[高三理化生]第39讲实验方案的设计与评价.docVIP

第39讲实验方案的设计与评价基础考点梳理最新考纲1.能根据试题要求设计、评价或改进实验方案。2了解控制实验条件的方法。3能分析或处理实验数据，得出合理结论。4能绘制和识别典型的实验仪器装置图。5实验知识和技能的综合应用。自主复习化学实验方案的设计1实验设计的原则(1)科学性；(2)安全性；(3)简约性；(4)可行性。2实验设计的方法(1)明确实验目的、实验原理；(2)选择反应物；(3)设计装置步骤；(4)记录实验现象、实验数据；(5)分析得出结论。以上只是解答综合实验设计题的一般思考方法。在解答过程中，应根据实验设计题的具体情况和要求，作出正确的回答。3化学实验方案设计的类型实验设计网络构建热点典例突破热点考向1.以科技、生产、生活中的新材料为载体，考查实验评价、误差分析和定量计算等方面能力。2通过对课本实验的改进考查学生分析问题和解决问题的能力以及学生思维的灵活性。3结合实验方案的设计与评价考查学生选择、组装仪器的能力以及绘制简单实验装置图的能力。热点探究热点1化学实验方案的设计1.化学实验方案设计的思路2化学实验设计时遵循的原则(1)科学性，实验原理准确，实验流程合理。(2)安全性，保护人身、保护环境、保护仪器。(3)可行性，条件允许，效果明显，操作正确。(4)简约性，做到步骤少、时间短、效果好等基本要求。3实验设计的步骤(1)明确目的、原理首先必须认真审题，明确实验的目的要求，弄清题目有哪些新的信息，综合已学过的知识，通过类比、迁移、分析，从而明确实验原理。(2)选择仪器、药品根据实验的目的和原理，以及反应物和生成物的性质、反应条件，如反应物和生成物的状态，能否腐蚀仪器和橡胶、反应是否加热及温度是否控制在一定的范围等，从而选择合理的化学仪器和药品。(3)设计装置、步骤根据上述实验目的和原理，以及所选用的仪器和药品，设计出合理的实验装置和实验操作步骤。学生应具备识别和绘制典型的实验仪器装置图的能力，实验步骤应完整而又简明。(4)记录现象、数据：根据观察，全面而准确地记录实验过程中的现象和数据。(5)分析得出结论根据实验观察的现象和记录的数据，通过分析、计算、图表、推理等处理，得出正确的结论。4实验设计的注意事项(1)药品和装置是部分或刚好给出还是有剩余若药品和装置只部分给出，则应需要作必要的补充，若有剩余，则应进行筛选和淘汰。(2)题目条件有无特殊要求如采用最简单或最合理的实验步骤，这些要求对我们考虑反应原理，选择药品和装置，确定操作步骤都作了限定，必须高度重视。(3)实验过程中的隐蔽性操作如某些必要的干燥、除杂、冷凝等，这些都是实验中必不可少的，但容易被忽略。(4)药品的规格有些题目要求指出药品的名称，这类问题学生最难答准确，如有些药品的准确描述为：硫酸铜粉末、澄清石灰水、酸性高锰酸钾溶液、浓硫酸、饱和NaHCO3溶液、NaOH溶液等。此外也应注意某些仪器的规格。(5)会画简单的实验装置图基于评分客观公正性难以把握，近年高考题很少出现此类题目，但复习时要有所重视。【例1】三草酸合铁酸钾晶体K3Fe(C2O4)33H2O可用于摄影和蓝色印刷。某小组将无水三草酸合铁酸钾在一定条件下加热分解，对所得气体产物和固体产物进行实验和探究。请利用实验室常用仪器、用品和以下限选试剂完成验证和探究过程。限选试剂：浓硫酸、1.0 molL1HNO3、1.0 molL1盐酸、1.0 molL1NaOH、3% H2O2、0.1 molL1KI、0.1 molL1CuSO4、20% KSCN、澄清石灰水、氧化铜、蒸馏水。(1)将气体产物依次通过澄清石灰水(A)、浓硫酸、灼热氧化铜(B)、澄清石灰水(C)，观察到A、C中澄清石灰水都变浑浊，B中有红色固体生成，则气体产物是_。(2)该小组同学查阅资料后推知，固体产物中，铁元素不可能以三价形式存在，而盐只有K2CO3。验证固体产物中钾元素存在的方法是_，现象是_。(3)固体产物中铁元素存在形式的探究。提出合理假设假设1：_；假设2：_；假设3：_。设计实验方案证明你的假设实验过程根据中方案进行实验。按下表的格式写出实验步骤、预期现象与结论。实验步骤预期现象与结论步骤1：步骤2：步骤3：解析(1)将产生的气体产物先通过澄清石灰水，澄清石灰水变浑浊，说明产生的气体中含有CO2，然后再依次通过灼热氧化铜、澄清石灰水，观察到的现象：有红色固体生成，澄清石灰水变浑浊，说明产生的气体中含有CO；(2)碱金属元素的检验一般采用焰色反应；(3)依据信息，固体产物中，铁元素不可能以三价形式存在，而盐只有K2CO3，可推测铁元素只能以亚铁化合物及铁单质的形式存在，在设计实验时，应注意Fe与FeO的性质的不同点。答案(1)CO2和CO(2)利用焰色反应透过蓝色钴玻璃观察到紫色的火焰(3)全部为铁单质全部为FeO同时存在铁单质和FeO实验步骤预期现象与结论步骤1：取适量固体产物于试管中，加入足量蒸馏水，充分振荡使K2CO3完全溶解。分离不溶固体与溶液，用蒸馏水充分洗涤不溶固体固体产物部分溶解步骤2：向试管中加入适量CuSO4溶液，再加入少量上述不溶固体，充分振荡(1)若蓝色溶液颜色及加入的不溶固体无明显变化，则假设2成立(2)若蓝色溶液颜色明显改变，且有暗红色固体物质生成，则证明有铁单质存在步骤3：继续步骤2中的(2)，进行固液分离，用蒸馏水洗涤固体至洗涤液无色。取少量固体于试管中，滴加过量HCl后，静置，取上层清液，滴加适量H2O2，充分振荡后滴加KSCN结合步骤2中的(2)：(1)若溶液基本无色，则假设1成立(2)若溶液呈血红色，则假设3成立变式1(2010广东理综)某研究小组用MnO2和浓盐酸制备Cl2时，利用刚吸收过少量SO2的NaOH溶液对其尾气进行吸收处理。(1)请完成SO2与过量NaOH溶液反应的化学方程式：SO22NaOH=_。(2)反应Cl2Na2SO32NaOH=2NaClNa2SO4H2O中的还原剂为_。(3)吸收尾气一段时间后，吸收液(强碱性)中肯定存在Cl、OH和SO，请设计实验，探究该吸收液中可能存在的其他阴离子(不考虑空气中CO2的影响)。提出合理假设。假设1：只存在SO；假设2：既不存在SO，也不存在ClO；假设3：_。设计实验方案，进行实验。请写出实验步骤以及预期现象和结论。限选实验试剂：3 molL1 H2SO4、1 molL1 NaOH、0.01 molL1 KMnO4、淀粉KI溶液、紫色石蕊试液。实验步骤预期现象和结论步骤1：取少量吸收液于试管中，滴加3 molL1 H2SO4至溶液呈酸性，然后将所得溶液分置于A、B试管中步骤2：步骤3：解析：本题主要考查实验设计与评价能力，背景知识为氧化还原反应，意在考查考生的实验设计能力，分析与解决问题的能力，本题在对考生实验评价能力的考查上具有特别的价值，是一个既具有新颖性，又不失经典性的好题。(1)SO2与过量NaOH反应的产物为Na2SO3与H2O；(2)在反应中，硫元素的化合价升高，所以Na2SO3为还原剂；(3)SO具有较强的还原性，而ClO具有极强的氧化性，ClO与SO是不能共存的，所以假设3为：只存在ClO，实验设计只要求证实酸化后的溶液是具有氧化性，还是具有还原性，还是既不具有氧化性，也不具有还原性，若加入淀粉KI溶液会出现蓝色，证明存在ClO，若加入 KMnO4溶液时，KMnO4溶液褪色，证明存在SO，若两种现象均无，则假设2成立。答案：(1)Na2SO3H2O(2)Na2SO3(3)只存在ClO步骤2：向A试管中滴加12滴0.01 molL1 KMnO4溶液()若溶液褪色，则假设1成立；()若溶液不褪色，则假设2或3成立步骤3：向B试管中滴加12滴淀粉KI溶液()若溶液变蓝色，则假设3成立；()若溶液不变蓝色，结合步骤2中的()，则假设2成立热点2化学实验方案的评价对几个实验方案的正确与错误、严密与不严密、准确与不准确做出判断。要考虑是否完全合理、有无干扰现象、经济上是否合算和对环境有无污染等。1从可行性方面对实验方案做出评价科学性和可行性是设计实验方案的两条重要原则。因此，对实验方案进行评价时，要分析实验方案是否科学可行，实验方案是否遵循化学理论和实验方法论要求，在实际操作时能否做到可控易行。评价时，从以下4个方面分析：(1)实验原理是否正确、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)实验效果是否明显等。2从“绿色化学”视角对实验方案做出评价“绿色化学”要求设计更安全的、对环境友好的合成线路，降低化学工业生产过程中对人类健康和环境的危害，减少废弃物的产生和排放。根据“绿色化学”精神，对化学实验过程或方案从以下4个方面进行综合评价：(1)反应原料是否易得、安全、无毒；(2)反应速率是否较快；(3)原料利用率以及合成物质的产率是否较高；(4)合成过程是否造成环境污染。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”，白磷切割宜在水中等)；(4)防吸水(如实验、取用、制取易吸水、潮解、水解的物质宜采取必要措施，以保证达到实验目的)；(5)冷凝回流(有些反应中，为减少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)；(6)易挥发液体产物(导出时可为蒸气)的及时冷却；(7)仪器拆卸的科学性与安全性(也从防污染、防氧化、防倒吸、防爆炸、防泄漏等角度考虑)。【例2】为测试一铁片中铁元素的含量，某课外活动小组提出下面两种方案并进行了实验(以下数据为多次平行实验测定结果的平均值)：方案一：将a g铁片完全溶解于过量稀硫酸中，测得生成氢气的体积为580 mL(标准状况)；方案二：将 g铁片完全溶解于过量稀硫酸中，将反应后得到的溶液用0.02000 molL1的KMnO4溶液滴定，达到终点时消耗了25.00 mL KMnO4溶液。请回答下列问题：(1)配平下面的化学方程式：KMnO4FeSO4H2SO4=Fe2(SO4)3MnSO4K2SO4H2O(2)在滴定实验中不能选择_式滴定管，理由是_；(3)根据方案一和方案二测定的结果计算，铁片中铁的质量分数依次为_和_；(铁的相对原子质量以55.9计)(4)若排除实验仪器和操作的影响因素，试对上述两种方案测定结果的准确性做出判断和分析。方案一_(填“准确”“不准确”“不一定准确”)，理由是_；方案二_(填“准确”“不准确”“不一定准确”)，理由是_。解析(1)由高锰酸钾和硫酸亚铁的价态变化得知二者反应的物质的量之比为15，再配平其他化学计量数即可。(2)由于高锰酸钾具有氧化性会腐蚀橡皮管，故滴定管不能选用碱式滴定管。(3)根据关系式计算。方案一：FeH2，w(Fe)。方案二：FeFe2KMnO4，w(Fe)。(4)考虑原铁片的组成不一，答案不具体，本题为开放性答案，考虑到两方案的测定原理不同，可从所含杂质能否与酸反应、能否放出氢气或能否产生被高锰酸钾氧化的离子等方面考虑。答案(1)21085218(2)碱KMnO4是强氧化剂，它会腐蚀橡皮管(3)(4)不一定准确如果铁片中存在与稀硫酸反应并能生成氢气的其他金属，会导致结果偏高；铁片中存在与稀硫酸反应而溶解、但不产生氢气的铁的氧化物，会导致结果偏低；如果上述情况均不存在，则结果准确不一定准确如果铁片中存在与稀硫酸反应而溶解的其他金属，生成的金属离子在酸性溶液中能被高锰酸钾氧化，会导致结果偏高；如果铁片中存在与稀硫酸反应而溶解的铁的氧化物，生成的Fe3在酸性溶液中不能被高锰酸钾氧化，会导致结果偏低；如果上述情况均不存在，则结果准确注：本小题属于开放性试题，若考生回答“准确”或“不准确”且理由合理，可酌情给分。例如：考生回答方案一准确，因为铁片中不存在能与稀硫酸反应并能生成氢气的其他金属，也不存在铁的氧化物方案一不准确，如果铁片中存在与稀硫酸反应生成氢气的其他金属，会导致结果偏高；如果存在与稀硫酸反应而溶解、但不产生氢气的铁的氧化物，会导致结果偏低方案二准确，铁片溶于稀硫酸后，除Fe2外，其他可能存在的金属离子在酸性溶液中均不能被高锰酸钾氧化，也不存在氧化铁方案二不准确，如果铁片中存在与稀硫酸反应而溶解的其他金属，生成的金属离子在酸性溶液中能被高锰酸钾氧化，会导致结果偏高；如果存在与稀硫酸反应而溶解的铁的氧化物，生成的Fe3在酸性溶液中不能被高锰酸钾氧化，会导致结果偏低点评对实验方案的合理与否、严密与否作出评判要从“合理选择，排除干扰，操作准确”等方面入手。(1)“合理选择”是指仪器的选择、药品的选择、连接方式的选择等。仪器的选择又包括发生装置(几种基本类型)、净化装置(除杂质的试剂与顺序)、反应装置、尾气处理装置等；药品的选择包括药品的种类、浓度、聚集状态等；连接方式指仪器的先后顺序、导管接口的连接等。(2)“排除干扰”是指反应条件的控制、防止空气成分介入、副反应尽量避免、杂质的清除以及防止物质的挥发性、溶解性、颜色对实验的干扰。(3)“操作准确”则要求熟悉主要仪器的性能、用途和典型的实验操作规则。变式2(2010江西重点中学联考)我国化学家侯德榜改进国外的纯碱生产工艺，生产流程可简要表示如下：(1)沉淀池中发生反应的方程式为_。(2)该实验得到的纯碱中含有氯化钠，甲同学设计装置，拟通过测定烧杯中氢氧化钠溶液的增重来测定样品中碳酸钠的含量，但该实验存在明显不足，试举出该装置引起误差的两个主要原因：_；_。(3)乙同学设计的测定样品中纯碱含量的方法如图，试回答：检查该装置气密性的方法为_。设滴定管的起始读数为V1 mL，终点读数为V2 mL，注射器测定排出的气体为V3 mL(标准状况)，称得样品质量为m g，则原样品中碳酸钠的质量分数的表达式为_(用含V1、V2、V3、m的代数式表示)。(4)丙同学设计的测定样品中纯碱含量的方法如图，并在广口瓶中的水面滴加少量植物油，试回答：你认为植物油的作用是_。为减小误差，读取量筒中水的体积时的注意事项有_，_。解析：(1)在沉淀池中发生的反应是CO2NH3NaClH2O=NaHCO3NH4Cl。(2)观察装置可知稀盐酸挥发出的氯化氢气体也能被氢氧化钠溶液吸收，使质量偏大，反应完全后烧瓶和导管中剩余的二氧化碳气体不能完全被氢氧化钠溶液吸收又会使质量偏小。(3)根据本装置的特点可以确定检验装置气密性的方法是关闭酸式滴定管活塞，用手捂热烧瓶，若注射器活塞向外移动，松手后又回到原来位置，说明气密性良好。二氧化碳的体积是注射器测定排出气体的体积减去滴入的盐酸的体积，经计算可得碳酸钠的质量分数的表达式。(4)植物油可以减少二氧化碳在水中的溶解。为减小误差应注意读数前将广口瓶与量筒之间导管中的水转入量筒；读取量筒中水的体积时要平视。答案：(1)CO2NH3NaClH2O=NaHCO3NH4Cl(2)稀盐酸挥发出的氯化氢气体也被氢氧化钠溶液吸收烧瓶和导管中滞留的二氧化碳气体不能被氢氧化钠溶液吸收(3)关闭酸式滴定管活塞，用手捂热烧瓶，若注射器活塞向外移动，松手后又回到原来位置，说明气密性良好106100%(4)减少二氧化碳在水中的溶解，减小实验误差读数前将广口瓶与量筒之间导管中的水转入量筒读取量筒中水的体积时要平视凹液面方法规律技巧定量实验与数据处理高考实验题有三种设计方案，一是课本重要实验重现，二是课本实验重组，三是课本实验衍生再造或改进(即创新实验、探究实验)，无论哪种都以课本实验为核心，基本实验能力为准则。定量实验、化学实验数据处理的关键是破译数据的含义，进行合理取舍，提炼出有效的数据，分析要达到实验目的所需要的数据。一些数据隐含着化学规律及化学反应原理，找出数据的具体含义，分析、比较数据之间的内在关系，建立题中的隐含数据与题目解答之间的联系，继而得出正确结论。实验中的误差分析，可从两个方面来考虑，一是外界环境(H2O、CO2、O2等)对该实验的影响而产生误差；二是本身操作中，由于操作不当引起误差，如果是分析最终结果的误差，应通过最后得出的代数表达式来看哪些物理量发生了变化，从而得出实际误差情况。【考例】某研究性学习小组借助AD的仪器装置完成有关实验。【实验一】收集NO气体。(1)用装置A收集NO气体，正确的操作是_(填序号)。a从口进气，用排水法集气b从口进气，用排气法集气c从口进气，用排水法集气d从口进气，用排气法集气【实验二】为了探究镀锌薄铁板上锌的质量分数w(Zn)和镀层厚度，查询得知锌易溶于强碱：Zn2NaOH=Na2ZnO2H2。据此，截取面积为S的双面镀锌薄铁板试样，剪碎、称得质量为m1g。用固体烧碱和水作试剂，拟出下列实验方案并进行相关实验。方案甲：通过测量试样与碱反应生成的氢气体积来实现探究目标。(2)选用B和_(填仪器标号)两个装置进行实验。(3)测得充分反应后生成氢气的体积为V L(标准状况)，w(Zn)_。(4)计算镀层厚度，还需检测的一个物理量是_。(5)若装置B中的恒压分液漏斗改为普通分液漏斗，测量结果将_(填“偏大”、“偏小”或“无影响”)。方案乙：通过称量试样与碱反应前后的质量实现探究目标。选用仪器C做实验，试样经充分反应，滤出不溶物、洗涤、烘干，称得其质量为m2g。(6)w(Zn)_。方案丙：通过称量试样与碱反应前后仪器、试样和试剂的总质量(其差值即为H2的质量)实验探究目标。实验同样使用仪器C。(7)从实验误差角度分析，方案丙_方案乙(填“优于”、“劣于”或“等同于”)。解析(1)NO遇到空气立即被氧化，故不能用排空气法收集，只能用排水法收集，排水法集气时气体应从短导管进。(2)方案甲：Zn和Fe中只有Zn可以与NaOH反应产生气体，通过排水法收集气体，依据反应方程式即可算出Zn的质量分数。需要的装置有测量H2体积的D装置。(3)Zn与H2的物质的量之比为1：1，则n(Zn)V/22.4 mol，w(Zn)m(Zn)/m1。(4)有了Zn的质量，如果有密度，则可以求出Zn的体积，再由薄铁板的面积，即可求出Zn镀层的厚度。(5)恒压分液漏斗产生的气体有部分残留在分液漏斗上方，故排气时收集的H2少，用普通漏斗时收集的H2多一些，则计算出的Zn的量偏大。(6)减少的质量即为Zn的质量。(7)丙方案根据差值即H2的质量实验探究目标。显然计算结果误差大，因为产生的H2质量很小。答案(1)c(2)D(3)(或等其他合理答案)(4)金属锌的密度(或其他合理答案)(5)偏大(6)(或其他合理答案)(7)劣于变式碱式碳酸铁的组成可表示为xFe2(CO3)3yFe(OH)3zH2O。某化学兴趣小组完成以下实验：(1)探究碱式碳酸铁完全分解后的残留固体是否可使乙醇(已知乙醇的沸点为78 )在加热时发生去氢氧化，并检验反应产物。见图中已装配好的完整装置，回答下列问题：用该装置进行实验，需用酒精灯加热的仪器有_(选填仪器字母代号)；若在试管A中观察到固体粉末由红色变成黑色，试管D中银氨溶液产生银镜，则A中发生反应的化学方程式为_。为确保反应物有较高的利用率，且使装置中气流平稳，应对C部分进行的改进是_。(2)请选择上图中的EI装置采用氢气还原法测定碱式碳酸铁的组成：在该套装置(装置符合气密性要求，除G外不可以重复选用；其他用品可自选；加热装置等已略去)中按氢气流向顺序为EFH，其中用到G装置_次，作用依次为_。称取45.3 g某碱式碳酸铁样品，充分反应后得到16.8 g残留物，生成13.2 g二氧化碳和16.2 g水。该样品的化学式为_。解析：(1)碱式碳酸铁完全热分解方程式：xFe2(CO3)3yFe(OH)3zH2O=(xy/2) Fe2O33xCO2(3y/2z)H2O，A试管加热残留固体为Fe2O3，然后通入乙醇蒸气进行反应，C中乙醇气化需要加热，产生的乙醛通入D中进行银镜反应，需要水浴加热。(2)碱式碳酸铁与氢气反应可以理解为Fe2(CO3)3和Fe(OH)3受热分解后的产物Fe2O3再与氢气反应，要分析测定出反应后CO2和H2O的质量，因此对于氢气发生器后仪器的选择是除氯化氢和水蒸气，能防止对后续测定的干扰即可，测定H2O和CO2分别用浓硫酸和碱石灰。选用的仪器加入试剂加入试剂的作用E盐酸与锌粒产生氢气G水除氢气中的HCl气体G浓硫酸干燥氢气I碱式碳酸铁主体反应G浓硫酸吸收水F碱石灰吸收CO2H碱石灰防止空气中的水和CO2干扰测定xFe2(CO3)3yFe(OH)3zH2O(6x3y/2)H2=(2xy)Fe3xCO2(3x3yz)H2O根据题给几种物质的质量可得n(Fe)0.3 mol，n(CO2)0.3 mol，n(H2O)0.9 mol，所以x0.1，y0.1，z0.3，所以该样品的化学式为Fe2(CO3)3Fe(OH)33H2O。答案：(1)ABC3CH3CH2OHFe2O33CH3CHO2Fe3H2O水浴加热，温度计控温在78 或略大于78 (2)3除氢气中的HCl气体、干燥氢气、吸收水Fe2(CO3)3Fe(OH)33H2O备选习题1.“绿色化学”是将反应物全部转化为期望产物，以使原子利用率达到100%，而尽量减少有害物质生成的化学工艺理念。下列符合“绿色化学”要求的工艺原理是()A燃烧硫铁矿：4FeS211O22Fe2O38SO2B湿法炼铜：FeCuSO4=FeSO4CuC制烧碱：Na2CO3Ca(OH)2=CaCO32NaOHD制环氧乙烷：2C2H4O22C2H4O解析：A项产生污染性气体SO2；B项生成了副产物FeSO4；C项生成了副产物CaCO3；D项原子利用率为100%，且无污染。答案：D2NaCl固体中混有下列杂质时，可以利用加热的方法进行提纯的是()AKClO3BK2SO4CNH4Cl DNaHCO3解析：NH4ClNH3HCl，故加热后可得纯净的NaCl固体。A、B、D加热后仍会有KClO3、少量的KCl、K2SO4、Na2CO3等杂质。答案：C3设计下列实验方案鉴别Na2CO3和NaHCO3两种白色粉末，不能达到预期目的的是()A