高考化学二轮复习 （知能方法大提升）专题十四 实验方案的设计与评价课件 新人教版.ppt

专题十四实验方案的设计与评价 第一部分知能方法大提升 高考定位 知识对接 1 实验方案设计的基本要求 2 实验方案设计的注意事项 3 实验方案评价的原则 4 实验数据的分析和处理 1 实验方案设计有哪些基本要求 答案 1 科学性 试验流程合理 实验原理 操作方法正确 2 安全性 实验设计尽量避免使用有毒药品和进行危险性的实验操作 3 可行性 实验方案应切实可行 即所需药品 仪器易得 实验操作简单方便 实验效果明显 4 简约性 实验方案采用的实验装置简单 实验步骤和实验药品较少 并在较短的时间内能完成实验 5 环保性 有毒 有害的物质必须处理 以免污染环境 6 经济性 综合考虑原料的用量 价格 2 实验安全的 七防 指的是什么 答案 续表 3 化学实验方案设计的基本思路是什么 答案化学实验方案设计的基本思路 实验方案设计 主要涉及原料 基本化学反应原理 实验程序和仪器 设备 核心是原料 由原料可确定反应原理 推导出实验步骤及所用仪器 4 怎样筛选和处理实验数据 答案实验所得的数据 可分为有用有效数据 正确合理数据 错误无效数据 及无用多余数据等 能从大量的实验数据中找出有用 有效 正确 合理的数据是实验数据分析处理题的一个重要能力考查点 也是近年来命题变化的一个重要方向 对实验数据筛选的一般方法和思路为 五看 一看数据是否符合测量仪器的精确度要求 如用托盘天平称得的质量精确度为0 1g 若精确度值超过了这个范围 说明所得数据是无效的 二看数据是否在误差允许范围内 若所得的数据明显超出误差允许范围 要舍去 三看反应是否完全 是否是过量反应物作用下所得的数据 只有完全反应时所得的数据 才能进行有效处理和应用 四看所得数据的测量环境是否一致 特别是气体体积数据 只有在温度 压强一致的情况下才能进行比较 运算 五看数据测量过程是否规范 合理 错误和违反测量规则的数据需要舍去 能力对接 考点一实验方案的设计考查根据实验目的和原理设计实验方案的能力 典例1 2012 福建 25 实验室常用mno2与浓盐酸反应制备cl2 发生装置如右图所示 1 制备实验开始时 先检查装置气密性 接下来的操作依次是 填序号 a 往烧瓶中加入mno2粉末b 加热c 往烧瓶中加入浓盐酸 2 制备反应会因盐酸浓度下降而停止 为测定反应残余液中盐酸的浓度 探究小组同学提出下列实验方案 甲方案 与足量agno3溶液反应 称量生成的agcl质量 乙方案 采用酸碱中和滴定法测定 丙方案 与已知量caco3 过量 反应 称量剩余的caco3质量 丁方案 与足量zn反应 测量生成的h2体积 继而进行下列判断和实验 判定甲方案不可行 理由是 进行乙方案实验 准确量取残余清液稀释一定倍数后作为试样 a 量取试样20 00ml 用0 1000mol l 1naoh标准溶液滴定 消耗22 00ml 该次滴定测得试样中盐酸浓度为 mol l 1 b 平行滴定后获得实验结果 判断丙方案的实验结果 填 偏大 偏小 或 准确 已知 ksp caco3 2 8 10 9 ksp mnco3 2 3 10 11 进行丁方案实验 装置如图所示 夹持器具已略去 使y形管中的残余清液与锌粒反应的正确操作是将 转移到 中 反应完毕 每间隔1分钟读取气体体积 气体体积逐次减小 直至不变 气体体积逐次减小的原因是 排除仪器和实验操作的影响因素 由于ksp caco3 ksp mnco3 过量的caco3要转化为一部分mnco3 由于m caco3 n h 或其他合理答案 0 1100 偏小 zn粒残余清液 按序号写出两项 装置内气体尚未冷却至室温 预测1 纯碱 烧碱等是重要的化工原料 1 利用如图所示装置可间接证明二氧化碳与烧碱溶液发生反应 将a与b连接 打开止水夹 将胶头滴管中的液体挤入烧瓶 此时的实验现象是 反应的离子方程式是 2 向100ml2mol l 1的naoh溶液中通入一定量co2 充分反应后将溶液在一定条件下蒸发结晶 得到少量的白色固体 试设计实验确认该白色固体的成分 提出合理假设 假设1 该白色固体为naoh和na2co3 假设2 该白色固体为只有na2co3 假设3 该白色固体为只有nahco3 假设4 该白色固体为 基于假设1 设计实验方案进行实验证明固体的成分是naoh和na2co3 请填写实验步骤及预期现象和结论 步骤可不填满也可增加 限选实验试剂及仪器 1mol l 1hcl溶液 1mol l 1mgcl2溶液 0 5mol l 1bacl2溶液 1mol l 1ba oh 2溶液 甲基橙试液 酚酞试液 试管 胶头滴管 过滤装置 1 实验方案设计 1 物质制备实验方案的设计 应遵循以下原则 条件合适 操作方便 原理正确 步骤简单 原料丰富 价格低廉 产物纯净 污染物少 设计的基本流程为 根据目标产物 确定可能原理 设计可能实验方案 优化实验方案 选择原料 设计反应装置 方法 仪器等 实施实验 步骤 操作要点 控制反应条件等 分离提纯产品 2 性质探究性实验方案的设计 主要是从物质的结构特点或从所属类型的典型代表物去推测物质可能具有的一系列性质 而后据此设计出合理的实验方案 去探索它所可能具有的性质 设计的基本流程为 根据物质的组成 结构和类型 提出性质猜想 设计实验逐个验证 记录现象和数据 归纳分析 合理推断得出结论 3 性质验证实验方案的设计 主要是求证物质具备的性质 关键是设计出简捷的实验方案 要求操作简单 简便易行 现象明显 且安全可行 设计的基本流程为 根据物质的性质 设计可能实验方案 优化实验方案 实施实验 原理 方法 步骤 仪器 药品 操作要点等 观察现象记录数据 综合分析得出结论 2 实验仪器的选用和连接 3 实验方案合理设计时注意事项 1 检验气体的纯度 点燃或加热通有可燃性气体 h2 co ch4 c2h4 c2h2等 的装置前 必须检验气体的纯度 如用h2 co等还原金属氧化物时 先通入气体将装置内的空气排干净 待检纯后 再点燃酒精灯加热金属氧化物 2 加热操作的先后顺序 若制取气体需要加热 应先用酒精灯加热气体发生装置 待产生气体后 再加热需要加热的固体物质 如用浓硫酸和甲酸共热制取co 再用co还原fe2o3 实验时应首先点燃酒精灯加热co的发生装置 待生成的co赶尽空气后 再点燃酒精灯加热fe2o3 而熄灭酒精灯的顺序则相反 原因是 在还原性气体中冷却 可防止灼热的fe再被空气中的o2氧化 并能防止倒吸 3 冷凝回流的问题 有的反应物易挥发 为了避免损耗和充分利用原料 要设计冷凝回流装置 如实验室制酚醛树脂时安装的长玻璃管等 4 冷却问题 有的实验为防止气体冷凝不充分而损失 需用冷凝管或用冷水或冰水冷凝蒸气 使蒸气冷凝为液态便于收集 5 防止倒吸问题 在某些实验中 由于发生倒吸使玻璃仪器炸裂或使反应试剂污染等 因此在有关实验中必须采取一定的措施防止倒吸 6 具有特殊作用的实验改进装置 防堵塞安全装置 为防止分液漏斗中的液体不能顺利流出 用橡皮管连接成连通装置 为防止粉末或糊状物堵塞导气管 可将棉花团置于导管口处 液封装置 为防止气体从长颈漏斗中逸出 可在漏斗的末端套上一只小试管 防污染安全装置 灼烧式可用于除去可燃性有毒气体 如co 吸收式可用于除去cl2 h2s等气体 收集式也可用于防止有毒气体进入空气中并另作他用 考点二实验方案的评价依据化学实验方案设计的要求 在所设计的各种可能方案中 通过对比和归纳 评价实验方案的可行性或不同实验方案的优劣 从而选择最佳实验方案 典例2 2012 天津 9 信息时代产生的大量电子垃圾对环境构成了极大的威胁 某 变废为宝 学生探究小组将一批废弃的线路板简单处理后 得到含70 cu 25 al 4 fe及少量au pt等金属的混合物 并设计出如下制备硫酸铜和硫酸铝晶体的路线 请回答下列问题 1 第 步cu与酸反应的离子方程式为 得到滤渣1的主要成分为 2 第 步加h2o2的作用是 使用h2o2的优点是 调溶液ph的目的是使 生成沉淀 3 用第 步所得cuso4 5h2o制备无水cuso4的方法是 4 由滤渣2制取al2 so4 3 18h2o 探究小组设计了三种方案 上述三种方案中 方案不可行 原因是 从原子利用率角度考虑 方案更合理 5 探究小组用滴定法测定cuso4 5h2o mr 250 含量 取ag试样配成100ml溶液 每次取20 00ml 消除干扰离子后 用cmol l 1edta h2y2 标准溶液滴定至终点 平均消耗edta溶液bml 滴定反应如下 cu2 h2y2 cuy2 2h 写出计算cuso4 5h2o质量分数的表达式w 下列操作会导致cuso4 5h2o含量的测定结果偏高的是 a 未干燥锥形瓶b 滴定终点时滴定管尖嘴中产生气泡c 未除净可与edta反应的干扰离子 3 第 步由cuso4 5h2o制备cuso4的方法应是在坩埚中加热脱水 4 甲方案在滤渣中只加硫酸会生成fe2 so4 3和al2 so4 3 冷却 结晶 过滤得到的硫酸铝晶体中混有大量硫酸铁杂质 方法不可行 乙和丙方法均可行 乙方案先在滤渣中加h2so4 生成fe2 so4 3和al2 so4 3 再加al粉和fe2 so4 3生成al2 so4 3 蒸发 冷却 结晶 过滤可得硫酸铝晶体 丙方案先在滤渣中加naoh和al oh 3反应生成naalo2 再在滤液中加h2so4生成al2 so4 3 蒸发 冷却 结晶 过滤可得硫酸铝晶体 但从原子利用角度考虑方案乙更合理 预测2 某研究性小组借助a d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的锌的质量分数w zn 和镀层厚度 查询得知锌易溶于碱 zn 2naoh na2zno2 h2 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vl 标准状况 w zn 4 计算镀层厚度 还需要检索的一个物理量是 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 实现探究目标 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 5 恒压式分液漏斗产生的气体有部分残留在分液漏斗上方 故排气时收集少了 所以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h2的质量差值 显然误差大 因为产生的h2质量很小 计算偏差大 1 实验方案的评价应遵循的原则 1 装置最简单 对于不同的化学实验方案 在能达到实验目的的前提下 尽量选择实验装置 实验步骤最简单的方案 2 安全无污染 对于不同实验途径 在能达到实验目的的前提下 优先选择实验过程与操作最安全的途径 3 药品价格低廉 在选择实验方案时 应尽量选择消耗药品最少 转化率最高 实验成本最廉价的实验方案 4 环保无污染 实验中可能产生废气 废水 废渣等 应选择最有利于环境保护的实验方案 5 操作方便 不同的实验方案需要不同的实验条件 如加热 加压和催化剂等 在选择方案时力求实验条件简单 操作方便 如尽量避免加热 如果需要加热 力求选择需要温度低的方案 6 原理简单 正确 力求通过最少且最简单的反应达到实验目的 7 现象最明显 在性质验证或物质检验的实验中 应选择反应现象最明显的实验方案 2 化学实验方案的评价三个方面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 在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 实验原理是否正确 可行 实验操作是否安全 合理 实验步骤是否简单 方便 实验效果是否明显等 2 从 绿色化学 角度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 反应原料是否易得 安全 无毒 反应速率是否较快 原料利用率以及合成物质的产率是否较高 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 净化 吸收气体及熄灭酒精灯时要防液体倒吸 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 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 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 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 易挥发液体产物 导出时可为蒸气 的及时冷却 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 评价实验方案容易忽视的五个方面对实验方案的优化要从实验的科学性 安全性 可行性 简约性等几个方面入手 评价时勿忽视以下几点 1 实验原理是否合理 仪器连接是否正确 2 装置是否较为简单 操作是否方便 3 药品是否经济 现象是否明显或产率是否较高 4 实验过程是否安全 污染处理是否得当 5 是否 排除干扰 排除干扰 是指反应条件的控制 防止空气的介入 尽量避免副反应的发生 及时除去杂质以及防止物质的挥发性 溶解性 颜色等对实验的干扰 考点三探究性综合实验此类试题往往探究化学反应机理 探究化学实验中的反常现象 探究对典型问题的质疑 探究未知物的成分 探究物质的性质 探究反应条件以及反应的现象等 典例3 2012 合肥一中质检 某化学学习小组对铝分别与酸和碱的反应进行探究 探究过程如下 实验 1 取形状 长度均相同的铝丝分别与等体积 ph相同的盐酸和稀硫酸反应 随着反应的进行 盐酸中生成气体的速率明显比硫酸中生成气体的速率大 对此原因 你认为合理的猜测是下列的 填序号 2 为了进一步探究反应速率不同的原因 请你根据所提供的药品 填写下列实验方案中的空白部分 药品 氯化钠固体 硫酸钠固体 硫酸铜固体 氯化铜固体 6mol l 1盐酸 3mol l 1硫酸 18 4mol l 1硫酸 5mol l 1硝酸 方案 取两支试管 分别加入形状 长度均相同的铝丝和等体积的 填相应的试剂 下同 再向其中的一支试管中加入适量的 并振荡使固体溶解 观察实验现象 实验 取足量的形状 长度均相同的铝丝分别与等体积的6mol l 1盐酸 6mol l 1氢氧化钠溶液反应 待反应停止后取出剩余的铝丝洗净 干燥 称量 剩余铝丝的质量关系 前者 后者 填 大于 小于 或 等于 观察反应后的液体 发现铝与盐酸反应后所得的液体是黑色浑浊的 试管底部有少量黑色沉淀 对此现象 同学们进行了如下探究 1 提出猜想同学们查找资料后获得如下信息 工业上用电解法冶炼铝所用的原料氧化铝是从铝土矿中提取的 所以得到的氧化铝中可能还含有微量的氧化铁和二氧化硅两种杂质 据此 同学们提出如下猜想 猜想1反应所得到的黑色沉淀是铁单质 可能是电解得到的铝与杂质反应生成的 相应的化学反应方程式为 猜想2反应所得到的黑色沉淀是硅单质 是电解得到的铝与二氧化硅反应生成的 猜想3反应所得到的黑色沉淀是铝单质 是铝与盐酸反应时因反应过快而变成粉末分散到溶液中 猜想4反应所得到的黑色沉淀是上述若干种单质组成的混合物 2 设计实验方案并完成相关实验将反应后所得的液体进行过滤 并将固体洗涤 分别取少量固体置于两支试管中 完成下列实验 向其中一支试管中加入足量的稀盐酸 观察固体是否溶解 实验时发现固体完全溶解 证明猜想 填 1 2 3 或 4 一定不正确 向另一支试管中加入足量的氢氧化钠溶液 观察固体是否溶解 实验时发现固体完全溶解 证明猜想 填 1 2 3 或 4 一定不正确 3 得出结论综合实验 的现象 可推知猜想 填 1 2 3 或 4 是正确的 固体溶解在氢氧化钠溶液中的离子方程式为 解析本题源于课堂实验和学生实验中观察到的现象 对此现象进行研究很有必要 实验 主要考查考生在探究实验中分析和提出问题的能力 并学会用控制变量法和对比实验法设计简单的探究方案 实验 考查了考生简单计算能力 获取和运用信息的能力 提出问题和解决问题的能力 书写化学方程式的能力和综合分析能力等 实验 由化学方程式可知 等物质的量的hcl与naoh相比 naoh消耗的铝更多 所以留下的铝就少 故剩余铝丝的质量前者大于后者 1 根据信息和有关物质的性质 可以看出黑色固体可能是铝 铁 硅三种单质中的一种或几种 从而提出猜想 猜想1中铁是由电解时生成的铝与氧化铁发生铝热反应生成的 由此可写出相应的化学反应方程式 猜想2的化学反应方程式根据题意就可直接写出 2 在盐酸中固体完全溶解 证明一定不含硅 所以猜想2一定不正确 在氢氧化钠溶液中固体完全溶解 证明一定不含铁 所以猜想1一定不正确 3 综合 中相应的结论 可知此固体为铝 故猜想3正确 猜想4不正确 铝与氢氧化钠溶液反应的化学方程式为2al 2naoh 2h2o 2naalo2 3h2 预测3 2012 杭州质检 18 热重分析法是程序控制温度下 测量物质的质量与温度的关系的一种实验技术 现有一cac2o4 nh2o试样 分别在氮气气氛 氧气气氛中进行热重分析 得到如下热重 tg 曲线 1 图中曲线上有三个失重台阶 分别表示加热过程中依次发生了三个反应 根据第1步反应的失重数据计算试样ca中的n值 精确到整数 为 2 根据第2步反应的失重数据推测第2反应的化学方程式为 观察曲线说明氧气存在时有利于第2步反应进行 原因是 3 第3步反应中释放的气体产物是 观察曲线可判断出 氧气存在时不利于第3步反应进行 可能原因是 1 探究性实验的一般命题过程发现问题 提出猜想 设计验证方案 具体实施实验 观察现象分析数据 总结归纳得出结论 1 发现问题 就是在学习和实验的过程中所遇到的值得探究的问题和异常现象等 2 提出猜想 就是根据已有的知识对所发现的问题的解决提出的几种可能的情况 3 设计验证方案 就是根据猜想 结合实验条件设计科学 合理 安全的实验方案 对各种猜想进行验证 4 具体实施实验 就是根据实验方案选择仪器 组装仪器 按步骤进行操作实验的过程 5 观察现象分析数据 得出结论 就是认真全面观察实验中出现的现象并及时记录所得数据 然后进行推理分析和数据分析 通过对比归纳得出结论 2 常见验证物质性质的方法 1 证明酸性 ph试纸或酸碱指示剂 与na2co3溶液反应 与锌反应等 2 证明弱酸或弱碱 证明存在电离平衡 测定对应盐溶液的酸碱性 测量稀释前后的ph变化 3 证明氧化性 与还原剂 如ki so2 h2s等 反应 产生明显现象 4 证明还原性 与氧化剂 如酸性kmno4溶液 溴水 浓hno3等 反应 产生明显现象 5 证明某分散系为胶体 丁达尔效应 6 证明碳碳双键 或叁键 使酸性kmno4溶液或溴水褪色 7 证明酚羟基 与浓溴水反应产生白色沉淀 与fecl3溶液发生显色反应 8 证明醇羟基 与酸发生酯化反应 其产物不溶于水 有果香味 9 证明醛基 与银氨溶液作用产生银镜 与新制cu oh 2悬浊液作用产生红色沉淀 10 比较金属的活动性 与水反应 与酸反应 置换反应 原电池 电解放电顺序 最高价氧化物的水化物的碱性强弱 同种强酸的对应盐的酸性强弱 11 比较非金属的活动性 置换反应 与氢气反应的难易 气态氢化物的稳定性 还原性 最高价氧化物的水化物的酸性强弱 12 比较酸 碱 的酸 碱 性强弱 较强的酸 碱 制得较弱的酸 碱 3 综合性实验设计与评价的基本流程原理 反应物质 仪器装置 现象 结论 作用意义 联想 具体分析为 1 实验是根据什么性质和原理设计的 实验的目的是什么 2 所用各物质名称 状态 代替物 根据实验目的和相关的化学反应原理 进行全面的分析比较和推理 并合理选择 3 有关装置 性能 使用方法 适用范围 注意问题 是否有替代装置可用 仪器规格等 4 有关操作 技能 操作顺序 注意事项或操作错误的后果 5 实验现象 自下而上 自左而右全面观察 6 实验结论 直接结论 导出结论 解题技法 综合实验题的解题技巧 1 巧审题 明确实验的目的和原理 实验原理可从题给的化学情景 或题目所给实验目的 并结合元素化合物等有关知识获取 在此基础上 遵循可靠性 简捷性 安全性的原则 确定符合实验目的和要求的方案 方法对接 2 想过程 理清实验操作的先后顺序 根据实验原理所确定的实验方案中的实验过程 确定实验操作的方法步骤 把握各步实验操作的要点 理清实验操作的先后顺序 3 看准图 分析各项实验装置的作用 要认真细致地分析