气体制备、收集、净化与体积测定
想象你接到一张实验室的“气体运输单”：要让一股气体从反应容器平稳出发，途中甩掉杂质和水蒸气，到达合适的集气瓶；如果它有毒、易溶或可燃，最后还得安全“收尾”。有时，实验还要把它的体积准确记下来。
这不是把几只玻璃仪器排成一队那么简单。气体在每一站都会提出一个问题：反应需要什么条件？杂质会不会抢走目标气体？它能不能碰水？会不会和空气反应？最后读到的体积，真的是它本来的体积吗？
这一章就用一条完整的“气体旅行线”把这些问题串起来。学会的不是某一张装置图，而是一套可以迁移到陌生装置题中的推理顺序：发生 → 净化/干燥 → 收集或测量 → 尾气处理。
第一站：先问反应怎样发生，发生装置才会自己出现
假如桌上有一份高锰酸钾，另一张桌上有大理石和稀盐酸。两份药品都会产生气体，可它们不能放进同一种发生装置里“照着做”。原因不在仪器的名字，而在反应需要的条件不同。
高锰酸钾制氧气，要靠受热分解；氯化铵和氢氧化钙制氨气，也属于固体混合后加热的路线。这时反应物本来就在容器里，重点是让它们受热均匀，并让生成的气体顺利离开。
大理石和稀盐酸制二氧化碳、锌和稀硫酸制氢气、过氧化氢在二氧化锰催化下制氧气，则是“固体和液体在常温下相遇”的路线。这里真正要控制的是液体加入的速度和固液接触的时机；若装置允许把固体和液体暂时分开，便可在需要时使反应开始或停止。还有一类“固体和液体要加热”，例如二氧化锰与浓盐酸制氯气、铜与浓硫酸制二氧化硫；既要保证加热，也要防止挥发出的液体或副产物混进后续装置。
把判断压缩成一句话，就是：先看反应物的状态，再看是否需要加热；最后才考虑是否需要控制反应速率。 这比背“某气体用某装置”更稳。比如把碳酸钙和稀硫酸配在一起，表面上也能生成二氧化碳，但微溶的硫酸钙会逐渐附在固体表面，反应不易持续；因此常用稀盐酸。装置选择从来不是只看“能不能冒气泡”，还要看气流能否稳定而持续。
在任何药品真正加入之前，先连接装置并检查气密性。可以把导管末端浸入水中，微热容器：若先有连续气泡逸出，冷却后导管内又形成并保持一段液柱，说明受热、冷却带来的压强变化能传到导管口，装置较严密。若装置漏气，后面“气体变少”“不能验满”“体积偏小”都会失去判断依据。
制取气体时，开始冒出的气体往往混有装置中的空气。无论后面准备收集、检验还是点燃，都应先让气流把装置内原有空气排出一段时间；对可燃气体，尤其要先验纯再点燃。
第二站：气体出发了，不等于它已经“合格”
现在把路线具体到“制取一瓶干燥氯气”。二氧化锰和浓盐酸在加热下反应后，离开发生瓶的不只有氯气，还夹带着挥发出的氯化氢和水蒸气。要是直接送去干燥或检验，后面的现象就可能不是氯气独自造成的。
这时不能机械地说“见到水蒸气就先干燥”。先让混合气体通过饱和食盐水，氯化氢易溶于水而被除去；饱和食盐水又能减少氯气在水中的溶解损失。之后再通过浓硫酸除去水蒸气，才得到较干燥的氯气。若先用洗涤液除杂，气体会重新带出水蒸气，干燥就应该放在后面。
所以，选择除杂试剂时要连续问三个问题：它能否除去杂质？会不会消耗目标气体？会不会再带来新的气态杂质？例如不能用浓硫酸干燥氨气，因为二者会反应；也不能用浓硫酸干燥硫化氢，因为浓硫酸会氧化硫化氢。干燥剂不是“吸水越强越好”，而是“吸水后仍能放过目标气体”才好。
洗气瓶中的液体要让气体充分接触，通常采用长管进、短管出，使气体在液体中鼓泡。装有固体干燥剂的干燥管则要按装置结构让气流充分通过干燥剂。若一种混合气体有多种杂质，通常先用不损失目标气体的试剂除去其他气态杂质，再在最后除去水蒸气；实际顺序还必须服从“目标气体不被损失、后一步不重新引入前一步已除去的杂质”的总原则。
下面把这条路线交给你自己搭一次。每一步都不是在猜瓶子的用途，而是在为气体寻找下一段最合适的路。
“净化”和“干燥”解决的对象不同：净化主要除去其他气体杂质，干燥主要除去水蒸气。它们常常连在一起出现，却不能因此把试剂和顺序随意互换。
第三站：收集不是选一个空瓶子，而是给气体选“出口”
假设气体已经离开干燥装置，接下来要把它装进集气瓶。这里最容易出现的错误，是只看密度，不看它能否和水或空气和平相处。
排水集气法的前提是：气体难溶或微溶于水，并且不与水反应。氢气、氧气、氮气、一氧化氮等可以用这种方法；其中一氧化氮一旦接触空气会很快被氧化成二氧化氮，因此尤其适合用排水法隔绝空气。排水法收集到的气体较纯，因为水被排出时也把原有空气赶走了。
若气体会溶于水或和水反应，就要用排空气法。密度比空气大的二氧化碳、氯气、二氧化硫等，沉在集气瓶下部，采用向上排空气法；密度比空气小的氢气、氨气等上升，采用向下排空气法。这里的“向上、向下”说的是空气被排出的方向，不是导管朝向的口令。在带双孔塞的常见装置中，向上排空气法应使导气管伸到瓶底附近；向下排空气法则使进气管停在瓶口附近。真正的依据仍是气体相对空气的密度和它与空气中成分的反应性。
收集方法一旦确定，检验和验满也要接上同一条思路。氧气能使带火星的木条复燃；二氧化碳可使澄清石灰水变浑浊；氨气能使湿润的红色石蕊试纸变蓝；氯气能使湿润的有色布条褪色。这里“湿润”不是装饰词：氨气、氯气的有关现象都需要先在水中溶解或反应。氢气的检验又多一道安全门——先验纯，确认不与空气形成危险混合物后，才可点燃。
遇到陌生气体时，不妨按照下面的顺序判断：先问“它能碰水吗？”；不能碰水，再问“它能和空气共处吗？”；最后才比较密度。你会发现，集气装置不再是散乱的三张图，而是一棵从气体性质长出来的决策树。
第四站：最后一瓶不是摆设，尾气也必须有去处
把气体收进集气瓶后，装置中仍可能有多余气体继续逸出。氯气、二氧化硫等有毒或会污染空气，不能只用水“碰一碰”就排掉；通常用碱液吸收，使其转化为留在溶液中的物质。氢气、一氧化碳等可燃尾气则可以在验纯后燃烧处理，但必须先保证周围没有易燃物，并让装置中的空气排尽。
对氨气、氯化氢等极易溶于水的气体，直接把导管深插入吸收液，吸收突然加快时，液体可能沿导管倒吸回高温或正在反应的容器。可使用倒扣漏斗，并让漏斗边缘刚好接触液面；也可设置安全瓶。它们都是在给液体预留一条“不会倒灌”的路。尾气处理不是附加的最后一步，它从一开始就是装置设计的一部分。
第五站：想知道走了多少气体，先让体积读数有资格说话
现在把旅行者换成氢气。若用镁或锌与足量稀酸反应，想根据生成氢气体积反推样品中金属的量，最直观的想法是：让氢气把量气装置里的液体排出，排出了多少液体，就相当于收集了多少气体。
这个方法并不是所有气体都能照搬。若量取液是水，氢气、氧气等难溶且不与水反应的气体适合排水量取；二氧化碳和氨气会溶于水或与水反应，直接用水量取会使结果偏小。对于需要量取的二氧化碳，可按实验目的选用对它吸收较弱的合适液体，例如饱和碳酸氢钠溶液，以减小溶解带来的损失。
无论使用量气管、水准瓶，还是让气体排出量筒中的液体，读数前都要完成三个动作。第一，等装置冷却到室温：热气体体积较大，立刻读会把温度带来的膨胀误当成生成量。第二，调节水准瓶，使两侧液面等高：此时量气管内气体压强才与外界大气压相等。第三，视线与凹液面的最低处相平，消除视差。
我们用一个小数据把逻辑走完：量气管初读数为 1.20 mL，反应、冷却、调平后末读数为 26.80 mL。那么生成气体体积是 26.80 - 1.20 = 25.60 mL。如果水准瓶液面高于量气管液面就直接读数，量气管内气体压强较大，被压缩后的体积偏小；若量气管液面更高，气体压强较小、体积偏大。所谓“调平”，正是在把压强这个隐藏变量从读数里剔除。
一套气体装置的每一段都在保护下一段：发生装置提供稳定气流，净化与干燥保证成分可靠，收集方法保护气体性质，尾气处理保护人和环境，量气读数则保护数据。看到陌生装置时，只要沿着气流逐段追问“这一段在解决什么问题”，答案就会连成一条线。
把路线压缩成一次可复用的设计
先从反应原理出发，写清反应物状态、是否需要加热、是否需要控制反应速率；据此选择发生装置，并在加药前检查气密性。
再列出目标气体可能夹带的杂质，按照“不损失目标气体、不引入新杂质”的原则选择洗涤剂和干燥剂。若既要除气态杂质又要除水蒸气，通常先除杂后干燥。
接着根据气体与水、空气的关系和相对空气密度确定收集方法；开始收集前先排尽装置中的空气，再按气体性质选择检验、验满或验纯方法。
最后为剩余气体安排吸收、燃烧或收集装置。若气体极易溶于吸收液，要优先考虑防倒吸；若需要量气，还要让量取液不吸收目标气体，并在冷却、调平后读数。
练习：让每一段装置都有理由
第 1 题｜装置选择
实验室用大理石和稀盐酸制取二氧化碳。发生装置的核心要求是（ ）
1
选择最符合反应条件的装置特点。
第 2 题｜路线辨析（多选）
关于实验室制取较干燥氯气的流程，下列说法正确的是（ ）
2
选择所有正确的判断。
第 3 题｜判断并纠错
“一氧化氮难溶于水，所以既可以用排水法收集，也可以用向上排空气法收集。”这句话正确吗？
3
判断这句话是否正确。
第 4 题｜读数计算
某同学用排水量气装置测氢气体积。冷却并调平后，量气管初读数为 1.20 mL，末读数为 26.80 mL。生成氢气的体积为 ________ mL。
4
填入保留两位小数的数值。
第 5 题｜操作排序
用排水法收集氧气时，请把下列动作按合理顺序排列：A. 收集气体；B. 开始反应或加热；C. 连接装置并检查气密性；D. 等导管口气泡连续均匀冒出。
第 6 题｜实验设计与误差解释
某小组用碳酸钠样品与稀硫酸反应，想用排液法测生成二氧化碳的体积。他们把量气装置中的液体装成水，反应结束后立即读数，且水准瓶液面高于量气管液面。请写出两项会使结果不可靠的原因，并给出相应改进。