純淨的氣體以便於實驗等工作。因此製取氣體需要考慮很多因素,以便達到目的。

基本步驟

氣體製取是化學實驗的一部分,因此也需要確定方案以便實驗順利進行。

確定生成氣體的反應

通常一種氣體可能由多種反應產生,例如,對於氯氣,既可以加熱濃鹽酸二氧化錳得到,也可以電解食鹽水得到,也可以電解熔融的氯化鈉得到。但是限於實驗室的條件與實驗技術,並不是所有反應都適合實驗室製備、收集氣體,如電解飽和食鹽水得到的氯氣是潮濕的,電解氯化鈉不便於收集,同時耗費太多資源。因此在製取氣體時一定要考慮是否便於、反應條件、經濟性等多種因素。

確定裝置

確定了反應之後,就要考慮反應裝置。

考慮實驗細節

實驗中有一些細節是需要考慮的。如何時開始加熱,何時完成收集。這些細節可能影響到氣體的純度或者引起危險。例如:排水收集氧氣時,剛開始有氣泡不能收集、導管不能伸入集氣瓶太長不便於取出;排空氣法二氧化碳時要在結束時眼前用燃燒的木條檢驗是否集滿。

進行實驗

一定要檢查氣密性。按照具體的步驟進行實驗,實驗時要小心謹慎,注意觀察現象並填寫實驗報告。

裝置

一般的連線方式是 反應裝置 → (純化裝置) → 收集裝置 → (後續處理)。

反應裝置

對於反應裝置,主要考慮:
  • 反應條件:是否需要加熱。
  • 反應物的物態:是否全是固體、是否有液體。
通常有:固體液體常溫裝置,固體加熱裝置,固體液體加熱裝置。

純化裝置

反應時通常可能伴有副反應或者雜質。為了防止這些雜質導致產品不純,因此要將氣體通過一些裝置(洗氣瓶等),去除這些雜質。通常有如下幾類:
  • 生成物中有水或者加熱的藥品有結晶水,導致生成氣體中混有水蒸氣。檢驗:無水硫酸銅,遇水變藍。用H2SO4、P2O5、無水CaCl2鹼石灰等除去。部分氣體可能與濃硫酸或鹼石灰反應,要注意。
  • 濃鹽酸揮發,導致氣體中混有氯化氫。用水(溶解)或者飽和食鹽水(如果目標產物是Cl2會與水反應,因此使用飽和食鹽水)除去。
  • 裝置中殘餘的空氣。一般檢查氣密性後要反應一會在開始收集。

收集裝置

考慮氣體的密度、在某些液體的溶解度:確定收集方式。例如二氧化碳易溶於水所以不適用排水法,但可以排空氣或者排油;SO3易溶於水但不易溶於煤油,因此可以排油等。
  • 如果氣體不與空氣反應,用向上排空氣法或者向下排空氣法收集(取決於密度)。
  • 如果氣體不與水反應,用排水法反應。
  • 如果氣體不滿足上述兩項,用特殊方法收集,視情況而定。比如多功能瓶(萬能瓶)等。

尾氣處理

一些氣體若進入大氣會造成污染、引發人畜中毒,因此在實驗時要把混有這種氣體的尾氣處理掉。
常見方法:
  • 點燃。(如一氧化碳)
  • 通過與該氣體反應且無後患的試劑。(如如SO3通入氫氧化鈉溶液)
  • 氣囊收集。

常見氣體的製備

這裡大體介紹一些氣體的製取方法與實驗裝置。具體的實驗要視情況而定。

氯氣

製取原理:強氧化劑氧化含氧化合物製取方程式:MnO2+4HCl(濃) =加熱= MnCl2+Cl2↑+2H2O
製取氯氣的裝置製取氯氣的裝置
檢驗:能使濕潤的藍色石蕊試紙先變紅後褪色;
除雜質:先通入飽和食鹽水(除HCl),再通入濃H2SO4(除水蒸氣
收集:排飽和食鹽水法或向上排氣法
尾氣回收:Cl2+2NaOH = NaCl+NaClO+H2O
此實驗的一些注意事項:1、鹽酸一定是濃鹽酸稀鹽酸在此條件下不與二氧化錳反應;而實驗時濃鹽酸濃度逐漸降低,到達一定限度後不再反應。因此實際實驗中所添加的的濃鹽酸實際的量要比理論值多一些。2、要使用NaCl的飽和溶液出去HCl氣體。HCl可在NaCl的飽和溶液中溶解,但是Cl2基本不溶於NaCl的飽和溶液。3、燒瓶加熱要墊石棉網

氧氣

製取原理:H2O2分解、KMnO4分解、KClO3在MnO2催化與加熱下分解
檢驗:能使帶火星的木條復燃;
製取氣體
收集:排水法,向上排空氣法;
此實驗的一些注意事項:
如果使用過氧化氫分解法製取,要注意H2O2加入MnO2中。
如果使用長頸漏斗,要注意液封;使用加熱高錳酸鉀製取氧氣,要注意試管略向下傾斜,同時注意預熱,最好在試管口墊棉花以免高錳酸鉀進入導管;
使用加熱氯酸鉀與二氧化錳製取氧氣時注意:1、絕對不能像加熱高錳酸鉀一樣在試管口墊棉花!高錳酸鉀是強氧化劑,會與棉花反應;2、副反應有Cl2等氣體生成。3、檢查氯酸鉀的純度。
排水法收集時注意:1、剛開始有氣泡冒出是有可能是原裝置中的空氣,不要收集。2、導管口稍稍伸入集氣瓶即可;3、水槽中的水不要加太滿。

氨氣

製取原理:固體銨鹽與固體強鹼的複分解
加熱製取氨氣的裝置加熱製取氨氣的裝置
製取方程式:Ca(OH)2+2NH4Cl = CaCl2+NH3↑+2H2O
裝置:略微向下傾斜的大試管,加熱
檢驗:濕潤的紅色石蕊試紙,變藍
除雜質:通入鹼石灰(除水蒸氣)
收集:向下排氣法
此實驗的一些注意事項:試管口略向下傾斜;如圖所示,收集的試管要塞一團棉花;

硫化氫

製取原理:強酸強鹼的複分解反應
製取方程式:FeS+2HCl = FeCl2+H2S↑
檢驗:能使濕潤的醋酸鉛試紙變黑
除雜質:先通入飽和NaHS溶液(除HCl),再通入固體CaCl2(或P2O5)(除水蒸氣)
收集:向上排氣法
此實驗的一些注意事項:硫化氫不僅氣味不佳,而且有毒,可以使用反應CuSO4+H2S=CuS↓+H2SO4來除去。

二氧化硫

製取原理:穩定性強酸與不穩定性弱酸鹽的複分解
製取方程式:Na2SO3+H2SO4 = Na2SO4+SO2↑+H2O
製取氣體
檢驗:先通入品紅試液,褪色。後加熱又恢復原紅色;
除雜質:通入濃H2SO4(除水蒸氣)
收集:向上排氣法

氯化氫

製取原理:高沸點酸與金屬氯化物的複分解
製取方程式:NaCl+H2SO4 = Na2SO4+2HCl↑
裝置:分液漏斗,圓底燒瓶,加熱
檢驗:通入AgNO3溶液,產生白色沉澱,再加稀HNO3沉澱不溶
除雜質:通入濃硫酸(除水蒸氣)
收集:向上排氣法

二氧化氮、一氧化氮

製取原理:不活潑金屬與濃硝酸稀硝酸的氧化—還原;
製取方程式:Cu+4HNO3 = Cu(NO3)2+2NO2↑+2H2O
3Cu+8HNO3(稀) = 3Cu(NO3)2+2NO↑+4H2O
裝置:分液漏斗,圓底燒瓶(或用大試管,錐形瓶)
檢驗:二氧化氮:紅棕色氣體,通入AgNO3溶液顏色變淺,但無沉澱生成
一氧化氮:通入氧氣,很快生成棕紅色氣體。
收集:二氧化氮:向上排氣法 一氧化氮:特殊方法
尾氣處理:3NO2+H2O = 2HNO3+NO NO+NO2+2NaOH = 2NaNO2+H2O
此實驗的注意事項:硝酸在不同濃度下與不活潑金屬生成不同的氣體。要注意濃度。製取一氧化氮時,不要用排空氣法。一氧化氮與氧氣反應。

一氧化碳

製取原理:濃硫酸對有機物的脫水作用
製取方程式:HCOOH =濃硫酸、加熱= CO↑+H2O
檢驗:燃燒,藍色火焰,無水珠,產生氣體能使澄清石灰水變渾濁
除雜質:通入濃硫酸(除水蒸氣)
收集:排水法

甲烷

製取方程式:CH3COONa+NaOH =加熱= CH4↑+Na2CO3
裝置:略微向下傾斜的大試管,加熱
收集:排水法或向下排空氣法

乙烯

製取原理:濃硫酸對有機物的脫水作用
製取方程式:CH3CH2OH =濃硫酸、加熱= CH2=CH2↑+H2O
裝置:分液漏斗圓底燒瓶,加熱
除雜質:通入NaOH溶液(除SO2、CO2),通入濃硫酸(除水蒸氣)
收集:排水法
此實驗的注意事項:控制溫度乙醇可以在濃硫酸和高溫的催化發生脫水反應,隨著溫度的不同生成物也不同。如果溫度在140℃左右生成物是乙醚

乙炔

製取原理:電石強烈吸水作用
製取裝置製取裝置
製取方程式:CaC2+2H2O = Ca(OH)2+CH≡CH↑
裝置:分液漏斗,圓底燒瓶(或用大試管,錐形瓶)
檢驗:無色氣體,能燃燒,產生明亮的火焰,並冒出濃的黑煙
除雜質:通入硫酸銅溶液(除H2S、PH3),通入濃硫酸(除水蒸氣)
此實驗的注意事項:不要使用蒸餾水與電石反應,要使用飽和食鹽水,避免劇烈反應引發事故。

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