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基础实验与化学计算

  1. 01常见实验仪器
  2. 02实验安全与基本操作
  3. 03加热、过滤、蒸发与结晶
  4. 04气体的制取与收集
  5. 05物质的检验与鉴别
  6. 06实验现象的描述方法
  7. 07相对分子质量计算
  8. 08化学式中的元素质量比
  9. 09化学方程式中的质量关系
  10. 10反应物和生成物的简单计算
  11. 11溶液浓度相关计算
  12. 12实验方案设计入门
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课程化学基础实验与化学计算加热、过滤、蒸发与结晶

加热、过滤、蒸发与结晶

一杯浑浊的盐水摆在桌上:杯底有泥沙,水里又溶着食盐。现在如果有人问你“把盐取出来”,你会先做什么?直接过滤吗?很多人会点头,但漏斗只能拦住不溶于水的泥沙,已经变成“看不见”的食盐会跟着水一起穿过滤纸。

这正是本章四项操作各有分工的原因:加热要让仪器安全受热;过滤用来分开液体和难溶固体;蒸发把溶剂逐渐移走;结晶则把溶在液体里的物质重新变成固体。先弄清混合物里有什么、最后想得到什么,操作顺序才不会乱。


先把问题问对:你要留下谁?

实验操作不是看到漏斗就过滤、看到酒精灯就加热,而是一次次回答“我想保留什么”。把下列情形放在一起比较,思路会清楚得多。

看到的情形想得到的东西优先考虑的操作为什么
液体中有泥沙、粉末等难溶固体较澄清的液体,或分开的固体过滤滤纸能截留难溶固体,液体能通过
澄清盐水中要得到食盐晶体可溶性固体蒸发结晶水逐渐减少,溶液不能再容纳那么多溶质,晶体析出
某固体在热水中溶得很多、冷水中溶得少该固体的晶体降温结晶冷却后溶液“装不下”的部分会析出

过滤并不能除去已经溶解的物质。看到溶液透明,并不等于其中没有溶质;透明的食盐水通过滤纸后,食盐仍在滤液里。


加热:先让仪器安全地受热

想象你把一支刚洗过、外壁还沾着水的试管,直接放到火焰上猛烧。试管受热的部位迅速膨胀,较冷的部分却来不及变化,玻璃承受的拉扯不均匀,就可能破裂。实验中的“先预热”“外焰加热”不是背诵动作,而是在给玻璃一个逐渐适应温度的机会。

固体加热时的试管方向、火焰位置与安全站位示意图

火焰、仪器和方向要彼此配合

酒精灯外焰温度较高,通常用外焰加热。试管、蒸发皿等耐热仪器可以按规范受热;烧杯、锥形瓶这类玻璃仪器加热时要垫陶土网,让底部受热较均匀;量筒、集气瓶用于量取或收集,不能拿来加热。

同样是试管,装的东西不同,姿势也不同。

  • 加热液体时,液体不超过试管容积的三分之一,试管与桌面约成 45∘45^\circ45∘ 角;先来回预热,再用外焰对准液体中下部加热,同时让试管口避开自己和他人。
  • 加热固体时,试管口略向下倾斜。为什么不是向上?空气中的水蒸气或试管口附近的水珠可能冷凝;若冷凝水倒流到灼热的试管底部,温度骤变容易使试管破裂。
  • 加热完的试管不能立刻用冷水冲洗,也不要直接放在冰冷桌面上。先让它自然冷却,才是对玻璃器皿最稳妥的处理。

情境判断:小华要加热少量碳酸氢钠固体。她把试管口略向上抬起,又一开始就把火焰固定在试管底部。哪两处需要调整?

先看试管里的物质是固体还是液体。这里是固体受热,试管口应略向下倾斜,避免冷凝水回流到炽热处,所以“略向上抬起”需要改正。

再看受热是否均匀。开始时应移动试管进行预热,不能马上把火焰长期固定在一处;预热后再集中加热固体所在部位。

最后检查安全方向。无论加热固体还是液体,试管口都不能对着人,因为受热时可能有水汽、液滴或少量物质喷出。

“试管口略向下”只是在加热固体时的要求;加热液体时要让试管倾斜并使管口避开人。题目一旦把固体和液体混在一起问,先辨别试管里装的是什么,答案才不会张冠李戴。


过滤:滤纸拦住的是难溶固体

把浑水倒进装有滤纸的漏斗,水流到下方烧杯,泥沙留在滤纸上。这里发生的是按“能不能通过滤纸”来分开:留在滤纸上的叫滤渣,流到下面烧杯中的液体叫滤液。食盐、糖这类已经溶于水的微小粒子会随滤液通过,所以过滤不能把盐水变成纯水。

过滤操作的一贴二低三靠示意图

“一贴、二低、三靠”到底在防什么?

这串口诀并不是为了凑字数,而是在堵住三条会让过滤失败的“岔路”。

  • 一贴:湿润后的滤纸要紧贴漏斗内壁,中间不要留下气泡。排出滤纸与漏斗间的空气有利于过滤顺利进行。滤纸未贴紧主要影响过滤效率;滤液浑浊应检查滤纸破损、液面漫过纸边或承接容器不洁等原因。
  • 二低:滤纸边缘低于漏斗边缘;待过滤液的液面低于滤纸边缘。若液面漫过滤纸,液体会从滤纸外侧绕过去,等于没有过滤。
  • 三靠:倾倒液体的烧杯口靠着玻璃棒;玻璃棒下端靠在滤纸三层的一侧;漏斗下端管口靠在承接烧杯内壁。前两靠让液体沿玻璃棒缓流,后一个靠让滤液沿烧杯内壁流下,都是为了防止飞溅并让过滤稳定进行。

“滤纸三层的一侧”常被问到。圆形滤纸折成过滤用的圆锥后,一侧有三层纸,另一侧只有一层纸。玻璃棒应靠在较厚的一侧,局部更结实,不易被冲破。

案例:滤液怎么还是浑浊?

小组过滤泥水后,接到下方烧杯里的液体仍明显浑浊。能不能立刻断定“泥沙能溶于水”?先别急。滤纸破损、滤纸没有贴紧、液面超过滤纸边缘、承接烧杯原本不干净,都可能让难溶颗粒混进滤液。应先检查装置和操作;排除这些问题后再重新过滤。现象是“滤液浑浊”,至于原因,要靠检查来判断,不能把结论抢在证据前面。

自问自答:如果把食盐水过滤,滤纸上会留下食盐吗?通常不会。食盐已溶解在水中,会随滤液通过滤纸。若想得到食盐,应从“过滤”转到后面的“蒸发结晶”。


蒸发:水越来越少时,动作反而要更稳

把澄清食盐水放入蒸发皿加热,开始时水面看上去只是冒出水汽;继续加热,液体量减少,溶液越来越浓;再往后,皿底出现晶体。这个过程像把一间已经坐满人的教室继续缩小:水是“空间”,溶质是“学生”。空间减小到容纳不下时,多出来的溶质就会以晶体形式析出。

蒸发皿中搅拌防飞溅并利用余热蒸干的操作示意图

蒸发时,把滤液倒入蒸发皿,将蒸发皿放在铁圈上,用酒精灯外焰加热,并用玻璃棒不断搅拌。玻璃棒不是为了“把水搅得更快蒸发”,它的主要任务是让液体受热较均匀,防止局部过热造成液滴飞溅。

最容易丢分的一步发生在快结束时:当蒸发皿中出现较多固体、只剩少量液体时,就应停止加热,借余热使剩余水分蒸干。一直烧到完全干涸,可能使晶体飞溅损失,也会带来不必要的安全风险。

同一根玻璃棒,为什么每次用途不同?

这是一道很像中考的“细节辨析题”。粗盐提纯里,玻璃棒会反复出现,但它并没有一个万能用途。

所在步骤玻璃棒在做什么背后的原因
溶解粗盐搅拌,加快溶解让水与固体更充分接触
过滤引流让液体沿棒流入漏斗,减少外洒
蒸发搅拌,防局部过热和飞溅使溶液受热较均匀,减少晶体损失

例题:小明说:“蒸发结晶时,等蒸发皿里一点液体也看不见,再熄灭酒精灯最保险。”这句话对吗?

不对。正确的停火时机是蒸发皿中出现较多固体、还剩少量液体时。此时停止加热,用余热蒸干剩余水分。若始终猛火加热到完全干涸,容易发生飞溅,晶体可能损失。


结晶:不是所有溶液都靠同一种“收盐”办法

晶体析出可以由蒸发溶剂引起,也可以由降低温度引起。哪种方法合适,关键不是死记“食盐用哪种”,而是看目标物质的溶解度受温度影响的程度。

蒸发结晶与降温结晶的选择流程示意图

两种常见思路

观察到的规律更合适的做法典型理解
物质的溶解度随温度变化不大蒸发结晶降温后溶液仍能容纳大部分溶质,靠减少水分更有效
物质的溶解度随温度降低明显减小降温结晶先配成较高温度下的饱和溶液,再冷却,冷水中“装不下”的部分形成晶体

氯化钠的溶解度受温度影响较小,因此海水晒盐利用的是蒸发结晶;硝酸钾的溶解度随温度变化较明显,题目给出相应溶解度曲线时,常可用冷却热饱和溶液的思路得到晶体。这里有一个限制条件:真实选择要以题目给出的溶解度数据、杂质性质和实验目的为准,不能只看到某个化学式就机械套用。

推演题:甲、乙两种固体在水中的溶解度都随温度升高而增大。题图显示,甲的曲线很平缓,乙的曲线很陡。要分别从它们的饱和溶液中获得晶体,怎样选方法?

先把“曲线平缓或陡”翻译成实验语言:甲的溶解度受温度影响小,单靠降温析出的晶体少,应优先考虑蒸发结晶;乙的溶解度受温度影响大,冷却时能析出较多晶体,可采用降温结晶。易错点是只记“温度降低会结晶”,却没有比较变化幅度。


把四种操作连起来:粗盐中难溶性杂质的去除

盐田得到的粗盐里常混有泥沙等难溶性杂质。现在回到开头那杯浑浊盐水:若目标是得到较纯的食盐晶体,不能跳过任何一步。

  1. 溶解:向粗盐中加水并搅拌,让氯化钠进入水中;泥沙不溶,仍以固体存在。
  2. 过滤:泥沙留在滤纸上,含氯化钠的澄清滤液流入烧杯。
  3. 蒸发结晶:将滤液转入蒸发皿加热、搅拌;出现较多晶体时停止加热,利用余热蒸干。

这套基础实验的范围要说准确:它能除去难溶性泥沙等杂质,得到较纯的食盐晶体;原本也能溶于水的杂质并不会因为一次过滤自动消失。题目没有要求时,不要擅自把高中阶段的复杂除杂流程搬进来。

粗盐提纯的逻辑链是“利用溶解性差异”:氯化钠先溶于水,泥沙不溶而被过滤除去,最后通过蒸发让氯化钠以晶体形式回收。每一步都在为下一步创造条件。

用“目的—现象—结论”写好实验记录

实验题不只考动作,还考表达。比如蒸发时可以记录“蒸发皿中水分减少,出现较多白色固体”;这叫现象。应依据原盐水的组成解释为“氯化钠析出”,不能说新生成了氯化钠,因为蒸发结晶没有改变食盐的化学组成。把两者分开,表述会更严谨。


章末自测:让操作和目的对上号

1. 要从泥水中得到较澄清的水,最合适的操作是( )。

A. 蒸发结晶
B. 过滤
C. 降温结晶
D. 加热至沸腾

答案:B。泥沙属于难溶固体,过滤能把难溶固体与液体分开。蒸发会让水减少,不能达到“得到水”的目的。

2. 过滤时,如果液面高于滤纸边缘,最可能发生什么?

液体可能从滤纸与漏斗之间的空隙绕过滤纸流下,使过滤失效或滤液浑浊。因此待过滤液的液面必须低于滤纸边缘。

3. 粗盐提纯的三个主要步骤是( )。

A. 过滤、溶解、蒸发
B. 溶解、蒸发、过滤
C. 溶解、过滤、蒸发
D. 蒸发、过滤、溶解

答案:C。先让氯化钠溶解并把泥沙保留为不溶固体,接着过滤除去泥沙,最后蒸发滤液得到食盐晶体。顺序错了,后面的操作就失去对象或目的。

4. 下列关于蒸发结晶的说法中,正确的是( )。

A. 玻璃棒的主要作用是把水搅没
B. 任何时候都应加热到完全干涸才停火
C. 出现较多晶体且尚余少量液体时,应停止加热并利用余热蒸干
D. 蒸发时不需要观察现象

答案:C。玻璃棒主要用于搅拌,防止局部过热造成飞溅;蒸发接近结束时应利用余热,不能忽略晶体出现这一关键现象。

当题目再出现一杯浑浊盐水、一道溶解度曲线或一张漏斗装置图时,先别急着背口诀。先问:谁能溶?我要留下谁?接着让每一步操作为下一个目标服务。这样,加热、过滤、蒸发与结晶就不再是零散的动作,而是一条能解决真实分离问题的推理链。

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