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专题三：无机综合应用二（实验装置为背景）
【例题】2006年天津卷28．
晶体硅是一种重要的非金属材料，制备纯硅的主要步骤如下：
①高温下用碳还原二氧化硅制得粗硅
②粗硅与干燥HCl气体反应制得SiHCl3：Si＋3HClSiHCl3＋H2
③SiHCl3与过量H2在1000～1100℃反应制得纯硅
已知SiHCl3，能与H2O强烈反应，在空气中易自燃。
请回答下列问题：
（1）第①步制备粗硅的化学反应方程式为 。
（2）粗硅与HCl反应完全后，经冷凝得到的SiHCl3（沸点33.0℃）中含有少量SiCl4（沸点57.6℃）和HCl（沸点－84.7℃），提纯SiHCl3采用的方法为 。
（3）用SiHCl3与过量H2反应制备纯硅的装置如下（热源及夹持装置略去）：
A B C D

①装置B中的试剂是 。装置C中的烧瓶需要加热，其目的是
_______________________________________。
②反应一段时间后，装置D中观察到的现象是 ，装置D不能采用普通玻璃管的原因是 ，装置D中发生反应的化学方程式为 。
③为保证制备纯硅实验的成功，操作的关键是检查实验装置的气密性，控制好反应温度以及 。
④为鉴定产品硅中是否含微量铁单质，将试样用稀盐酸溶解，取上层清液后需再加入的试剂（填写字母代号）是 。
a．碘水 b．氯水 c．NaOH溶液 d．KSCN溶液 e．Na2SO3溶液

【分析】
本题主要考查了：反应原理（方程式的书写）、物质的分离提纯、反应条件的控制、物质（Fe）的检验。要求考生具有从信息中提取实质性的内容与已有知识进行整合重组的能力。
第（1）小题，高温下C参与的还原反应的产物是CO而非CO2，所以粗硅的制备原理是：SiO2＋2CSi＋2CO↑
第（2）小题，对沸点不同的液态混合物分离提纯的方法一般选择分馏（或蒸馏）
第（3）小题，从装置的图和题目信息可知A装置是制备氢气，但因含有H2O(g)不能直接还原SiHCl3，所以必须进行洗气干燥，所以装置B中的试剂应该是浓硫酸；而SiHCl3与H2的反应制得纯硅SiHCl3＋H2Si＋3HCl，其温度高达1000～1100℃，只能在装置D石英管中进行，因为在此反应温度下，普通玻璃会软化。显然，装置C是使液态的SiHCl3气化，并与H2充分混合。由于硅在高温下易与空气中的氧气反应，所以，实验要取得成功，操作的关键是检查实验装置的气密性，控制好反应温度以及排尽装置中的空气。
第（4）小题，微量铁单质，将试样用稀盐酸溶解后溶液中的Fe主要以Fe2+离子的形式存在，检验的方法一般是将其氧化成Fe3+用KSCN试液检验。
该装置产生的尾气主要成分是什么？处理时应注意什么？（HCl、H2；应注意降温、防倒吸以及循环利用）

答案：（1）SiO2＋2CSi＋2CO↑
（2）分馏（或蒸馏）
（3）①浓硫酸 使滴入烧瓶中的 SiHCI3 气化
②有固体物质生成 在反应温度下，普通玻璃会软化 SiHCl3＋H2Si＋3HCl
③排尽装置中的空气
④bd

【拓展】
实验装置类试题背景主要是物质的制备，与无机工艺流程题类型相似，命题的主要框架都是：原料→预处理（除杂、净化）→主反应→分离提纯→产物；区别在于：装置类试题主要以实验装置图为情景信息，而工艺流程以文字为情景信息。2008年广东卷23题便可看成是上述例题（2006年天津卷28题）的变式。
实验装置类试题主要考查以下四方面的问题：
（1）对操作原理的认识（解决实验操作的理论依据问题）
（2）对操作方法的认识（解决如何操作的问题）。
（3）对操作目的的认识（解决为何要安排这样的操作问题）。
（4）对错误操作造成后果的认识（解决为何要这样操作的问题）。
（5）实验数据处理能力
从考查的内容看，仍然会涉及基本仪器的使用、实验基本操作、物质的分离和提纯、物质的检验与鉴别、物质的制备、实验方案设计和实验安全问题等，更加突出对实验操作能力和实验设计能力的考查，而且经常以综合实验题的形式出现，同时会与元素化合物、化学概念和理论等知识有机地联系在一起。
实验装置类试题通常是有气体参加反应的装置，在复习时要特别注意以下几个知识点的落实：（1）实验装置的安全原则（内外压平衡、气流通畅）；（2）如何检查装置的气密性；（3）倒吸形成的原因和防止倒吸的措施；（4）尾气处理的方法。
例如：2009年广东卷19改
某试验小组利用如下装置(部分固定装置略)制备氮化钙(Ca3N2)，并探究其实验式。

思考：装置的每一部分是什么作用？
（1）按图连接好实验装置。检查装置的气密性，方法是
_____________________________________________________________
________________________________________________________________________。
（2）反应过程中末端导管必须插入试管A的水中，目的是 ________________
________________________________________________________________________。
（3）制备氮化钙的操作步骤是：①打开活塞K并通入N2；②点燃酒精灯，进行反应；③反应结束后， ______________________________________________________ ；④拆除装置，取出产物。
（4）数据记录如下：
空瓷舟质量 m0 /g
瓷舟与钙的质量 m1 /g
瓷舟与产物的质量 m2 /g
14．80
15．08
15．15
①计算得到实验式CaxN2,其中x= 。
②若通入的N2中混有少量O2，请比较x与3的大小：_______________。

答案：
（1）关闭活塞K，微热反应管，试管A中有气泡冒出，停止加热，冷却后若末端导管中水柱上升且高度保持不变，则说明装置的气密性良好。
（2）防止反应过程中空气进入反应管；便于观察N2流速。
（3）熄灭酒精灯，待反应管冷却至室温，停止通N2并关闭活塞K。
（4）①2.8 ②x<3

【练习】
1．某校化学小组学生利用下图所列装置进行“铁与水反应”的实验，并利用产物进一步
制取FeCl3·6H2O晶体。（图中夹持及尾气处理装置均已略去）

⑴ 装置B中发生反应的化学方程式是_______________________________________。
⑵ 装置E中的现象是_____________________________________________________。
⑶ 停止反应，待B管冷却后，取其中的固体，加入过量稀盐酸充分反应，过滤。
简述检验滤液中Fe3+的操作方法_________________________________________
______________________________________________________________________。
⑷ 该小组学生利用上述滤液制取FeCl3·6H2O晶体，设计流程如下：

① 步骤I中通入Cl2的作用是______________________________________________。
② 步骤II从FeCl3稀溶液中得到FeCl3·6H2O晶体的主要操作包括：
_____________________________________________________________________。
③ 该流程中需保持盐酸过量，主要原因是（结合离子方程式简要说明）
_____________________________________________________________________。

2．（2010上海卷26改）CaCO3广泛存在于自然界，是一种重要的化工原料。大理石主要成分为CaCO3，另外有少量的含硫化合物。实验室用大理石和稀盐酸反应制备CO2气体。下列装置可用于CO2气体的提纯和干燥。

完成下列填空：
（1）用浓盐酸配制1:1（体积比）的稀盐酸（约6 mol·L-1），需要的玻璃仪器有
___________________________________。
（2）上述装置中，A是 溶液，其作用是 。
（3）上述装置中，B物质是 。
（4）一次性饭盒中石蜡和CaCO3在食物中的溶出量是评价饭盒质量的指标之一，测定溶出量的主要实验步骤设计如下：
剪碎、称重→浸泡溶解→过滤→残渣烘干→冷却、称重→恒重
①从物质分类的角度分析，石蜡属于有机物中的 类，为了将石蜡从饭盒中溶出，应选用下列试剂中的 。
a．氯化钠溶液 b．稀醋酸 c．稀硫酸 d 正已烷
②饭盒中的碳酸钙常用稀醋酸将其溶出，试写出其反应的离子方程式
。

3．（2009理综全国卷II 28改）已知氨可以与灼热的氧化铜反应得到氮气和金属铜，用示意图中的装置可以实现和验证该反应。

回答下列问题：
（1）试写出氨与灼热的氧化铜反应的化学方程式 。
（2）A中加入的物质是 ，B中加入的物质的作用是 。
（3）实验时在C中观察到得现象是 。
（4）实验时冰水的作用是 。检验实验后试管D中物质的方法和现象是_________________________________
________________________________________。试管E中收集到的气体是 。

4．（2010福建卷25改）工业上常用铁质容器盛装冷浓酸。为研究铁质材料与热浓硫酸的反应，某学习小组进行了以下探究活动：
（1）将已去除表面氧化物的铁钉（碳素钢）放入冷浓硫酸中，10分钟后移入硫酸铜溶液中，片刻后取出观察，铁钉表面无明显变化，其原因是 。
（2）另称取铁钉6.0g放入15.0mL浓硫酸中，加热，充分应后得到溶液X并收集到气体Y。
甲同学认为X中除Fe3+外还可能含有Fe2+。若要确认其中存在Fe2+，需要进行的实验操作、现象和结论是
______________________________________________________________________。
乙同学认为气体Y中除含有SO2、H2外，还可能含有CO2气体。为此设计了下列探究实验装置（图中夹持仪器省略）。
①认为气体Y中还含有CO2的理由是
（用化学方程式表示）。]
②装置A中试剂的作用是 。
③为确认CO2的存在，需在装置中添加M于 （选填序号）。
a．A之前 b．A-B间 c．B-C间 d．C-D间
④能说明气体Y中含有H2的实验现象是 。
5．（2008年天津卷10）
Ⅰ．化学实验室制取氯化氢气体的方法之一是将浓硫酸滴入浓盐酸中。请从下图中挑选所需仪器，在方框内画出用该方法制备、收集干燥氯化氢气体的装置简图，并在图中标明所用试剂。（仪器可重复使用，固定装置不必画出）
试管
圆底烧瓶
集气瓶
烧杯
普通漏斗
量筒
分液漏斗
长颈漏斗
导管
橡胶塞
胶皮管

Ⅱ．实验室制备少量硫酸亚铁晶体的实验步骤如下：取过量洁净的铁屑，加入20%－30%的稀硫酸溶液，在50℃－80℃水浴中加热至不再产生气泡。将溶液趁热过滤，滤液移至试管中，用橡胶塞塞紧试管口，静置、冷却一段时间后收集产品。
（1）写出该实验制备硫酸亚铁的化学方程式： 。
（2）硫酸溶液过稀会导致 。
（3）采用水浴加热的优点是 。
（4）反应时铁屑过量的目的是（用离子方程式表示） 。
（5）溶液须趁热过滤的原因是 。
　　 塞紧试管口的目的是 。
（6）静置冷却一段时间后，在试管中观察到的现象是 。
6．（2010年江苏卷15改）高纯MnCO3是制备高性能磁性材料的主要原料。实验室以MnO2为原料制备少量高纯MnCO3的操作步骤如下：
I、制备MnSO4溶液：
在烧瓶中（装置见右图）加入一定量MnO2和水，搅拌，通入SO2和N2混合气体，反应3h。停止通入SO2，继续反应片刻，过滤。
（1）烧瓶中进行反应的化学方程式为

（2）烧杯中石灰乳的作用是 。
（3）反应过程中，为使SO2尽可能转化完全，可采取的合理措施有
________________________________________________________（写2条即可）。
（4）若实验中将N2换成空气，可能出现的问题是 。
II、制备高纯MnCO3固体：
往制得的MnSO4溶液边搅拌边加入Na2CO3，并控制溶液PH<7.7，充分反应后过滤，用少量水洗涤2~3次，再用少量C2H5OH洗涤后，低于100℃干燥即得高纯MnCO3固体。
（5）检验MnCO3固体是否洗涤干净的操作、可能的现象和结论是：

（6）MnCO3固体需要在低于100℃干燥的原因可能是 。

【答案】
1．⑴ 3Fe + 4H2O Fe3O4 + 4H2↑
⑵ 黑色固体变红，右端管壁有水珠
⑶ 取少量滤液，滴入几滴KSCN溶液，观察溶液是否变红色
⑷ ① 将Fe2+氧化成Fe3+
② 加热浓缩、冷却结晶、过滤
③ Fe3++ 3H2O Fe(OH)3 + 3H+，过量盐酸抑制FeCl3水解
2．（1）烧杯、玻璃棒、量筒；
（2）NaHCO3；吸收HCl气体或吸收酸性气体；
（3）无水CaCl2 或硅胶或P2O5固体；
（4）①烃 d（提示：石蜡属于有机物，易溶于有机溶剂）
② CaCO3+2CH3COOH=2CH3COO－+Ca2++H2O+CO2↑
3．（1）2NH3＋3CuON2＋3H2O＋3Cu。
（2）固体NH4Cl和Ca(OH)2；除去NH3流中的水蒸气。
（3）黑色粉末部分逐渐变为红色；
（4）使生成的水蒸气冷却并吸收过量的氨气。
用红色石蕊试纸检验，试纸变蓝；用无水硫酸铜检验，无水硫酸铜变蓝。
氮气。
4．（1）铁钉表面被钝化（或其他合理答案）
（2）取少量溶液X于试管中，滴入几滴酸性高锰酸钾溶液，若高锰酸钾溶液的紫色褪去，则说明溶液中含有Fe2+
①C+2H2SO4（浓） CO2↑+2SO2↑+2H2O ②除去混合气体中的SO2
③c ④D中固体由黑变红和E中固体由白变蓝

5．Ⅰ．
Ⅱ．（1）Fe+H2SO4（稀）FeSO4+H2↑ ；（2）反应速率慢 不利于晶体析出
（3）水浴加热受热均匀，温度容易控制。
（4）Fe3++2Fe＝3Fe2+ ；
（5）减少FeSO4的损失 ； 防止空气进入试管将Fe2+氧化为Fe3+
（6）有浅绿色晶体析出
6．（1）MnO2+SO2=MnSO4或
（2）吸收多余的SO2，防止污染大气。
（3）控制适当的温度、缓慢通入混合气体（或其它合理答案均可）
（4）空气中的O2氧化H2SO3生成H2SO4，降低SO2的利用率。
（5）取少量最后一次的洗涤液于试管中，加入过量硝酸酸化后，滴入几滴BaCl2溶液，若产生白色沉淀，则MnCO3固体未洗涤干净，若不产生白色沉淀，则MnCO3固体已经洗涤干净。（凡合理答案均可）
（6）高于100℃时MnCO3可能会受热发生分解反应。（提示：不溶性碳酸盐受热均易分解）