1、专题六 实验方案设计与评价一、实验设计1特点及类型实验设计题考查的方向是以化学实验为基础，联系科学研究、生产、生活、环境保护的实际去发现并提出问题、设计实验去探讨和解决实际问题并得出科学的结论。它包括物质的制备、物质的鉴别、物质的分离、物质的组成分析、气体的净化与转化等实验方案的设计。2设计要求实验设计要科学，安全可靠，操作简便，药品经济，现象明显。3一般流程(1)根据某一主题， “发现问题” “提出猜想” “确定假设” ；(2)根据假设设计实验方案；(3)通过实验收集证据或实验现象；(4)做出假设是否成立的结论；(5)对结论进行反思与评价。4解题策略(1)分析题给条件，明确实验目的；(2)根
2、据反应原理，选择恰当的仪器和药品；(3)对仪器装置进行科学的连接；(4)制定操作步骤；(5)结合物质性质，根据实验现象，得出正确的结论。温馨提示 在进行实验方案设计时要特别注意水的处理。(1)水作为杂质要除去：要先除去其他杂质，后干燥。(2)水作为产物的检验：先检验水，再检验其他产物。(3)水的定量测量：前后都要排除外来水的干扰。二、实验评价1评价内容实验方案的评价包括实 验原理的评价、方案的评价、实验装置的评价、实验操作的评价、实验现象的描述与结论分析的评价等。2评价方法(1)化学反应原理是否正确，是否与实验目的相符；(2)实验装置是否科学、优化、安全；(3)操作方法是否可行，简捷；(4)绿
3、色化学的理念是否符合，对环境是否会造成污染；(5)推理过程是否严密。考向一 探究物质成分的实验设计【例 1】 (2012 江苏宿迁) 水田或池塘里常常冒出一些气泡，几位同学决心弄清这种气泡的成分。请你与他们一起完成如下探究：【收集气体】他们设计了如上图所示的取气方法：将空的塑料瓶装满水，倒放在池塘中，瓶口对准水底冒出的气泡进行收集，由于瓶口太小不便于收集，在不换瓶的情况下，你的改进方法是_。【查阅资料】收集的气体可能是 CH4、CO 2、CO 中的一种或几种，其中 CH4、CO 是难溶于水的可燃性气体。【实验探究 】 如图 1，将塑料瓶 A 中收集到的气体依次通入 B、C 中，在 D 处点燃。
4、图 1图 2：注水装置(1)要将 A 中的气体通入后面的装置中，应选图 2 中的_(填序号)。(2)若 B 中石灰水变浑浊，则说明 A 中含有_气体。(3)装置 C 作用是_。(4)若 D 处倒扣的是干冷的大烧杯，杯壁有水雾出现，有同学认为此现象不能证明收集到的气体中一定含有 CH4，理由是_，要排除这种干扰可采取的措施是_。(5)采取(4)中的排除干扰措施后，在 D 处倒扣涂有澄清石灰水的烧杯，出现浑浊，再在 D 处倒扣干冷的烧杯，若杯壁有水雾，则证明 A 中肯定含有_，若杯壁无水雾，则证明 A 中肯定含有_。(6)经进一步探究得知，收集的气体是 CH4、CO 2、CO 的混合物，这几位同学
5、拟用下图装置，粗略测定取样气体中 CO2的含量。装置 E 中发生的反应方程式是_；若取样气体为 100 mL，装置 G 读数为 65.0 mL，则取样气体中 CO2体积含量约为_%。解析：在不换瓶的情况下，可在瓶口插一个倒扣的漏斗，增大收集气体的速率；(1)注水时不能让 A 中气体逸出，应选；(2)CO 2能使石灰水变浑浊；(3)氢氧化钠可用来吸收气体中的 CO2；(4)气体通过溶液时会带走部分水分，为了实验的严谨，应加入干燥装置，除去水对实验的影响；(5)D 处石灰水变浑浊和杯壁有水雾，说明 A 中肯定含有 CH4，若 D 处石灰水变浑浊，杯壁无水雾，说明 A 中肯定含有 CO；(6)CO
6、2和 NaOH 反应生成碳酸钠和水；CO2的体积为 100 mL65.0 mL35.0 mL，气体中 CO2的体积含量 100%35%。35.0 mL100 mL答案：在瓶口插一个倒扣的漏斗(或其他合理的答案)(1) (2)CO 2(3)除去气体中没反应的二氧化碳(4)水雾有可能是从 B、C 溶液中带出的 在 C 装置后加一个(浓硫酸)干燥装置(5)甲烷(CH 4) 一氧化碳(CO)(6)CO22NaOH= =Na2CO3H 2O 35方法归纳 解答此类题目的关键是明确各装置的作用和特征物质的相关反应；通过对实验数据进行分析，得出结论。考向二 仪器组合装置的实验设计【例 2】 如下图所示，老师
7、在演示用过氧化氢和二氧化锰制取氧气的实验中，收集完氧气后，反应还在继续进行。小明同学认为，这个装置的缺点是不能控制反应随时发生、随时停止，造成了药品的浪费。为了解决小明提出的问题，请你对原实验装置加以改进，或设计新的简易实验装置，以便有效地控制过氧化氢的分解反应。友情提示：你可从下列用品中选取，也可自行选用其他仪器。请你至少写出两种方案：方案一：_；方案二：_。解析：要想控制过氧化氢分解反应，就要控制过氧化氢与二氧化锰的接触，方法有很多，如将长颈漏斗改用注射器或分液漏斗，逐滴加入过氧化氢，或将二氧化锰装入布袋中，通过抽动连在小袋子上的铁丝来控制二氧化锰与过氧化氢的接触，方法合理即可。答案：(1
8、)将长颈漏斗改用分液漏斗(2)将长颈漏斗改用注射器(3)将长颈漏斗改用胶头滴管(4)选用盛装二氧化锰的小布袋，将连在小袋子上的铁丝穿过橡皮塞并上下抽动(5)仿启普发生器原理的简易实验装置(答案合理即可)方法归纳 解答此类试题时，一般应考虑以下几点：(1)根据实验目的选择合适的药品；(2)根据药品的性质设计合理的装置、选择所需的仪器；(3)检验 评价实验设计的装置是否操作简便、安全可控等。考向三 对不同实验方案的评价【例 3】 下列实验设计能达到实验目的的是( )。选项 A B C D实验设计实验目的验证二氧化碳与水反应生成碳酸确定石蜡成分中含有碳元素探究可燃物燃烧需要氧气和温度达到着火点证明铁
9、生锈是水和氧气 共同作用的结果解析：本题是对实验设计做出评价。二氧化碳与水反应无明显现象，故 A 设计不能达到目的；冷碟子罩在石蜡的火焰上，底部会出现黑色的碳，由此可确定石蜡的成分中含有碳元素，故 B 设计正确；C 设计只能验证可燃物燃烧需要温度达到着火点，要验证需要氧气，还需在烧杯内放一块白磷，故达不到目的；D 设计只能证明铁生锈与氧气有关，无法证明与水有关 ，故达不到目的。答案：B方法归纳 进行方案评价时一般从以下几个方面入手：(1)方案在理论上是否科学合理，具有严密性；(2)在满足安全性的前提下，操作上是否简单易行；(3)从经济角度评价，是否节约试剂、降低成本和提高产量；(4)从环境角度
10、考虑，是否会造成环境污染等。1文文的家庭化学实验室有如下物品：试管 烧杯煤气和煤气炉 托盘天平 筷子 铁钉 食盐 食醋 澄清石灰水 牵牛花汁 水 饮料吸管 胶头滴管 小勺 只利用这些物品不能完成的实验是( )。A探究人体吸入的空气和呼出的气体中 CO2含量的不同B探究牵牛花汁是否可作指示剂C探究加速食盐溶于水的有效方法D探究铁钉锈蚀的条 件2(2012 山东泰安)鉴别下列各组物质，所用试剂不正确的是( )。待鉴别的物质 鉴别试剂A 稀盐酸和稀硫酸 BaCl2溶液B 硝酸铵固体和氢氧化钠固体 水C 氯化钠溶液和碳酸钠溶液 酚酞溶液D 氧气、二氧化碳、氮气 燃着的木条3.某气体可能含有水蒸气、CO
11、、H 2中的一种或几种。为了确定其成分，最佳的方案是将气体依次通过装置( )。A甲、乙、丙 B丙、乙、甲C丙、甲、乙、丙 D丙、甲、丙、乙4在实验室里进行物质制备，下列用原料及有关试剂分别制取相应的最终产物的设计中，理论上正确、操作上可行、经济上合理的是( )。AC CO CO2 Na2CO3溶液 点 燃 在 空 气 中 CuO BCu Cu(NO3)2溶液 Cu(OH)2CFe Fe2O3 Fe2(SO4)3溶液DCaO Ca(OH)2溶液 NaOH 溶液5小明为了鉴别氢氧化钠溶液和澄清石灰水，设计了 A、B、C 三种方法(如图所示)，其中可行的是_。小华同学用图 D 所示方法也能达到鉴别目
12、的，则 R 物质是_。6现有如下图所示的实 验装置：现有稀硫酸、CuO、Fe 粉三种物质，请设计两种制取铜的实验方案。填写下表。实验方案 有关反应的化学方程式 选用装置(填字母代号)方案一方案二在以上两个设计方案中，你认为_操作更合理，更简便。7(2012 广东肇庆)请根据下图回答问题：(1)仪器 A 的名称是_，仪器 B 的名称是_。(2)用 KClO3与 MnO2混合制取和收集纯净 O2，应选用上图中的_(填序号)，反应的化学方程式_。(3)实验室制取和收集 CO2，应选用上图中的_(填序号)，反应的化学方程式_；如何检验已集满一瓶 CO2气体_。(4)下图为某同学组装的制取 H2 并还原
13、 CuO 的实验装置，请你指出其中的错误_；_；_。8一次性塑料包装袋造成的环境污染已经引起社会的高度关注，许多城市已经开始推广使用纸制食品袋。同学们经查阅资料得知，纸袋的组成成分中一定含有碳元素和氢元素，可能含有氧元素。于是他们利用以下装置进行实验测定。请回答下列问题：(1)实验中 C 装置内发生反应的化学方程式为_。(2)实验中选择纯净的氧气而不用空气的原因是_。(3)为分别吸收纸袋充分燃烧的产物，并通过清晰可见的现象检验吸收是否完全，以上实验装置正确的连接顺序是：A( )( )( )( )(填写装置的字母代号)(4)将实验装置正确连接之后，确认气密性良好。充分燃烧 16.2 g 纸袋样品
14、，测得相关实验数据见下表(假定燃烧产物被完全吸收，灰烬质量忽略不计)。装置 实验前装置的质量 实验后装置的质量B 200.0 g 200.0 gC 210.0 g 234.2 gD 220.0 g 229.0 gE 210.0 g 212.2 g通过分析和计算可推断得出，纸袋样品中_(填“含”或“不含”)氧元素，其碳、氢两种元素的原子个数的最简整数比为_。9实验室有一保管不当的试剂瓶，其残缺的标签中只剩下“Na”字样。已知它是无色液体，是初中化学常用的无机试剂。小宏同学为探究其成分进行了猜想，并设计实验进行验证，有关内容见下表：猜想 设计的实验步骤 可能的现象与结论猜想一：可能是氢氧化钠溶液用
15、试管取少量样品，向其中滴入两滴酚酞溶液若酚酞溶液变为红色，则猜想成立。若酚酞溶液无明显变化，则猜想不成立猜想二：？用试管取少量样品，向其中先滴入适量的用硝酸酸化的硝酸钡溶液，然后滴入硝酸银溶液若溶液先没有明显变化，后出现白色沉淀，则猜想成立。若与上述现象不同，则猜想不成立猜想三：？用试管取少量样品，向其中先加入适量盐酸酸化，然后滴入氯化钡溶液若溶液先没有明显变化，后出现白色沉淀，则猜想成立。若与上述现象不同，则猜想不成立请你参与这一探究活动，根据上表回答下列问题：(1)小宏的猜想二是_。如果猜想成立，则产生沉淀的化学反应方程式为_。(2)小宏的猜想三是_。如果猜想成立，则产生沉淀的化学反应方程
16、式为_。(3)小宏同学对猜想一所描述的实验现象和得出的结论是否正确？请判断并说明理由。_。(4)除了小宏的三种猜想，请你再补充一种猜想，模仿上述过程，设计简单的实验方案并验证你的猜想，将有关内容填入下表。你补充的猜想 设计的实验步骤 可能的现象与结论10.某兴趣小组的同学探究浓硫酸与铁钉(碳素钢)反应后产生气体的成分。【查阅资料】Fe 与浓硫酸反应，加热，有 SO2生成C 与浓硫酸反应，加热，有 CO2和 SO2生成SO 2可使澄清石灰水变浑浊SO 2可使品红溶液的红色褪去，而 CO2不能SO 2可与酸性 KMnO4溶液反应使其褪色，而 CO2不能碱石灰的主要成分为 NaOH 和 CaO【实验
17、探究】(1)称取 24.0 g 铁钉放入 60.0 mL 浓硫酸中，加热，充分反应后得到溶液 X 并收集到气体 Y。甲同学通过实验测定并推知气体 Y 中 SO2气体的体积分数为 66.7%。同学们认为气体 Y 中还可能含有 H2和 Z 气体，则 Z 气体可能是_。探究实验的主要装置如图所示。(2)装置 A 中试剂的作用是_。(3)为确认 Z 的存在，需要将装置甲（如图所示）接入上述装置的（填编号）_之间。装置甲中的液体名称是_。甲(4)实验中，如果观察到装置 D 中_，且装置 E 中_，则可确认 Y 中含有H2气体。(5)如果需要测定限定体积气体 Y 中 H2的含量(H 2约为 0.01 g)
18、。除可用测量 H2体积的方法外，_(选填“能”或“不能”)用称量图中装置 D、装置 E 的质量变化的方法，通过计算说明你判断的理由。参考答案专题提升演练1D 探究铁钉锈蚀的条件需要做三个对比实验：是铁钉在干燥的空气中；是铁钉在水中；是铁钉既与水又与空气或氧气接触；物品中缺少干燥剂， 无法做对比实验，故 D 不能。2D 用燃着的木条鉴别 O2、CO 2和 N2无法鉴别出 CO2和 N2。3D 丙(检验原混合气中的水蒸气) 甲(CO、H 2与 CuO 反应转化为 H2O 或 CO2) 丙(检验是否有 H2O 生成) 乙(检验是否有 CO2生成)4D A 选项，C CO CO2的转化在操作上不方便，
19、经济上不划算；B 选 点 燃 在 空 气 中 CuO 项，CuAgNO 3溶液,Cu(NO 3)2溶液的转化在经济上不划算；C 选项，Fe 点燃,Fe 2O3在理论上不合理；D 选项，以生石灰和水为原料制得熟石灰，再与纯碱反应制得烧碱 NaOH，理论上合理，操作上方便，经济上也划算。5答案：B 二氧化碳(或 CO2)解析：A 中加入盐酸都没有明显现象；B 中加入碳酸钠溶液，产生白色沉淀的是石灰水，无明显现象的是氢氧化钠；C 中氢氧化钠溶液和石灰水均呈碱性，都能使紫色石蕊试液变蓝色；D 中，从图示看是通入某种气体，因二氧化碳能使澄清石灰水变浑浊，而与氢氧化钠溶液反应无明显现象，因此可以通入二氧化
20、碳气体进行区分。6答案：方案一FeH 2SO4=FeSO4H 2H 2CuO CuH= = = = = 2OB、C方案二 CuOH 2SO4=CuSO4H 2OFeCuSO4=CuFeSO 4D、E方案二解析：由于设计实验方案的基本要求是根据实验目的，确定实验方案，根据化学反应选择合适的试剂，然后确定实验仪器和装置，并由此确定操作步骤。因此根据本题现有物质铁、硫酸和氧化铜，可考虑：方案一：FeH 2SO4=FeSO4H 2，H 2CuO CuH 2O，选择制 H2及 H2= = = = = 还原氧化铜的装置。方案二：CuOH 2SO4=CuSO4H 2O，FeCuSO 4=FeSO4Cu 选用
21、烧杯及玻璃棒进行CuO 与 H2SO4、F e 与 CuSO4反应，蒸发装置烘干 Cu。7答案：(1)试管 长颈漏斗(2)ACDH 2KClO 3 2KCl3O 2= = = = =MnO2 (3)ABEF CaCO 32HCl= =CaCl2H 2OCO 2 将燃着的木条伸到集气瓶口，若火焰熄灭，则已集满(4)长颈漏斗未插入液面下 盛 CuO 的试管口未向下倾斜 通 H2的导管未伸到装 CuO 的试管底部(写改正错误的也可)解析：(1)仪器 A 为试管，仪器 B 为长颈漏 斗；(2)用 KClO3与 MnO2制 O2，需要加热，故选用试管、铁架台(带铁夹)、酒精灯、单孔橡皮塞、导管、橡皮管，
22、O 2难溶于水，要收集纯净的 O2，需用排水法收集；(3)用大理石或石灰石与稀盐酸反应制 CO2，反应常温下进行，选用试管、长颈漏斗、双孔塞、导管、橡皮管、止水夹；CO 2的密度比空气大，能溶于水，选用 F 装置收集；用燃着的木条放在瓶口，检验是否已集满； (4)由图中可知，长颈漏斗未插入液面 下，产生的 H2会从长颈漏斗中逸出，盛 CuO 的试管口未向下倾斜，通 H2的导管未伸到装 CuO 的试管底部。8答案：(1)CO 22NaOH= =Na2CO3H 2O(2)防止空气中的二氧化碳和水蒸气对实验测定的干扰(3)D B C E(4)含 35解析：(1)因纸袋的组成成分中含有碳、氢元素，纸袋
23、燃烧会生成二氧化碳和水，故 C装置的作用是吸收二氧化碳，反应的化学方程式为 CO22NaOH= =Na2CO3H 2O；(2)因空气中含有二氧化碳和水，可影响该实验的测定结果，故不用空气而用纯净氧气；(3)连接的装置顺序应考虑每经过一个装置后的气体成分对后续的实验结果无干扰；(4)D 装置吸收生成的水，B 装置吸收并检验水的存在，B 装置质量无变化，说明生成的水全部被 D 装置吸收，故生成水的质量为 229.0 g220.0 g9.0 g，含氢元素的质量 为 9.0 g( 100%)1.0 g；C 装置吸收生成的二氧化碳，E 装置吸收并检验二氧化碳1212 16的存在，故生成二氧化碳的质量为(
24、234.2 g210.0 g)(212.2 g210.0 g)26.4 g，含碳元素的质量为 26.4 g( 100%)7.2 g，由于纸袋的质量(16.2 g)大121121 162于所含碳、氢元素质量之和(1.0 g7.2 g8.2 g)，故纸袋中一定含有氧元素，其碳、氢原子个数比为 35。7.2 g12 1.0 g19答案：(1)可能是氯化钠溶液 NaClAgNO 3=AgCl NaNO 3(2)可能是硫酸钠溶液 Na 2SO4BaCl 2=BaSO42NaCl(3)不正确；使酚酞试液变红的不一定是氢氧化钠溶液，碳酸钠溶液等也可使其变红(4)你补充的猜想 设计的实验步骤 可能的现象与结论
25、可能是碳酸钠溶液(或者碳酸氢钠溶液)等用试管取少量样品，向其中滴入适量的稀硫酸若能产生无色无味的气体，则猜想成立。若无明显变化，则猜想不成立解析：从猜想二的实验设计看，检验所用试剂是先用硝酸酸化的硝酸钡，即加入Ba2 ，若溶液中无明显现象，说明其中无 SO ，然后加入硝酸银溶液，若有白色沉淀，24则其中含有 Cl ；从猜想三的实验设计看，先加入适量盐酸，若无明显现象，则证明溶液中无 CO ，然后滴加氯化钡溶液，有沉淀生成，说明溶液中含有 SO ；在小宏的猜想一23 24中，仅凭溶液能使酚酞变红就说明该溶液是 NaOH 不合理，因为能使酚酞试液变红的溶液不一定是 NaOH 溶液，也可能是其他碱性
26、溶液，如 Na2CO3溶液等。10答案：(1)CO 2 (2)除去 SO2 (3)BC 澄清石灰水 (4)黑色固体出现红色 白色固体出现蓝色 (5)能 可用电子天平称量出装置 D 或装置 E 的差量(或不能因为实验室中托盘天平只能准确称量到 0.1 g) 由生成水的质量可知：水中含有的氧元素质量为 0.09 g0.01 g0.08 g，则参加反应的 CuO 中氧元素的质量为 0.08 g；反应前后，装置 D 中的质量变化为参加反应的 CuO 中氧元素的质量，装置 E 的质量变化为生成水的质量，装置D、装置 E 的质量变化分别为 0.08 g 和 0.09 g。解析：(1)因为制作铁制品的材料通
27、常是铁碳合金，即铁钉的成分中含有碳元素，浓硫酸具有强氧化性，能将碳氧化为二氧化碳，故可推断 Z 气体可能为二氧化碳；(2)酸性高锰酸钾溶液可与二氧化硫反应，即可除去二氧化硫；可通过澄清石灰水确定二氧化碳的存在，因二氧化硫也能使澄清石灰水变浑浊，为排除二氧化硫的干扰，还不能影响二氧化硫的检验，应将装置甲接入 B、C 之间；根据 H2CuO,CuH 2O，若 D 中黑色固体出现红色(氧化铜被还原为铜)，E 中白色固体出现蓝色(证明有水生成)，可确认 Y 中含有氢气；(5)根据化学方程式的计算，可计算出装置 D、装置 E 的质量变化分别为 0.08 g 和 0.09 g，能否通过称量的方法，取决于所用仪器(天平)的精确度，普通托盘天平只能准确称量到 0.1 g，显然无法称量出装置 D、装置 E 的质量变化，但更精确的电子天平，则是可以称量的。
