（B版浙江选考专用）2019版高考化学总复习第五部分专题二十一化学实验方案的设计和反应条件的控制课件.ppt

专题二十一化学实验方案的设计和反应条件的控制,化学（浙江选考专用）,考点一物质性质的探究和化学实验方案的设计,考点清单,知识梳理一、化学实验方案的设计1.化学实验设计的内容一个相对完整的化学实验方案一般应包括的内容有:实验名称、实验目的、实验原理、实验用品和实验步骤、实验现象记录及结果处理、问题和讨论等。2.化学实验设计的基本要求实验方案设计的基本要求是:科学性、安全性、可行性、简约性。对同一化学实验,可设计出多种实验方案,选择采用的实验方案应具有效果明显、操作安全、装置简单、用药少、步骤少、时间短等优点。,3.化学实验方案设计的思路,4.实验设计的步骤(1)明确目的、原理(2)选择仪器、药品(3)设计装置、步骤根据实验目的和原理,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、数据通过观察,全面而准确地记录实验过程中的现象和数据。(5)分析得出结论根据观察到的现象和记录的数据,通过分析、计算、列图表、推理等方法,得出正确的结论。5.实验设计的注意事项(1)药品和仪器是部分或刚好给出还是有剩余若药品和仪器只部分给出,则需要进行必要的补充,若有剩余,则应进行筛选或淘汰。(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,确定操作步骤都做了限定,必须高度重视。(3)实验过程中的隐蔽性操作某些必要的操作如干燥、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。,二、物质性质实验方案的设计1.研究物质性质的基本方法和程序研究物质性质的基本方法:观察法、实验法、分类法、比较法等。研究物质性质的基本程序:观察外观预测物质性质实验和观察解释及结论。图示如下:,2.验证性的性质实验方案设计所谓验证性的性质实验,是指对于物质所具备的性质,从化学实验上去寻找证据。此类实验方案的设计应遵循的原则是:操作简单、科学合理、现象明显、安全可靠。3.探究性的性质实验方案设计这类实验方案的设计,首先要分析物质结构的特点或从物质所属类型的代表物去推测物质可能具有的一系列性质,根据现象明显、科学合理、安全可靠、简便易行的原则提出合理的实验方案,去探索寻求物质可能具有的各种性质。4.性质实验方案设计的一般思路、程序,名师点睛设计实验方案时需注意的问题1.检验气体的纯度。加热通有可燃性气体(H2、CO、CH4、C2H2等)的装置前,必须检验气体的纯度。例如用H2、CO等气体还原金属氧化物时,需要加热金属氧化物,在操作中,不能先加热,后通气,应当先通入气体,将装置内的空气排出,检验气体是否纯净(验纯),待气体纯净后,再点燃酒精灯加热金属氧化物。2.加热操作先后顺序的选择。若气体产生需加热,应先用酒精灯加热产,生气体的装置,等产生气体后,再给实验需要加热的固体物质加热,目的是:一则防止爆炸(如氢气还原氧化铜);二则保证产品纯度,防止反应物或生成物与空气中其他物质反应。例如用浓硫酸和甲酸共热制取CO,再用CO还原Fe2O3,实验时应首先点燃产生CO装置的酒精灯,生成的CO赶走空气后,再点燃加热Fe2O3的酒精灯,而熄灭酒精灯的顺序则相反,原因是:在还原性气体中冷却Fe,可防止灼热的Fe再被空气中的O2氧化,并防止倒吸。3.冷凝回流的问题。有的易挥发的液体反应物,为了避免反应物损耗和充分利用原料,要在发生装置中设计冷凝回流装置或在发生装置中安装长玻璃管等。4.冷却问题。有的实验为防止气体冷凝不充分而损失,需用冷凝管冷凝,气体(物质蒸气),使气体(物质蒸气)冷凝为液态便于收集。5.防止倒吸问题。实验过程用到加热操作的要防倒吸;气体易溶于水的要防倒吸。6.具有特殊作用的实验改进装置。如为防止分液漏斗中的液体不能顺利流出,用橡胶管连接成连通装置;为防止气体从长颈漏斗中逸出和节约药品,可在发生装置中的漏斗末端套一支小试管等。7.拆卸装置时的安全性和科学性。实验仪器的拆卸要注意安全性和科学性,有些实验为防止“爆炸”或“氧化”,应考虑先停止加热还是先停止通气,如对有尾气吸收装置的实验,必须将尾气导管提出液面后才能熄灭酒精灯,以免造成溶液倒吸;用氢气还原氧化铜的实验应先熄灭加热氧化铜的酒精灯,同时继续通氢气,待加热区冷却后再停止通氢气,这是为了避免空气倒吸入加热区使铜氧化,或避免形成易爆气体;拆卸用排水法收集且需要加热制取气体的装置时,需先把导管从水槽中取出,再熄灭酒精灯,以防水倒吸;拆下的仪器要清洗、干燥、归位。三、化学实验方案的评价常常是根据化学原理和实验操作原理,通过比较、分析和综合的方法对化学实验原理、试剂与仪器的选用、实验基本操作及其顺序、实验步骤等的优劣进行科学论证和评判,并能在必要时提出合理的改进意见。例如,排水法和排空气法是两种常用的收集气体的方法,从收集到的气体的纯度和干燥性看,排水法的优点是比较纯净,缺点是不干燥;排空气法的优点是比较干燥,缺点是不纯净。对给出的实验方案做出选择、评价或找出最佳方案,包含的知识点很,多,能考查学生分析问题和解决问题的能力。1.选择包括仪器的选择、药品的选择、连接方式的选择等。仪器的选择,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、收集装置、尾气处理装置等的选择;药品的选择,包括种类、浓度、物质状态等的选择;连接方式的选择,包括仪器的先后顺序、导管接口的连接方式等的选择。2.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。要考虑是否合理、有无干扰现象、经济上是否合算和对环境有无污染等。,3.最佳方案的选用几个实验方案都能达到实验目的,分析各方案的优劣并选出其中最佳的方案。所谓最佳,无非是装置最简单、药品容易取得且价格低廉、原料利用率高、现象明显、无干扰物质,以及无污染等。四、实验化学教材中的两个性质探究实验1.铝及其化合物的性质(1)铝与氧气的反应铝在氧气中可以剧烈燃烧,发出耀眼的白光;但在空气中加热铝条,现象是铝条熔化并不滴落,因为Al2O3的熔点很高,Al2O3薄膜把熔化的铝包住,此时温度尚未达到Al2O3的熔点,故产生上述现象。在做铝与氧气反应的实验时,集气瓶中放入少量水或细沙,是为了防止,集气瓶炸裂。(2)铝表面氧化膜的保护作用日常生活中人们所用的铝制品没有采取特别的防护措施,其原因是常温下,铝在空气中表面形成一层致密的氧化物保护膜,阻止了铝与周围介质的进一步反应,对铝起到了保护作用。当有Cl-存在时,铝表面的氧化膜易被破坏。(3)铝表面氧化膜的实验探究除去氧化膜的铝片可以与CuSO4溶液反应生成暗红色的铜。将除去氧化膜的铝片放入浓硫酸或浓硝酸中,1min后取出铝片,用水洗净,再放入CuSO4溶液中无明显现象,可以证明铝在浓硫酸或浓硝酸中已被钝化。,在铝表面氧化膜的实验探究中:1)可适当提高CuSO4溶液的浓度以加快反应速率。2)用少量H2SO4酸化CuSO4溶液可以使生成的铜更致密、美观。3)NaOH溶液除去铝表面氧化膜的时间必须保持12min,不能因为铝片已经和碱溶液剧烈反应就缩短反应时间。(4)氧化铝和氢氧化铝的两性氧化铝和氢氧化铝都是两性化合物,它们既能与强碱溶液反应,又能与强酸溶液反应,相关反应的离子方程式为Al2O3+3H2O+2OH-2Al(OH、Al2O3+6H+2Al3+3H2O、Al(OH)3+OH-Al(OH、Al(OH)3+3H+Al3+3H2O。,(5)铝配合物的生成2.乙醇和苯酚的性质(1)乙醇的性质1)乙醇的氧化反应,2)乙醇的脱水反应,(2)苯酚的性质,考点二化学反应条件的控制,知识梳理一、化学反应条件控制的内涵化学反应条件的控制包括两方面:一是化学实验条件的控制,二是化学工艺条件的控制。前者常出现在实验探究题中,后者常出现在工业流程题中。实验条件的控制分为内部配比用量控制(如反应物浓度、体积、用量等)和外部条件控制(如温度、反应物状态、催化剂、环境酸碱性等)。二、化学反应条件控制的原则实验条件的控制在科学探究中很重要,在进行实验设计时,控制反应条件应遵循以下原则:1.单一变量原则,对某个实验的影响,会有很多的因素,实验正是要人为,控制条件,保证只有一个因素是变量,其余因素保持不变。2.等量性原则,所设计的实验中要采用平行反应,试剂取用时必须是等量的。3.对照性原则,一般要设计一个对照实验。三、实验化学教材中的几个重要实验1.硫代硫酸钠与酸反应速率的影响因素Na2S2O3+H2SO4(稀)SO2+S+Na2SO4+H2O反应缓慢生成不溶于水的硫;使溶液出现淡黄色浑浊,通过观察溶液出现浑浊的快慢来估测反应速率。同一温度下,改变硫代硫酸钠溶液的浓度而保持稀硫酸的浓度不变,通过观察溶液达到同等浑浊程度时所需的时间来比较反应物浓度对反应速率的影响;反应温度不同时,相同浓度,的Na2S2O3溶液与稀硫酸反应,通过观察溶液达到同等程度浑浊时所需的时间来比较温度对反应速率的影响。2.催化剂对过氧化氢分解反应速率的影响(1)催化剂和催化作用能改变化学反应速率而本身的化学性质和质量在反应前后保持不变,这样的物质为催化剂。催化剂在反应中所起的作用为催化作用。催化剂多指能加快化学反应速率的试剂,多数反应用催化剂比不用催化剂反应速率要快得多(以下所讲的催化剂专指这种催化剂)。事实上,如果没有催化剂,大多数化工生产都难以进行。而减小化学反应速率的试剂叫阻化剂(过去叫负催化剂),如橡胶、塑料制品中的防老化剂;在食用,油中加入没食子酸正丙酯,能防止酸败,这也是应用阻化剂的一个实例。催化剂的特性:a.催化剂可以加快反应的速率,但不能使原来不能发生的反应得以进行。在可逆反应中,催化剂只能缩短反应达到平衡的时间,而不能使化学平衡发生移动。b.催化剂有专一性,不同的化学反应要选用不同的催化剂。同样的反应物选用不同的催化剂,可以发生不同的反应,从而得到不同的产物。c.催化剂有一定的活化温度,在这个温度范围内使用,催化剂的活性最高。d.使用催化剂能增大化学反应速率的机理主要是形成中间产物,或在催,化剂表面的活性中心发生反应,从而改变反应的途径,使反应的活化能降低。(2)催化剂对过氧化氢分解反应速率的影响虽然本实验只是通过选择不同的催化剂来比较它们对过氧化氢分解速率的影响,然而,影响该反应中氧气产生速率的因素除了过氧化氢的浓度、催化剂的用量外,还有一些易被忽视的重要因素,如MnO2的状态(粉末状或颗粒状)。若MnO2是粉末状的,用量就要相应减少,否则反应会过于剧烈。3.反应条件对化学平衡的影响(1)氯化钴溶液的颜色变化CoCl2的水合物在加热逐步失去结晶水的过程中会呈现不同的颜色:,CoCl26H2O(粉红色)CoCl22H2O(紫色)CoCl2H2O(蓝紫色)CoCl2(蓝色)。蓝色的CoCl2在潮湿的空气中会变为粉红色,因此氯化钴可在变色硅胶中作指示剂,也可制显隐墨水,还可以根据其颜色随温度变化的性质制成温度计。常温下把氯化钴晶体溶于95%乙醇溶液中,可得到蓝色溶液,向该蓝色溶液中逐滴加入水,蓝色溶液会逐渐变为粉红色。到刚刚变为粉红色时停止加水,再加热该粉红色溶液,溶液随温度上升其颜色又逐渐变为蓝色。冷却该溶液,蓝色溶液又会逐渐变为粉红色。一般钴盐都是以Co2+的形式存在于水溶液中,因为Co2+是钴的最稳定氧化态。,水溶液中的四氯合钴()配离子与六水合钴()配离子间存在如下平衡:Co(H2O)62+4Cl-CoCl42-+6H2O(粉红色)(蓝色)(2)乙酸乙酯水解条件的探究乙酸乙酯的水解是一个可逆反应,在纯水中即使加热,反应也很慢。而酸和碱对它都有催化作用,酸可加速其达到水解平衡,而碱除了起催化作用外,还能和水解产物中的酸起反应,使该反应的平衡向水解方向移动。所以等量的乙酸乙酯在其他条件一致的情况下,用酸和用碱作催化剂,其水解的效果是不同的。乙酸乙酯为无色透明的液体,实验时我们较难将其与下层的水加以辨,别。因此可加些油溶性染料或水溶性染料,使两液层产生明显的色差而便于区分。大部分漆均可溶于乙酸乙酯,为方便,可选一些干的漆膜进行染色,如把一支红漆面的铅笔浸于乙酸乙酯中片刻,即能把液体染成红色;也可以将红蜡部分溶解于乙酸乙酯而使之变为红色,这一类颜料均不溶于水。当然,也可以对水层进行染色。,方法1实验方案的设计方法和原则化学实验设计应当遵循科学性、可行性、安全性、简约性等基本原则。1.科学性(1)当制备具有还原性的物质时,不能用强氧化性酸,如:制H2S、HBr、HI等气体时,皆不宜用浓硫酸,前一种气体宜用稀盐酸,后两种气体要用浓磷酸。,突破方法,(2)与反应进行、停滞有关的问题制CO2,不宜用H2SO4。因为生成的微溶物CaSO4覆盖在CaCO3表面,阻止反应进一步进行。(3)H2和Cl2混合气体(H2、Cl2的体积比11)爆炸的演示实验,其成功的关键是H2、Cl2两种气体的纯度要高,尤其Cl2含水蒸气越少越好。MnO2和浓盐酸在加热条件下反应,制备的Cl2中含易挥发的HCl气体和较多的水蒸气;若用KMnO4代替MnO2进行反应,由于反应不需要加热,使制得的Cl2中含HCl气体和水蒸气极少,从而可提高H2、Cl2混合气体爆炸实验的成功率。(4)酸性废气可用碱石灰或强碱溶液吸收,一般不用石灰水,因为Ca(OH)2,属微溶性物质,石灰水中Ca(OH)2的含量少。(5)检查多个连续装置的气密性,一般不用手捂法,因为手掌热量有限。(6)排水法测量气体体积时,一定要注意装置内外压强应相同。(7)实验室制备Al(OH)3的反应原理有两个:由Al3+制Al(OH)3需加氨水;由Al制Al(OH)3需通CO2气体。注意氨水是Mg2+、Al3+、Fe3+的沉淀剂,这个知识点,不但可以用在这三种离子对应氢氧化物的制备上,还可以用于Mg2+、Al3+、Fe3+的鉴别实验中。(8)装置顺序中,应先除杂后干燥。如实验室制取Cl2的实验中,应先用饱和食盐水除去HCl气体,后用浓硫酸吸收水蒸气。,2.可行性(1)在制备Fe(OH)2时,首先,将NaOH溶液煮沸,以除去NaOH溶液中溶解的O2;其次,在新制的FeSO4溶液上加一层苯,隔离空气中的O2,防止生成的Fe(OH)2被氧化。(2)实验室一般不宜采用高压、低压或低温(低于0)等条件。,(3)收集气体的方法可因气体性质和所提供的装置而异,如图所示装置,既可用于收集比空气密度小的气体(B进A出),又可用于收集比空气密度大的气体(A进B出)。(4)尾气处理可采用防倒吸的装置,如下图所示。,总之,实验设计应切实可行,所选用的药品、仪器、设备和方法等要在中学现有条件下能够满足。值得一提的是,实验仪器、试剂及方法不一定拘泥于课本上介绍的,重在实效。3.安全性实验设计应尽量避免使用有毒的药品和一些有危险性的实验操作,如必须使用,应注意有毒物品的回收处理,以及详细说明操作中应注意的事项,以防造成环境污染和人身伤害。,(1)制备可燃性气体,在点燃前务必认真验纯,以防爆炸!(2)易溶于水的气体,用溶液吸收时应使用防倒吸装置。(3)对强氧化剂(如KClO3等)及它与强还原剂的混合物,千万不能随意研磨,以防发生剧烈的氧化还原反应,造成人身伤害等事故。(4)剧毒气体的制备或性质实验,均应在通风橱或密闭系统中进行,尾气一般采用吸收或燃烧处理的方法。(5)混合或稀释液体时,应将密度大的液体缓慢加到密度小的液体中,以防飞溅,如浓硫酸的稀释实验。(6)用Cu制CuSO4,可先将Cu在空气中灼烧成CuO,再加稀硫酸,不宜用Cu和浓硫酸反应,以防产生有毒气体SO2。,4.简约性实验设计尽可能简单易行,应采用装置简单、实验步骤少、所需药品少、并能在短时间内完成的实验。在急用时,如宜将浓氨水滴入生石灰中制取NH3,不宜用NH4Cl与Ca(OH)2反应制取NH3;又如,宜将浓盐酸滴入固体KMnO4中制备Cl2等。例1(2017课标,26,14分)绿矾是含有一定量结晶水的硫酸亚铁,在工农业生产中具有重要的用途。某化学兴趣小组对绿矾的一些性质进行探究。回答下列问题:(1)在试管中加入少量绿矾样品,加水溶解,滴加KSCN溶液,溶液颜色无明显变化。再向试管中通入空气,溶液逐渐变红。由此可知:、。(2)为测定绿矾中结晶水含量,将石英玻璃管(带两端开关K1和K2)(设为,装置A)称重,记为m1g。将样品装入石英玻璃管中,再次将装置A称重,记为m2g。按下图连接好装置进行实验。仪器B的名称是。将下列实验操作步骤正确排序(填标号);重复上述操作步骤,直至A恒重,记为m3g。a.点燃酒精灯,加热b.熄灭酒精灯c.关闭K1和K2d.打开K1和K2,缓缓通入N2,e.称量Af.冷却到室温根据实验记录,计算绿矾化学式中结晶水数目x=(列式表示)。若实验时按a、d次序操作,则使x(填“偏大”“偏小”或“无影响”)。(3)为探究硫酸亚铁的分解产物,将(2)中已恒重的装置A接入下图所示的装置中,打开K1和K2,缓缓通入N2,加热。实验后反应管中残留固体为红色粉末。,C、D中的溶液依次为(填标号)。C、D中有气泡冒出,并可观察到的现象分别为。a.品红b.NaOHc.BaCl2d.Ba(NO3)2e.浓H2SO4写出硫酸亚铁高温分解反应的化学方程式。解析本题考查FeSO4的化学性质及实验方案的分析。(1)滴加KSCN溶液,溶液颜色无明显变化,说明溶液中不含Fe3+;通入空气,溶液逐渐变红,说明Fe2+被氧气氧化成了Fe3+。(2)先通入N2将装置中的空气排出,然后加热,可防止FeSO4在加热过程中被氧化;最后在N2保护下冷却至室温再称重。设绿矾晶体的化学式为FeSO4xH2O,结合题意可知=,x=;若实验时未排空气就加热,则FeSO4会被氧化,使m3偏大,计算出的x偏小。(3)由题意可知SO4固体高温条件下可分解生成O3,依据氧化还原反应中得失电子守恒规律推测产物中应有SO2,且Fe2O3与SO2的物质的量之比为11,结合原子守恒可知产物中还应该有SO3,故FeSO4高温分解反应的化学方程式为2FeSO4Fe2O3+SO2+SO3;SO2与BaCl2溶液不反应,SO3与BaCl2溶液反应生成BaSO4沉淀,故先用BaCl2溶液检验SO3气体,再用品红溶液检验SO2气体,最后用NaOH溶液进行尾气处理。答案(1)样品中没有Fe()Fe()易被氧气氧化为Fe()(2)干燥管dabfce,偏小(3)c、a生成白色沉淀、褪色2FeSO4Fe2O3+SO2+SO3,方法2化学实验评价的策略和方法对某个或几个实验方案的正确与错误、严密与不严密等作出判断,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作出评价科学性和可行性是设计实验方案的两条重要原则,任何实验方案都必须科学可行。因此,在对实验方案进行评价时,可从以下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”视角对实验方案作出评价“绿色化学”要求设计更安全、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”理念,对化学实验过程或方案可从以下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