北 京 四 中

制备实验方案的设计

编　　稿：张　　立　　　　责　　编：顾振海

　　[重点难点]
　　1、了解制备实验方案的设计方法和要求。

　　2、运用已学知识分析并评价氢氧化铝制备的最佳途径。

　　3、设计实验：硫酸亚铁的制备

　　[知识讲解]
　　1、制备新物质需先设计方案的原因
　　制备新物质是科学研究和工农业生产的发展的需要，它是在一定的实验条件和过程中进行的。

　　我们还知道反应物相同，反应条件不同时产物也不一样。如苯和氯气在光照下发生加成反应，但在FeCl₃作催化剂时却发生取代反应生成氯苯。再如，用同浓度、同体积的AlCl₃溶液和NaOH溶液制备Al(OH)₃时，如果将NaOH溶液滴到AlCl₃溶液中或将AlCl₃溶液滴加到NaOH溶液中实验现象和结果完全不同。这种例子还有很多，因此，在设计物质制备的实验方案时，要使实验过程达到和保持某种状态、发生某种特定变化，并得到理想的结果，就必须注意对实验条件进行设计。

　　2、作用和要求
　　根据化学实验的目的要求，依据正确的化学原理，结合题给的信息和提供的药品和仪器，运用相关的化学知识和技能，对实验的仪器、装置和方法所进行的统一规划，选择最佳方案，达到制取某种物质的目的。

　　进行上述实验设计的作用：
　　①直接关系到实验效率的高低，甚至实验的成败；

　　②科学、合理、周密、巧妙的实验设计，往往能导致化学科学的重大发现。

　　制备实验方案设计的要求：
　　①原理正确、步骤简单；

　　②条件适宜、操作方便；

　　③原料丰富、价格低廉；

　　④节省试剂、安全防污；

　　⑤产品纯净、易于提纯。

　　3、制备实验设计思路及一般方法
　　列出可能的几种制备方法和途径，从上面的5项要求进行分析和比较，从中选取最佳的实验方法。

　　在制订具体的实验方案时，还应注意对实验条件进行严格、有效的控制。其顺序是：

　　4、用铝屑制备Al(OH)₃的几种方案及评价
　　根据中学化学所学内容，制备Al(OH)₃我们可以：

　　⑴用铝先和酸反应生成Al³⁺盐，再用Al³⁺盐和NaOH溶液或氨水反应制出Al(OH)₃；

　　⑵用铝屑先和强碱溶液如NaOH溶液反应生成AlO₂^－盐，再用稀硫酸中和过量的碱液，并促使AlO₂^－与酸溶液反应或水解，得到Al(OH)₃；

　　⑶先用铝屑分别和稀硫酸、浓氢氧化钠溶液作用生成铝盐溶液、偏铝酸盐溶液，然后将这两溶液相混合，得到氢氧化铝。

　　下面从原料消耗、生成氢氧化铝是否便于控制等方面加以讨论：

　　(1)方案一：
　　铝屑和稀硫酸反应生成Al³⁺的盐溶液，再用NaOH溶液（或）氨水使Al(OH)₃沉淀析出。

　　发生反应为：2Al+3H₂SO₄（稀）===Al₂(SO₄)₃+3H₂↑，2Al+6H⁺===2Al³⁺+3H₂↑，

　　　　　　　　Al₂(SO₄)₃+6HaOH===2 Al(OH)₃↓+3Na₂SO₄，Al³⁺+3OH^-=== Al(OH)₃↓。

　　用氨水时：Al₂(SO₄)₃+6NH₃·H₂O===2 Al(OH)₃↓+3(NH₄)₂SO₄，Al³⁺+3NH₃·H₂O=== Al(OH)₃↓+3NH₄⁺。

　　从方程式可看出，用NaOH溶液沉淀Al³⁺，若NaOH溶液不足，则Al³⁺沉淀不完全；NaOH溶液过量，则生成的Al(OH)₃又将有一部分转化为NaAlO₂溶液，即Al(OH)₃+NaOH===NaAlO₂+2H₂O，终点不易控制，因为Al(OH)₃溶于过量的NaOH溶液，影响Al(OH)₃的生成量。

　　用氨水沉淀Al³⁺，随着氨水的滴加，Al(OH)₃沉淀量逐渐增大，当Al³⁺完全转化为Al(OH)₃沉淀时，再滴入氨水，Al(OH)₃不溶解（氢氧化铝不跟弱碱反应），反应易于控制。

　　从消耗原料物质的量方面分析：若制取1mol Al(OH)₃需要3mol H⁺和3mol OH^-或3mol NH₃·H₂O。

　　(2)方案二：
　　铝屑先跟浓NaOH溶液反应，再用稀硫酸中和过量的碱液，促使AlO₂^－与酸反应得到Al(OH)₃。

　　发生反应为：2Al+2NaOH+2H₂O===2NaAlO₂+3H₂↑，2Al+2OH^－+2H₂O===2AlO₂^－+3H₂↑，

　　　　　　　　2NaAlO₂+H₂SO₄+2H₂O===2Al(OH)₃↓+Na₂SO₄，AlO₂^-+H⁺+H₂O===Al(OH)₃↓。

　　若硫酸过量，则生成的Al(OH)₃会溶解。

　　若制取1mol Al(OH)₃，需消耗H⁺、OH^－各1mol。

　　(3)方案三：
　　用铝屑分别与稀硫酸和浓NaOH溶液反应，将得到的铝盐溶液和偏铝酸盐溶液混合过滤，再将得到的沉淀洗涤，可得Al(OH)₃。

　　发生反应为：2Al+3H₂SO₄（稀）=== Al₂(SO₄)₃+3H₂↑，2Al+6H⁺===2Al³⁺+3H₂↑，

　　　　　　　　2Al+2NaOH+2H₂O===2NaAlO₂+3H₂↑，2Al+2OH^-+2H₂O===2AlO₂^-+3H₂↑，

　　　　　　　　Al₂(SO₄)₃+6NaAlO₂+12H₂O===Al(OH)₃↓+3Na₂SO₄，Al³⁺+3AlO₂+6H₂O===4 Al(OH)₃↓。

　　按此方案，若制备1mol Al(OH)₃，需消耗mol H⁺和mol OH^-。

　　我们来比较这三种方案，同样是制备1mol Al(OH)₃，使用的药品都是三种：铝屑、稀硫酸、氢氧化钠溶液，第一种方案消耗酸、碱的物质的量最多，第三种方案最少；从操作要求可看出：方案一、二不如方案三简单。

　　综上所述，制备Al(OH)₃宜用第三种方案，其流程应为：

　　5、用铝屑制备Al(OH)₃的具体实验方案的设计
　　实验名称：
　　以铝为原料制备Al(OH)₃

　　实验目的：
　　①分析评价制备Al(OH)₃的最佳条件；

　　②认识铝的化学性质和Al(OH)₃的两性。

　　实验原理：
　　铝屑分别与稀硫酸和浓NaOH溶液反应得到Al₂(SO₄)₃和NaAlO₂溶液，将铝盐溶液和偏铝酸盐溶液混合过滤，再将得到的沉淀洗涤，即可得到Al(OH)₃。

　　实验用品：
　　烧杯、量筒、玻璃棒、漏斗、托盘天平、铁架台、石棉网、酒精灯、pH试纸、滤纸、剪刀、火柴、铝屑、稀硫酸、稀NaOH溶液、浓NaOH溶液、蒸馏水。

　　实验步骤：
　　①在烧杯1中加入50mL稀NaOH溶液，再加入足量铝屑，给溶液稍加热1～2分钟后取出，用蒸馏水把铝屑洗涤干净，称量铝屑的质量，设为m₁，将铝屑分为四份，备用。

　　②在烧杯2中放入1份铝，再加入适量稀硫酸，使铝屑完全溶解。

　　③在烧杯3中放入3份铝，再加入适量浓NaOH溶液，使铝屑完全溶解。

　　④将烧杯2和烧杯3中的溶液混合，将沉淀过滤。

　　⑤将所得沉淀转移到烧杯中，用热蒸馏水洗涤3次，再过滤、洗涤，至溶液的pH值为7～8。

　　⑥过滤，干燥，得到Al(OH)₃固体。

　　⑦用托盘天平称量所得Al(OH)₃固体的质量为m₂，计算出产率。

　　实验现象记录及结果处理　
　　①实验现象（略）

　　②实验结果处理

铝屑的质量（m1）
氢氧化铝的质量（m2）
氢氧化铝的理论产量（m3）
产率计算公式
本实验Al（OH）3的产率

　　注意：
　　1、实验步骤1中铝屑先用稀NaOH溶液处理，是为了除去铝屑表面的薄薄的氧化铝膜。

　　2、铝屑的质量要均分为相同的四份，使它们能按Al³⁺+3AlO₂^-+6H₂O===4 Al(OH)₃↓完全反应。

　　3、Al³⁺+3H₂O Al(OH)₃+3H⁺，AlO₂^-+2H₂O Al(OH)₃+OH^-

　　正是由于这两个水解反应相互促进，使得Al³⁺盐和AlO₂^-盐相混后产生Al(OH)₃沉淀。

　　［以苯甲酸为原料制备苯甲酸甲酯］
　　实验设计参考：
　　实验目的：
　　制备苯甲酸甲酯

　　实验原理：
　　苯甲酸与甲醇在浓硫酸作用下生成苯甲酸甲酯

　　实验用品：略

　　实验步骤：
　　⑴向20mL大试管中加入2 mL甲醇、2 mL苯甲酸，再慢慢滴入0.5 mL浓硫酸；

　　⑵在另一支试管中加入3 mL饱和Na₂CO₃溶液。按下图所示把装置接好；

　　⑶用小火加热试管里的混合物，产生的蒸气经导管通到饱和Na₂CO₃溶液上方约0.5cm处；

　　⑷取下试管并停止加热；

　　⑸振荡盛有Na₂CO₃溶液的试管；

　　⑹把混合液倒入分液漏斗中静置、分液，上层就是产品苯甲酸甲酯。

　　［实验四　 硫酸亚铁的制备］
　　实验设计参考：
　　首先用碱液除去废铁屑表面的油污，之后按如下步骤制备硫酸亚铁：

　　(1)在烧杯中倒入40mL稀硫酸，加入足量废铁屑，以使稀硫酸浸没所有铁屑为度。小心加热(保持温度在50℃—80℃之间，不要煮沸)，直到只有极少量气泡生成，同时溶液呈浅绿色为止(这时烧杯底部应留有少量铁屑)。

　　(2)用少量热水通过过滤器，以提高它的温度(防止溶液在漏斗里析出晶体)，然后将溶液趁热过滤。将滤液转入试管中，用橡皮塞塞住管口(防止空气进入)，静置、冷却、结晶，观察滤液冷却生长出浅绿色硫酸亚铁晶体的　 现象。

　　(3)待结晶完毕后，取出晶体，用少量水洗涤2—3次，再用滤纸将晶体吸干。

　　(4)把制得的硫酸亚铁晶体放在一个小广口瓶中，密闭保存。

　　实验现象：
　　废铁屑遇到稀H₂SO₄产生气泡，铁屑溶解，溶液呈浅绿色，冷却后有晶体析出(绿矾FeSO₄·7H₂O)。

　　说明：
　　①铁与H₂SO₄反应制FeSO₄时应用稀H₂SO₄。

　　②FeSO₄易被氧化，应加入过量铁屑以防止氧化，制得的绿矾应密闭保存。

　　[典型例题剖析]
　　例1、实验室现有：（1）未知浓度的烧碱溶液100mL；（2）能随时提供CO₂的发生装置；（3）50mL量筒；（4）200mL烧杯。请仅利用上述药品和仪器制备较纯净的纯碱溶液。

　　[分析]
　　CO₂气体和NaOH物质的量之比不同，反应可生成Na₂CO₃或NaHCO₃。要制备较纯净的纯碱溶液，通入CO₂量的控制是实验成败的关键，若直接向NaOH溶液中通入CO₂，使其恰好生成Na₂CO₃通常是难以做到的。我们不妨采取“欲擒故纵”的策略，将100mL NaOH溶液分成两等份，其中一份通入过量的CO₂，使之生成NaHCO₃，然后将另一份NaOH溶液与之混合，最终得到Na₂CO₃。发生的反应是：
　　（1）NaOH+CO₂=NaHCO₃
　　（2）NaOH+NaHCO₃=Na₂CO₃+H₂O

　　答案：
　　（1）用50mL量筒量取50mL的NaOH溶液；
　　（2）将量筒里的NaOH溶液倒入200mL烧杯中，通入过量的CO₂；
　　（3）将剩余的50mL NaOH溶液倒入烧杯中混合即可。

　　例2、某学生想制作一种家用环保型消毒液发生器，用石墨作电极电解饱和氯化钠溶液，通电便可制得有较强杀菌能力的消毒液，他设计了如图三套装置，请对它们进行评价。

　　[分析]
　　该制备的反应原理并不复杂，是通过电解饱和食盐水后产生的Cl₂与NaOH反应生成NaClO，从而达到制备目的，反应原理：

　　2NaCl+2H₂O2NaOH+H₂↑+Cl₂↑

　　Cl₂+2NaOH=NaClO+NaCl+H₂O

　　由于电解食盐水时氯气是阳极产物，而NaOH是阴极产物，因此，如何让两极的产物充分接触反应是设计装置的创意点。

　　答案：
　　装置A显然不能保证氯气和NaOH的充分接触。装置B与装置C的区别是把阳极设计在装置的下部或上部，B设计能确保在阳极生成的氯气上升时，与阴极产物NaOH充分接触反应，达到制备的目的。

　　例3、氨跟氧化铜反应可以制备氮气（2NH₃+3CuO 3Cu+3H₂O+N₂），而氮气跟镁在高温下反应可得到氮化镁，但氮化镁遇水即反应生成Mg(OH)₂和NH₃。下面是甲、乙两位学生提出的制备氮化镁的两种实验方案示意图（实验前系统内的空气已排出；图中箭头表示气体的流向）

　　填空和回答问题：
　　（1）甲、乙两生提出的实验方案是否能制得氮化镁？甲_________，乙_________。（填“能”或“不能”）

　　（2）具体说明不能制得氮化镁的原因（如两个方案均能制得氮化镁，此小题不用回答）。______________。

　　[分析]
　　甲方案制得的NH₃，经过碱石灰干燥，再经过浓H₂SO₄时，和硫酸反应生成(NH₄)₂SO₄，使得反应到此终结，后边反应由于没有_NH3使反应无法进行，不能得到氮化镁；乙方案改正了甲方案的两点错误，NH₃被CuO氧化成N₂后，经过水洗除去未反应的NH₃，最后N₂经浓H₂SO₄干燥后与高温镁粉反应制得氮化镁，该方案是可行的。

　　[解]
　　（1）不能，能
　　（2）甲方案中反应产生的NH₃全部被浓硫酸吸收，不能进行后续反应。

　　例4、1，2—二溴乙烷可作汽油抗爆剂的添加剂，常温下它是无色液体，密度是2.18g/cm³，沸点131.4℃，熔点9.79℃，易溶于醇、醚、丙酮等有机溶剂，在实验中可以用下图所示装置制备1，2—二溴乙烷，其中分液漏斗和烧瓶a中装有乙醇和浓硫酸的混合液，试管d中装有液溴（表面覆盖少量水）。

　　填写以下空白。
　　（1）写出本题中制备1，2—二溴乙烷的两个反应化学方程式。

　　（2）安全瓶b可以防止倒吸，并可以检查实验进行时试管d是否发生堵塞。请写出发生堵塞时瓶b中的现象。

　　（3）容器c中NaOH溶液的作用：_________。

　　（4）某学生做此实验时，使用一定量的液溴，当溴全部褪色时，所消耗乙醇和浓硫酸混合液的量比正常情况下超出许多，如果装置的气密性没有问题，试分析其可能的原因。

　　[分析]
　　由于1，2—二溴乙烷的熔点为9.79℃，要注意试管d外面的冷却水温度，如果温度低于此熔点，1，2—二溴乙烷就会在试管d中凝固而发生堵塞，使容器c和它前面的容器a和b由于乙烯排不出去而压强增大，会将安全瓶b内的水压入长玻璃管里，使玻璃管内的水面上升甚至溢出，与此同时瓶b内的水面会有所下降。

　　由于副反应的发生，反应中有SO₂、CO₂等酸性气体生成，因而要用NaOH溶液洗涤，如果温度不迅速升到170℃，则会使乙醇和浓H₂SO₄反应生成乙醚等副产物，另外，反应过快乙烯没有被完全吸收，亦使反应物量消耗太多。

　　[解]
　　（1）CH₃CH₂OH CH₂=CH₂↑+H₂O、H₂C=CH₂+Br₂→CH₂Br—CH₂Br
　　（2）b中水面会下降，玻璃管中的水面会上升，甚至溢出
　　（3）除去乙烯中带出的酸性气体（SO₂、CO₂等）
　　（4）①乙烯反应速度过快；②实验过程中乙烯和浓H₂SO₄的混合液没有迅速达到170℃（或写“控温不当”）。

　　例5、（05江苏、20）（12分）硫酸亚铁（FeSO₄·7H₂O）是一种重要的食品和饲料添加剂。实验室通过如下实验由废铁屑制备FeSO₄·7H₂O晶体：

　　①将5% Na₂CO₃溶液加入到盛有一定量废铁屑的烧杯中，加热数分钟，用倾析法除去Na₂CO₃溶液，然后将废铁屑用水洗涤2～3遍；

　　②向洗涤过的废铁屑中加入过量的稀硫酸，控制温度在50～80℃之间至铁屑耗尽；

　　③趁热过滤，将滤液转入到密闭容器中，静置、冷却结晶；

　　④待结晶完毕后，滤出晶体，用少量冰水洗涤2～3次，再用滤纸将晶体吸干；

　　⑤将制得的FeSO₄·7H₂O晶体放在一个小广口瓶中，密闭保存。

　　请回答下列问题：
　　（1）实验步骤①的目的是__________，加热的作用是__________。

　　（2）实验步骤②明显不合理，理由是__________。

　　（3）实验步骤④中用少量冰水洗涤晶体，其目的是__________；

　　（4）经查阅资料后发现，硫酸亚铁在不同温度下结晶可分别得到FeSO₄·7H₂O、FeSO₄·4H₂O和FeSO₄·H₂O。硫酸亚铁在不同温度下的溶解度和该温度下析出晶体的组成如下表所示（仅在56.7℃、64℃温度下可同时析出两种晶体）。

　　硫酸亚铁的溶解度和析出晶体的组成

　　请根据表中数据作出硫酸亚铁的溶解度曲线。

　　（5）若需从硫酸亚铁溶液中结晶出FeSO₄·4H₂O，应控制的结晶温度（t）的范围为__________。

　　分析：
　　制备硫酸亚铁前，一般先要除去铁表面的油污，可用烧碱或纯碱溶液，加热能促进纯碱溶解使水解程度增大，增强去油污能力。

　　由于Fe²⁺易被氧化，所以制备硫酸亚铁时要使铁过量。

　　为了增大硫酸亚铁浓度，应在较高温度下使铁与硫酸反应，但又要防止亚铁离子的氧化，所以一般控制在50－80℃，并要趁热过滤。

　　得到的沉淀一般会沾有溶液中的离子，需要进行洗涤以除去这些离子。

　　根据表中第2行可画出溶解度曲线。

　　答案：
　　（1）除油污　 升高温度，溶液碱性增强，去油污能力增强
　　（2）应该铁屑过量（或反应后溶液中必须有铁剩余），否则溶液中可能有Fe³⁺存在
　　（3）洗涤除除去晶体表面附着的硫酸等杂质；用冰水洗涤可降低洗涤过程中FeSO₄·7H₂O的损耗。
　　（4）如图

　　（5）56.7℃ ＜ t ＜ 64℃