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2021届高考化学二轮复习 课时作业12 化学综合实验设计与评价新人教版

2021届高考化学二轮复习 课时作业12 化学综合实验设计与评价新人教版

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化学综合实验设计与评价
1．(2020·济南模拟)亚硝酰氯(ClNO)是有机物合成中的重要试剂，其沸点为－5.5 ℃，易水解。已知：AgNO2微溶于水，能溶于硝酸，AgNO2＋HNO3═══AgNO3＋HNO2，某学习小组在实验室用Cl2和NO制备ClNO并测定其纯度，相关实验装置如图所示。

(1)制备Cl2的发生装置可以选用__A(或B)__(填字母代号)装置，发生反应的离子方程式为__MnO2＋4H＋＋2Cl－Mn2＋＋Cl2↑＋2H2O(或2MnO＋10Cl－＋16H＋═══2Mn2＋＋5Cl2↑＋8H2O)__。
(2)欲收集一瓶干燥的氯气，选择合适的装置，其连接顺序为a→__f→g→c→b→d→e→j→h__(按气流方向，用小写字母表示)。
(3)实验室可用图示装置制备亚硝酰氯：

①实验室也可用B装置制备NO，X装置的优点为__随开随用，随关随停__。
②检验装置气密性并装入药品，打开K2，然后再打开K3，通入一段时间气体，其目的是__排干净三颈烧瓶中的空气__，然后进行其他操作，当Z中有一定量液体生成时，停止实验。
(4)已知：ClNO与H2O反应生成HNO2和HCl。
①设计实验证明HNO2是弱酸：__用玻璃棒蘸取NaNO2溶液，点在红色石蕊试纸中央，若试纸变蓝，说明HNO2是弱酸__。(仅提供的试剂：1 mol·L－1盐酸、1 mol·L－1 HNO2溶液、NaNO2溶液、红色石蕊试纸、蓝色石蕊试纸)。
②通过以下实验测定ClNO样品的纯度。取Z中所得液体m g溶于水，配制成250 mL溶液；取出25.00 mL样品溶于锥形瓶中，以K2CrO4溶液为指示剂，用c mol·L－1 AgNO3标准溶液滴定至终点，消耗标准溶液的体积为20.00 mL。滴定终点的现象是__滴入最后一滴标准液，生成砖红色沉淀，且半分钟内无变化__，亚硝酰氯(ClNO)的质量分数为__%__。[已知：Ag2CrO4为砖红色固体；Ksp(AgCl)＝1.56×10－10，Ksp(Ag2CrO4)＝1×10－12]
【解析】　(1)可以用二氧化锰和浓盐酸加热制备氯气，发生装置属于固液加热型的，反应的化学方程式为MnO2＋4HCl(浓)MnCl2＋Cl2↑＋2H2O，离子方程式为：MnO2＋4H＋＋2Cl－Mn2＋＋Cl2↑＋2H2O，(或用KMnO4与浓盐酸常温下制备Cl2，发生装置属于固液不加热型，反应的离子方程式为2MnO＋10Cl－＋16H＋═══2Mn2＋＋5Cl2↑＋8H2O)。(2)制得的氯气中会混有水蒸气和氯化氢，用饱和食盐水除氯化氢，浓硫酸吸收水分，用向上排空气法收集氯气，最后进行尾气处理，故其连接顺序为f→g→c→b→d→e→j→h。(3)①实验室也可用B装置制备NO，X装置的优点为随开随用，随关随停。②检验装置气密性并装入药品，打开K2，然后再打开K3，通入一段时间气体，其目的是把三颈烧瓶中的空气排尽，防止NO被空气中的氧气氧化；(4)①要证明HNO2是弱酸可证明HNO2中存在电离平衡或证明NaNO2能发生水解，根据题目提供的试剂，应证明NaNO2溶液呈碱性；故设计的实验方案为：用玻璃棒蘸取NaNO2溶液，点在红色石蕊试纸中央，若试纸变蓝，说明HNO2是弱酸。②以K2CrO4溶液为指示剂，用c mol·L－1AgNO3标准溶液滴定至终点，滴定终点的现象是：滴入最后一滴标准液，生成砖红色沉淀，且半分钟内无变化；取Z中所得液体m g溶于水，配制成250 mL溶液；取出25.00 mL中满足：n(ClNO)＝n(Cl－)＝n(Ag＋)＝c×0.02 L＝0.02 c mol，则250 mL溶液中n(ClNO)＝0.2c mol，m(ClNO)＝n×M＝0.2c mol×65.5 g/mol＝13.1c g，亚硝酰氯(ClNO)的质量分数为(13.1c g÷m g)×100%＝%。
2．(2020·江苏高考·22)羟基乙酸钠易溶于热水，微溶于冷水，不溶于醇、醚等有机溶剂。制备少量羟基乙酸钠的反应为ClCH2COOH＋2NaOH―→HOCH2COONa＋NaCl＋H2O　ΔH<0
实验步骤如下：

步骤1：如图所示装置的反应瓶中，加入40 g氯乙酸、50 mL水，搅拌。逐步加入40% NaOH溶液，在95 ℃继续搅拌反应2小时，反应过程中控制pH约为9。
步骤2：蒸出部分水至液面有薄膜，加少量热水，趁热过滤。滤液冷却至15 ℃，过滤得粗产品。
步骤3：粗产品溶解于适量热水中，加活性炭脱色，分离掉活性炭。
步骤4：将去除活性炭后的溶液加到适量乙醇中，冷却至15 ℃以下，结晶、过滤、干燥，得羟基乙酸钠。
(1)步骤1中，如图所示的装置中仪器A的名称是__(回流)球形冷凝管__；逐步加入NaOH溶液的目的是__防止升温太快、控制反应体系pH__。
(2)步骤2中，蒸馏烧瓶中加入沸石或碎瓷片的目的是__防止暴沸__。
(3)步骤3中，粗产品溶解于过量水会导致产率__减小__(填“增大”或“减小”)；去除活性炭的操作名称是__趁热过滤__。
(4)步骤4中，将去除活性炭后的溶液加到适量乙醇中的目的是__提高羟基乙酸钠的析出量(产率)__。
【解析】　(1)根据图中仪器得出仪器A的名称为球形冷凝管，根据题中信息可知制备羟基乙酸钠的反应为放热反应，逐步加入NaOH溶液的目的是防止升温太快，同时控制反应体系的pH。(2)步骤2中烧瓶中加入沸石或碎瓷片的目的是防止暴沸。(3)粗产品溶于过量水，导致在水中溶解过多，得到的产物减少，因此导致产率减小；由于产品易溶于热水，微溶于冷水，因此去除活性炭的操作名称是趁热过滤。(4)根据信息，产品不溶于乙醇、乙醚等有机溶剂中，因此步骤4中，将去除活性炭后的溶液加到适量乙醇中的目的是降低产品的溶解度，提高羟基乙酸钠的析出量(产量)。
3．(2020·山东省实验中学模拟)高碘酸钾(KIO4)溶于热水，微溶于冷水和氢氧化钾溶液，可用作有机物的氧化剂。制备高碘酸钾的装置图如下(夹持和加热装置省略)。回答下列问题：

(1)装置Ⅰ中仪器甲的名称是__圆底烧瓶__。
(2)装置Ⅰ中浓盐酸与KMnO4混合后发生反应的离子方程式是__16H＋＋10Cl－＋2MnO═══2Mn2＋＋8H2O＋5Cl2↑__。
(3)装置Ⅱ中的试剂X是__NaOH溶液__。
(4)装置Ⅲ中搅拌的目的是__使反应混合物混合均匀，反应更充分__。
(5)上述装置按气流由左至右各接口顺序为__aefcdb__(用字母表示)。
(6)装置连接好后，将装置Ⅲ水浴加热，通入氯气一段时间，冷却析岀高碘酸钾晶体，经过滤，洗涤，干燥等步骤得到产品。
①写出装置Ⅲ中发生反应的化学方程式：__2KOH＋KIO3＋Cl2KIO4＋2KCl＋H2O__。
②洗涤时，与选用热水相比，选用冷水洗涤晶体的优点是__降低KIO4的溶解度，减少晶体损失__。
③上述制备的产品中含少量的KIO3，其他杂质忽略，现称取a g该产品配制成溶液，然后加入稍过量的用醋酸酸化的KI溶液，充分反应后，加入几滴淀粉溶液，然后用1.0 mol·L－1 Na2S2O3标准溶液滴定至终点，消耗标准溶液的平均体积为b L。
已知：KIO3＋5KI＋6CH3COOH═══3I2＋6CH3COOK＋3H2O
KIO4＋7KI＋8CH3COOH═══4I2＋8CH3COOK＋4H2O
I2＋2Na2S2O3═══2NaI＋Na2S4O6
则该产品中KIO4的百分含量是__×100%__[Mr(KIO3)＝214，Mr(KIO4)＝230，列出计算式]。
【解析】　(1)根据装置I中仪器甲的构造，该仪器的名称是圆底烧瓶；(2)浓盐酸与KMnO4反应生成氯化钾、氯化锰、氯气和水，根据得失电子守恒及电荷守恒和原子守恒写出离子方程式是2MnO＋10Cl－＋16H＋═══2Mn2＋＋5Cl2↑＋8H2O；(3)装置Ⅱ是氯气的尾气吸收装置，所用的试剂X应是NaOH溶液；(4)装置Ⅲ为KIO4的制备反应发生装置，用氯气和NaOH的KIO3溶液反应，搅拌的目的是使反应混合物混合均匀，反应更充分；(5)据以上分析，装置的连接顺序为Ⅰ→Ⅳ→Ⅲ→Ⅱ，所以各接口顺序为aefcdb；(6)①装置Ⅲ为KIO4的制备反应发生装置，氯气将KIO3氧化为KIO4，本身被还原为KCl，化学方程式为2KOH＋KIO3＋Cl2KIO4＋2KCl＋H2O；②根据题给信息，高碘酸钾(KIO4)溶于热水，微溶于冷水和氢氧化钾溶液，所以，与选用热水相比，选用冷水洗涤晶体的优点是降低KIO4的溶解度，减少晶体损失；③设a g产品中含有KIO3和KIO4的物质的量分别为x、y，则根据反应关系：KIO3～～～3I2，KIO4～～～4I2，I2～～～2Na2S2O3，①214x＋230y＝a，②3x＋4y＝0.5b，联立①、②，解得y＝ mol，则该产品中KIO4的百分含量是×100%＝×100%。
4．(2020·合肥模拟)间硝基苯胺是一种重要的有机合成中间体，它是一种黄色针状晶体，微溶于冷水，在水中的溶解度随温度升高而增大，易溶于乙醇、乙醚、甲醇等。实验室制备间硝基苯胺的反应原理及装置如下(夹持及加热装置略去)：

实验步骤：
①硫氢化钠溶液的制备。将0.05 mol Na2S·9H2O溶于25 mL水中，分批加入4.2 g NaHCO3粉末，完全溶解后，慢慢加入30 mL甲醇，冰水浴冷却，立即析出一水合碳酸钠。静置，抽滤，滤渣用15 mL甲醇分三次洗涤，合并滤液和洗涤液备用。
②间硝基苯胺的制备。在A中将0.03 mol间二硝基苯溶于40 mL热甲醇中，装上B，从B的顶端加入上述硫氢化钠溶液，水浴加热回流20 min。冷却至室温后，改为蒸馏装置，蒸出大部分甲醇，将残液倾入150 mL冷水中，立即析出间硝基苯胺粗品，抽滤，洗涤，重结晶，脱色后，得黄色的间硝基苯胺针状晶体2.4 g。回答下列问题：
(1)仪器B的名称是__球形冷凝管__，使用时要从__a__(填“a”或“b”)口通入冷水；滴液漏斗的细支管c的作用是__平衡滴液漏斗与烧瓶内的气压，使液体能够顺利滴下__。
(2)写出步骤①中总反应的离子方程式：__S2－＋H2O＋2Na＋＋HCO═══HS－＋Na2CO3·H2O↓__。
(3)步骤①中合并洗涤液的目的是__NaHS能溶于甲醇，减少NaHS的损失__。
(4)步骤②中制备装置改为蒸馏装置，需增加的仪器除了蒸馏头、温度计、尾接管之外，还有__直形冷凝管__、__锥形瓶__。
(5)步骤②中蒸出大部分甲醇的目的是__间硝基苯胺易溶于甲醇，蒸出甲醇有利于间硝基苯胺结晶析出__。
(6)步骤②中洗涤粗品使用的洗涤剂为__冷水__；粗品脱色使用的脱色剂可以是__活性炭__。
(7)本实验的产率为__58%__[保留2位有效数字；Mr(间硝基苯胺)＝138]。
【解析】　(1)根据图中得到B的名称是球形冷凝管，冷凝管水流是“下进上出”，因此使用时要从a口通入冷水；滴液漏斗的细支管c的作用是平衡滴液漏斗与烧瓶内的气压，使液体能够顺利滴下。(2)步骤①中总反应是Na2S＋NaHCO3＋H2O═══NaHS＋Na2CO3·H2O↓，其离子方程式：S2－＋H2O＋2Na＋＋HCO═══HS－＋Na2CO3·H2O↓。(3)NaHS能溶于甲醇，洗涤液中也有NaHS，因此步骤①中合并洗涤液的目的是NaHS能溶于甲醇，减少NaHS的损失。(4)步骤②中制备装置改为蒸馏装置，需增加的仪器除了蒸馏头、温度计、尾接管之外，还有冷凝气体的直形冷凝管和接受液体的锥形瓶。(5)根据题中信息间硝基苯胺是黄色针状晶体，微溶于冷水，在水中的溶解度随温度升高而增大，易溶于甲醇等，因此步骤②中蒸出大部分甲醇的目的是间硝基苯胺易溶于甲醇，蒸出甲醇有利于间硝基苯胺结晶析出。(6)根据题中信息间硝基苯胺是黄色针状晶体，微溶于冷水，在水中的溶解度随温度升高而增大，因此步骤②中洗涤粗品使用的洗涤剂为冷水；粗品脱色使用的脱色剂可以是活性炭。(7)0.05 mol Na2S·9H2O溶于25 mL水中，分批加入4.2 g NaHCO3即物质的量为0.05 mol，两者反应生成0.05 mol NaHS，与0.03 mol间二硝基苯反应，根据反应方程式0.05 mol NaHS过量，按照间二硝基苯计算得到间硝基苯胺物质的量为0.03 mol，因此本实验的产率为ω＝×100%＝58%。
5．(2020·青岛模拟)甘氨酸亚铁[(NH2CH2COO)2Fe]是一种补铁强化剂。实验室利用FeCO3与甘氨酸(NH2CH2COOH)制备甘氨酸亚铁，实验装置如下图所示(夹持和加热仪器已省略)。

查阅资料：
①甘氨酸易溶于水，微溶于乙醇；甘氨酸亚铁易溶于水，难溶于乙醇。
②柠檬酸易溶于水和乙醇，具有较强的还原性和酸性。
实验过程：
Ⅰ.装置C中盛有17.4 g FeCO3和200 mL 1.0 mol·L－1甘氨酸溶液。实验时，先打开仪器a的活塞，待装置c中空气排净后，加热并不断搅拌；然后向三颈瓶中滴加柠檬酸溶液。
Ⅱ.反应结束后过滤，将滤液进行蒸发浓缩；加入无水乙醇，过滤、洗涤并干燥。
(1)仪器a的名称是__分液漏斗__；与a相比，仪器b的优点是__平衡压强、便于液体顺利流下__。
(2)装置B中盛有的试剂是：__饱和NaHCO3溶液__；装置D的作用是__检验装置内空气是否排净，防止空气进入装置C中__。
(3)向FeSO4溶液中加入NH4HCO3溶液可制得FeCO3，该反应的离子方程式为__Fe2＋＋2HCO═══FeCO3↓＋CO2↑＋H2O__。
(4)过程Ⅰ加入柠檬酸促进FeCO3溶解并调节溶液pH，溶液pH与甘氨酸亚铁产率的关系如图所示。

①pH过低或过高均导致产率下降，其原因是__pH过低，H＋与NH2CH2COOH反应生成NHCH2COOH；pH过高，Fe2＋与OH－反应生成Fe(OH)2沉淀__；
②柠檬酸的作用还有__防止Fe2＋被氧化__。
(5)过程Ⅱ中加入无水乙醇的目的是__降低甘氨酸亚铁的溶解度，使其结晶析出__。
(6)本实验制得15.3 g甘氨酸亚铁，则其产率是__75__%。
【解析】　(1)根据仪器的结构可知仪器a的名称分液漏斗；仪器b可平衡液面和容器内的压强，便于液体顺利流下；(2)装置B的作用是除去CO2中混有的HCl，则装置B中盛有的试剂为饱和NaHCO3溶液；当装置内空气全部排净后，多余的CO2气体排出遇澄清的石灰水变浑浊，则装置D的作用是检验装置内空气是否排净，防止空气进入装置C中；(3)向FeSO4溶液中加入NH4HCO3溶液可制得FeCO3，同时应有CO2气体生成，发生反应的离子方程式为Fe2＋＋2HCO═══FeCO3↓＋CO2↑＋H2O；(4)①过程Ⅰ加入柠檬酸促进FeCO3溶解并调节溶液pH，当pH过低即酸性较强时，甘氨酸会与H＋反应生成NHCH2COOH；当pH过高即溶液中OH－较大时，Fe2＋与OH－反应生成Fe(OH)2沉淀，故pH过低或过高均会导致产率下降；②柠檬酸的还原性比Fe2＋还原性强，更易被空气中氧气氧化，则滴加柠檬酸可防止Fe2＋被氧化；(5)甘氨酸亚铁易溶于水，难溶于乙醇，则过程II中加入无水乙醇可降低甘氨酸亚铁的溶解度，使其结晶析出；(6)17.4 g FeCO3的物质的量为＝0.15 mol，200 mL甘氨酸溶液中甘氨酸的物质的量为0.2 L×1.0 mol·L－1＝0.2 mol，理论上生成0.1 mol的甘氨酸亚铁，理论上可产生甘氨酸亚铁：204 g·mol－1×0.1 mol＝20.4 g，产率是×100%＝75%。
6．(2020·福州模拟)保险粉(Na2S2O4)广泛应用于造纸、印染、环保、医药等行业。该物质具有强还原性，在空气中易被氧化，受热易分解，在碱性条件下比较稳定，易溶于水、不溶于乙醇。保险粉可以通过NaHSO3与NaBH4反应制取。请按要求回答下列问题：
Ⅰ.NaHSO3溶液的制备

(1)上图仪器a的名称__三颈烧瓶__；装置C中反应后溶液pH＝4.1，则发生反应的化学方程式为__2SO2＋Na2CO3＋H2O═══2NaHSO3＋CO2__。
Ⅱ.保险粉的制备
打开下图(部分装置已省略)中活塞K1通入氮气，一段时间后，关闭K1，打开恒压滴液漏斗活塞向装置E中滴入碱性NaBH4溶液，在30～40 ℃下充分反应。向反应后的溶液中加入乙醇，经冷却结晶、过滤得到Na2S2O4·2H2O晶体，再用乙醇洗涤、真空烘干脱去晶体结晶水得到保险粉。

(2)反应产物中有NaBO2，无气体。写出E中发生反应的化学方程式__NaBH4＋8NaHSO3NaBO2＋4Na2S2O4＋6H2O__。
(3)通入氮气的作用是__将装置E中空气赶出，防止NaHSO3(或Na2S2O4)被氧化__。
(4)使用乙醇洗涤Na2S2O4·2H2O晶体的优点：__减少保险粉的溶解损失(并有利于干燥)__。
(5)对装置E的加热方式最好采用__水浴加热__。
Ⅲ.保险粉的纯度测定
(6)称取2.0 g Na2S2O4样品溶于冷水配成200 mL溶液，取出25.00 mL该溶液于锥形瓶中，用0.10 mol/L碱性K3[Fe(CN)6]标准溶液滴定，原理为：4[Fe(CN)6]3－＋2S2O＋8OH－＝4[Fe(CN)6]4－＋4SO＋4H2O，用亚甲基蓝为指示剂，达到滴定终点时消耗标准溶液24.00 mL，则样品中Na2S2O4的质量分数为__83.5%__(杂质不参与反应)(计算结果精确至0.1%)。
【解析】　(1)根据上图仪器a的结构可知a仪器的名称是三颈烧瓶；A装置产生的SO2气体在C中与容器中的Na2CO3发生反应，反应后溶液pH＝4.1<7，溶液显酸性，说明得到的是NaHSO3，则发生反应的化学方程式为2SO2＋Na2CO3＋H2O═══2NaHSO3＋CO2；(2)在装置E中，NaHSO3与由恒压滴液漏斗中加入的NaBH4发生反应产生NaBO2、Na2S2O4及水，根据电子守恒、原子守恒，可得E中发生反应的化学方程式为：NaBH4＋8NaHSO3NaBO2＋4Na2S2O4＋6H2O；(3)装置内的空气中含有的氧气具有氧化性，容易将反应物NaHSO3氧化，也容易将反应产生的Na2S2O4氧化，所以为防止发生氧化反应，要先通入N2，将装置内的空气排出，因此通入氮气的作用是将装置E中空气赶出，防止NaHSO3(或Na2S2O4)被氧化；(4)从溶液中析出的Na2S2O4·2H2O晶体表面有杂质离子，为将杂质洗去，同时降低物质由于洗涤溶解晶体造成的损失，同时便于晶体的干燥，要使用乙醇洗涤Na2S2O4·2H2O；(5)在装置E中发生反应NaBH4＋8NaHSO3NaBO2＋4Na2S2O4＋6H2O，温度在30～40 ℃下进行，温度低于水的沸点100 ℃，为便于控制温度及水浴加热具有受热均匀的特点，可采用水浴加热的方式；(6)根据4[Fe(CN)6]3－＋2S2O＋8OH－＝4[Fe(CN)6]4－＋4SO＋4H2O可知n(Na2S2O4)＝n(K3[Fe(CN)6])＝×0.10 mol/L×0.024 L×＝9.6×10－3mol，m(Na2S2O4)＝n(Na2S2O4)×M＝9.6×10－3 mol×174 g/mol＝1.670 4 g，则样品中Na2S2O4的质量分数为(1.670 4 g÷2.0 g)×100%＝83.5%。