设计实验新热点——水浴

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  1. 热水浴
  热水浴加热有两种形式:一是直接用沸水、温水作热源加热;二是将盛水的容器(如烧杯等)放置在石棉网上,用酒精灯加热石棉网。如果实验的温度需控制在100℃以下,那么用热水浴加热。
  例1 草酸是一种重要的化工产品。实验室用硝酸氧化淀粉水解液制备草酸的装置如图所示(加热、搅拌和仪器固定装置均已略去),实验过程如下:
  [混酸][温度计][A B C][淀粉
  水解液
   水]
  a. 将一定量的淀粉水解液加入三颈瓶中
  b. 控制反应液温度在55~60℃,边搅拌边缓慢滴加一定量含有适量催化剂的混酸溶液(65%HNO3与98%H2SO4的质量比为2∶1.5)
  c. 反应3 h左右,冷却,抽滤后再重结晶得到草酸晶体
  硝酸氧化淀粉水解液过程中可发生下列反应:
  C6H12O6+12HNO3→3H2C2O4+9NO2↑+3NO↑+9H2O
  C6H12O6+8HNO3→6CO2+8NO↑+10H2O
  3H2C2O4+2HNO3→6CO2+2NO↑+4H2O
  (1)检验淀粉是否水解完全需要的试剂为 ;
  (2)实验中,若混酸滴加过快,将导致草酸产率下降,其原因是 ;
  (3)装置C用于尾气吸收,当尾气中n(NO2):n(NO)=1∶1时,过量的NaOH溶液能将NO全部吸收,原因是 (用化学方程式表示);
  (4)与用NaOH溶液吸收尾气相比较,若用淀粉水解液吸收尾气,其优缺点是 ;
  (5)草酸重结晶的过滤操作中,主要的玻璃仪器有 ;
  (6)本实验“加热”方式的优点是 ,如果拆去A处水槽,在三颈瓶底垫石棉网,直接用酒精灯加热,其缺点是 。
  解析 (1)碘水遇淀粉溶液变蓝色,I2在水中溶解度小,KI溶液中溶解度较大,一般配制KI-I2溶液代替碘水进行实验。
  (2)从反应式可以看出,滴加硝酸过快、过多,硝酸会氧化淀粉、草酸,使产率下降。所以,该实验要控制温度、滴加速率,减少副反应发生。
  (3)NO2和NO在氢氧化钠溶液中反应,属于归中反应,+4价氮和+2价氮转化成+3价氮。
  (4)NO2具有强氧化性,能被淀粉还原成NO,NO不能被淀粉溶液吸收。因此,用淀粉溶液吸收含NO、NO2的尾气,能提高硝酸的利用率,但是不能完全吸收氮的氧化物。
  (5)过滤操作需要漏斗、烧杯和玻璃棒等玻璃仪器。
  答案 (1)碘水或KI-I2 溶液 (2)由于温度过高、硝酸浓度过大,导致C6H12O6和H2C2O4进一步被氧化 (3)NO2+NO+2NaOH=2NaNO2+H2O (4)优点:提高硝酸的利用率 缺点:NOx吸收不完全 (5)玻璃棒、漏斗、烧杯 (6)用水浴加热,便于控制温度在55~60℃,使混合物均匀受热 温度不容易控制、反应物受热不均匀,副产物较多(或产率低)
  点拨 热水浴既可以加热反应物,提高化学反应速率;也可以加热沸点低于100℃的液态物质,使液体均匀挥发。中学用热水浴加热的重要实验有:(1)苯与浓硝酸、浓硫酸的混合液反应制硝基苯;(2)银镜反应实验;(3)制酚醛树脂实验;(4)乙酸乙酯水解实验。
  
  2. 冷水浴
  冷水浴指温度为常温(20℃)的水浴,一般用于冷却产物,如冷却乙醛、乙醇蒸气等。
  例2 某实验小组用下列装置进行乙醇催化氧化的实验。
  (1)实验过程中,铜网出现红色和黑色交替的现象,请写出相应的化学方程式 、 。在不断鼓入空气的情况下,熄灭酒精灯,反应仍能继续进行,说明该乙醇催化反应是 反应。
  (2)甲处和乙处两个水浴的作用不相同,甲处的作用是 ;乙处的作用是 。
  (3)反应进行一段时间后,试管a能收集到不同的物质,它们是 。集气瓶收集到的气体的主要成分是 。
  (4)若用紫色石蕊试纸检验试管a收集到的液体,试纸显红色,说明液体中还含有 。
  要除去该物质,可先在混合液中加入 (填写字母)。
  a.氯化钠溶液 b.苯
  c.碳酸氢钠溶液 d.四氯化碳
  然后再通过 (填试验操作名称)即可除去。
  解析 本题以教材实验乙醇催化氧化反应为载体创新设计和改进实验。(1)向硬质试管里鼓入空气带出乙醇蒸气,在加热条件下,铜网遇空气生成黑色氧化铜,炽热氧化铜遇还原性气体乙醇蒸气发生还原反应生成铜,反复进行,出现“红色→黑色→红色→黑色”现象。化学反应方程式为2Cu+O2[△]2CuO,CH3CH2OH+CuO[△]Cu+CH3CHO+H2O;停止加热,反应继续进行,说明该反应放热。
  (2)甲烧杯中温水,使乙醇挥发,便于参与反应;而乙烧杯中试管用于收集乙醛等物质,乙醛等物质沸点低,导出物质呈气态,通过乙烧杯中冰水冷却,使乙醛、乙醇蒸气液化。所以,甲中水用于“加热”,乙中水用于“冷却”。
  (3)乙醇蒸气不可能完全反应,一部分乙醇蒸气进入试管a,因为产物有水生成,乙醇蒸气带有水,所以,试管a中收集到乙醛、乙醇和水。氮气沸点为-198℃,在乙烧杯中冰水冷却下不会变成液态,排水法收集到氮气。
  (4)溶液变为红色,说明产物有副产品乙酸:CH3CHO+CuO[△]CH3COOH+Cu。乙酸与乙醛互溶,且沸点相近,都易挥发。所以,除去乙酸,加入碳酸氢钠,把乙酸转化成醋酸钠(离子化合物),乙醛溶于水,分离混合物中乙醛,不能用分液法,只能用蒸馏,收集得乙醛。
  答案 (1)2Cu+O2[△]2CuO CH3CH2OH+CuO[△]CH3CHO+Cu+H2O 加热
  (2)加热 冷却
  (3)乙醛 乙醇 水 氮气
  (4)乙酸 c 蒸馏
  点拨 在实验中,用热水浴可以使易挥发液体均匀挥发成蒸气;用冷水浴使沸点较高的物质液化,减少液体损失。
  3. 冰水浴
  冰水浴有两种:一种是冰水浴,其温度在0℃,冷却在0℃时呈固态或液态的物质(如三氧化硫熔点为16℃,测定二氧化硫催化氧化的转化率时,用冰水冷却气体混合物,分离出二氧化硫);另一种是在冰水混合物中加盐,使其温度低于0℃(盐能使水的凝固点低于0℃)。
  例3 为了检验Pb(NO3)2热分解的产物,有人用示意图中的装置进行实验。(图中铁架台、铁夹和加热设备均略去)。实验时在试管中放入研细的Pb(NO3)2晶体;实验结束后,试管中得到黄色粉末(PbO),U型管下部有少量液体X,集气瓶中收集到无色气体Y。
  [X][Y][黄色粉末][冰盐冷却剂]
  回答下面问题:
  (1)在装置中试管和U型管上的橡皮塞最好用锡箔包住,用橡皮管连接的两玻璃管口要相互紧靠,原因是 。
  (2)液体X可能是 ;气体Y可能是 。
  (3)导管口不再有气泡冒出时,停止反应,这时在操作上应注意 ,理由是 。
  (4)用简单的实验证实(2)中的判断:①对X的判断;②对Y的判断(要求:怎样从水槽中取出集气瓶、实验方法、现象、结论)。
  解析 在金属活动顺序表中,介于镁、铜之间的金属硝酸盐,受热分解生成金属氧化物、二氧化氮和氧气,而二氧化氮与四氧化二氮存在可逆平衡:[2NO2(g)]⇌[N2O4(g)] [ΔH<0];二氧化氮或四氧化二氮中氮呈+4价,具有强氧化性。
  答案 (1)NO2气体会损坏橡胶
  (2)N2O4(或液态的NO2) O2
  (3)先把导气管移出水面,然后熄灭火焰 防止水槽中的水反吸到U型管中
  (4)①在通风橱中取下U型管放置,观察到U型管中液体迅速消失,管中充满红棕色气体,证明X是液态N2O4 ②在水槽中,用玻璃片盖住集气瓶口,按住玻璃片,小心地把集气瓶移出水面,正放在桌上,用带火星的木条插入瓶口,木条迅速燃烧,证明Y是O2
  点拨 冷水浴和冰水浴(含冰盐水浴)其作用相似,都是降低温度,使气体液化或凝固,区别在于其冷却温度不同:冷水浴(20℃)>冰水浴(0℃)>冰盐水浴(低于0℃)。
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