二氧化碳制取的研究(二)

官方化学老师·13 页·进阶(有基础,想深入原理)·0 次浏览·4 天前
CO₂制取装置原理实验探究化学九上

二氧化碳制取的研究(二)

看清装置每处设计的化学意图与药品选择逻辑

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CO₂制取装置原理实验探究化学九上

二氧化碳制取的研究(二)

看清装置每处设计的化学意图与药品选择逻辑

1第 1 页 · 二氧化碳制取的研究(二)

排空气法收集气体

上一页我们制出了二氧化碳,但气体一冒出来就四散跑掉——像松开没扎口的气球。怎么完整收进瓶里?想想往杯子里倒水把空气挤出去——气体也能这样「挤」走空气。核心就一个词:密度差。

核心原理
利用气体与空气的密度差,让新气体把容器内空气「挤」出去
向上排空气法
气体密度大于空气时使用(CO₂适用),导管伸至瓶底
验满方法
将燃着的木条放在集气瓶口,木条熄灭说明CO₂已集满
往杯子里倒水对应 →向上排空气法

水从下方进入杯底把空气从上方挤出去;CO₂从导管进入瓶底把空气从瓶口挤出去——结构完全对应

2第 2 页 · 排空气法收集气体

向上排空气法

上页我们认识了排空气法的总思路。打个比方:往空瓶里倒水,水能灌满,是因为瓶里的空气有地方逃。气体收集也是同理——得给原来住着的空气让出位置。

定义
气体从容器底部进入,密度大的气体沉积在下方,把空气从上方开口排出去
装置
集气瓶口朝上,导管伸入接近瓶底(长进短出)
适用条件
气体密度明显大于空气,且不与空气中 O₂、N₂ 等成分反应
验满
将燃着的小木条放在瓶口,火焰熄灭即已集满(以 CO₂ 为例)
从瓶底灌入糖浆对应 →向上排空气法

糖浆密度大、沉在瓶底,把瓶中空气从瓶口挤出,对应'重气体'从瓶底进、把空气往上排

3第 3 页 · 向上排空气法

向下排空气法

上页讲到向上排空气法——收集密度比空气大的气体,瓶口朝上让重气体沉底。可如果制得的气体比空气还轻呢?这时瓶口就要反过来朝下了。

适用对象
密度小于空气的气体,如氢气、氨气、甲烷
装置要点
集气瓶倒置、瓶口朝下,导管伸至瓶底
收集原理
轻气体上浮聚在瓶内顶部,把空气从下方瓶口挤出去
判据延伸
气体相对分子质量 Mr 小于 29(空气约 29)
氦气球向上飘对应 →向下排空气法

氦气轻往上飘、把空气往下挤;倒置瓶子就是让轻气体有顶部可贴

4第 4 页 · 向下排空气法

气体密度与收集方法的关系

上页学了向上、向下排空气法,那怎么判断该用哪个?关键看气体密度和空气密度的比较结果。

密度比较原理
气体密度与空气密度(约29)比较,决定它在空气中的升降方向
密度大于空气
M_气 > 29,气体下沉,集气瓶口朝上——向上排空气法
密度小于空气
M_气 < 29,气体上升,集气瓶口朝下——向下排空气法
密度接近空气
M_气 ≈ 29,如N₂,排空气法分不开,要用排水法
木头与石头放入水中对应 →气体在空气中的升降

木头轻浮在水面(密度小的气体上升),石头重沉入水底(密度大的气体下沉)

M>29向上排空气法;M<29向下排空气法M_{\text{气}} > 29 \Rightarrow \text{向上排空气法}; \quad M_{\text{气}} < 29 \Rightarrow \text{向下排空气法}
5第 5 页 · 气体密度与收集方法的关系

气体相对分子质量与密度比

上一页我们说,向上还是向下排空气,取决于气体密度与空气的比较。但怎么比大小?答案是先比相对分子质量 Mr——同温同压下,气体密度比约等于 Mr 之比。

相对分子质量 Mr
分子质量与碳-12 原子质量 1/12 的比值,方便横向比轻重
空气 Mr≈29
空气是混合气,N₂(28) 和 O₂(32) 按 4:1 体积比掺成,平均 Mr≈29
密度正比于 Mr
同温同压同体积下,两份气体的质量比等于 Mr 之比
判断规则
Mr>29 比空气重(如 CO₂=44),向上排;Mr<29 比空气轻(如 H₂=2),向下排;≈29 不宜用
同体积两箱,一塞棉花一塞铁对应 →两份同体积的气体分子

体积相同时,「分子」谁更重,整体密度就更大,决定向上飘还是向下沉

ρgasρairMr29\dfrac{\rho_{gas}}{\rho_{air}}\approx\dfrac{M_r}{29}
6第 6 页 · 气体相对分子质量与密度比

二氧化碳的物理性质(密度

上节课我们用相对分子质量判断了气体密度大小,决定了排空气法方向。那二氧化碳具体密度是多少?又有什么特殊性质让它能灭火、能做汽水?

密度比空气大
M(CO₂)=44,空气平均≈29,相对密度44/29≈1.52
能溶于水
常压下1体积水约溶1体积CO₂,加压溶解量大幅增加
灭火应用
密度大→沉到底部隔绝氧气,同时本身不支持燃烧
制汽水应用
工厂加压把大量CO₂压入水中,减压后气体逸出形成气泡
打开汽水瓶冒气泡对应 →CO₂加压溶解与减压逸出

瓶内高压时CO₂安静溶在水中,开盖减压后溶解度下降,气泡跑出来

ρ相对=MCO2M空气=44291.52\rho_{相对}=\frac{M_{CO_2}}{M_{空气}}=\frac{44}{29}\approx 1.52
7第 7 页 · 二氧化碳的物理性质(密度

氧气的实验室制法概念

学完CO2的制取,自然会问:氧气呢?空气里这么多氧气,为什么还要专门在实验室制备?这一页先把『为什么』和『怎么想』说清楚。

制备背景
氧气支持燃烧和呼吸,反应中被消耗;空气中氧气浓度稳定但取用不便,需现场制取
核心思路
选反应物→定反应条件→选发生装置→定收集方法,四步走
与CO2对比
两者都常用『固液不加热』装置,但CO2是复分解反应,O2是分解反应,反应本质不同
通用分析框架
之后学任何气体(H2、Cl2等)都可套用这四步分析,形成可迁移的思维方法
厨房做饭对应 →实验室制气体

原料→做法→锅具→盛盘,对应反应物→条件→装置→收集

8第 8 页 · 氧气的实验室制法概念

二氧化碳的检验方法

前面我们学会了收集二氧化碳——但收集瓶里装的气体到底是不是 CO₂?这就轮到「检验」出场了。

检验试剂
澄清石灰水,主要成分是 Ca(OH)₂ 的水溶液
操作方法
把待检气体通入澄清石灰水中
特征现象
石灰水由澄清变浑浊,像牛奶一样
反应原理
CO₂ 与 Ca(OH)₂ 反应生成白色不溶物 CaCO₃
排他性
O₂、N₂、空气都不能让石灰水变浑浊,特异性强
认人的暗号对应 →石灰水变浑浊

对暗号才能确认身份——其他气体都对不上号

CO2+Ca(OH)2CaCO3+H2OCO_2 + Ca(OH)_2 \rightarrow CaCO_3\downarrow + H_2O
9第 9 页 · 二氧化碳的检验方法

集气瓶中二氧化碳是否集满

前面学过用澄清石灰水检验气体是不是二氧化碳——那是「验身份」。但实际制气时更常问的是另一个问题:瓶子里什么时候装满了?这就是「验满」。

验满操作
将燃着的小木条放在集气瓶口(瓶口外侧),观察火焰
判断标准
木条立即熄灭 ⟹ 瓶内已集满 CO₂
背后的原理
CO₂ 密度大于空气,由下而上充满瓶内;满则从瓶口溢出,扑灭火焰
与检验的区别
验满看瓶口、用燃木条;验成分用澄清石灰水、看是否变浑浊
浴缸水满会从溢水口流出对应 →集气瓶 CO₂ 满则从瓶口溢出

燃着的木条就是「溢水口探测器」——瓶口一有气体溢出就先把它熄灭

10第 10 页 · 集气瓶中二氧化碳是否集满

实验室制取气体的步骤要素

前几页我们学了怎么收 CO2、怎么验满——但每次制一种新气体,都要重新想一遍吗?其实背后有一套通用的「四步法」,所有气体制取都跑不出这个框架。

反应原理
先确定用什么反应生成目标气体,看原料状态和反应条件
发生装置
根据反应物状态和是否加热,选对应的反应容器组合
收集装置
由气体密度和水中溶解性决定用排空气法或排水法
检验与验满
用特征反应确认气体身份,并判断集气瓶是否装满
泡一壶茶对应 →实验室制取气体

选茶叶→反应原理;烧水壶→发生装置;茶杯→收集装置;抿一口→检验验满

11第 11 页 · 实验室制取气体的步骤要素

本节要点

  • 密度比空气大的气体,用向上排空气法收集
  • 比较气体密度只需看相对分子质量与29的大小
  • 澄清石灰水变浑浊是检验CO₂的特征反应
  • 验满时燃着的木条放在瓶口,不能伸入瓶内
  • 制取气体需明确反应原理、装置、操作与检验
延伸主题:排水法收集气体的适用条件实验室制取CO₂的具体装置二氧化碳的化学性质
12第 12 页 · 本节要点

课后思考

先独立想,再对照参考答案。三个问题分别测试核心、应用与边界。

1为什么检验集气瓶中二氧化碳是否已集满时,要把燃着的木条放在瓶口,而不是伸入瓶内?

参考答案二氧化碳密度大于空气,从瓶底向上堆积。瓶口是气体最后到达的位置,木条熄灭说明瓶口处也已是 CO2,气体已满。若伸入瓶内,集气半满时木条也会熄灭,无法判断是否已满。

2假设要收集一种无色、不溶于水、相对分子质量为 40 的气体,应选用哪种收集方法?请说明判断依据。

参考答案可用排水法收集,因为不溶于水;同时相对分子质量 40 大于空气平均 29,密度比空气大,所以也可用向上排空气法。本题两种方法都可行。

3空气平均相对分子质量约为 29。如果某气体相对分子质量恰好等于 29,排空气法还适用吗?为什么?

参考答案不适用。排空气法的原理是气体与空气密度存在差异,密度大的下沉、密度小的上浮。若相对分子质量等于 29,气体与空气密度几乎相同,无法形成有效分层和对流。

13第 13 页 · 课后思考