秘籍12　化学实验设计和评价（原卷版）

秘籍12化学实验设计和评价概率预测★★★★题型预测实验探究题【命题重点】实验设计包括:①单项实验设计:设计实验求证某一单项问题,或求证某一规律;特点是围绕某一问题设计一个指向很单一的实验,而且实验通常一步到位。②综合实验设计:设计实验求证多个问题,其特点是多步操作、装置复杂、现象多样。③定量实验设计:通过实验,获取有关数据,然后分析数据推理出结论。定量实验设计要精密一些,要尽可能地回避一些误差的引入。④开放型实验设计:试题从提出问题、实验的方向、仪器的选择、装置的设计、现象的观察记录到结论的推理完全自主完成。解答此类试题,过程要合理完整,方法简便,现象叙述要准确,推理要符合逻辑。实验方案评价包括实验原理及方案的评价、实验装置的评价、实验操作的评价、实验现象的描述与结论分析的评价。以批判的思维方法对所设计的实验方案、实验方法、实验装置、实验操作从某个角度否定,排除不合理或可行但不是最优的方法,选择、创新更好的方法。【方法要点】1.实验方案的设计(1)实验设计的基本要求①科学性：实验原理、方法和操作等科学、合理。②安全性：实验操作要尽量防止带有危险性的操作,尽量避免与有毒物质接触。若无法避免有毒物质,则应采取安全措施,以防造成环境污染和人体伤害。③可行性：设计的实验方案要真正切实可行,所选药品、仪器、装置经济可靠。④简约性：实验设计应简单易行。装置简单,实验操作简便,实验现象明显。(2)实验方案设计的几种思路实验设计的总体思路是明确实验目的,弄清实验原理,根据要求正确选择仪器和药品,设计实验装置和操作步骤,分析得出结论。①对比实验设计：对比实验是实验设计的一种基本思路,有利于实验现象观察对比,有利于推理论证结论。②控制变量实验设计：一个问题常常受多方面的因素制约,为了研究每一个因素对问题的影响程度,常常采取控制变量法逐个检验,每一个现象只说明一个问题,换一个条件再检验。综合各个因素对问题的影响作出综合性的判断。③综合实验设计：设计一个实验探究多方面的问题,如设计一个组合实验探究某一混合气体的成分、某一气体的性质和组成等。2.实验方案的评价(1)方案在理论上是否科学、合理,是否具有严密性;(2)在满足安全性的前提下,操作上是否简单易行;(3)从经济角度评价,是否节约试剂、降低成本和提高产品质量;(4)从环境角度考虑,是否会对环境造成污染。(2)对方案优劣的评价的原则①设计简洁就是要尽可能采用简单的仪器或实验装置,在常规条件下进行;用较少的实验步骤和试剂,在较短的时间内完成实验,充分体现实验设计的简约性原则。②效果明显就是按照实验设计进行操作,产生的现象生动直观,易于观察记录。③安全可靠实验设计要尽可能避免选用有毒药品和具有一定危险性的实验操作,如果必须选用,应在设计方案中给出明确提示和预防措施,以避免造成环境污染或实验事故;此外,还要确保实验成功。类型1实验方案的设计（2023•鄞州区校级一模）证据是科学探究中获得结论的最重要的依据，让我们一起经历一次寻找证据的旅程吧。【实验目的】制取纯净的硫酸钡【反应原理】Na2SO4+Ba（NO3）2＝BaSO4↓+2NaNO3【实验步骤】取适量的硫酸钠和硝酸钡溶液反应，过滤、洗涤、干燥得到纯净的硫酸钡。（1）实验中，能直接观察到说明硫酸钠和硝酸钡溶液发生化学反应的证据是：。（2）判断任一反应物是否完全反应的证据可按如下方法获取：猜想方案证据结论硝酸钡可能已完全反应取少量滤液，加入稀硫酸溶液，观察现象无白色沉淀生成硝酸钡已完全反应硫酸钠可能已完全反应硫酸钠未完全反应（3）如果实验证明硝酸钡已经反应完全，要寻找硫酸钡已纯净的证据，我们可以从证明实验制得的硫酸钡中没有（填化学式）来设计实验方案。（2023•椒江区校级二模）《天工开物》中有“煤饼烧石成灰”的记载（文中的“石”指石灰石），小乐对其展开探究，如图甲所示，先利用煤气灯（煤气灯加热能达到石灰石分解的温度，煤气的主要成分是CO）煅烧石灰石，然后完成后续操作；最后又补充做了如图乙所示实验。观察到的现象：①烧杯内壁上的澄清石灰水变浑浊；②试管A中无色酚酞试液变红，试管B中无色酚酞试液不变色。（1）能成为煅烧石灰石是化学反应的证据是现象（选填“①”、“②”或“①和②”）。（2）继续向试管A上层清液中逐滴滴加稀盐酸，至红色恰好褪去，轻轻晃动试管A，溶液自下而上又变为红色。解释“轻轻晃动试管A，溶液自下而上又变为红色”的原因：。（3）为检验图甲所示实验中的石灰石是否完全分解，可取冷却研细后的粉末少许于试管中，加入足量稀盐酸，若观察到，说明未完全分解。类型2实验方案的评价（2023•长兴县三模）小科同学向盛有生石灰的烧杯中加入碳酸钠溶液，搅拌、过滤、洗涤、干燥后得到固体A和溶液B。（1）上述实验中发生的化学反应有：①CaO+H2O═Ca（OH）2；②Ca（OH）2+Na2CO3═2NaOH+CaCO3↓。（2）在探究固体A的成分时，小科同学通过分析提出了二个假设：假设一：固体A中只有CaCO3；假设二：固体A中含有CaCO3和Ca（OH）2；含有Ca（OH）2的理由是。在验证假设过程中，小科取少量固体A于试管中加入足量水，振荡、静置，向上层清液中滴硫酸铜溶液，出现现象，假设二成立。（3）在探究溶液B中的溶质成分时，小科同学通过对化学反应的分析又提出了三个假设：假设一：溶液B中的溶质是NaOH；假设二：溶液B中的溶质是NaOH和Na2CO3；假设三：溶液B中的溶质是NaOH和。①请在假设三中补上另一种物质。②在验证假设过程中，小科取出部分溶液B并向其中加入了足量的稀盐酸，小科这一实验操作的目的是为了验证哪一个假设？并说明理由。（2023•长兴县模拟）老师在实验室里按上级要求要整理过期、变质药品时，发现一瓶硫酸铜的标签上名称后面被写上了一些提醒文字：【不能用，可能是CuCl2】，如图所示。（1）硫酸铜和氯化铜分别配成溶液后，从微观上分析，在溶液组成上最大的区别是。（2）若该瓶试剂只含有硫酸铜或氯化铜，你认为在标签上写上“不能用，可能是CuCl2”老师基于哪一个实验现象做出了上述判断。（3）经检验该瓶试剂中是氯化铜，有同学判断是由于该瓶硫酸铜长期接触空气而变成了氯化铜，根据所学知识，你认为该同学的猜想是否正确？你判断的理由是。（2023•杭州模拟）侯氏氨碱法生产纯碱主要的工艺流程如下：【资料】如图中虚线框内的主要反应为：NaCl（饱和）+NH3+CO2+H2O＝NaHCO3↓+NH4Cl，CO2+H2O+Na2CO3＝2NaHCO3；碳酸氢钠在20℃时溶解度为9.6g，在50℃以上开始分解生成碳酸钠、水和二氧化碳；碳酸氢钠的溶解度受温度影响较大。请完成下列各题：（1）操作Ⅰ的名称，如在实验室进行此操作，其中玻璃棒的作用是。（2）写出NH4Cl的一种用途；在该工艺流程中能循环使用的物质有。（3）加入稍过量Ca（OH）2溶液后反应的化学方程式为；滤液B加入盐酸后反应的化学方程式为。（4）为除尽粗食盐水中的氯化钙和氯化镁，加入的氢氧化钙和碳酸钠试剂的先后顺序不能颠倒，原因是。（2023•桐庐县二模）小乐利用“氢气还原氧化铜”实验验证水的组成，实验装置及药品如图所示，实验前后测定的数据如表所示。回答问题：实验前实验后硬质玻璃管及其内药品的质量/克75.669.2U形管及其内药品的质量/克110.8118.2（1）为了实验安全，在开始加热硬质玻璃管内氧化铜前，应先进行的实验操作是。（2）实验中观察到硬质玻璃管中黑色粉末逐渐变红，则发生反应的化学方程式为。（3）验证水的组成的原理为：根据硬质玻璃管及其内药品在反应前后的质量差m1，U形管及其内药品在反应前后的质量差m2，可计算出水中氢、氧元素的质量比为（用m1、m2等表示）。若实验过程中小乐操作无误，依据实验数据，分析产生误差的可能原因（写出1点）。（2023•杭州模拟）如图为气体X（纯净物）与氧化铜反应制取铜的实验装置。回答问题：（1）在对A中氧化铜进行加热前，需要先通一段时间的气体X，其目的是。（2）若实验中，观察到A中黑色氧化铜粉末变红，B中无水硫酸铜无明显现象，C中澄清石灰水变浑浊，则通入的气体X为。（3）查阅资料得知：①气体X与氧化铜反应除生成铜外还可能生成氧化亚铜（Cu2O）；②铜和氧化亚铜均为不溶于水的红色固体；③Cu2O+H2SO4═CuSO4+Cu+H2O。小乐为了探究反应所得红色固体的成分，进行了如下实验：实验操作实验现象实验结论步骤一取20g红色固体于烧杯中，加入足量稀硫酸红色固体可能是氧化亚铜，也可能是铜和氧化亚铜步骤二将步骤一反应所得的混合物经过滤、洗涤、干燥并称量剩余红色固体质量剩余红色固体质量为12g20g红色固体中，铜和氧化亚铜的质量比为（2023•宁波模拟）小科、小甬和小真三位同学想利用氧化铜、稀硫酸和氢氧化钠溶液来制取氢氧化铜，他们各自独立进行实验。【实验操作】①取氧化铜粉末于试管中，加入稀硫酸再在酒精灯上加热一段时间；②滴入氢氧化钠溶液，振荡试管。【实验现象】小科：试管中是黑色浑浊；小甬：试管中是蓝色溶液；小真：试管中虽然出现过少量蓝色沉淀但又马上变成了黑色沉淀。三支试管中均没有出现预料中的蓝色絮状沉淀。【实验反思】三位同学开始探究实验失败的原因，经过一番观察和讨论，他们认为与反应物的量和条件有关。（1）小科的试管中是加得太多，导致变成黑色浑浊。（2）小甬的试管中是加得太多，若要继续完成实验，简便的操作是。（3）小真的试管中曾经出现的蓝色沉淀又变成了黑色沉淀，用化学方程式来解释该异常现象。（2023•拱墅区校级二模）两千多年前，我们的祖先经过长期实践，摸索出一套炼铜工艺。（1）其中碳还原氧化铜的原理可以用实验装置如图甲、乙表示。[提出问题]碳燃烧时可能生成CO2也可能生成CO，那么碳与氧化铜反应生成气体是否也有多种可能？[作出猜想]猜想①：CO；猜想②：CO2；猜想③：CO和CO2。[设计方案]实验装置如图乙。打开K，缓缓通入干燥的氮气一段时间，关闭K，点燃酒精喷灯和酒精灯，充分反应后，熄灭酒精喷灯和酒精灯，打开K，再通一段时间氮气。方案一：从定性观察角度判断：猜想①成立的实验现象是。方案二：从定量计算角度判断。取一定量炭粉和4g氧化铜的混合物进行实验，并测定表格中的四个数据。反应前的质量反应后的质量A（玻璃管+固体）m1m2B+C（广口瓶+混合液）m3m4（2）若猜想②成立，则理论上（m4﹣m3）（填“＜”“＝”或“＞”）（m1﹣m2）。（3）若猜想③成立且CuO全部转化成Cu，则参加反应的碳的质量m的取值范围是。（2023•上城区模拟）小金通过实验研究碳和氧化铜的反应，其操作步骤及观察到的现象如下：步骤1：连接装置并检查装置气密性。步骤2：取1克炭粉和10克氧化铜，混合均匀，加入到试管中，塞上带有导管的橡胶塞。步骤3：按图所示固定好试管，连接好装置，用酒精喷灯加热混合固体，加热一段时间后观察到有明显现象产生时结束实验，并记录实验现象。（1）步骤3中，加热一段时间后能观察到的实验现象是。（2）实验结束后，小金先将导管从液体中移出，再熄灭酒精喷灯，其原因是。（3）小金所设计的这个实验要不要进行尾气处理？说说你的理由。。（2023•南湖区一模）为比较A、B两种金属的活动性强弱和测量相对原子质量大小（两种金属在化合物中的化合价均为+2价）。确定两种金属相对原子质量大小的原理：测出氢气体积，再乘以氢气密度确定氢气质量，然后采用化学方程式计算相对原子质量。据此，实验小组设计了一套实验装置（如图）。装置内分别放入大小、厚度相同、质量不同的A、B金属片，分别加入足量的稀硫酸（相同质量和质量分数）进行反应。在相同条件下测定不同时间内收集到的气体体积，实验记录如下表：反应时间/秒20406080100120140进入量筒中气体的体积毫升A金属256095130160170170B金属3075120150150150150（1）本实验中A、B金属片质量不能相同的原因是；（2）本实验是通过判断金属活动性强弱；（3）为使实验得到的数据能准确计算出两种金属相对原子质量大小，关于开始收集气体的时间点，组内同学展开了以下讨论：小明认为：根据制取和研究氧气的性质实验，有连续气泡产生时收集，本实验也如此；小嘉认为：瓶内生成的H2有残留，为获得这部分H2体积数据，一有气泡产生就收集；小组同学经过讨论，最后认为小嘉观点是正确的，其理由是，从而实现了等效替代。（2023•杭州二模）某化学小组向一定量的AgNO3和Cu（NO3）2的混合溶液中加入锌粉，充分反应后过滤，得到滤液A和滤渣B。【提出问题】滤渣B的成分是什么？【做出猜想】滤渣B可能是：①银、铜和锌；②银和铜；③。【实验探究】（1）取少量滤渣B加入适量稀盐酸，若无气体产生，则滤渣B不可能是猜想（选填①、②或③）。（2）该小组继续实验，使用不同种方法确定滤渣B是银和铜，请写出该小组使用的一种方法。（2023•温州模拟）某食品脱氧剂中的主要成分是铁粉，铁粉的除氧效果如何呢？某实验小组通过测定铁生锈时消耗的氧气的体积分数来判断除氧效果，做了如下实验：①如图连接好装置，并检查装置的气密性。②量取一定体积（记为V1）的红墨水倒入小烧杯里，将导管一端浸入液面以下，并将一有孔塑料片盖于烧杯口。③在100毫升锥形瓶内放入一拱形有孔塑料片，将浸有饱和食盐水，内含铁粉、炭粉的食品干燥剂纸袋平铺在有孔塑料片上，并迅速塞紧橡皮塞。（食盐水和炭粉主要起加速反应的作用）④实验结束后，测出小烧杯内剩余红墨水体积，记为V2打开橡皮塞，继续往锥形瓶（含内容物）和导管内注满水，记录后加入的水的体积，记为V3。⑤对实验装置干燥处理。重新称量与上述等量的铁粉和炭粉，重复再做2次实验。将实验数据填入表格，并计算。实验次数V1/毫升V2/毫升V3/毫升★第一次第二次第三次（1）为提高实验的准确性，步骤④中若看到现象，即可测量小烧杯内剩余红墨水的体积。（2）锥形瓶内放的是拱形有孔塑料片而不是平的有孔塑料片的原因是。（3）上述表格中，“★”为计算铁粉消耗的氧气的体积分数，其计算式为×。（用V1、V2、V3（2023•萧山区校级二模）为探究碳还原氧化铜的最佳混合比例，用木炭粉和氧化铜的干燥混合物1～2.5g进行系列实验，如图所示，金属网可以使火焰温度较高。【查阅资料】①氧化铜（CuO）为黑色固体，氧化亚铜为红色固体。②碳还原氧化铜得到的铜中可能含有少量的氧化亚铜，能与稀硫酸反应：Cu2O+H2SO4＝CuSO4+H2O+Cu。实验：取一定量的混合物，用右下装置进行实验。序号木炭粉与氧化铜的质量比反应后物质的颜色、状态11：9红色固体有金属光泽混有少量黑色物质