1、第四单元化学实验方案的设计与评价,三年14考 高考指数: 1.了解化学实验是科学探究过程中的一种重要方法，了解实验探究的一般过程。2.了解化学实验的绿色化和安全性要求，树立绿色化的思想，形成环境保护的意识。3.了解对物质进行定性研究和定量分析的基本方法。,4.认识反应条件控制在化学实验研究中的意义，初步掌握控制反应条件的方法。5.能根据具体情况设计解决化学问题的实验方案，并能对设计的实验方案进行分析、比较、优化和改进。6.能通过化学实验收集有关数据和事实，并科学地进行分析和处理。,化学实验方案的设计1.化学实验方案设计的基本要求,实验原理、实验流程科学合理。,保护人身安全、仪器、环境。,仪器、
2、条件、试剂在中学现有条件下能满足要求。,步骤少、仪器装置简单、节省药品、效果好。,2.化学实验设计的基本内容一个相对完整的化学实验方案一般包括下述内容：(1)实验名称；(2)实验目的；(3)实验原理；(4)实验用品(药品、仪器、装置、设备)及规格；(5)实验装置图、实验步骤和操作方法；(6)实验注意事项；(7)实验现象的记录及结果处理；(8)问题与讨论。,3.化学实验方案设计的基本思路根据实验目的和原理及所选用的药品和仪器，设计合理的装置，并且从几种方案中分析选择出最佳方案。,4.化学实验方案设计的分类,5.化学实验方案设计的注意事项(1)实验操作顺序。装置选择与连接气密性检查加固体药品加液体
3、药品开始实验(按程序)拆卸仪器其他处理等。(2)加热操作先后顺序的选择。若气体制备实验需加热，应先加热气体发生装置，通入气体排出装置中的空气后，再给实验中需要加热的物质加热。目的是：防止爆炸(如氢气还原氧化铜)；保证产品纯度，防止反应物或生成物与空气中的物质反应。熄灭酒精灯的顺序则相反。,(3)实验中试剂或产物防止变质或损失。实验中反应物或产物若易吸水、潮解、水解等，要采取措施防止吸水；易挥发的液体产物要及时冷却；易挥发的液体反应物，需在反应装置中加装冷凝回流装置(如长导管、竖直的干燥管、冷凝管等)；注意防止倒吸的问题。,(4)选用仪器及连接顺序。,仪器,选择,顺序,是否恰当,是否齐全,安装顺
4、序,连接顺序,所给仪器全用还是选用，是否可重复使用,是否有除杂和尾气处理装置,自下而上，从左到右，先洗气后干燥,洗气时长进短出，干燥管粗进细出,(5)仪器药品的准确描述。实验中所用试剂名称：如无水硫酸铜(CuSO4)，硫酸铜溶液，酸性高锰酸钾溶液，澄清石灰水，饱和碳酸氢钠溶液等。仪器名称：如坩埚、研钵、100 mL 容量瓶。(6)会画简单的实验装置图。考纲要求能够绘制和识别典型的实验仪器装置图，可用“示意装置图”表示。一般能画出简单的装置图即可，但要符合要求，例如形状、比例等。,【高考警示钟】(1)实验方案的设计对细节要求较高，往往在细节上失分，如实验原理、仪器选择、操作步骤、实验现象的描述、
5、实验安全等方面，不全面、不准确是失分的重要方面。(2)实验设计不完整，也是实验题失分的重要原因。如制备一些在空气中易变质的物质时，在制备装置后还要连接一防变质装置。(3)补画装置图的题目中，装置图画得不准确也会失分。,(1)实验时应先点燃_(填“A”或“B”)处的酒精灯。(2)硬质玻璃管中反应的化学方程式为_。(3)乙同学认为甲装置有待优化，如尾气可先储存在瓶内，然后再处理。如图是他设计的贮气瓶，尾气应从_(填“a”或“b”)口通入(其他装置略)。,(4)丙同学质疑：CO能否使澄清石灰水变浑浊？因此，他设计在CO通入CuO之前，应先通入澄清石灰水，以比较排除CO与澄清石灰水反应，试对此作出评价
6、。你认为丙的设计是否有必要_，理由是_。(5)如果开始时通入的是CO和CO2的混合气体，则应如何设计才能达到实验目的？_。,【解题指南】解答本题要注意以下两点：(1)点燃A处酒精灯之前先检验装置内气体纯度，以防爆炸；(2)通入的如果是CO和CO2的混合气体，应先除去CO2以防干扰。【解析】(1)应先点燃B处酒精灯，当导管口气体点燃后表示硬质玻璃管内已充满纯净的CO气体。再点燃A处酒精灯，使反应发生：CuO+CO=Cu+CO2。(3)要将尾气采用排液法储存在瓶内，应从a口通入。(4)丙的设计不必要，其理由是在酒精灯A点燃前，CO已通过了澄清石灰水。(5)如果开始时通入的是CO和CO2的混合气体，
7、应先通过碱石灰(或NaOH溶液)，除去CO2，排除干扰。,答案：(1)B (2)CuO+CO=Cu+CO2 (3)a(4)不必要在酒精灯A点燃前，CO已通过了澄清石灰水(5)先通过碱石灰除去CO2后再通入装置(其他合理答案也可),【互动探究】(1)处理尾气还可以采取什么方法？提示：可以用充真空气囊(球)的方法。(2)乙同学设计的装置改进后还可以作安全瓶，来调节气压，如何改进？提示：再在该装置的塞子打一孔，装一长颈漏斗，插到水面以下，导管都改为短导管并高于水面。当气压过高时，气体就将水压入漏斗中，使压强保持恒定。,【变式备选】某研究性学习小组设计实验探究铝等金属的性质：将一置于空气中的铝片投入浓
8、氯化铜溶液中，铝片表面很快出现一层海绵状暗红色物质，接下来铝片上产生大量气泡，产生的气体具有可燃性，触摸容器知溶液温度迅速上升，溶液中有蓝色沉淀生成的同时夹杂着少量黑色物质。(1)铝片表面出现的暗红色物质是_，放出的气体是_。(2)蓝色的沉淀中夹杂着少量黑色物质是_，写出生成该物质的化学方程式：_。(3)铝片投入浓氯化铜溶液中，产生气体的速率不断加快的原因除随着反应进行生成铝离子浓度增大，水解程度增大，产生H+的浓度增大外，还有_。,【解析】(1)铝活泼性大于铜，在水溶液中铝置换出铜，氯化铜溶液水解显酸性，产生的可燃性气体是氢气。(2)生成的蓝色沉淀只能是氢氧化铜，夹杂的黑色物质是氢氧化铜分解
9、生成的氧化铜。(3)反应速率加快的原因主要有：温度升高，形成原电池。答案：(1)铜或Cu 氢气或H2(2)CuO Cu(OH)2=CuO+H2O(3)该反应放热，温度升高反应加快；铜与铝构成原电池，加快铝溶解(合理即可),化学实验方案的评价与创新对几个实验方案进行评价，主要从正确与错误、严密与不严密、准确与不准确、可行与不可行等方面作出判断。另外有无干扰、是否经济、是否安全、有无污染等也是要考虑的。,1.可行性方面 (1)分析实验方案是否科学可行；(2)实验操作是否安全合理；(3)实验步骤是否简单方便； (4)实验效果是否明显。2.绿色化学方面(1)实验过程中是否造成环境污染； (2)原料是否
10、无毒、安全、易得； (3)原料利用率及反应速率是否较高； (4)反应速率是否较快。,3.从安全性方面对实验方案做出评价化学实验从安全角度常考虑的主要因素如下：(1)净化、吸收气体及熄灭酒精灯时要防止液体倒吸；(2)进行某些易燃易爆实验时要防爆炸(如H2还原CuO应先通H2，气体点燃前先验纯等)；(3)防氧化(如H2还原CuO后要“先灭灯再停氢”，白磷切割宜在水中进行等)；(4)污染性的气体要进行尾气处理；有粉末状物质参加的反应，要注意防止导气管堵塞；(5)防吸水(如实验取用、制取易吸水、潮解、水解的物质时宜采取必要措施，以保证达到实验目的)；,4.从规范性方面(1)冷凝回流(有些反应中，为减少
11、易挥发液体反应物的损耗和充分利用原料，需在反应装置上加装冷凝回流装置，如长玻璃管、竖装的干燥管及冷凝管等)；(2)易挥发液体产物(导出时可为蒸气)的及时冷却；(3)仪器拆卸与组装顺序相反，按照从右向左，从高到低的顺序；(4)其他(如实验操作顺序、试剂加入顺序、实验方法使用顺序等)。,5.最佳方案的选择几个实验方案都能达到目的，选出一个最佳方案。所谓最佳，就是装置最简单，药品容易取得、价格低廉，现象明显，干扰小，无污染。,6.创新创造性是设计的灵魂，对仪器装置及操作要有创新的设计。如(1)为使分液漏斗中的液体能顺利流出，用橡胶管把分液漏斗和容器连接成一个连通装置。(2)制备气体装置中(如图1)，
12、为防止气体从长颈漏斗中逸出，可在长颈漏斗下端加一个小试管，用液体密封。,(3)用硫酸亚铁溶液和氢氧化钠溶液制备氢氧化亚铁沉淀，为长时间看到白色沉淀，除用煮沸的蒸馏水配制溶液，把胶头滴管插入液面以下外，还可以在溶液上方加一层苯；或用图2装置，让生成的氢气排尽装置中的氧气，再反应生成氢氧化亚铁白色沉淀。,【高考警示钟】化学实验方案主要在以下几个方面容易出现失误：(1)规范方面，如操作、观察、读数等。(2)安全方面，如安全瓶、气体点燃、防暴沸、防倒吸、防污染等。(3)量化方面，如仪器规格的选择、数据记录与处理、误差分析等。(4)创新方面，如装置的改进、方案的优化等。(5)表达方面，如实验现象、实验操
13、作的表述等。,【典例2】(2012台州模拟)某同学想利用图示装置(夹持装置已略去)实验，探究SO2与Na2O2反应的产物。,测得反应前C管的质量为m1 g，反应后C管的质量为m2 g，反应后装置D质量增加了n g。请分析：.装置B的作用_，装置D的作用_。.如何检验反应中是否有O2生成_。.对C中固体产物提出如下假设：假设1：只有Na2SO3 ，假设2：只有Na2SO4假设3：_。,(1)若Na2O2反应完全，为确定C中固体产物的成分，甲同学设计如下实验：将C中的固体配成溶液，加Ba(NO3)2溶液，得到白色沉淀，加足量稀硝酸，沉淀不溶解。得出结论：产物是Na2SO4。该方案是否合理_(填“是
14、”或“否”)，理由是_。(2)若假设1成立，某同学以反应前后C管的质量差(m2-m1) g为依据推断生成Na2SO3的质量为(m2-m1)126/64 g。老师提示推算不合理,请你分析其中的缘由:_。(3)若假设2成立，则参加反应的Na2O2的物质的量为_(列计算式)mol。,【解题指南】解答本题时应注意以下三点：(1)明确该装置中各仪器的作用；(2)二氧化硫虽然类似二氧化碳，是酸性氧化物，但二氧化硫还原性很强可被过氧化钠氧化；(3)评价实验方案的正误时，要考虑有无副反应。,【解析】：过氧化钠能与水蒸气反应，装置B的作用就是干燥二氧化硫；同时要防止空气进入。：检验氧气的方法是用带火星的木条，观
15、察是否复燃。：假设3为Na2SO3和Na2SO4两者的混合物；(1)该方案不合理，因为硝酸有氧化性，即使产物为亚硫酸钠，生成的亚硫酸钡也被氧化成硫酸钡；(2)若假设1成立，则发生反应2Na2O2+2SO2=2Na2SO3+O2，(m2-m1)不等于参加反应的SO2的质量，故该推算不合理。(3)若假设2成立，则发生反应Na2O2+SO2=Na2SO4，二氧化硫的质量为m2-m1，n(Na2O2)=(m2-m1)/64,答案：.干燥SO2气体，防止水蒸气与Na2O2反应防止空气中的水蒸气和二氧化碳进入C装置与Na2O2反应；同时吸收过量的SO2，以免污染空气.用带火星的木条靠近干燥管口a，观察其是
16、否燃烧.有Na2SO3和Na2SO4(1)否 HNO3有氧化性，可将SO32-氧化为SO42-，据此不能确定产物是Na2SO3还是Na2SO4或二者兼有(2)因为该反应中吸收SO2的同时有O2产生，所以(m2-m1)不等于参加反应的SO2的质量，故该推算不合理(3)(m2-m1)/64,【技巧点拨】假设法判断某一实验方案能否达到目的(1)先假设该实验能达到目的；(2)根据该实验列出得出的结论；(3)结合题目中的信息判断该结论是否符合事实。符合事实，则反应成立，反之，不成立。,【变式训练】下列实验操作与预期实验目的或所得实验结论正确的是( ),【解析】选D。选项A中，铁与盐酸反应生成二价铁，故不
17、论镀锌还是镀锡，遇硫氰化钾都无现象；焰色反应显黄色，说明一定含有钠元素，可能含有钾元素，选项B错误；选项C中水解后应加酸中和，错误；氯化铜溶液水解显酸性，铝和酸反应，放出氢气，促进水解，生成氢氧化铜沉淀，选项D正确。,【实验探究9】“科学、经济、环保”为据解答方案评价型实验题,【典例】2011山东高考T30(4)常温下，H2SO3的电离常数 =1.210-2， =6.310-3，H2CO3的电离常数 =4.510-7， =4.710-11。某同学设计实验验证H2SO3酸性强于H2CO3：,将SO2和CO2气体分别通入水中至饱和，立即用酸度计测两溶液的pH，若前者的pH小于后者，则H2SO3酸性
18、强于H2CO3。该实验设计不正确，错误在于_。设计合理实验验证H2SO3酸性强于H2CO3(简要说明实验步骤、现象和结论)。_。仪器自选。供选的试剂：CO2、SO2、Na2CO3、NaHCO3、KMnO4、NaHSO3、蒸馏水、饱和石灰水、酸性KMnO4溶液、品红溶液、pH试纸。,【精讲精析】1.解题关键点比较H2SO3和H2CO3酸性强弱的关键有两个：(1)选择合理、可操作的原理。例如利用水解原理(酸越弱其相应的强碱盐就越易水解，溶液碱性越强)，也可以利用较强的酸制取较弱的酸的原理来检验。(2)根据原理设计严密的实验方案，并准确描述。,2.解题疑惑点(1)为什么不能通过测定H2SO3和H2C
19、O3溶液的pH来验证其酸性强弱如果通过比较两种酸溶液的pH来验证酸性强弱，必须保证两种酸的浓度相同，H2SO3和H2CO3虽然都是二元酸，因SO2和CO2气体的溶解度不同，溶于水后的饱和溶液的浓度不相等，所以该实验设计不正确。,(2)利用较强的酸制取较弱的酸这一原理时，如何避免SO2对CO2检验的干扰SO2和CO2气体均可以使饱和澄清石灰水变浑浊，所以用澄清石灰水检验CO2气体之前必须首先除去CO2气体中混有的SO2气体，并且要确保除尽。除去SO2气体可用酸性KMnO4溶液氧化、检验SO2气体是否除尽可用品红溶液检验。,【参考答案】用于比较pH的H2SO3和H2CO3的物质的量浓度不相等参考方
20、案如下：方案一：配制相同物质的量浓度的NaHSO3和NaHCO3溶液，用酸度计(或pH试纸)测两溶液的pH。前者的pH小于后者，证明H2SO3酸性强于H2CO3方案二：将SO2气体依次通过NaHCO3(Na2CO3)溶液、酸性KMnO4溶液、品红溶液、澄清石灰水。品红溶液不褪色、且澄清石灰水变浑浊，证明H2SO3酸性强于H2CO3方案三：将CO2气体依次通过NaHSO3(Na2SO3)溶液、品红溶液。品红溶液不褪色，证明H2SO3酸性强于H2CO3,实验方案评价是高考化学的热点题目，该类试题不仅符合新课改精神，还能综合考查学生的实验能力、分析问题和解决问题的能力。,1.评价角度该类题目一般从下
21、面几点思考：(1)操作可行性评价：实验原理是否科学、合理，操作是否简单、可行，基本仪器的使用、基本操作是否正确。(2)经济效益评价：原料是否廉价、转化率是否高，产物产率是否高。(3)环保评价：原料是否对环境有污染，产物是否对环境有污染，污染物是否进行无毒、无污染处理。,2.最佳方案的选择若有几个实验方案都能达到目的，应选出其中最佳的方案。最佳的方案要符合装置最简单、药品最常见且价格低廉、原料利用率高、现象明显、无干扰物质并无污染等。3.注意问题(1)评价时注意排查有无干扰因素。(2)若要求重新设计实验方案时，要注意两点：要明确要求，是限制范围的设计还是给定备选药品的设计等；要严格按照“操作(实
22、验步骤)+现象+结论”的格式叙述。,1.下列实验操作正确的是( )A.用带橡皮塞的棕色试剂瓶存放浓硫酸B.测定某溶液的pH，先用蒸馏水润湿pH试纸，再用洁净、干燥的玻璃棒蘸取该溶液滴在试纸上，并与标准比色卡比较C.分液时，分液漏斗中下层液体从下口放出，上层液体从上口倒出D.用量筒量取18.50 mL 1 molL-1的NaOH溶液,【解析】选C。浓硫酸可以腐蚀橡皮塞，A错误；测定某溶液的pH，不能用蒸馏水润湿pH试纸，润湿pH试纸相当于对溶液稀释，B错误；C正确；量筒的精确度为0.1 mL，不能量取18.50 mL 1 molL-1的NaOH溶液，D错误。,2.(2012石家庄模拟)我们学习化
23、学很重要的一个方面就是解决生活中的实际问题，下列家庭小实验不合理的是( )A.用灼烧并闻气味的方法检验真皮衣料B.用淀粉和水检验食盐中的碘元素C.用食用碱(Na2CO3)溶液洗涤餐具上的油污D.用食醋除去热水壶中的水垢【解析】选B。食盐中的碘元素以KIO3的形式存在，用淀粉和水不能直接检验。,3.(2012丽水模拟)某学生设计了三种制备方案：用KI晶体与浓硫酸反应制HI；用浓度均为0.1 molL-1的氯化铁和氢氧化钠混合制备氢氧化铁胶体；用纯碱和石灰水制烧碱，可用的方案是( )A. B. C. D.全部【解析】选B。KI中的I-具有强还原性，不可用氧化性物质制取；制备氢氧化铁胶体应把饱和氯化
24、铁溶液滴入沸水中至液体呈红褐色；用纯碱和石灰水反应除去沉淀制烧碱，只有B正确。,4.下列实验或操作不合理的是( )A.用溴水鉴别苯、乙醇、CCl4B.为准确测定盐酸与氢氧化钠溶液反应的中和热，所用酸和碱的物质的量应相等C.除去乙酸乙酯中少量的乙酸，用饱和碳酸钠溶液洗涤、分液D.某气体能使湿润的红色石蕊试纸变蓝，该气体的水溶液一定显碱性,【解析】选B。选项A中与溴水分层橙色在上层的是苯，橙色在下层的是四氯化碳，混溶的是乙醇，A正确；测定中和热时，为使一种物质完全反应，另一种物质应过量，一般碱过量，选项B错误；饱和碳酸钠溶液中和乙酸，与乙酸乙酯分液就可以除去，选项C正确。,5.下述实验能达到预期实
25、验目的的是( ),【解析】选C。钠先与水反应，生成H2和NaOH，不能将铜置换出来，A错误；10 g硫酸铜晶体中含有的硫酸铜质量小于10 g，B错误；选项D中水解液未加硝酸中和碱，错误。,6.为探究Cl2和SO2同时通入H2O中发生的反应，某化学兴趣小组设计了如图所示的实验装置。,(1)化学兴趣小组的同学采用Na2SO3粉末与70%的硫酸反应制取SO2气体，采用MnO2和浓盐酸反应制取Cl2。已知SO2的溶解度比Cl2大40倍，在此实验中，E仪器的作用是_；发生装置B应选择以下三种装置中的_(填序号)。,(2)资料显示等物质的量的Cl2和SO2同时通入H2O中恰好反应生成两种酸，请写出反应的离子方程式_。(3)为了不影响产物的检验，小组成员认为上述整套装置有一处不合理，应在_装置之间(填代号)连接一装置。,【解析】二氧化硫在水中的溶解度是140，易溶于水，干燥管E的作用是防倒吸，制备氯气采用固体与液体加热装置，选择：二氧化硫、氯气和水反应生成硫酸和盐酸；用二氧化锰和浓盐酸加热制备氯气时，有带出的氯化氢气体，应该除去。答案：(1)防倒吸 (2)SO2+Cl2+2H2O=4H+2Cl-+SO42- (3)B、C,
