Question

14．利用甲烷与氯气发生取代反应制取副产品盐酸的设想在工业上已成为现实．某化学兴趣小组在实验室中模拟上述过程，其设计的模拟装置如图：

根据设计要求回答：
（1）B装置有三种功能：①干燥气体；②控制气流速度；③均匀混合气体．
（2）设V（Cl₂）/V（CH₄）=x，若测得通入1molCH₄得到四种有机产物物质的量相等，则理论上x值应为2.5．
（3）D装置的石棉中均匀混有KI粉末，其作用是吸收过量的氯气．
（4）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
（5）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产生，写出置换出黑色小颗粒的化学方程式CH₄+2Cl₂$\stackrel{强光}{→}$C+4HCl．
（6）E装置除生成盐酸外，还含有有机物，从E中分离出有机物的最佳方法为分液．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　e．CCl₄．

Answer 1

分析 实验室用浓盐酸和二氧化锰在加热条件下发生反应生成Cl₂，Cl₂经干燥后和甲烷在光照条件下发生取代反应，生成多种氯代烃和HCl，在强光照射下可发生CH₄+2Cl₂$\stackrel{强光}{→}$C+4HCl，生成的黑色小颗粒为炭黑，最后生成的HCl溶于水生成盐酸，与有机物可用分液的方法分离．
（1）浓硫酸可以干燥氯气和氯化氢，B装置有控制气流速度、均匀混合气体功能；
（2）根据甲烷的物质的量计算出四种取代产物的物质的量，再根据甲烷与氯气的取代反应特点计算出消耗氯气的物质的量；
（3）氯气能将碘化钾氧化为碘单质；
（4）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；
（5）在C装置中，经过一段时间的强光照射，生成的黑色小颗粒为炭黑，甲烷和氯气反应生成碳和氯化氢；
（6）最后生成的HCl溶于水生成盐酸，与有机物可用分液的方法分离；一氯甲烷是气体，还可能有过量的甲烷．

解答 解：（1）生成的氯气中含有水，因浓硫酸具有吸水性，具有干燥作用，B装置除具有干燥作用之外，具有控制气流速度、均匀混合气体，
故答案为：控制气流速度；均匀混合气体；
（2）1mol甲烷与氯气完全反应生成四种有机产物的物质的量相同，即分别生成了0.25molCH₃Cl（气体）、CH₂Cl₂、CHCl₃、CCl₄，根据取代反应特点，每取代1molH原子，需要消耗1mol氯气，则总共消耗氯气的物质的量为：0.25mol+0.25mol×2+0.25mol×3+0.25mol×4=2.5mol，则V（Cl₂）/V（CH₄）=x=2.5，
故答案为：2.5；
（3）氯气具有氧化性，KI中-1价的碘能被氯气氧化，产物为氯化钾固体和碘单质，所以，D装置的石棉中均匀混有KI粉末，能吸收过量的氯气，
故答案为：吸收过量的氯气；
（4）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：CD；
（5）生成的黑色小颗粒为炭黑，甲烷在强光照射下可发生CH₄+2Cl₂$\stackrel{强光}{→}$C+4HCl，
故答案为：CH₄+2Cl₂$\stackrel{强光}{→}$C+4HCl；
（6）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；ab．

点评 本题考查了甲烷的取代反应原理，题目难度中等，注意掌握甲烷的化学性质，明确取代反应原理，（2）为易错点，注意甲烷与氯气的取代反应特点．