微專題05管式爐

微專題05管式爐化學(xué)實驗中的裝置創(chuàng)新通常包含兩個方面：一是實驗裝置的變形，二是實驗裝置的改進。管式爐多次呈現(xiàn)于高考試題中，管式爐結(jié)構(gòu)簡單，操作容易，便于控制，能連續(xù)生產(chǎn)。1．(2023·山東卷，18)三氯甲硅烷(SiHCl3)是制取高純硅的重要原料，常溫下為無色液體，沸點為31.8℃，熔點為126.5℃，易水解。實驗室根據(jù)反應(yīng)Si+HCl=SiHCl3+H2，利用如下裝置制備SiHCl3粗品(加熱及夾持裝置略)?；卮鹣铝袉栴}：(1)制備SiHCl3時進行操作：(ⅰ)……；(ⅱ)將盛有砫粉的瓷舟置于管式爐中；(ⅲ)通入，一段時間后接通冷凝裝置，加熱開始反應(yīng)。操作(ⅰ)為_____；判斷制備反應(yīng)結(jié)束的實驗現(xiàn)象是_____。圖示裝置存在的兩處缺陷是_____。(2)已知電負性Cl＞H＞Si，SiHCl3在濃NaOH溶液中發(fā)生反應(yīng)的化學(xué)方程式為_____。(3)采用如下方法測定溶有少量HCl的SiHCl3純度。m1g樣品經(jīng)水解、干燥等預(yù)處理過程得硅酸水合物后，進行如下實驗操作：①_____，②_____(填操作名稱)，③稱量等操作，測得所得固體氧化物質(zhì)量為m2g，從下列儀器中選出①、②中需使用的儀器，依次為_____(填標號)。測得樣品純度為_____(用含m1、m2的代數(shù)式表示)?！敬鸢浮?1)檢查裝置氣密性當管式爐中沒有固體剩余時C、D之間沒有干燥裝置，沒有處理氫氣的裝置(2)SiHCl3+5NaOH=Na2SiO3+3NaCl+H2↑+2H2O(3)高溫灼燒冷卻AC【解析】氯化氫氣體通入濃硫酸干燥后，在管式爐中和硅在高溫下反應(yīng)，生成三氯甲硅烷和氫氣，由于三氯甲硅烷沸點為31.8℃，熔點為126.5℃，在球形冷凝管中可冷卻成液態(tài)，在裝置C中收集起來，氫氣則通過D裝置排出同時D可處理多余吸收的氯化氫氣體。(1)制備SiHCl3時，由于氯化氫、SiHCl3和氫氣都是氣體，所以組裝好裝置后，要先檢查裝置氣密性，然后將盛有硅粉的瓷舟置于管式爐中，通入氯化氫氣體，排出裝置中的空氣，一段時候后，接通冷凝裝置，加熱開始反應(yīng)，當管式爐中沒有固體剩余時，即硅粉完全反應(yīng)，SiHCl3易水解，所以需要在C、D之間加一個干燥裝置，防止D中的水蒸氣進入裝置C中，另外氫氧化鈉溶液不能吸收氫氣，需要在D后面加處理氫氣的裝置；(2)已知電負性Cl＞H＞Si，則SiHCl3中氯元素的化合價為1，H元素的化合價為1，硅元素化合價為+4，所以氫氧化鈉溶液和SiHCl3反應(yīng)時，要發(fā)生氧化還原反應(yīng)，得到氯化鈉、硅酸鈉和氫氣，化學(xué)方程式為：SiHCl3+5NaOH=Na2SiO3+3NaCl+H2↑+2H2O；(3)m1g樣品經(jīng)水解，干燥等預(yù)處理過程得到硅酸水合物后，高溫灼燒，在干燥器中冷卻后，稱量，所用儀器包括坩堝和干燥器，所得固體氧化物為二氧化硅，質(zhì)量為m2g，則二氧化硅的物質(zhì)的量為n(SiO2)=，樣品純度為=。2．(2021·山東卷，18)六氯化鎢(WCl6)可用作有機合成催化劑，熔點為283℃，沸點為340℃，易溶于CS2，極易水解。實驗室中，先將三氧化鎢(WO3)還原為金屬鎢(W)再制備WCl6，裝置如圖所示(夾持裝置略)?；卮鹣铝袉栴}：(1)檢查裝置氣密性并加入WO3。先通N2，其目的是________________________；一段時間后，加熱管式爐，改通H2，對B處逸出的H2進行后續(xù)處理。儀器A的名稱為________，證明WO3已被完全還原的現(xiàn)象是________________________________。(2)WO3完全還原后，進行的操作為：①冷卻，停止通H2；②以干燥的接收裝置替換E；③在B處加裝盛有堿石灰的干燥管；④……；⑤加熱，通Cl2；⑥……。堿石灰的作用是___________________；操作④是________，目的是_______________________。(3)利用碘量法測定WCl6產(chǎn)品純度，實驗如下：①稱量：將足量CS2(易揮發(fā))加入干燥的稱量瓶中，蓋緊稱重為m1g；開蓋并計時1分鐘，蓋緊稱重為m2g；再開蓋加入待測樣品并計時1分鐘，蓋緊稱重為m3g，則樣品質(zhì)量為_________g(不考慮空氣中水蒸氣的干擾)。②滴定：先將WCl6轉(zhuǎn)化為可溶的Na2WO4，通過IO3離子交換柱發(fā)生反應(yīng)：WO42+Ba(IO3)2=BaWO4+2IO3；交換結(jié)束后，向所得含IO3的溶液中加入適量酸化的KI溶液，發(fā)生反應(yīng)：IO3+5I+6H+=3I2+3H2O；反應(yīng)完全后，用Na2S2O3標準溶液滴定，發(fā)生反應(yīng)：I2+2S2O32=2I+S4O62。滴定達終點時消耗cmol?L1的Na2S2O3溶液VmL，則樣品中WCl6(摩爾質(zhì)量為Mg?mol1)的質(zhì)量分數(shù)為________________。稱量時，若加入待測樣品后，開蓋時間超過1分鐘，則滴定時消耗Na2S2O3溶液的體積將______(填“偏大”“偏小”或“不變”)，樣品中WCl6質(zhì)量分數(shù)的測定值將_____(填“偏大”“偏小”或“不變”)?！敬鸢浮?1)排除裝置中的空氣直形冷凝管淡黃色固體變?yōu)殂y白色(2)吸收多余氯氣，防止污染空氣；防止空氣中的水蒸氣進入E再次通入N2排除裝置中的H2(3)①(m3+m12m2)②%不變偏大【解析】(1)用H2還原WO3制備W，裝置中不能有空氣，所以先通N2，其目的是排除裝置中的空氣；由儀器構(gòu)造可知儀器A的名稱為直形冷凝管；WO3為淡黃色固體，被還原后生成W為銀白色，所以能證明WO3已被完全還原的現(xiàn)象是淡黃色固體變?yōu)殂y白色；(2)由信息可知WCl6極易水解，W與Cl2反應(yīng)制取WCl6時，要在B處加裝盛有堿石灰的干燥管，防止空氣中的水蒸氣進入E中，所以堿石灰的作用其一是吸收多余氯氣，防止污染空氣；其二是防止空氣中的水蒸氣進入E；在操作⑤加熱，通Cl2之前，裝置中有多余的H2，需要除去，所以操作④是再次通入N2，目的是排除裝置中的H2；(3)①根據(jù)分析，稱量時加入足量的CS2，蓋緊稱重為m1g，由于CS2易揮發(fā)，開蓋時要揮發(fā)出來，稱量的質(zhì)量要減少，開蓋并計時1分鐘，蓋緊稱重m2g，則揮發(fā)出的CS2的質(zhì)量為(m1m2)g，再開蓋加入待測樣品并計時1分鐘，又揮發(fā)出(m1m2)g的CS2，蓋緊稱重為m3g，則樣品質(zhì)量為：m3g+2(m1m2)gm1g=(m3+m12m2)g；②滴定時，根據(jù)關(guān)系式：WO42~2IO3~6I2~12S2O32，樣品中n(WCl6)=n(WO42)=n(S2O32)=cV103mol，m(WCl6)=cV103molMg/mol=g，則樣品中WCl6的質(zhì)量分數(shù)為：100%=%；根據(jù)測定原理，稱量時，若加入待測樣品后，開蓋時間超過1分鐘，揮發(fā)的CS2的質(zhì)量增大，m3偏小，但WCl6的質(zhì)量不變，則滴定時消耗Na2S2O3溶液的體積將不變，樣品中WCl6質(zhì)量分數(shù)的測定值將偏大。3．(2022·北京卷，16)煤中硫的存在形態(tài)分為有機硫和無機硫(CaSO4、硫化物及微量單質(zhì)硫等)。庫侖滴定法是常用的快捷檢測煤中全硫含量的方法。其主要過程如下圖所示。已知：在催化劑作用下，煤在管式爐中燃燒，出口氣體主要含O2、CO2、H2O、N2、SO2。(1)煤樣需研磨成細小粉末，其目的是___________。(2)高溫下，煤中CaSO4完全轉(zhuǎn)化為SO2，該反應(yīng)的化學(xué)方程式為___________。(3)通過干燥裝置后，待測氣體進入庫侖測硫儀進行測定。已知：庫侖測硫儀中電解原理示意圖如下。檢測前，電解質(zhì)溶液中保持定值時，電解池不工作。待測氣體進入電解池后，SO2溶解并將I3還原，測硫儀便立即自動進行電解到又回到原定值，測定結(jié)束，通過測定電解消耗的電量可以求得煤中含硫量。①SO2在電解池中發(fā)生反應(yīng)的離子方程式為___________。②測硫儀工作時電解池的陽極反應(yīng)式為___________。(4)煤樣為，電解消耗的電量為x庫侖，煤樣中硫的質(zhì)量分數(shù)為___________。已知：電解中轉(zhuǎn)移電子所消耗的電量為96500庫侖。(5)條件控制和誤差分析。①測定過程中，需控制電解質(zhì)溶液，當時，非電解生成的I3使得測得的全硫含量偏小，生成I3的離子方程式為___________。②測定過程中，管式爐內(nèi)壁上有SO3殘留，測得全硫量結(jié)果為___________。(填“偏大”或“偏小”)【答案】(1)與空氣的接觸面積增大，反應(yīng)更加充分(2)2CaSO42CaO+2SO2↑+O2↑(3)

SO2+I3+H2O=3I—+SO42+4H+

3I——2e—=I(4)(5)

I2+I—=I3

偏低【解析】(1)煤樣研磨成細小粉末后固體表面積增大，與空氣的接觸面積增大，反應(yīng)更加充分；(2)由題意可知，在催化劑作用下，硫酸鈣高溫分解生成氧化鈣、二氧化硫和水，反應(yīng)的化學(xué)方程式為2CaSO42CaO+2SO2↑+O2↑；(3)①由題意可知，二氧化硫在電解池中與溶液中I3反應(yīng)生成碘離子、硫酸根離子和氫離子，離子方程式為SO2+I3+H2O=3I—+SO42+4H+；②由題意可知，測硫儀工作時電解池工作時，碘離子在陽極失去電子發(fā)生氧化反應(yīng)生成碘三離子，電極反應(yīng)式為3I——2e—=I3；(4)由題意可得如下關(guān)系：S—SO2—I3—2e—，電解消耗的電量為x庫侖，則煤樣中硫的質(zhì)量分數(shù)為×100%=；(5)①當pH<1時，非電解生成的碘三離子使得測得的全硫含量偏小說明碘離子與電解生成的碘反應(yīng)生成碘三離子，導(dǎo)致消耗二氧化硫的量偏小，反應(yīng)的離子方程式為I2+I—=I3；②測定過程中，管式爐內(nèi)壁上有三氧化硫殘留說明硫元素沒有全部轉(zhuǎn)化為二氧化硫，會使二氧化硫與碘三離子反應(yīng)生成的碘離子偏小，電解時轉(zhuǎn)移電子數(shù)目偏小，導(dǎo)致測得全硫量結(jié)果偏低。目前管式爐設(shè)備出現(xiàn)于題中，其作用一般僅限于實驗加熱儀器，可以有效控制溫度，進行化學(xué)分析、物理鑒定時對于樣品加熱時使用。1．(2024·山東煙臺高三期中)三氯化鉻(CrCl3)是常用的媒染劑和催化劑，易潮解，易升華，高溫下易被氧氣氧化。實驗室用Cr2O3和CCl4(沸點76.8℃)在高溫下制備無水CrCl3，同時生成COCl2氣體。實驗裝置(加熱及夾持裝置略)如圖所示。已知：COCl2氣體有毒，遇水發(fā)生水解產(chǎn)生兩種酸性氣體?；卮鹣铝袉栴}：(1)實驗裝置合理的連接順序為a→→d。(2)制備CrCl3時進行操作：(i)連接裝置，……；(ii)裝入藥品并通入N2；加熱石英管至400℃；(ⅲ)停止通入N2，加熱E裝置；(iv)加熱石英管繼續(xù)升溫至650℃，直到B中反應(yīng)基本完成，切斷管式爐的電源；(v)停止E裝置加熱，繼續(xù)通入N2一段時間；(vi)裝置冷卻后，結(jié)束制備實驗。①補全步驟i的操作。②實驗過程中為了形成穩(wěn)定的CCl4氣流，對E裝置加熱的最佳方式是，裝置E中長頸漏斗的作用是。③步驟v中“繼續(xù)通入N2一段時間”的目的是。(3)裝置D中反應(yīng)的離子方程式為。(4)測定CrCl3產(chǎn)品的純度，實驗如下：①取mgCrCl3產(chǎn)品，在強堿性條件下，加入過量30%H2O2溶液，小火加熱使CrCl3完全轉(zhuǎn)化為CrO42，繼續(xù)加熱一段時間；②冷卻后，滴入適量的稀硫酸和濃磷酸，使CrO42轉(zhuǎn)化為Cr2O72，加適量的蒸餾水配成250.00mL溶液；③取25.00mL溶液，用新配制的的NH4)2Fe(SO4)2標準溶液滴定至終點，重復(fù)3次，平均消耗NH4)2Fe(SO4)2標準溶液VmL(已知Cr2O72被還原為Cr3+)。則樣品中CrCl3(摩爾質(zhì)量為Mg·molˉ1)的質(zhì)量分數(shù)為%；若步驟③中所用標準溶液已變質(zhì)，將導(dǎo)致CrCl3質(zhì)量分數(shù)測定值(填“偏高”、“偏低”或“無影響”)?！敬鸢浮?1)ef→bc→gh(2)檢查裝置氣密性(76.8°C以上)水浴加熱平衡壓強(調(diào)節(jié)N2的氣體流速、檢驗后面裝置是否堵塞)將COCl2完全排入裝置D被充分吸收(3)COCl2+4OH=CO32+2Cl+2H2O(4)偏高【解析】三氯化鉻易潮解，易升華，高溫下易被氧氣氧化，所以實驗過程中要確保裝置內(nèi)不能存在氧氣和水蒸氣，A裝置的作用是干燥N2，E裝置用N2將CCl4導(dǎo)入裝置參與反應(yīng)，F(xiàn)裝置作用是防止水蒸氣進入反應(yīng)裝置，C裝置作用是收集氣體，D裝置是處理COCl2尾氣，B裝置是發(fā)生裝置。整個反應(yīng)流程先用干燥的N2排除裝置內(nèi)空氣，然后再通入N2將CCl4氣體帶入裝置，與B中的Cr2O3反應(yīng)，生成的COCl2有毒氣體用C裝置收集，與D裝置中NaOH溶液反應(yīng)從而進行吸收處理，為防止D裝置中水蒸氣進入反應(yīng)裝置，還有在C和D裝置中間加一個干燥裝置F。(1)實驗裝置合理的連接順序為a→ef→bc→gh→d；(2)①有氣體參與或生成的實驗，實驗前必須先檢查裝置的氣密性，故(i)連接裝置，檢查裝置氣密性；②實驗過程中為了形成穩(wěn)定的CCl4氣流，反應(yīng)溫度低于100°C，故對E裝置加熱的最佳方式是(76.8°C以上)水浴加熱，裝置E中長頸漏斗的作用是平衡壓強(調(diào)節(jié)N2的氣體流速、檢驗后面裝置是否堵塞)；③COCl2有毒，結(jié)束時用N2將COCl2完全排入裝置D被充分吸收，防止污染空氣；(3)裝置D中可以看做是COCl2先與水反應(yīng)生成二氧化碳和氯化氫，二氧化碳和氯化氫再與氫氧化鈉反應(yīng)，故反應(yīng)的離子方程式為COCl2+4OH=CO32+2Cl+2H2O；(4)由得失電子守恒，原子守恒可知，測定過程中的物質(zhì)的量的關(guān)系為：2CrCl3～2CrO42～Cr2O72～6(NH4)2Fe(SO4)2，產(chǎn)品中CrCl3的物質(zhì)的量為：=，產(chǎn)品中的CrCl3的質(zhì)量分數(shù)表達式為，產(chǎn)品中CrCl3的質(zhì)量分數(shù)表達式為%；若步驟③中所用標準溶液已變質(zhì)，則滴定時消耗的標準液體積偏大，將導(dǎo)致CrCl3質(zhì)量分數(shù)測定值偏高。2．(2024·山東濟南高三期中)三四氫呋喃合氯化鉻[CrCl3(THF)3]是一種重要的有機反應(yīng)的催化劑。某研究小組以Cr2O3(綠色固體)、CCl4四氫呋喃(，簡寫為THF)等物質(zhì)為原料制備三四氫呋喃合氯化鉻的過程如下。Ⅰ．制備無水CrCl3回答下列問題：(1)本實驗持續(xù)通入N2的目的為。(2)反應(yīng)管的溫度升到660℃時發(fā)生反應(yīng)，生成CrCl3和COCl2(光氣)，其化學(xué)方程式為。Ⅱ．合成CrCl3(THF)3已知：①四氫呋喃(THF)為常見的有機溶劑，沸點66℃。②制備CrCl3(THF)3的主要反應(yīng)：。③CrCl3與CrCl3(THF)3都極易與水反應(yīng)，鉻(Ⅱ)對CrCl3(THF)3的合成有催化作用實驗步驟如下：將制備的無水CrCl3和極少量鋅粉放入濾紙?zhí)淄矁?nèi)，雙頸燒瓶中加入足量無水THF，實驗時燒瓶中THF受熱蒸發(fā)，蒸氣沿“索氏提取器”導(dǎo)管2上升至球形冷凝管，冷凝后滴入濾紙?zhí)淄矁?nèi)與套簡內(nèi)的固體物質(zhì)接觸發(fā)生反應(yīng)。當液面達到“索氏提取器”虹吸管3頂端時，經(jīng)虹吸管3返回雙頸燒瓶。從而實現(xiàn)了THF與CrCl3的連續(xù)反應(yīng)及產(chǎn)物的連續(xù)萃取。(3)加入少量Zn粉的目的是。(4)試劑A應(yīng)為(填寫編號)。a．H2O

b．NaOH溶液

c．濃硫酸(5)雙頸燒瓶中四氫呋喃的作用是①、②。(6)本實驗使用索氏提取器的優(yōu)點是：。(7)合成反應(yīng)完成后，取下雙頸燒瓶，蒸發(fā)THF得到固體產(chǎn)品4.60g。則該實驗的產(chǎn)率為%(保留小數(shù)點后兩位)。[已知：Cr2O3的摩爾質(zhì)量為152g/mol；CrCl3(THF)3的摩爾質(zhì)量為374.5g/mol]【答案】(1)趕盡反應(yīng)裝置中的空氣，將四氯化碳吹入管式爐中(2)Cr2O3+3CCl42CrCl3+3COCl2(3)還原Cr3＋為Cr2＋，加快反應(yīng)的進行(4)c(5)作反應(yīng)物作萃取劑(6)溶劑可循環(huán)使用，使用量減少；生成物溶于THF被分離，可提高轉(zhuǎn)化率(7)61.42【解析】實驗室制備無水CrCl3的反應(yīng)原理為：Cr2O3+3CCl42CrCl3+3COCl2。利用氮氣和熱水加熱將四氯化碳轉(zhuǎn)化為氣態(tài)進入管式爐與氧化鉻反應(yīng)得到氯化鉻，利用無水氯化鈣防止水蒸氣進入管式爐，并用氫氧化鈉溶液吸收COCl2；合成CrCl3(THF)3首先在圓底燒瓶中加入無水四氫呋喃，在濾紙?zhí)淄布尤霟o水CrCl3和鋅粉，開始加熱四氫呋喃蒸氣通過聯(lián)接管進入提取管在冷凝管中冷凝回流到濾紙?zhí)淄仓羞M行反應(yīng)，從而生成產(chǎn)物。(1)本實驗持續(xù)通入N2的目的是趕走體系中原有的空氣和將四氯化碳吹入到管式爐中。(2)反應(yīng)管的溫度升到660℃時發(fā)生反應(yīng)，生成CrCl3和COCl2(光氣)，根據(jù)原子守恒配平其化學(xué)方程式為Cr2O3+3CCl42CrCl3+3COCl2。(3)CrCl2是反應(yīng)的催化劑，Zn具有還原性，與Cr3＋反應(yīng)生成Cr2＋，加快反應(yīng)的進行。(4)已知CrCl3與CrCl3(THF)3都極易與水反應(yīng)，則試劑A為濃硫酸，能吸收水蒸氣，故選c；(5)CrCl3(THF)3易溶于四氫呋喃，故雙頸燒瓶中四氫呋喃除作為反應(yīng)物外還有一個用途是萃取劑；(6)本實驗使用索氏提取器的優(yōu)點是：溶劑可循環(huán)使用，使用量減少；生成物溶于THF被分離，可提高轉(zhuǎn)化率。(7)根據(jù)鉻元素守恒可知，1.52gCr2O3的物質(zhì)的量為0.01mol，理論上可制得0.02molCrCl3(THF)3，即7.49g，所以本實驗的產(chǎn)率為。3．MnSO4晶體是一種易溶于水的微紅色晶體，某校同學(xué)設(shè)計實驗制備并檢驗MnSO4的性質(zhì)?；卮鹣铝袉栴}：(1)甲組同學(xué)設(shè)計用SO2和適量純凈的MnO2制備MnSO4，其裝置如下：①A裝置中固體藥品X(正鹽)通常是________________(填化學(xué)式)。②B裝置中通SO2的導(dǎo)管末端接多孔球泡的目的是__________________________________。(2)乙組同學(xué)定性檢驗甲組同學(xué)的產(chǎn)品中Mn2＋的存在，取少量晶體溶于水，加入(NH4)2S2O8溶液，滴入硝酸銀(作催化劑)，微熱振蕩，溶液顯紫色，發(fā)生反應(yīng)的離子方程式為________________________。(3)丙組同學(xué)為檢驗無水MnSO4(接近白色)的熱分解產(chǎn)物，將MnSO4晶體脫水后放入下圖所示的裝置中，打開K1和K2，緩慢通入N2，加熱，硬質(zhì)玻璃管中最后得到黑色固體。①檢驗分解的氣態(tài)產(chǎn)物中是否有SO2及SO3，裝置E、F中的溶液依次是____、____(填字母)。a．Ba(NO3)2溶液b．BaCl2溶液c．品紅溶液 d．濃硫酸②若D中得到的黑色粉末為Mn3O4，E、F中均有明顯現(xiàn)象