返回化学考纲

常见气体制备与检验

CSCA 化学「常见气体制备与检验」知识点教程，依据公开的 CSCA 考纲整理，含练习入口。

安排本知识点复习前，可先查看CSCA 考试指南，核对考试日期、报名、费用与科目要求。

考纲对齐

本教程依据公开的 CSCA 来华留学本科入学考试考纲整理，覆盖对应知识点。

适用对象

计划参加 CSCA 数学、物理、化学或专业中文考试的来华留学考生。

相关练习

CSCA Practice · 进入练习题

真题与逐题视频讲解 · 计时模拟考试 · 本学科全部视频教程

按知识点刷题

从本教程一键跳转同知识点的筛选练习题。

教程正文

常见气体制备与检验

核心概念与逻辑框架

常见气体制备与检验是化学实验的核心技能之一。它遵循一个清晰的逻辑流程：**选择反应原理 → 设计发生装置 → 进行净化干燥 → 选择收集方法 → 实施检验验证**。掌握这一流程，就能系统性地解决各类气体制备问题。CSCA考试常考察对特定气体（如 $\ce{O2}$、$\ce{H2}$、$\ce{CO2}$）的制备原理、装置选择和检验方法的理解。

核心制备原理与装置

实验室制备气体通常基于固体与液体（或液体与液体）在常温或加热条件下反应。装置选择取决于反应物的状态和反应条件。

1. **固体加热型**：反应物为固体，需要加热。

* **装置图**：类似于制备氧气的装置。

* **典型气体**：$\ce{O2}$（$2\ce{KClO3} \xrightarrow[\ce{MnO2}]{\Delta} 2\ce{KCl} + 3\ce{O2}\uparrow$ 或 $2\ce{KMnO4} \xrightarrow{\Delta} \ce{K2MnO4} + \ce{MnO2} + \ce{O2}\uparrow$）。

* **注意事项**：试管口略向下倾斜，防止冷凝水倒流炸裂试管。

2. **固液不加热型**：块状或颗粒状固体与液体在常温下反应。

* **装置图**：使用启普发生器或其简易装置（带长颈漏斗和双孔塞的锥形瓶/试管）。

* **典型气体**：$\ce{H2}$（$\ce{Zn} + \ce{H2SO4} (稀) = \ce{ZnSO4} + \ce{H2}\uparrow$），$\ce{CO2}$（$\ce{CaCO3} + 2\ce{HCl} = \ce{CaCl2} + \ce{H2O} + \ce{CO2}\uparrow$）。

* **优点**：可随时控制反应的发生与停止。

3. **固液或液液加热型**：反应物包含液体，需要加热。

* **装置图**：使用圆底烧瓶、分液漏斗、酒精灯等。

* **典型气体**：$\ce{Cl2}$（$\ce{MnO2} + 4\ce{HCl} (浓) \xrightarrow{\Delta} \ce{MnCl2} + \ce{Cl2}\uparrow + 2\ce{H2O}$），$\ce{HCl}$ 等。

气体的收集方法

根据气体的物理性质（密度、水溶性）和化学性质（是否与水或空气反应）选择。

1. **排水法**：适用于**不易溶于水**且**不与水反应**的气体。

* **优点**：纯度较高。

* **气体**：$\ce{O2}$、$\ce{H2}$、$\ce{CH4}$ 等。

2. **向上排空气法**：适用于**密度比空气大**（相对分子质量 > 29）且**不与空气中成分反应**的气体。

* **装置**：导管伸入集气瓶底部。

* **气体**：$\ce{CO2}$、$\ce{Cl2}$、$\ce{HCl}$、$\ce{SO2}$ 等。

3. **向下排空气法**：适用于**密度比空气小**（相对分子质量 < 29）且**不与空气中成分反应**的气体。

* **装置**：导管伸入集气瓶底部。

* **气体**：$\ce{H2}$、$\ce{CH4}$、$\ce{NH3}$ 等。

气体的净化与干燥

若制得的气体含有杂质（如酸雾、水蒸气等），需先净化再干燥。

* **净化（除杂）**：选择不与目标气体反应的试剂吸收杂质。例如，$\ce{CO2}$（$\ce{HCl}$）通过饱和 $\ce{NaHCO3}$ 溶液除去 $\ce{HCl}$。

* **干燥**：使用干燥剂吸收水蒸气。选择干燥剂的原则是：干燥剂不能与目标气体反应。

* **浓 $\ce{H2SO4}$**：酸性干燥剂，可干燥 $\ce{O2}$、$\ce{H2}$、$\ce{CO2}$、$\ce{Cl2}$、$\ce{HCl}$、$\ce{SO2}$ 等**酸性或中性**气体，不能干燥 $\ce{NH3}$（会反应）、$\ce{H2S}$（会氧化）。

* **碱石灰**（$\ce{CaO}$ 与 $\ce{NaOH}$ 混合物）：碱性干燥剂，可干燥 $\ce{NH3}$ 等**碱性**气体，不能干燥 $\ce{CO2}$、$\ce{SO2}$、$\ce{HCl}$ 等酸性气体。

* **无水 $\ce{CaCl2}$**：中性干燥剂，应用较广，但不能干燥 $\ce{NH3}$（会形成配合物）。

气体的检验方法

检验需具有**特征性**。

1. **$\ce{O2}$**：将带火星的木条伸入集气瓶，木条**复燃**。

2. **$\ce{H2}$**：纯净的氢气在空气中燃烧，产生**淡蓝色**火焰，干冷烧杯罩在火焰上方有**水珠**生成。不纯的氢气点燃可能发生爆炸。

3. **$\ce{CO2}$**：

* 通入澄清石灰水 $\ce{Ca(OH)2}$，石灰水变**浑浊**（生成 $\ce{CaCO3}$ 沉淀）。

* 将燃着的木条伸入集气瓶，木条**熄灭**（此方法不具唯一性，因 $\ce{N2}$ 等也能使木条熄灭）。

4. **$\ce{NH3}$**：

* 用湿润的红色石蕊试纸靠近，试纸变**蓝**。

* 有刺激性气味。

典型例题

**例题1**：实验室用大理石（主要成分 $\ce{CaCO3}$）和稀盐酸制备干燥、纯净的二氧化碳气体。请回答：

(1) 应选用哪种发生装置？为什么？

(2) 制得的气体中可能混有哪些杂质？如何除去？

(3) 应选用哪种干燥剂干燥 $\ce{CO2}$？

(4) 应选用哪种方法收集 $\ce{CO2}$？如何验满？

**解**：

(1) 应选用**固液不加热型**发生装置（如启普发生器或其简易装置）。因为反应物 $\ce{CaCO3}$（固体）和稀盐酸（液体）在常温下即可反应生成 $\ce{CO2}$。

(2) 可能混有的杂质：从盐酸中挥发出的 **$\ce{HCl}$ 气体** 和反应产生的水蒸气。除去 $\ce{HCl}$ 气体：将气体通过**饱和 $\ce{NaHCO3}$ 溶液**（$\ce{NaHCO3} + \ce{HCl} = \ce{NaCl} + \ce{H2O} + \ce{CO2}\uparrow$），注意不能使用 $\ce{NaOH}$ 或 $\ce{Na2CO3}$ 溶液，因为它们会吸收 $\ce{CO2}$。

(3) 干燥剂：可选用**浓硫酸**或**无水氯化钙**。因为 $\ce{CO2}$ 是酸性气体，不与浓硫酸反应；也不与无水氯化钙反应。不能使用碱石灰等碱性干燥剂。

(4) 收集方法：**向上排空气法**，因为 $\ce{CO2}$ 密度比空气大，且能溶于水。

验满方法：将**燃着的木条**放在集气瓶口，若木条**熄灭**，则证明 $\ce{CO2}$ 已收集满。

**例题2**：下列有关气体制备、收集和检验的叙述中，错误的是（ ）。

A. 用排水法收集 $\ce{O2}$ 时，当导管口有连续均匀气泡冒出时才开始收集

B. 用向上排空气法收集 $\ce{CO2}$ 时，将燃着的木条伸入集气瓶内验满

C. 用锌粒和稀硫酸制 $\ce{H2}$ 时，可用浓硫酸干燥氢气

D. 检验 $\ce{NH3}$ 可用湿润的红色石蕊试纸

**解**：

A 正确。刚开始排出的是装置内的空气，气体不纯，需待空气排尽（导管口有连续均匀气泡）后再收集。

B 错误。验满操作应在**集气瓶口**进行，将燃着的木条伸入瓶内是检验气体性质，不是验满。

C 正确。$\ce{H2}$ 是中性气体，不与浓硫酸反应，可用浓硫酸干燥。

D 正确。$\ce{NH3}$ 溶于水呈碱性，能使湿润的红色石蕊试纸变蓝。

**答案：B**

注意事项与常见错误

1. **混淆装置与反应条件**：如加热 $\ce{KClO3}$ 制 $\ce{O2}$ 用固体加热装置，而常温下 $\ce{H2O2}$ 与 $\ce{MnO2}$ 制 $\ce{O2}$ 用固液不加热装置。

2. **收集方法选择错误**：忽略气体的溶解性或密度。如 $\ce{CO2}$ 能溶于水，不宜用排水法；$\ce{NH3}$ 密度比空气小且极易溶于水，应用向下排空气法。

3. **干燥剂选择错误**：忽略干燥剂与气体的化学反应。如用浓硫酸干燥 $\ce{NH3}$，或用碱石灰干燥 $\ce{CO2}$。

4. **验满操作位置错误**：如将验满 $\ce{O2}$ 的带火星木条伸入瓶内（应为瓶口），或将验满 $\ce{CO2}$ 的木条伸入瓶内（应为瓶口）。

5. **混淆检验与验满**：检验是确定“是什么气体”，验满是确定“气体是否集满”，两者操作和目的不同。

掌握气体制备与检验的系统思维，是理解更复杂实验流程的基础。