跟踪检测（六十二）大题考法（3）——物质制备型综合实验1．(2021·黄冈调研)氮化镓(GaN)被称为第三代半导体材料，其应用已经取得了突破性的进展。已知：(ⅰ)氮化镓性质稳定，不与水、酸反应，只在加热时溶于浓碱。(ⅱ)NiCl2溶液在加热时，先转化为Ni(OH)2，后分解为NiO。(ⅲ)制备氮化镓的反应为2Ga＋2NH32GaN＋3H2。某学校化学兴趣小组实验室制备氮化镓，设计实验装置如图所示。设计实验步骤如下：①滴加几滴NiCl2溶液润湿金属镓粉末，置于反应器内。②先通入一段时间的H2，再加热。③停止通氢气，改通入氨气，继续加热一段时间。④停止加热，继续通入氨气，直至冷却。⑤将反应器内的固体转移到盛有盐酸的烧杯中，充分反应后过滤、洗涤、干燥。(1)仪器X中的试剂是____________，仪器Y的名称是__________。(2)该套装置中存在的一处明显的错误是___________________________________。(3)步骤①中选择NiCl2溶液，不选择氧化镍的原因是____。a．增大接触面积，加快化学反应速率b．使镍能均匀附着在镓粉的表面，提高催化效率c．为了能更好形成原电池，加快反应速率(4)步骤③中制备氮化镓，则判断该反应接近完成时，观察到的现象是________________________________________________________________________。(5)请写出步骤⑤中检验产品氮化镓固体洗涤干净的操作：________________________________________________________________________。(6)镓元素与铝同族，其性质与铝类似，请写出氮化镓溶于热的浓NaOH溶液的离子方程式：________________________________________________________________________。解析：(1)根据题中信息可知，装置A制取氢气，装置C制取氨气，液体与固体作用且不需要加热的条件下制氨气，则仪器X中的试剂是浓氨水。(2)过量的氨气进入装置F与稀硫酸反应，则装置F中会产生倒吸。(3)NiCl2溶液在加热时，先转化为Ni(OH)2，后分解为NiO，可增大接触面积，加快Ga与NiO制取催化剂Ni的化学反应速率；生成的镍能均匀附着在镓粉的表面，提高催化效率。 (4)步骤③中制备氮化镓，发生的反应为2Ga＋2NH32GaN＋3H2，过量的氨气被硫酸迅速吸收，氢气不溶于水，会产生气泡，故反应接近完成时，可观察到装置F中几乎不再产生气泡。(6)可以理解成GaN与水反应生成Ga(OH)3和NH3，虽然很难，但在热的浓NaOH溶液的环境下，NaOH与Ga(OH)3反应生成GaO，促进了反应的进行。答案：(1)浓氨水　球形干燥管(2)装置F中会产生倒吸(3)ab(4)装置F中几乎不再产生气泡(5)取最后一次的洗涤液于试管中，滴加AgNO3溶液，若无白色沉淀产生，则证明产品氮化镓固体已洗涤干净(6)GaN＋OH－＋H2OGaO＋NH3↑2．己二酸是一种重要的有机二元酸，能够发生成盐反应、酯化反应、酰胺化反应等，并能与二元胺或二元醇缩聚成高分子聚合物等，是合成尼龙66的原料，工业上环己醇用硝酸氧化可得到己二酸，是典型的氧化还原反应。相关物理常数：名称相对分子质量密度(20℃)(g·cm－3)熔点(℃)沸点(℃)溶解度S(g/100g溶剂)水乙醇乙醚环己醇1000.9625.2161可溶易溶己二酸1461.36151265可溶(S随温度降低而减小)易溶微溶Ⅰ.己二酸粗产品的制备操作步骤：装置C中加入50mL中等浓度的硝酸(过量)，投入沸石，并逐一安装装置A、装置B和温度计，磁力搅拌，将溶液混合均匀，并加热到80℃。用装置A滴加2滴环己醇，反应立即开始，温度随即上升到85～90℃，从装置A中小心地逐滴加入环己醇，将混合物在 85～90℃下加热2～3分钟，共加入1.000g环己醇。请回答下列问题：(1)反应需维持温度在85～90℃，最好采取________控温；试分析维持温度在85～90℃的原因：________________________________________________________________________________________________________________________________________________。(2)装置右侧烧杯中的NaOH溶液的作用是：________________________________________________________________________________________________________________________________________________。Ⅱ.己二酸粗产品的提纯及应用操作流程：趁热倒出装置C中的产品，在冷水中降温冷却，析出的晶体在布氏漏斗上进行抽滤，将晶体进行重结晶，再分别用3mL冰水和乙醚洗涤己二酸晶体，继续抽滤，晶体再用3mL冰水洗涤一次，再抽滤。取出产品，干燥后称重，得干燥的己二酸0.860g。请回答下列问题：(3)相比于普通过滤，抽滤的优点在于______________________________________________________________________________________________________________。(4)在抽滤过程中，用冰水洗涤析出的己二酸晶体的原因：_________________________________________________。(5)该实验的产率为________%(结果保留3位有效数字)。(6)工业上用己二酸与乙二醇反应形成链状高分子化合物，写出化学方程式：________________________________________________________________________。解析：(1)反应需维持温度在85～90℃，低于100℃，最好采取水浴控温。维持温度在85～90℃的原因：维持反应速率(或温度过低反应速率慢)，减少HNO3的分解和挥发(或温度过高HNO3分解和挥发)，减少副反应的发生。(2)在反应中环己醇被氧化，HNO3被还原成氮氧化物，右侧烧杯中的NaOH溶液的作用是吸收HNO3被还原生成的氮氧化物，防止污染大气。(3)相比于普通过滤，抽滤的优点在于：减小压强加快过滤速率，减少过滤过程中产品的变质，得到较干燥的产品。(4)己二酸中混有环己醇和HNO3，环己醇易溶于乙醚，己二酸微溶于乙醚，抽滤时用乙醚洗涤除去环己醇。HNO3易溶于水，己二酸在水中的溶解度随温度降低而减小，用冰水洗涤析出的己二酸晶体的原因：除去残留的HNO3，减少己二酸的损失。(5)n(环己醇)＝1.000g÷100g·mol－1＝0.01mol，理论上生成己二酸物质的量为0.01mol，生成己二酸的质量为0.01mol×146g·mol－1＝1.46g，该实验的产率为×100%≈58.9%。(6) 己二酸属于二元酸，乙二醇属于二元醇，两者发生缩聚反应形成高分子化合物，反应的化学方程式为答案：(1)水浴　维持反应速率，并减少HNO3的挥发及分解，减少副反应的发生(2)吸收HNO3被还原生成的氮氧化物，防止污染空气(3)加快过滤速度，减少过滤过程中产品的变质，得到较干燥的产品(4)除去残留的HNO3，减小己二酸的损失(5)58.93．三氯氧磷(POCl3)是一种重要的化工原料，工业上可以直接氧化PCl3制备POCl3，反应原理为P4(白磷)＋6Cl2===4PCl3,2PCl3＋O2===2POCl3。PCl3、POCl3的部分性质如下：物质熔点/℃沸点/℃其他PCl3－11275.5遇水生成H3PO3和HClPOCl32105.3遇水生成H3PO4和HCl某兴趣小组模拟该工艺设计实验装置如下(某些夹持装置、加热装置已略去)：(1)仪器a的名称为________________，B装置中长颈漏斗的作用是________________。(2)装置E用来制取Cl2，反应的离子方程式为________________________________________________________________________________________________________。(3)为使实验顺利进行，还需补充的装置为_____________。(4)反应时，需严格控制三个条件：①先制取__________，缓慢地通入C中，直至C中的白磷消失后，再通入另一种气体。②C装置用水浴加热控制温度为60～65℃，除加快反应速率外，另一目的是________________________________________________________________________。③反应物必须干燥，否则会在C装置中产生大量的白雾，其主要成分为________( 写化学式)。(5)反应结束后通过下面步骤测定POCl3产品中Cl的含量，元素Cl的质量分数为____________(写出计算式)。Ⅰ.取xg产品于锥形瓶中，加入足量NaOH溶液，POCl3完全反应后加稀硝酸至酸性；Ⅱ.向锥形瓶中加入0.1000mol·L－1的AgNO3溶液40.00mL，使Cl－完全沉淀；Ⅲ.再向锥形瓶中加入20mL硝基苯，振荡，使沉淀表面被有机物覆盖；Ⅳ.然后加入指示剂，用cmol·L－1NH4SCN溶液滴定过量Ag＋至终点，记下所用体积为VmL。[已知：Ag3PO4溶于酸，Ksp(AgCl)＝3.2×10－10，Ksp(AgSCN)＝2×10－12]解析：(1)仪器a的名称是冷凝管(或球形冷凝管)，装置A中产生氧气，发生反应的化学方程式为2Na2O2＋2H2O===4NaOH＋O2↑(或2H2O22H2O＋O2↑)；B装置的作用除观察O2的流速之外，还有平衡气压、干燥O2(或平衡气压和除去水，防止PCl3和POCl3遇水反应引入杂质)。(2)二氧化锰与浓盐酸加热反应生成氯化锰、氯气和水，反应的离子方程式为4H＋＋2Cl－＋MnO2Mn2＋＋Cl2↑＋2H2O。(3)C装置为氯气和白磷发生反应的装置，反应结束后会有氯气从冷凝管a中溢出，污染空气，需要吸收处理；同时，POCl3和PCl3遇水会发生反应，为使实验顺利进行，需要在a仪器后连接装有碱石灰的干燥管，防止外界中水蒸气进入C装置内。(4)根据题意可知，要先制备出三氯化磷，然后其被氧化为POCl3，所以先制取氯气，缓慢地通入C中，直至C中的白磷消失后，再通入氧气。②由于PCl3的沸点是75.5℃，因此控制温度60～65℃，其主要目的是加快反应速率，同时防止PCl3气化。③POCl3和PCl3遇水会发生反应，均生成氯化氢，遇到水蒸气产生大量的白雾，所以反应物必须干燥。(5)根据题意可知，NH4SCN的物质的量为0.001cVmol，则与之反应的银离子的物质的量为0.001cVmol，而总的银离子的物质的量为0.004mol，所以与氯离子反应的银离子的物质的量为0.004mol－0.001cVmol，因此氯离子的物质的量为0.004mol－0.001cVmol，则产品中Cl元素的含量为×100%。答案：(1)球形冷凝管　平衡气压(2)4H＋＋2Cl－＋MnO2Mn2＋＋Cl2↑＋2H2O(3)在a仪器后连接装有碱石灰的干燥管 (4)①Cl2　②防止PCl3气化　③HCl(5)×100%4．实验室制备苯甲酸乙酯的反应装置示意图和有关数据如下：名称相对分子质量密度/(g·cm－3)沸点/℃水中溶解性苯甲酸1221.266249微溶乙醇460.78978.3溶苯甲酸乙酯1501.045213难溶环己烷840.77980.8难溶环己烷、乙醇和水可形成共沸物，其混合物沸点为62.1℃。合成反应：向圆底烧瓶中加入6.1g苯甲酸、20mL无水乙醇、25mL环己烷和2片碎瓷片，搅拌后再加入2mL浓硫酸。按图组装好仪器后，水浴加热回流1.5小时。分离提纯：继续水浴加热蒸出多余乙醇和环己烷，经分水器放出。剩余物质倒入盛有60mL冷水的烧杯中，依次用碳酸钠、无水氯化钙处理后，再蒸馏纯化，收集210～213℃的馏分，得产品5.0g。回答下列问题：(1)仪器A的名称为________，冷却水应从________(填“a”或“b”)口流出。(2)加入环己烷的目的为__________________________________________________。(3)合成反应中，分水器中会出现分层现象，且下层液体逐渐增多，当下层液体高度距分水器支管约2cm时开启活塞放出少量下层液体。该操作的目的为________________________________________________________________________________________________________________________________________________。(4)实验中加入碳酸钠的目的为____________________________________________；经碳酸钠处理后，若粗产品与水分层不清，可采取的措施为________________________________________________________________________。(5)在该实验中，圆底烧瓶的容积最适合的是__________(填字母)。A．50mL　　　　　　　　B．100mLC．200mLD．300mL(6)本实验的产率为____________________。解析：(2)根据题给信息“环己烷、乙醇和水可形成共沸物，其混合物沸点为62.1℃” 可知环己烷在合成反应中的作用为在较低温度下带出生成的水，促进酯化反应向右进行，提高产率。(3)分水器中上层是油状物，下层是水，当油层液面高于支管口时，油层会沿着支管流回烧瓶，达到了使反应物冷凝回流，提高产率的目的。因此当下层液体高度距分水器支管约2cm时，应开启活塞，放出下层的水，避免水层升高流入烧瓶。(4)合成反应结束后，圆底烧瓶中主要含有苯甲酸乙酯(产物)、苯甲酸(未反应完)、硫酸(催化剂)、乙醇、环己烷，水浴加热除去乙醇和环己烷，剩余的物质主要为苯甲酸乙酯、苯甲酸、硫酸。加入碳酸钠溶液可中和苯甲酸、硫酸，生成易溶于水的盐，溶液分层；经碳酸钠溶液处理后，若粗产品与水分层不清，可加入食盐，进一步降低酯的溶解，该操作为盐析；然后用分液漏斗分出有机层，加入无水氯化钙吸收部分的水，再进行蒸馏，接收210～213℃的馏分。(5)由题表中的数据可计算出苯甲酸的体积约为5mL，则圆底烧瓶中溶液的体积约为5mL＋20mL＋25mL＋2mL＝52mL，而圆底烧瓶中所能盛放的溶液的体积应不超过圆底烧瓶的2/3，故应选择容积为100mL的圆底烧瓶。(6)m(乙醇)＝(0.789×20)g＝15.78g，设苯甲酸乙酯的理论产量为x，则122g　　46g　　　　　150g6．1g　　15.78g(过量)　　　x解得x＝7.5g，则产率＝×100%＝×100%≈66.7%。答案：(1)球形冷凝管　b(2)在较低温度下除去产物水，提高产率(3)确保乙醇和环己烷及时返回反应体系而下层水不会回流到体系中(4)中和苯甲酸和硫酸　加氯化钠进行盐析(5)B(6)66.7%5．一氯化碘(沸点97.4℃)是一种红棕色易挥发的液体，不溶于水，溶于乙醇和乙酸。某校研究性学习小组的同学拟制备一氯化碘。回答下列问题：(1)甲组同学拟利用干燥、纯净的氯气与碘反应制备一氯化碘，其装置如下：(已知碘与氯气的反应为放热反应)①各装置连接顺序为A→______________；A装置中发生反应的离子方程式为________________________________________________________________________。 ②B装置烧瓶需放在冷水中，其目的是________________，D装置的作用是________________________________________________________________________。③将B装置得到的液态产物进一步提纯可得到较纯净的ICl，则提纯采取的操作方法是________________。(2)乙组同学采用的一种制一氯化碘的方法为：在三颈烧瓶中加入粗碘和盐酸，控制温度约50℃，在不断搅拌下逐滴加入氯酸钠溶液，生成一氯化碘。则发生反应的化学方程式为________________________________________________________________________。(3)设计实验证明：①ICl的氧化性比I2强：_________________________________________________________________________________________________________________________。②ICl与乙烯作用发生加成反应：__________________________________________________________________________________________________________________。解析：(1)A装置用于制备Cl2，Cl2中含HCl气体和水蒸气，用C装置除HCl，用E装置干燥Cl2，将干燥的Cl2通入B中与碘反应，制备ICl。由于ICl易挥发，所以B装置应放在冷水中。Cl2可能未完全反应，用D装置吸收尾气，防止污染。(3)②ICl不溶于水，溶于乙醇和乙酸，所以先将ICl溶于乙醇中配成溶液，再通入乙烯，ICl呈红棕色，通过颜色褪去，证明其与乙烯发生了加成反应。答案：(1)①C→E→B→DMnO2＋4H＋＋2Cl－Mn2＋＋Cl2↑＋2H2O②防止ICl挥发　吸收未反应的氯气，防止污染空气　③蒸馏(2)3I2＋6HCl＋NaClO36ICl＋NaCl＋3H2O(3)①用湿润的KI淀粉试纸检验一氯化碘蒸气，试纸变蓝②在ICl的乙醇溶液中通入乙烯，溶液褪色6．实验室制备硝基苯的反应原理和实验装置如下：反应中存在的主要副反应有：在温度稍高的情况下会生成间二硝基苯。有关数据如下表：物质熔点/℃沸点/℃密度/(g·cm－3)溶解性苯5.5800.88微溶于水硝基苯5.7210.91.205难溶于水间二硝基苯893011.57微溶于水浓硝酸831.4易溶于水浓硫酸3381.84易溶于水 实验步骤如下：①取100mL烧杯，用20mL浓硫酸与18mL浓硝酸配制混合酸，将混合酸小心加入B中；②把18mL(15.84g)苯加入A中；③在室温下，向苯中逐滴加入混合酸，边滴边搅拌，混合均匀。在50～60℃下发生反应，直至反应结束；④将反应液冷却至室温后倒入分液漏斗中，依次用少量水、5%NaOH溶液、水洗涤并分液；⑤分出的产物加入无水CaCl2颗粒，静置片刻，然后倒入蒸馏烧瓶，弃去CaCl2，进行蒸馏纯化，收集205～210℃馏分，得到纯硝基苯18g。回答下列问题：(1)图中装置C的作用是___________________________________________________。(2)配制混合酸时，能否将浓硝酸加入到浓硫酸中，说明理由：________________________________________________________________________。(3)为了使反应在50～60℃下进行，常用的方法是____________________________。反应结束并冷却至室温后A中液体就是粗硝基苯，粗硝基苯呈黄色的原因是________________________________________________________________________________________________________________________________________________。(4)在洗涤操作中，第二次水洗的目的是____________________________________。(5)在蒸馏纯化过程中，因硝基苯的沸点高于140℃，应选用空气冷凝管，不选用水直形冷凝管的原因是__________________________________________________________________________________________________________________________________。(6)本实验所得到的硝基苯产率是_________________________________________。解析：(1)由仪器的结构特征分析，装置C为冷凝管，其作用为冷凝回流。(2)浓硝酸与浓硫酸混合会放出大量的热，若将浓硝酸加入到浓硫酸中，硝酸的密度小于浓硫酸，会导致液体迸溅。(3)因为反应在50～60℃下进行，低于水的沸点，可以利用水浴加热。反应后硝基苯中溶有浓硝酸分解产生的NO2(或硝酸)等杂质，使硝基苯显黄色。(4)先用水洗除去浓硫酸和硝酸，再用NaOH除去溶解的少量的酸，最后水洗除去未反应的NaOH以及生成的盐。(5)硝基苯沸点高用空气冷凝与水冷凝相比效果几乎无差异，且冷凝管通水冷却时导致温度差过大可能发生炸裂，所以选用空气冷凝。(6)苯完全反应生成硝基苯的理论产量为15.84×g，所以硝基苯的产率为×100%≈72.06%。答案：(1)冷凝回流　(2)不能，易暴沸飞溅(3)水浴加热　溶有浓硝酸分解产生的NO2(或硝酸)等杂质 (4)洗去残留的NaOH及生成的钠盐(5)硝基苯沸点高用空气冷凝与水冷凝相比效果几乎无差异；通水冷却时温差过大易炸裂冷凝管(6)72.06%