湖南版化学高考总复习专题21化学实验方案的设计与评价（讲解练）教学讲练

1、学考化学 湖南省专用专题21 化学实验方案的设计与评价 考点一化学实验方案的设计一、实验方案设计的基本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。二、实验方案设计的基本原则1.科学性:指实验原理、操作顺序和方法必须正确。2.安全性:实验设计时应尽量避免有毒药品的使用和危险性的实验操作。3.可行性:实验设计应切实可行,所选药品、仪器、设备等在中学现有的实考点清单验条件下能够得到满足;实验现象明显,便于得到实验结论;操作简单方便。4.简约性:实验设计应尽可能简单易行,采用简单的实验装置,用较少的实验步骤和

2、实验药品,并能在较短的时间内完成实验。三、实验方案设计的基本步骤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、反应是否需要加热及温度是否需要控制在一定的范围内等,从而选择合理的化学仪器和药品。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,实验步骤应既完整又简明。4.记录现象、数据根据观察,全面

3、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到的现象和记录的数据,通过分析、计算、推理等方法,得出正确的结论。四、实验设计中常见的4个安全问题1.防爆炸:点燃可燃性气体(如H2、CO、CH4、C2H4)或用CO、H2还原Fe2O3、CuO之前,要检验气体纯度。2.防暴沸:配制硫酸的水溶液或硫酸的酒精溶液时,要将密度大的浓硫酸缓慢倒入水中或酒精中并不断搅拌;加热液体混合物时要加沸石或碎瓷片。3.防中毒:制取有毒气体(如Cl2、CO、SO2、H2S、NO2、NO)时,应在通风橱中进行,且进行尾气处理。4.防倒吸:加热法制取并用排水法收集气体或吸收溶解度较大的气体(如NH3、HC

4、l)时,要注意熄灯顺序或加装安全瓶。考点二化学实验方案的评价一、化学实验方案的评价角度对几个实验方案进行评价,主要从正确与错误、严密与不严密、准确与不准确、可行与不可行等方面作出判断。另外有无干扰、是否经济、是否安全、有无污染等也是要考虑的。1.可行性方面(1)实验方案是否科学可行;(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。2.绿色化学方面(1)实验过程中是否造成环境污染;(2)原料是否无毒、安全、易得;(3)原料利用率是否较高;(4)反应速率是否较快。3.从安全性方面对实验方案作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

5、灯时要防止液体倒吸;(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,气体点燃前先验纯等);(3)防氧化(如H2还原CuO后要“先灭灯再停氢”,白磷切割宜在水中进行等);(4)污染性的气体要进行尾气处理;有粉末状物质参加的反应,要注意防止导气管堵塞;(5)防吸水(如实验取用或制取易吸水、潮解、水解的物质时宜采取必要措施,以保证达到实验目的)。4.从规范性方面(1)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);(2)易挥发液体产物(导出时可为蒸气)的及时冷却;(3)仪器拆卸与组装顺序相反,按

6、照从右向左,从高到低的顺序;(4)要注意防吸水(如实验室取用、制取易吸水、潮解、水解的物质时宜采取必要措施,以保证达到实验目的);(5)其他(如实验操作顺序、试剂加入顺序等)。几个实验方案都能达到目的,选出一个最佳方案。所谓最佳,就是装置最简单,药品容易取得、价格低廉,现象明显,干扰小,无污染。二、最佳方案的选择实验观探究型实验题一、探究型实验题的常见类型1.物质成分的探究通过化学反应原理预测可能生成哪些物质,对这些物质逐一进行检验来确定究竟含有哪些成分。探究型实验主要考查探究能力,但题目中也常常涉及对实验基础知识的考查。如:常见物质分离提纯的方法,常见气体的制备、净化、干燥、收集等常见重要的

7、操作。2.物质性质的探究在探究过程中往往可以利用对比实验,即设置几组平行实验来进行对照和比较,从而研究和揭示某种规律,解释某种现象形成的原因或证明某种反应知能拓展机理。物质性质的探究,必须在牢牢掌握元素化合物知识的基础上,大胆猜想,细心论证。3.原理(或条件、现象等)的探究原理或条件、现象等的探究,主要是探究一些物质间有可能发生的各种反应,通过实验设计,提出可能的假设,根据设计的方案和实验条件、实验现象或计算等进行判断。4.物质制备的探究见专题二十中的综合篇,物质制备型实验题的思维流程。二、探究型实验设计的一般步骤首先需要发现问题,对题中给出的信息进行对比、质疑,通过思考提出值得探究的问题;此

8、外,实验中出现的特殊现象也是发现问题、提出问题的重要契机。2.提出猜想所谓猜想就是根据已有知识对问题提出几种可能的情况。有些问题,结论有多种可能(即猜想),只能通过实验进行验证。3.设计验证方案提出猜想后,就要结合题给条件,设计出科学、合理、安全的实验方案,对可能的情况进行探究。实验设计中,关键是试剂的选择和实验条件的控制。4.观察实验现象,得出结论根据设计的实验方案和观察到的实验现象进行推理分析或计算分析,从而得出结论。1.发现问题例1(2017北京理综,28,16分)某小组在验证反应“Fe+2Ag+ Fe2+2Ag”的实验中检测到Fe3+,发现和探究过程如下。向硝酸酸化的0.05 molL

9、-1硝酸银溶液(pH2)中加入过量铁粉,搅拌后静置,烧杯底部有黑色固体,溶液呈黄色。(1)检验产物取出少量黑色固体,洗涤后,(填操作和现象),证明黑色固体中含有Ag。取上层清液,滴加K3Fe(CN)6溶液,产生蓝色沉淀,说明溶液中含有。(2)针对“溶液呈黄色”,甲认为溶液中有Fe3+,乙认为铁粉过量时不可能有Fe3+,乙依据的原理是(用离子方程式表示)。针对两种观点继续实验:取上层清液,滴加KSCN溶液,溶液变红,证实了甲的猜测。同时发现有白色沉淀产生,且溶液颜色深浅、沉淀量多少与取样时间有关,对比实验记录如下:(资料:Ag+与SCN-生成白色沉淀AgSCN)对Fe3+产生的原因作出如下假设:

10、假设a:可能是铁粉表面有氧化层,能产生Fe3+;假设b:空气中存在O2,由于(用离子方程序号取样时间/min现象3产生大量白色沉淀;溶液呈红色30产生白色沉淀,较3 min时量少;溶液红色较3 min时加深120产生白色沉淀,较30 min时量少;溶液红色较30 min时变浅式表示),可产生Fe3+;假设c:酸性溶液中的N具有氧化性,可产生Fe3+;假设d:根据现象,判断溶液中存在Ag+,可产生Fe3+。下述实验可证实假设a、b、c不是产生Fe3+的主要原因。实验可证实假设d成立。实验:向硝酸酸化的溶液(pH2)中加入过量铁粉,搅拌后静置,不同时间取上层清液滴加KSCN溶液。3 min时溶液呈

11、浅红色,30 min后溶液几乎无色。实验:装置如下图。其中甲溶液是,操作及现象是。(3)根据实验现象,结合方程式推测实验中Fe3+浓度变化的原因:。解题导引结合实验装置、图表进行分析,探讨实验原理的合理性,并利用不同的实验来验证各种假设,解题时要紧扣教材内容,着重分析实验过程与实验原理。解析(1)烧杯底部的黑色固体中含有银和过量的铁,要证明Ag的存在,可加硝酸并加热将固体溶解,然后用盐酸来检验Ag+的存在。(2)要证实假设a、b、c不是产生Fe3+的主要原因,需将原实验中的溶液换成c(H+)、c(N)分别相同,但不含Ag+的溶液,可选用硝酸酸化的0.05 molL-1 NaNO3溶液(pH2)

12、,通过向上层清液中滴加KSCN溶液后的现象差异进行验证。实验中甲溶液是FeSO4溶液,电极反应为:负极Fe2+-e- Fe3+,正极Ag+e- Ag。一段时间后检验Fe3+的存在及浓度,即可得出Ag+能将Fe2+氧化成Fe3+的结论。(3)解题时要注意实验过程中过量的铁始终是存在的。答案(1)加硝酸加热溶解固体,再滴加稀盐酸,产生白色沉淀Fe2+(2)2Fe3+Fe 3Fe2+4Fe2+O2+4H+ 4Fe3+2H2O加入KSCN溶液后产生白色沉淀0.05 molL-1 NaNO3FeSO4溶液分别取电池工作前与工作一段时间后左侧烧杯中溶液,同时滴加KSCN溶液,后者红色更深(3)溶液中存在反

13、应:2Ag+Fe Fe2+2Ag,Ag+Fe2+ Fe3+Ag,Fe+2Fe3+ 3Fe2+。反应开始时,c(Ag+)大,以反应、为主,c(Fe3+)增大。约30 min后,c(Ag+)小,以反应为主,c(Fe3+)减小综合实验非选择题注重考查对实验原理的理解,对整个实验过程的把握,从而对实验进行评价。考查内容通常为仪器名称、实验步骤、操作方法、方程式的推断与书写、物质检验(有干扰)、滴定原理和计算等。实践探究例题(2019广东广州一模,26)(14分)二氧化钒(VO2)是一种新型热敏材料。+4价的钒化合物在弱酸性条件下易被氧化。实验室以V2O5为原料合成用于制备VO2的氧钒()碱式碳酸铵晶体

14、,过程如下:V2O5 VOCl2溶液(NH4)5(VO)6(CO3)4(OH)910H2O氧钒()碱式碳酸铵晶体回答下列问题:(1)VOCl2中V的化合价为。(2)步骤中生成VOCl2的同时生成一种无色无污染的气体,该化学方程式为。也可只用浓盐酸与V2O5来制备VOCl2溶液,该法的缺点是。(3)步骤可在下图装置中进行。反应前先通入CO2数分钟的目的是。装置B中的试剂是。(4)测定氧钒()碱式碳酸铵晶体粗产品中钒的含量。称量a g样品于锥形瓶中,用20 mL蒸馏水与30 mL混酸溶解后,加0.02 molL-1 KMnO4溶液至稍过量,充分反应后继续加1% NaNO2溶液至稍过量,再用尿素除去

15、过量的NaNO2,最后用c molL-1 (NH4)2Fe(SO4)2标准溶液滴定至终点,消耗体积为b mL。滴定反应为V+Fe2+2H+ VO2+Fe3+H2O。KMnO4溶液的作用是。NaNO2溶液的作用是。粗产品中钒的质量分数的表达式为。解析(1)根据O、Cl的化合价分别为-2、-1,可知V的化合价为+4。(2)步骤中V2O5的V元素化合价由+5降至+4,具有氧化性;N2H42HCl中N元素化合价为-2价,结合题意生成无色无污染气体,判断出产物中有N2,则化学方程式为2V2O5+N2H42HCl+6HCl 4VOCl2+N2+6H2O;浓盐酸具有还原性,V2O5具有氧化性,二者反应生成的

16、Cl2会污染环境。(3)由于“+4价的钒化合物在弱酸性条件下易被氧化”,反应前先通入CO2数分钟的目的是排除装置中的空气,避免产物被氧化。制取CO2时,挥发的HCl会与NH4HCO3反应,导致产品不纯,产率下降,故使用饱和NaHCO3溶液除去CO2中的HCl。(4)KMnO4具有强氧化性,过量的KMnO4把+4的钒化合物氧化为V,滴加稍过量的NaNO2将过量的KMnO4除去,防止干扰Fe2+对V的滴定。滴定消耗的Fe2+为bc10-3 mol,依据方程式可知Fe2+与V反应时是11的关系,得出产品中含有的V原子也为bc10-3 mol,其质量为51bc10-3 g,V的质量分数为100%。答案

17、(1)+4(2)2V2O5+N2H42HCl+6HCl 4VOCl2+N2+6H2O有氯气生成,污染空气(3)排除装置中的空气,避免产物被氧化饱和NaHCO3溶液(4)将+4的钒化合物氧化为V除去过量的KMnO4100%题目价值VO2是一种新型热敏材料,可应用于建筑物的太阳能温控装置,实现节能减排的目的,符合绿色发展理念,体现科学态度与社会责任的核心素养。题目要求学生理解实验原理,处理题中给定信息,排除实验过程中的干扰项,综合考查特定条件下制备物质的方法以及学科核心素养。1.结合实验目的与原理,明确非常见仪器的功能与用法在化学实验探究过程中,通常会根据不同的实验目的与原理选择实验仪器。由于高中

18、接触的仪器较为简单,无法满足某些实验的要求,因此在题中可能会出现所学仪器的非常规使用甚至新型仪器的使用。可以从实验目的与原理出发解决这类问题,结合实验过程中涉及各物质的具体性质,解答综合性实验设计与评价题的基本流程:原理反应物质(性质)仪器装置现象结论作用意义联想。例1(2018河北衡水中学模拟十五,26)索氏提取法是测定动植物样品中粗脂肪含量的标准方法。其原理是利用如图装置,用无水乙醚等有机溶剂连续、反复、多次萃取动植物样品中的粗脂肪。具体步骤如下:创新思维包装:取滤纸制成滤纸筒,放入烘箱中干燥后,移至仪器X中冷却至室温。然后放入称量瓶中称量,质量记作a;在滤纸筒中包入一定质量研细的样品,放

19、入烘箱中干燥后,移至仪器X中冷却至室温,然后放入称量瓶中称量,质量记作b。萃取:将装有样品的滤纸筒用长镊子放入抽提筒中,注入一定量的无水乙醚,使滤纸筒完全浸没入乙醚中,接通冷凝水,加热并调节温度,使冷凝下滴的无水乙醚呈连珠状,至抽提筒中的无水乙醚用滤纸点滴检查无油迹为止(大约6 h12 h)。称量:萃取完毕后,用长镊子取出滤纸筒,在通风处使无水乙醚挥发,待无水乙醚挥发后,将滤纸筒放入烘箱中干燥后,移至仪器X中冷却至室温,然后放入称量瓶中称量,质量记作c。回答下列问题:(1)实验中使用了三次的仪器X的名称为。为提高乙醚蒸气的冷凝效果,索氏提取器中的冷凝管可选用下列(填字母)代替。a.空气冷凝管b

20、.直形冷凝管c.蛇形冷凝管(2)实验中必须十分注意乙醚的安全使用,如不能用明火加热、室内保持通风等。为防止乙醚挥发到空气中发生燃爆,常在冷凝管上口连接一个球形干燥管,其中装入的药品为(填字母)。a.活性炭b.碱石灰c.P2O5d.浓硫酸无水乙醚在空气中可能氧化生成少量过氧化物,加热时发生爆炸。检验无水乙醚中是否含有过氧化物的方法是。(3)实验中需控制温度在7080 之间,考虑到安全等因素,应采取的加热方式是。当无水乙醚加热沸腾后,蒸气通过导气管上升,被冷凝为液体滴入抽提筒中,当液面超过回流管最高处时,萃取液即回流入提取器(烧瓶)中该过程连续、反复、多次进行,则萃取液回流入提取器(烧瓶)的物理现

21、象为。a.冷凝回流b.虹吸c.倒吸d.分液索氏提取法与一般萃取法相比较,其优点为。(4)数据处理:样品中纯脂肪百分含量(填“”或“=”)100%。解析(1)题中三次描述“移至仪器X中冷却至室温”,目的是保持干燥,避免与空气中的水蒸气接触,说明仪器X是干燥器;为提高乙醚蒸气的冷凝效果,索氏提取器中的冷凝管可选用蛇形冷凝管。(2)乙醚是易挥发且易燃的液体,在冷凝管上口连接一个球形干燥管的目的是吸收没有冷凝的乙醚,避免发生意外。乙醚性质比较稳定,很少与除酸之外的试剂反应,与浓硫酸反应具有一定危险性。结合这四种物质的性质,可用来吸收乙醚的只有活性炭。过氧化物一般都有较强的氧化性,所以可在酸性条件下用K

22、I淀粉来检验,方法是取少量乙醚滴加稀硫酸和KI淀粉溶液,振荡,若溶液变蓝色则说明含过氧化物,否则不含。(3)需要控制的温度为7080 ,且不能用明火加热,故应采用恒温加热炉且水浴加热的方式。根据实验描述,当萃取液的液面超过回流管最高处时,萃取液即回流入提取器(烧瓶)中,这是利用虹吸原理。(4)由于有机溶剂乙醚可能溶解样品中的其他有机物,所以纯脂肪的质量小于(b-c) g,因此样品中纯脂肪百分含量小于100%。答案(1)干燥器c(2)a取少量乙醚滴加稀硫酸和KI淀粉溶液,振荡,若溶液变蓝色则说明含有过氧化物,否则不含(3)恒温加热炉且水浴加热b连续、反复、多次萃取,且每一次萃取都是纯的溶剂,萃取

23、效率高(4)Cu2+。(2)方案2:通过Cu2+、Ag+分别与同一物质反应进行比较经检验,中溶液不含I2,黄色沉淀是。实验试剂编号及现象试管滴管1.0 mol/LKI溶液1.0 mol/L AgNO3溶液.产生黄色沉淀,溶液无色1.0 mol/L CuSO4溶液.产生白色沉淀A,溶液变黄经检验,中溶液含I2。推测Cu2+作氧化剂,白色沉淀A是CuI。确认A的实验如下:a.检验滤液无I2。溶液呈蓝色说明溶液含有(填离子符号)。b.白色沉淀B是。c.白色沉淀A与AgNO3溶液反应的离子方程式是,说明氧化性Ag+Cu2+。(3)分析方案2中Ag+未能氧化I-,但Cu2+氧化了I-的原因,设计实验如下

24、:编号实验1实验2实验3实验现象无明显变化a中溶液较快变棕黄色,b中电极上析出银,电流计指针偏转c中溶液较慢变浅黄色,电流计指针偏转(电极均为石墨,溶液浓度均为1 mol/L,b、d中溶液pH4)a中溶液呈棕黄色的原因是(用电极反应式表示)。“实验3”不能说明Cu2+氧化了I-。依据是空气中的氧气也有氧化作用,设计实验证实了该依据,实验方案及现象是。方案2中,Cu2+能氧化I-,而Ag+未能氧化I-的原因:。(资料:Ag+I- AgIK1=1.21016;2Ag+2I- 2Ag+I2K2=8.7108)解析(1)向酸化的AgNO3溶液中插入铜丝,析出黑色固体,溶液变蓝,说明铜置换出了金属银,反应的离子方程式为Cu+2Ag+ 2Ag+Cu2+。(2)经检验,中溶液不含I2,黄色沉淀是AgI沉淀。中