二氧化碳制取的研究进展与优化方法

碳纳米管为长形细小的石墨圆筒,具有电子学和热力学等多方面的特征,这些特征随纳米管的形状变化而有所不同,碳纳米管能作为复合材料中的增强元素．

知能概述

实验室制取二氧化碳原理:大理石、石灰石与稀盐酸反应:

实验装置:与制H2(或与H2O2,MnO2制O2)相同．

收集方法:向上排空气法．

验满方法:燃着的木条放在瓶口．

注意:①不能用浓盐酸——有挥发性,导致收集的CO2不纯．

②不能用硫酸——反应生成微溶的CaSO4覆盖在大理石表面,使反应停止．

③不宜用碳酸钠——反应速率太快,不便于收集．

要制得干燥、纯净的CO2气体,可将制得的气体依次通过饱和的NaHCO3溶液、浓H2SO4,除去所含HCl气体杂质并干燥．

问题解决

例1　实验表明,不能用块状大理石与稀硫酸制取二氧化碳气体,而能用大理石粉末与稀硫酸制取二氧化碳气体．由此得出的合理结论是(　)．

A．能发生反应的物质之间是否发生反应,与反应的条件有关

B．反应物之间接触面积越大,越有利于反应的进行

C．块状大理石与大理石粉末的化学性质不同

D．块状大理石与大理石粉末中各元素原子间电子的结合状况不同

(山东省竞赛题)

解题思路　大理石与稀硫酸并非不能反应生成CO2气体,只是反应生成的微溶的CaSO4覆盖块状大理石表面,阻止了反应的进行,不能持续地产生CO2气体,但大理石的粉末颗粒极小,反应物之间接触面积很大,反应可持续进行．

工业制法:煅烧大理石、石灰石．

例2　某兴趣小组用下图所示装置收集并测量反应产生的气体及其体积．试回答:

(1)该发生装置可以制备初中化学常见的_________气体(填写化学式)．

(2)图示装置对反应物的状态和反应条件的要求是___________________________________________、________________________________．

(3)利用该装置测得反应生成气体体积偏大的最主要原因是_________________________________．

例2图

(甘肃省兰州市竞赛题)

解题思路　实验室用锌粒与稀硫酸制氢气、双氧水与MnO2制氧气、大理石与稀盐酸制二氧化碳气体,均可用图示气体发生装置,因为它们都是“固、液,不需加热”的反应,用该装置测量反应生成的气体原理是利用反应生成的气体难溶于水,气体将水压入量筒中而读数．由于CO2能溶于水,故只能用于H2,O2气体体积的测定．

例3　某同学用浓盐酸与大理石反应制取CO2气体,并用此产生的CO2进行其性质的有关实验,当他将气体通入澄清石灰水时,没有浑浊现象发生,为什么?

解题思路　此时得到的CO2气体中混有较多HCl气体,将此气体通入澄清石灰水中,HCl溶于水生成盐酸,酸性条件下CaCO3不存在．

例4　A,B是实验室两种常见的玻璃仪器．

(1)下表内已绘制这两种仪器上部约1/4的局部特征,请你分别根据其用途补绘剩余部分．

(2)下列仪器可装配一套“随开随用、随关随停”的气体发生装置．请填写所用仪器的序号:_______(夹持、固定的仪器不考虑)．能用该套装置制取的气体有_________(任填两种)．

双氧水即过氧化氢溶液．

例4图

(全国复赛题)

解题思路　仪器A突出“少量”,应为试管,而反应物量较多又能加热的反应器应为烧瓶(或锥形瓶),气体发生装置具备“随开随用,随关随停”的特点,一定是随时可以将反应物分开和接触,以此目的去选择仪器．

例5　实验室制备二氧化碳的实验如下:

①市售浓盐酸的标签局部见下图,该盐酸中HCl质量分数的范围是_____________．为使制备过程中二氧化碳平稳地产生且较纯净,应将该浓盐酸_____________．

②用甲装置制备二氧化碳,选择的固体药品是___________(选填编号)．

a．粉末状石灰石　b．块状大理石

c．粉末状熟石灰　d．块状生石灰

例5图

③控制所加盐酸的量,使反应时甲装置内液面位于______处(选填“x”或“y”)为宜．

④收集二氧化碳,应将甲的_________处于乙的_________处连接(选填有关编号)．

⑤写出用澄清石灰水检验二氧化碳的化学方程式___________________．

⑥反应生成了0．1mol(4．4g)二氧化碳,求稀盐酸中参与反应的HCl的质量．(根据化学方程式列式计算)__________．

(上海市中考题)

解题思路　阅读标签内容可得知盐酸中HCl的质量分数范围;浓盐酸有挥发性,且一般反应物浓度越大则反应速度越快,加水稀释由浓盐酸变为稀盐酸,既可以减弱其挥发又可以减缓其反应速率．特别注意:图乙为密闭收集气体装置,这与要求收集较纯净的气体是一致的,试想用下图装置可否达到要求呢?

1．(双选)如用大理石跟浓盐酸反应制取二氧化碳,为了得到纯净干燥的气体,还需要使用的试剂是(　)．

A．固体烧碱　B．浓硫酸

C．澄清石灰水　D．饱和碳酸氢钠溶液

2．下列变化过程中不能产生CO2的是(　)．

A．碳还原氧化铜B．碳酸钙加热分解

C．碳酸钠和石灰水反应　D．葡萄糖在人体内缓慢氧化

(甘肃省兰州市竞赛题)

3．如图所示,将少量液体X加入广口瓶中,关闭活塞,液体X和固体Y因发生化学变化而使a侧液柱低于b侧液柱的组合是(　)．

第3题图

A．①②③　B．②③④　C．①②　D．③④

(2020年湖北省武汉市五月调考题)

4．(双选)用下图实验装置制取干燥的气体正确的是(　)．

第4题图

(全国复赛题)

NH4NO3,NaOH固体溶于水时,分别有吸热和放热的现象．

X,Y,Z分别为制取、干燥、收集的装置,三项均合理方能选择．

5．下列装置能达到相应实验目的的是(　)．

第5题图

(上海市竞赛题)

6．用右图装置可以探究二氧化碳的制取和性质．下列关于该实验的叙述正确的是(　)．

A．浸有紫色石蕊试液的棉花会变蓝

B．粗铜丝能控制反应的发生和停止

C．产生的二氧化碳可用生石灰干燥

D．能验证二氧化碳的密度比空气大

第6题图

(湖南省竞赛题)

7．回答下列与含碳物质有关的问题．

(1)天然存在的最硬的物质是___________;

(2)能将CO和CO2鉴别开的溶液是___________;

(3)K2CO3,Na2CO3,NaHCO3都能与___________(填具体物质)反应,生成CO2．

(吉林省长春市中考题)

8．如图是实验室制取和收集气体的常用装置图,请根据所给的装置图回答下列问题:

第8题图

(1)请写出装置图B中标号①、C中标号②的仪器名称:_________;

(2)实验室既能收集氧气,也能收集二氧化碳的收集装置为___________(填字母代号);

(3)实验室常用氯化铵固体和熟石灰固体混合加热制取极易溶于水的氨气(NH3的相对分子质量为17)．请根据以上装置图选择,在实验室制取氨气时的发生装置和收集装置分别为__________(填字母代号)．

(湖南省长沙市中考题)

B中CO2收集方法不对．

NH3溶于H2O生成氨水,呈碱性,使酚酞变红色．

从CaCO3＋2HCl＝CaCl2＋H2O＋CO2↑得到启发,三种物质K2CO3,Na2CO3,NaHCO3中分别溶有、,均能与酸反应产生CO2(为碳酸根,为碳酸氢根)．

可以依据相对分子质量大小比较气体密度的大小,NH3的相对分子质量为17,空气的平均分子质量为29,所以相同条件下,NH3比空气轻．

9．小红和小明通过合作交流,完成了CO2的实验室制取,并进行了相关问题的思考和讨论．(查阅资料:氯化钙溶液呈中性)

第9题图

(1)仪器a的名称是_________．

(2)块状大理石装入试管内的基本操作是_____________________．

(3)试管内发生反应的化学方程式是______________________．

(4)烧杯中溶液变红,他们分析废液呈酸性的一种原因是_____________________________________________．

(2019年山西省中考题)

10．实验室制备并收集二氧化碳．

(1)选用药品．按下表进行实验,取等质量的大理石加入足量酸中(杂质不与酸反应),产生二氧化碳体积随_时间变化曲线如下图所示:

第10题图1

图中丙对应实验_________(选填“Ⅰ”“Ⅱ”或“Ⅲ”)．确定用乙对应的药品制备并收集二氧化碳,相应的化学方程式是__________________;不用甲对应的药品,理由是_________________________．

(2)搭建装置．组装简易启普发生器,应选用_________(选填编号)．(www.xing528.com)

(3)收集二氧化碳．用如图所示装置收集时,空气从_________(选填“x”或“y”)端排出．

(4)检验二氧化碳．写出检验时反应的化学方程式________________________________．

第10题图2

(2019年上海市中考题)

11．实验是学习化学的重要手段,通过实验可以培养实践能力和创新精神．实验室制取气体是初中重要的一组实验,结合下列实验装置图回答问题:

(1)装置Ⅰ是加热固体的装置,指出其中的错误_____________________,要改正错误需要操作的旋钮是_________(填字母)．

酸性物质可使石蕊溶液变为红色．

当其他条件相同时,固体颗粒的大小会影响反应的速率,固体颗粒越小,表面积越大,反应物之间接触越充分,反应速率就越快．

(2)使用装置Ⅱ前要检验气密性,方法是______________________________．

第11题图

(3)实验室制取H2,O2,CO,CO2四种气体,可选用装置Ⅲ来收集的气体有________(填化学式)．

(广东省竞赛题)

12．某课外兴趣小组的同学对二氧化碳的制取和性质进行相关探究．

【实验回顾】

(1)实验室用大理石与稀盐酸制取二氧化碳的化学方程式为_________________________________;用向上排空气法收集二氧化碳的原因是________________________________．

【实验探究】

(2)如图1所示,打开汽水瓶盖,有大量气泡冒出,塞上带导管的橡皮塞,导管另一端伸入装有滴加了紫色石蕊溶液的蒸馏水的试管中,轻轻振荡汽水瓶,观察到紫色石蕊溶液变红;加热上述试管,发现溶液颜色由红色变为紫色,写出上述变化过程中反应的化学方程式:__________________________,______________________________．

第12题图

(3)打开汽水瓶盖时,有大量气泡冒出,说明气体的溶解度___________________________________________．

(4)如图2所示,在C处放入用石蕊溶液染成紫色的干燥的纸花完成以下实验:

在A处持续而缓慢地通入气体X．当关闭K时,C处的紫色石蕊纸花不变色;当打开K后,C处的紫色石蕊纸花变为红色．

若气体X为未经干燥的二氧化碳,则B瓶中盛放的溶液可以为_________(填字母);

若气体X为未经干燥且混有氯化氢的二氧化碳,则B瓶中盛放的溶液可以为_________(填字母)．

A．浓硫酸　B．氢氧化钠溶液　C．饱和碳酸氢钠溶液

三个旋钮各司其职,其作用分别是调整试管的高低；调整所夹试管的前后；调整试管口的倾斜方向．

【交流反思】

(5)该小组用空气样品和提高二氧化碳含量的空气样品,控制相同条件测定二者在光照前后温度的变化,实验结果如图3所示．则与空气样品对应的温度变化曲线是_________(填“a”或“b”),二氧化碳可以导致温室效应．

第12题图

请简述温室效应对人类生存环境的功与过:________________________________________________________(各写一点)．

(2019年江苏省南京市中考题)

13．现要制取一些二氧化氮气体来做演示分子运动的实验．已知二氧化氮气体可以通过铜和浓硝酸反应2H2O得到．二氧化氮是一种红棕色的气体,密度比空气大,能和水反应生成HNO3和NO气体,NO和NO2都是大气污染物．现给出下列装置(A—F):

第13题图

(1)制二氧化氮的发生装置可以选________,收集二氧化氮的装置可以选________;

(2)写出二氧化氮和水反应的化学方程式___________________________;

(3)要得到干燥的二氧化氮可将其通过________;

(4)NO一遇到O2就会变成NO2,收集NO应用________法;

(5)用如上图F装置演示分子运动时,为了缩短演示的时间,NO2最好放在_________(选填“上”或“下”)面的集气瓶中,另一瓶是空气,抽去两瓶之间的玻璃片,可以看到___________________________________．

(江苏省竞赛题)

14．请根据下图回答问题:

第14题图1

实验室用C装置制取二氧化碳气体时,若要得到平稳的气流,可将长颈漏斗改为分液漏斗,换用注射器也可以达到目的．

(1)图中仪器的名称:①_________,②_________．

(2)实验室制取二氧化碳常选用的发生装置是________(填编号),实验前必须对该装置进行________．反应后要得到氯化钙固体需要用到上述的________装置(填编号)．

(3)实验室用B装置制取氧气,所用的试剂是_________,其中收集装置应选用_________(填编号);若用10%的双氧水和二氧化锰混合制取氧气,二氧化锰起_________作用,反应的方程式为_________________．收集装置若选E,用排空气法收集气体,则气体从_________(填“a”或“b”)端进入;E装置内装满水收集氧气时,还可用于测定气体的体积,此时氧气应由_________(填“a”或“b”)进入E中;用双氧水和二氧化锰制取氧气完毕,要从剩余的浊液把二氧化锰分离出来,应选用上述装置中的________(填编号)．

(4)某微型实验装置如图2,该装置相当于图1的装置______(填序号)．

第14题图2

(广东省中山市竞赛题)

15．某化学兴趣小组用石灰石和盐酸制取一瓶CO2,验满后,将澄清石灰水倒入集气瓶中,发现没有变浑浊．兴趣小组对这个异常现象进行了探究．

【提出问题】澄清石灰水为什么没有变浑浊?

【查阅资料】(1)CO2过量时,CaCO3沉淀会转化为可溶于水的Ca(HCO3)2．

(2)AgCl不溶于稀硝酸．

【提出猜想】Ⅰ．石灰水已完全变质　Ⅱ．________Ⅲ．CO2中混有HCl

【实验方案】兴趣小组用原药品继续制取CO2,并进行探究．实验室制备CO2的化学方程式为________________________________________．

【实验结论】制取的CO2气体中混入了HCl,所以澄清石灰水没有变浑浊．

【交流讨论】若要收集到纯净、干燥的CO2,需将混合气体依次通入饱和NaHCO3溶液和___________．

【拓展思考】回忆课本中收集呼出气体的操作后,同学们尝试用排水法收集一瓶CO2,倒入澄清石灰水后,石灰水变浑浊．你认为该实验成功的原因是_____________________(写一点)．

(2019年广东省中考题)

解题信息:

②盐酸在溶液中可电离出H＋和Cl－,溶液中含有Cl－时,可用AgNO3溶液检验(有白色沉淀生成,且不溶于稀硝酸)．

16．刘明用石灰石(杂质不与酸反应,也不溶于水)和稀盐酸反应制取二氧化碳．在准备将反应后的废液倒进废液缸时,发现实验桌上有一瓶未知质量分数的Na2CO3溶液,他决定利用该废液,测定Na2CO3溶液中溶质的质量分数．他将废液过滤,然后向废液中慢慢滴加Na2CO3溶液,加入Na2CO3溶液的质量(m)与生成沉淀质量(n)的关系如图所示．

(1)在加入Na2CO3溶液的过程中,开始时没有发现沉淀生成,说明滤液中的溶质除含有CaCl2外,还含有_________;

(2)计算Na2CO3溶液中溶质的质量分数．(计算结果精确到0．1%)

第16题图

(山西省竞赛题)

17．在100mL稀盐酸中加入混合均匀的NaHCO3和KHCO3固体粉末,充分反应后使气体全部逸出．如图是加入粉末的质量与产生CO2(该状况下,气体的密度为1．964g/L)体积的关系．请计算:

(1)该盐酸中HCl的质量．

(2)若该盐酸为120mL,加入粉末为58．5g,求产生CO2的体积．

(3)若粉末的质量为xg,该盐酸的体积为140mL,产生的CO2体积为yL．试写出粉末质量xg与产生CO2体积yL之间的关系．

第17题图

(全国复赛题)

例1　B　例2　(1)H2或CO2或O2　(2)反应物是固体和液体,反应条件不需要加热　(3)量筒包含了滴入液体的体积

例3　浓盐酸有很强的挥发性,此时收集的CO2气体中混有HCl气体,将此气体通入澄清石灰水时,HCl气体溶于水生成盐酸,可消耗掉一部分Ca(OH)2,同时在酸性溶液中不可能有CaCO3沉淀生成．

例4　(1)(A画为具支试管,B画为圆底烧瓶、蒸馏烧瓶亦可．)

(2)①②③④⑤⑥⑧　CO2,H2

例5　①36%～38%　加水稀释　②b　③y　④f　j　⑤

⑥解:设参与反应的HCl的质量是x．

答:稀盐酸中参加反应的HCl为7．3g．

1．BD　2．C　3．D　4．AC　5．C　6．B

7．(1)金刚石　(2)澄清石灰水　(3)稀盐酸(或稀硫酸)　8．(1)锥形瓶　集气瓶　(2)C　(3)AD

9．(1)集气瓶　(2)将试管横放、用镊子将大理石放入试管口,再将试管缓慢竖起,使大理石缓缓滑入试管底部　(3)CaCO3＋2HCl CaCl2＋H2O＋CO2↑　(4)可能盐酸有剩余

10．(1)Ⅰ　CaCO3＋2HCl CaCl2＋H2O＋CO2↑　反应过于剧烈,不利于收集CO2　(2)bcfg(3)x　(4)Ca(OH)2＋CO2CaCO3↓＋H2O

11．(1)试管口向上倾斜(或试管口没有略向下倾斜)　AB　(2)用止水夹夹紧橡胶管,在长颈漏斗中加少量水,长颈漏斗中的水面保持不下降,说明装置不漏气　(3)H2,O2,CO

12．【实验回顾】(1)CaCO3＋2HClCaCl2＋H2O＋CO2↑　二氧化碳密度比空气大,且不与空气中的主要成分反应

【实验探究】(2)(3)在一定温度下,气体的溶解度随压强减小而减少　(4)AB　AB

【交流反思】(5)a　功:温室效应使全球平均地表温度提高到目前适合人类生存的温度等　过:温室效应增强,全球气候变暖．例如,导致冰川融化,使海平面升高,淹没部分沿海城市；使土地沙漠化,造成农业减产；影响自然生态系统,改变生物多样性；等等

13．(1)B　E　(2)(3)浓H2SO4　(4)排水　(5)上　红棕色气体飘下,最终两个瓶子中都充满了红棕色气体

14．(1)酒精灯　烧杯　(2)C　气密性检查　A　(3)高锰酸钾　E或G　催化　2H2O22H2O＋O2↑　a　b　D　(4)B

15．【提出猜想】CO2过量

【实验方案】CaCO3＋2HCl CaCl2＋H2O＋CO2↑

(1)Na2CO3(可溶性碳酸盐)　(2)澄清石灰水不变浑浊　(3)AgNO3(硝酸银)　产生白色沉淀AgNO3＋HClHNO3＋AgCl↓

【交流讨论】浓硫酸(或浓H2SO4)

【拓展思考】排水法能收集到CO2(或排水过程中除掉了HCl)

16．(1)HCl　(2)解:分析图意,(25g－5g)Na2CO3溶液与氯化钙溶液全部反应,生成5g碳酸钙沉淀．

设20gNa2CO3溶液中溶质的质量为x．

该Na2CO3溶液中溶质的质量分数为．

17．解:(1)m(CO2)＝11．2×1．964＝22g

设盐酸中HCl的质量为x．

(3)m(粉末)＝45×1．4g＝63g　若x≤63g,则；若x＞63g,则y＝11．2×1．4＝15．68．