Question

13．利用氯气将甲烷取代制取副产品盐酸的设想在工业上已成为现实．某化学兴趣小组拟在实验室中模拟上述过程，其设计的模拟装置如图，根据要求填空：

（1）B装置有三种功能：①控制气体流速；②使氯气与甲烷混合均匀；③干燥混合气体．
（2）D装置的石棉中均匀混有KI粉末，其作用是吸收过量的Cl₂．E装置的作用是CD（填编号）．
A．收集气体            B．吸收氯气         C．防止倒吸                   D．吸收氯化氢
（3）E装置除生成盐酸外，还含有有机物，从E中分离出盐酸的最佳方法为分液．该装置还有缺陷，原因是没有进行尾气处理，其尾气主要成分为AB（填编号）．
A．CH₄     B．CH₃Cl     C．CH₂Cl₂ D．CHCl₃
（4）在C中，强光一段时间后硬质玻璃管内有黑色颗粒产生，写出置换出黑色颗粒的化学方程式CH₄+2Cl₂ $\stackrel{光照}{→}$C+4HCl．
（5）写出A中反应的化学方程式MnO₂+4HCl（浓）$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$MnCl₂+Cl₂↑+2H₂O
（6）设$\frac{V（C{I}_{2}）}{V（C{H}_{4}）}$=x，若理论上欲获得最多的氯化氢，则x的取值范围为x≥4．
（7 ）一气态烷烃和一气态烯烃组成混合气体共10g，混合气体的密度是相同条件下氢气的12.5倍，该混合气体通过溴水时，溴水增重8.4g，求该混合气体的组成甲烷、乙烯．

Answer 1

分析 （1）气体可以在B中充分混合，浓硫酸具有吸水性，可以干燥混合气体；
（2）氯气能将碘化钾氧化为碘单质；装置中最后剩余的氯化氢气体需要吸收不能排放到空气中，氯化氢易溶于水需要防止倒吸；
（3）HCl溶于水生成盐酸，与有机物相互不溶解；反应生成的产物中一氯甲烷为气体，还会剩余未反应的甲烷；
（4）在C装置中，经过一段时间的强光照射，发现硬质玻璃管内壁有黑色小颗粒为炭黑，说明有碳生成；
（5）A中二氧化锰与浓盐酸反应生成氯气和氯化锰和水；
（6）1mol氯气可取代1molH原子生成1molHCl，欲获得最多的氯化氢，则甲烷中的H原子被完全取代；
（7）依据混合气体的密度是相同条件下氢气的12.5倍，计算混合气体的平均相对分子质量为28，据此判断存在甲烷，依据烯烃与溴发生加成反应，而甲烷不与溴水反应，所以溴水增重的质量为烯烃，结合质量根据n=$\frac{m}{M}$计算混合气体的总物质的量、甲烷的物质的量，进而计算烯烃的物质的量，再计算烯烃的相对分子质量，结合组成通式C_nH_2n确定其组成．

解答 解：（1）B装置有三种功能：①控制气体流速②使氯气与甲烷混合均匀③干燥混合气体；
故答案为：使氯气与甲烷混合均匀；干燥混合气体；
（2）氯气能够与碘化钾发生反应，所以可以用碘化钾吸收过量的氯气；装置中最后剩余的氯化氢气体需要吸收不能排放到空气中，氯化氢易溶于水需要防止倒吸；
故答案为：吸收过量的氯气；CD；
（3）E装置中除了有盐酸生成外，还含有二氯甲烷、三氯甲烷和四氯化碳，二氯甲烷、三氯甲烷和四氯化碳不溶于水，能分层，可用分液分开；反应生成的二氯甲烷、三氯甲烷、四氯化碳均是油状的液体，只有一氯甲烷是气体，还可能有过量的甲烷，可能存在剩余的甲烷和生成的一氯甲烷等气体，应进行尾气处理，
故答案为：分液；A、B；
（4）CH₄与Cl₂在强光照射下生成的黑色小颗粒为炭黑，所以在强光照射下可发生CH₄+2Cl₂ $\stackrel{光照}{→}$C+4HCl，
故答案为：CH₄+2Cl₂ $\stackrel{光照}{→}$C+4HCl；
（5）A中二氧化锰与浓盐酸反应生成氯气和氯化锰和水，方程式为：MnO₂+4HCl（浓）$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$MnCl₂+Cl₂↑+2H₂O；
故答案为：MnO₂+4HCl（浓）$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$MnCl₂+Cl₂↑+2H₂O；
（6）氯气与甲烷发生取代反应，反应特点是1mol氯气可取代1molH原子生成1molHCl，设$\frac{V（C{I}_{2}）}{V（C{H}_{4}）}$=x，若理论上欲获得最多的氯化氢，则应保证甲烷被完全取代，x应大于或等于4，
故答案为：x≥4；
（7）混合气体的密度是相同条件下氢气的12.5倍，则混合气体的平均相对分子质量=12.5×2=25，烯烃的最小相对分子质量为28，故该混合气体一定含有CH₄，烯烃与溴发生加成反应，而甲烷不与溴水反应，故溴水增重8.4g为烯烃的质量，则甲烷的质量=10g-8.4g=1.6g，其物质的量=$\frac{1.6g}{16g/mol}$=0.1mol，混合气体的物质的量=$\frac{10g}{25g/mol}$=0.4mol，故烯烃的物质的量=0.4mol-0.1mol=0.3mol，则烯烃的相对分子质量=$\frac{8.4g}{0.3mol}$=28，令烯烃组成为C_nH_2n，则12n+2n=28，解得n=2，故该混合气体为甲烷、乙烯；
故答案为：甲烷、乙烯．

点评 本题考查了氯气的制备和甲烷的性质，明确氯气制备原理、甲烷与氯气发生取代反应原理是解题关键，题目难度中等．