03 全方位透视高考实验命题中的减压操作-《中学生数理化》高考理化2025年2月刊

■山东省日照市莒县第四中学 孙 晶 化学实验常需要“减压操作”,减压操作 考点也频频出现在实验综合题中,以考查考 生分析问题和解决问题的能力。减压操作目 的:①降低液体沸点。液体沸腾也就是在某 一温度条件下液体蒸汽压等于外压,外压降 低则饱和蒸汽压降低,导致液体沸点降低,即 液体化合物的沸点与外界压力密切相关。 ②便于液体顺利“流出”。通过改变盛装液体 容器的内外气压,产生压力差,利用气压差使 容器中的液体顺利“流出”。 一、减压操作原理 1.减压蒸馏(分馏)。 操作原理:减压蒸馏就是在低于大气压 力下进行的蒸馏操作。它是分离和提纯沸点 高、热稳定性差的有机化合物的重要方法。 利用上述原理,在蒸馏装置上连接真空泵,使 系统内压降低,从而使液体化合物在较低温 度下沸腾而被蒸出。如苯甲醛常压下沸点为 179 ℃/101.3 kPa(760 mmHg),当压力降到 6.7 kPa(50 mmHg)时,沸点为95 ℃;水杨 酸乙酪常压下(760 mmHg)沸点为234 ℃, 而在20 mmHg时沸点为118 ℃。 适用对象:在常压蒸馏下未达到沸点即 已受热分解、氧化或聚合的物质。 2.减压蒸发(浓缩)。 减压蒸发也称为减压浓缩或真空蒸发。 操作原理:在密闭的容器内,抽真空使液 体处于一个大气压下的环境,从而降低水的 沸腾温度,以此进行蒸发浓缩。 操作优点:①由于压力降低,溶液的沸点 降低,能防止或减少热敏性物质的分解;②增 大传热温度差,强化蒸发操作;③不断地排除 溶剂蒸气,有利于蒸发顺利进行。 3.减压干燥(真空干燥)。 操作原理:减压干燥原理是促使被干燥 物质物表面水分气化,使被干燥物质内部与 表面之间产生水分浓度差,从而使物质干燥。 适用对象:经过纯化后,准备进行分析鉴 定(元素定量、波谱鉴定等)的易在空气中氧 化的样品。 4.水蒸气蒸馏。 操作原理:水蒸气蒸馏是纯化分离有机 化合物的重要方法之一。当水和不(或难)溶 于水的化合物一起存在时,整个体系的蒸气 压力根据道尔顿分压定律,应为各组分蒸气 压力之和,即p=p水+pA[pA 为与水不(或 难)溶化合物的蒸气压]。当p 与外界大气压 相等时,混合物就沸腾,这时的温度即为它们 的沸点。所以混合物的沸点将比任何一组分 的沸点都要低一些,而且在低于100 ℃的温 度下随水蒸气一起蒸馏出来。 适用对象:水蒸气蒸馏法适合分离那些 在其沸点附近容易分解的物质,也适用于从 不挥发物质或树脂状物质中分离出所需的组 分(如天然产物香精油、生物碱等)。 5.减压过滤(吸滤或抽滤)。 操作原理:利用装置中的抽气泵给吸滤 瓶减压,造成瓶内与布氏漏斗液面上的压力 差,从而加快过滤速率,吸滤瓶用于承接滤 液。安全瓶用于防止水泵中水产生溢流而倒 灌入吸滤瓶中。 适用对象:减压过滤不宜用于过滤胶状 沉淀或颗粒太小的沉淀。胶状沉淀在快速过 滤时易透过滤纸;沉淀颗粒太小则易在滤纸 上形成一层致密的沉淀,溶液不易透过。 6.恒压滴液漏斗。 操作原理:通过支管保证液面上下的压 强一致,从而使液体能够顺利流下。一般的 漏斗流下液体时,如果下方容器是封闭的,流 出的液体会挤占原有气体的空间,导致容器 内的压强不断增加,压强作用在漏斗内的液 体上会提供向上的推力,使液体不能流下。 9 知识篇 实验探究与展望 高考理化 2025年2月 图1 因此一般的(长颈、 分 液)漏 斗 容 易 导 致 液 体 难 以 流 出 (堵 塞)。装 置 如 图 1所示。 使用对象:一般 在封 闭 体 系 中 用 恒 压漏斗,比如绝大部 分的有机合成实验, 因其有机溶剂易挥发、需要隔绝空气(氧气) 等。恒压滴液漏斗在上述实验中与烧瓶(或 其他反应容器)紧密连接(一般都为标准磨 口),漏斗也要用塞子密封。此外,因恒压滴 液漏斗是合成实验的常规仪器,均为标准磨 口,连接方便,一些不需要封闭或条件宽松的 滴加过程(比如滴加水),也常用恒压滴液 漏斗。 二、命题热点题型展示 例题 (2022·湖北)高技术领域常使 用高纯试剂。纯磷酸(熔点为42 ℃,易吸潮) 可通过市售85%磷酸溶液减压蒸馏除水、结 晶除杂得到,纯化过程需要严格控制温度和 水分,温度低于21 ℃易形成2H3PO4·H2O (熔点为30 ℃),高于100 ℃则发生分子间脱 水生成焦磷酸等。某兴趣小组为制备磷酸晶 体设计的实验装置如图2所示(夹持装置略)。 图2 回答下列问题: (1)A的名称是 。B的进水口为 (填“a”或“b”)。 (2)P2O5 的作用是 。 (3)空气流入毛细管的主要作用是防 止 ,还具有搅拌和加速水逸出的作用。 (4)升高温度能提高除水速度,实验选用 水浴加热的目的是 。 (5)磷酸易形成过饱和溶液,难以结晶, 可向过饱和溶液中加入 促进其结晶。 (6)过滤磷酸晶体时,除了需要干燥的环 境外,还需要控制温度为 (填标号)。 A.<20 ℃ B.30~35 ℃ C.42~100 ℃ (7)磷酸中少量的水极难除去的原因 是 。 解析:空气通过氯化钙除水,经过安全瓶 后通过浓硫酸除水,然后通过五氧化二磷,干 燥的空气流入毛细管对烧瓶中的溶液进行搅 拌,同时还具有加速水逸出和防止溶液沿毛 细管上升的作用,将85%磷酸溶液进行减压 蒸馏除水,结晶除杂得到纯磷酸。 (1)由仪器构造可知,仪器 A为圆底烧 瓶,仪器B为直形冷凝管,冷凝水应从b口 进,a口出,形成逆流冷却,使冷却效果更好。 (2)纯磷酸制备过程中要严格控制温度 和水分,因此五氧化二磷的作用为干燥气体。 (3)空气流入毛细管可以对烧瓶中的溶 液进行搅拌,使受热均匀,同时还具有加速水 逸出和防止溶液沿毛细管上升的作用。 (4)升高温度能提高除水速度,而纯磷酸 制备过程中要严格控制温度,水浴加热可以 避免直接加热造成的温度的不可控性,使溶 液受热均匀。 (5)过饱和溶液暂时处于亚稳态,当加入 一些固体的晶体或晃动时可使此状态失去平 衡,过多的溶质就会结晶,因此可向磷酸的过 饱和溶液中加入磷酸晶体促进其结晶。 (6)纯磷酸纯化过程中,温度低于21 ℃ 易形成2H3PO4·H2O (熔点为30 ℃),高于 100 ℃则发生分子间脱水生成焦磷酸,纯磷 酸的熔点为42 ℃,因此过滤磷酸晶体时,除 了需要干燥的环境外,还需要控制温度为 30~42 ℃。 (7)磷酸的结构式为 PHO O 􀪅􀪅 OH OH ,分 子中含羟基,可与水分子间形成氢键,因此磷 酸中少量的水极难除去。 答案:(1) 圆底烧瓶 b (2)干燥气体 (3)溶液沿毛细管上升 (4)使溶液受热 均匀 (5)磷酸晶体 (6)B (7)磷酸可与水 分子间形成氢键 (责任编辑 谢启刚) 01 知识篇 实验探究与展望 高考理化 2025年2月