科学探究与实验设计.doc

专题五：科学探究与实验设计【例题】2010年广东卷33某科研小组用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：SO2+2NaOH = _（2）反应Cl2+Na2SO3+2 NaOH=2NaCl+Na2SO4+H2O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（不考虑空气的CO2的影响）。提出合理假设 假设1：只存在SO32-；假设2：既不存在SO32-也不存在ClO；假设3：_。设计实验方案，进行实验。请在答题卡上写出实验步骤以及预期现象和结论。限选实验试剂：3moLL-1H2SO4、1moLL-1NaOH、0.01molL-1KMnO4、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 moLL-1 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：【分析】题目的意思是用吸收了少量SO2的NaOH溶液再与Cl2反应，这里需要对溶液的成分有清晰的认识，在与Cl2反应前，溶液中先发生的反应是SO2+2NaOH =Na2SO3+H2O，所以溶液的溶质可认为是较少的Na2SO3和大量的NaOH。再向其中通入Cl2，题目给出了一个反应Cl2+Na2SO3+2NaOH=2NaCl+Na2SO4+H2O（反应），但Cl2本身也可与NaOH发生反应Cl2+2NaOH=NaCl+ NaClO+H2O（反应），考虑到NaClO仍然会氧化Na2SO3，所以可以认为先发生反应，若Na2SO3消耗完，剩余的Cl2再发生反应。当我们关注Cl2、Na2SO3、NaOH这三种物质的量的时候，就很容易分析出这么几种可能：Cl2很少，只发生了反应且Na2SO3未消耗完，溶液的溶质为NaOH、NaCl、Na2SO4、Na2SO3；Cl2适量，只发生了反应且Na2SO3恰好消耗完，溶液的溶质为NaOH、NaCl、Na2SO4；Cl2较多，发生了反应后还发生了反应，但题目提示溶液仍然保持强碱性即NaOH不会被Cl2消耗完，故溶液的溶质为NaOH、NaCl、Na2SO4、NaClO。第（3）小题，提出合理假设时要依据探究目的“该吸收液中可能存在的其他阴离子”，所以假设的对象就只是SO32和ClO。且经过分析不会出现两者共存的情况。实验设计第一步中已将溶液酸化，可认为要检验的对象是H2SO3或HClO。H2SO3的检验可以考虑利用其还原性（溶液中并无其他还原性离子干扰），可选用KMnO4溶液作试剂；HClO的检验可以考虑利用其氧化性（溶液中并无其他氧化性离子干扰），可选用淀粉-KI溶液作试剂；HClO的检验还可以考虑利用其漂白性，题目中提供了紫色石蕊溶液可用。由于两者的检验互不干扰，都是简单的试管实验，所以先检验谁都可以。答案：Na2SO3 H2O Na2SO3 只存在ClO实验步骤预期现象和结论步骤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。或实验步骤预期现象和结论步骤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滴紫色石蕊溶液。若溶液先变红后褪色，则假设3成立；若溶液变红后不褪色，结合步骤2中的，则假设2成立。【拓展】（一）试题考点的定位20072010年实验探究题涉及的元素化合物知识载体有：Fe、Al、Cu、铁的氧化物与酸溶液的反应，Fe置换Cu的反应，Al与碱溶液的反应，Fe3与KSCN溶液的反应，Fe2、SO32与硝酸、KMnO4溶液的反应，SO2、Cl2与NaOH溶液的反应，ClO氧化I的反应，HClO漂白紫色石蕊的反应。以上述例题为例，涉及的SO32和ClO的检验方法并没有在教材中明确提出过，而且能使KMnO4溶液褪色的物质不只是SO32，能使淀粉KI溶液变蓝或使石蕊溶液褪色的也不只是HClO。从物质检验角度看，其中只有Fe3与KSCN溶液的反应是严格的离子检验方法，所以这类试题的知识落点并不是一般意义上说的离子检验，而是常见无机物的性质在具体情境下的灵活运用。但仅仅熟悉了物质的性质也不一定能答好，该题型还重点考查思维的逻辑性和严密性以及书面表达能力。解答此类试题时，首先要对科学合理的假设引起足够关注，这关系到整个探究的方向是否正确；其次是局部问题的解决方案；然后是各个局部方案的规划和整合；最后才是实验报告的书写。答案应逻辑清晰、层次分明。（二）常见无机物性质的梳理考纲中列举出要求掌握的元素有Na、Al、Fe、Cu、H、C、N、O、Si、S、Cl等，则相关的物质或离子如下，请从溶解性、复分解反应、氧化还原反应、特殊现象反应几个角度对它们的常见性质进行梳理，并能指出常用哪些试剂来体现这些性质。单质：Na、Al、Fe、Cu、H2、C、N2、O2、O3、Si、S、Cl2；氧化物：Na2O、Al2O3、Fe2O3、FeO、Fe3O4、CuO、CO、CO2、NO、NO2、SiO2、SO2、SO3；酸：H2CO3、HNO3、H2SiO3、H2SO3、H2SO4、HCl、HClO；碱：NaOH、Al(OH)3、Fe(OH)3、Fe(OH)2、Cu(OH)2、NH3H2O；离子：Na、Al3、Fe3、Fe2、Cu2、NH4、H、CO32、NO3、SiO32、SO32、SO42、S2、Cl、ClO。（三）通过评分标准反思答题策略2011年广州市“一模”33题答案和评分标准如下：（1）NaClO和FeSO4均无剩余；（3分） 评分说明：意思相同即可得分。但只写“均无剩余”而无指明物质，扣2分。答“NaClO和FeSO4可能均无剩余”得0分。（2）Na、Fe3 （4分）评分说明：漏写得2分。多写H+、SO42或Cl合扣2分。多写Fe2+或ClO，得0分。（3）（9分）实验步骤预期现象和结论步骤2：向A试管中滴加12滴0.01 molL1 KMnO4溶液。（1）若溶液紫红色褪去，则假设1成立；（2）若溶液呈紫红色，则假设2或3成立。步骤3：向B试管中滴加12滴紫色石蕊溶液。（1）若石蕊先变红后褪色，则假设2成立；（2）若石蕊变红后不褪色，结合步骤2中的（2），则假设3成立。评分说明：验证第一个假设成立占4分，验证第二和第三个假设占5分。方案方面的扣分点：假设1的验证用KSCN和H2O2为试剂，用颜色加深的方法来判断，得3分。假设2的验证用淀粉KI溶液为试剂，用溶液变蓝色的方法来判断，得0分。步骤方面的扣分点： 试剂用量用“少量”代替“12滴”，不扣分。试剂用量未说明或用“足量”“适量”“12mL”等不当词语，扣1分。现象方面的扣分点： 用“溶液无色”“溶液颜色无变化”“否则”“反之则”等不当表述，扣1分。结论方面的扣分点： “假设？成立”描述成“溶液中含有离子”，扣1分。“假设？成立”描述成“有剩余”，不扣分。错别字方面的扣分点： “滴加”“褪色”“紫红色”等关键词有错别字，扣1分。思考：为什么不能用用淀粉KI溶液检验ClO？应如何对待干扰？为什么不能用“足量”“适量”“12mL”等代替“少量”？试剂的用量如何选择？在实际问题的解决中，某反应是否适合用于物质的鉴定是依具体情况而定的，主要思考的问题是现象是否明显、是否有干扰、操作是否简便，而不是首先考虑是否为常用方法。利用沉淀反应时应防止其他离子也生成沉淀；利用氧化性（还原性）时防止有其他氧化性（还原性）物质干扰；预处理时防止新引入物质造成干扰，防止破坏待测物质造成干扰。有干扰而又无法通过变换方法来排除，则必须进行干扰物质的分离。试剂的用量和浓度也会影响检验的成败。试剂的用量和浓度本质上决定于操作的目的。若为分离则应过量；若为检验，考虑到待检验物质的含量可能较少，一般使用少量或几滴；若需要观察褪色的，则试剂应稀一些确保能反应完；若需要观察产生颜色或沉淀的，试剂应浓一些确保现象明显；若目的是调节pH等，试剂应稀一些；若不希望溶液被明显稀释，试剂应浓一些。（四）变式训练（2008年广东卷改）某种催化剂为铁的氧化物。请完成对该催化剂中铁元素的价态的探究。限选实验仪器与试剂：烧杯、试管、玻璃棒、药匙、滴管、酒精灯、试管夹、3 molL-1H2SO4、3 H2O2、6 molL-1HNO3、0.01 molL-1KMnO4、NaOH稀溶液、0.1 molL-1Kl、20 KSCN、蒸馏水。（1）提出合理假设假设1： ；假设2： ；假设3： 。（2）设计实验方案证明你的假设，在下表中写出实验操作步骤、预期现象与结论。实验操作预期现象与结论步骤1：步骤2：步骤3：思路点拨：探究的准确目的是什么？根据题意的限定，预期结论有哪几种可能？（注意结论与目的的直接对应关系）铁的氧化物是固体，有没有直接的检验方法？如果要转化为溶液用什么试剂？形态的转化会不会影响检验的科学性（或者误差）？Fe3如何检验？Fe2如何检验？怎样的检验顺序更合理简洁？实验报告分为几个大的步骤？【练习】1（1）向FeSO4溶液中滴加氯水，溶液由浅绿色变成黄色，反应的离子方程式为_；向KI溶液中滴加氯水，溶液由无色变成黄色，反应的离子方程式为_。 （2）请以FeSO4溶液、KI溶液、氯水为试剂探究Fe2和I的还原性强弱。提出假设：假设1：Fe2还原性强于I；假设2：_设计实验方案，写出实验步骤、预期现象和结论。其他限选试剂：3 molL1 H2SO4、0.01 molL1 KMnO4、20% KSCN、3%H2O2、淀粉溶液、紫色石蕊溶液。实验步骤预期现象与结论2正三价铁元素有一定的氧化性，FeCl3溶液吸收一定量SO2后溶液颜色变浅。（1）反应的离子方程式为_。（2）除H、OH外，溶液中一定含有的离子有_，还可能含有的粒子是_。（填编号） AFe2 BFe3 CCl DSO42 EH2SO3（3）对还不能确定的粒子存在情况提出合理的假设：假设1： ；假设2： ；假设3： 。（4）设计实验方案，进行实验。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、20% KSCN、3%H2O2、淀粉KI溶液、紫色石蕊试液、品红溶液。实验步骤预期现象和结论步骤1：步骤2：3（2009广东卷改）三草酸合铁酸钾晶体K3 Fe(C2O4 )33H2O可有于摄影和蓝色印刷，其受热分解的固体产物可以确定含有K2CO3，其它可能成分有Fe、FeO。现有少量该固体产物的样品，请设计实验探究其成分。限选试剂：浓硫酸、1.0 molL-1HNO3、1.0 molL-1盐酸、1.0 molL-1 NaOH、3%H2O2、0.1molL-1KI、0.1 molL-1CuSO4、20%KSCN、澄清石灰水、氧化铜、蒸馏水。（1）提出合理假设假设1：固体产物的成分为K2CO3和Fe；假设2： ；假设3： 。（2）为了防止干扰，需要将K2CO3先分离除去，操作过程是_ _ _。（3）在（2）的基础上设计后续的实验方案，写出实验操作步骤、预期现象与结论实验步骤预期现象与结论4硫代硫酸钠（Na2S2O3）俗称大苏打，主要用于照相业作定影剂。Na2S2O3易溶于水，在酸性溶液中会迅速分解。（1）完成Na2S2O3溶液与稀硫酸混合反应的化学方程式：H2SO4+Na2S2O3 Na2SO4+H2O+SO2+_（除空缺外已配平）该反应可用于探究外界条件对反应速率的影响，完成有关的实验设计表（已知各溶液体积均为5mL）：实验编号T/Kc（Na2S2O3）/molL-1c（H2SO4）/molL-1实验目的2980.10.1实验和探究温度对该反应速率的影响；实验、和探究反应物浓度对该反应速率的影响。3080.20.1 （2）Na2S2O3还具有很强的还原性，Na2S2O3溶液与足量氯水反应的化学方程式为_。（S元素被氧化为SO42） （3）现有一瓶Na2S2O3固体，可能混有Na2SO4固体。设计实验验证该假设，写出实验步骤、预期现象和结论。限选试剂： 1molL1 H2SO4、1molL1HNO3、1molL1HCl、1molL1NaOH、0.1 molL1BaCl2、0.01 molL1 KMnO4、蒸馏水。实验步骤预期现象和结论步骤1：取少量固体于试管中，加蒸馏水溶解。【答案】1 （1）2Fe2Cl22Fe32Cl 2ICl2I22Cl（2）假设2： I还原性强于Fe2实验步骤预期现象与结论步骤1：取2mLFeSO4溶液和2mLKI溶液混合于试管中，再滴加几滴氯水。溶液变成黄色，推测有Fe3或I2生成。步骤2：向试管中继续滴加几滴20% KSCN溶液。若溶液变血红色，则假设1成立；若溶液不变血红色，则假设2成立。或：实验步骤预期现象与结论步骤1：取2mLFeSO4溶液和2mLKI溶液混合于试管中，再滴加几滴氯水。溶液变成黄色，推测有Fe3或I2生成。步骤2：向试管中继续滴加几滴淀粉溶液。若溶液变蓝色，则假设2成立；若溶液不变蓝色，则假设1成立。2（1）2Fe3SO22H2O2Fe24HSO42（2）ACD； BE（3）假设1：只存在Fe3；假设2：即不存在Fe3，也不存在H2SO3；假设3：只存在H2SO3。（4）实验步骤预期现象和结论步骤1：取少量溶液于试管A中，滴加12滴20% KSCN溶液。（1）若溶液变血红色，则假设1成立；（2）若溶液不变血红色，则假设2或3成立 。步骤2：另取少量溶液于试管B中，滴加12滴品红溶液。（1）若溶液红色褪去，则假设3成立；（2）若溶液呈红色，结合步骤2中的（2），则假设2成立。3（1）假设2：固体产物的成分为K2CO