2026年高中化学竞赛实验设计与操作实操试题

2026年高中化学竞赛实验设计与操作实操试题一、实验原理与设计（共5题，每题8分，共40分）第1题（8分）某校化学兴趣小组拟探究铁粉与硫酸铜溶液反应的最佳温度条件，以制备氢气和硫酸亚铁。请设计实验方案，包括实验目的、所需仪器与试剂、实验步骤、预期现象及数据处理方法。要求考虑温度对反应速率的影响，并设计对照实验。第2题（8分）为测定某市自来水中的氯离子含量，需设计沉淀滴定实验。请选择合适的沉淀剂（如AgNO₃），设计实验步骤，包括标准溶液配制、滴定操作、终点判断及数据处理。要求说明为何选择该沉淀剂，并计算样品中氯离子浓度的表达式。第3题（8分）某研究性学习小组计划通过电解饱和食盐水制备氢气和氯气，并探究电极材料（石墨、铁、锌）对产物的影响。请设计实验方案，包括实验装置图（文字描述即可）、电极材料选择依据、安全措施及产物检验方法。第4题（8分）为探究过氧化氢（H₂O₂）分解速率的影响因素，请设计对比实验，比较不同催化剂（如MnO₂、Fe²⁺溶液）及不同浓度H₂O₂对分解速率的影响。要求说明如何通过现象（如带火星木条复燃时间）或数据（如产生气泡速率）进行判断。第5题（8分）请设计实验验证“铁的生锈条件”，需包含有氧水、无氧水、酸性环境、中性环境四种条件对比实验。要求说明观察指标（如铁片质量变化、表面颜色），并解释为何需设置无氧水对照组。二、实验操作与安全（共4题，每题10分，共40分）第6题（10分）在执行“硫酸铜晶体析出”实验时，学生发现加热浓缩后冷却结晶时，产品呈粉末状而非晶体。请分析可能的原因（至少三点），并提出改进操作的建议。第7题（10分）在进行“浓硫酸稀释”操作时，若操作不当会导致沸腾飞溅。请列举至少三种安全操作要点，并解释为何需按“酸入水”顺序进行。第8题（10分）某实验要求使用移液管和容量瓶配制0.1mol/LNaOH溶液，但发现移液管尖端挂壁导致体积偏小。请分析此误差对最终浓度的影响，并提出避免该问题的具体措施。第9题（10分）在进行“碘升华”实验时，若温度控制不当可能失败。请说明实验成功的关键温度区间，并解释过高或过低温度分别会导致什么后果。三、实验数据分析与讨论（共3题，每题12分，共36分）第10题（12分）某实验小组测定过氧化氢分解速率，记录数据如下表（单位：mL/min）：|催化剂|浓度（mol/L）|第1分钟产生氧气体积|第3分钟产生氧气体积||-|--||||MnO₂|0.1|20|50||MnO₂|0.2|35|80||Fe²⁺溶液|0.1|10|30|请分析催化剂种类和浓度对反应速率的影响，并计算不同条件下的反应速率常数。第11题（12分）某实验测定食盐水氯离子含量，滴定数据如下：-标准AgNO₃溶液浓度：0.1mol/L-初读数（滴定管）：10.00mL-终读数（滴定管）：22.50mL-样品体积：50.00mL请计算食盐水氯离子浓度，并分析若读取初读数时视线偏高会导致结果偏高还是偏低，并说明原因。第12题（12分）某实验小组探究铁生锈速率，记录数据如下：|条件|第24小时质量变化（g）|第48小时质量变化（g）||--|-|-||空气+水|+0.5|+1.2||盐水+空气|+1.8|+3.5||空气+稀盐酸|+0.2|+0.3|请解释数据差异的原因，并说明为何“盐水+空气”条件下铁生锈最快。四、实验创新与改进（共2题，每题14分，共28分）第13题（14分）现有实验室仅配备烧杯、量筒、玻璃棒、酒精灯，如何设计实验验证“碳酸钙与盐酸反应速率受浓度影响”？请详细描述实验步骤、现象预测及数据记录方式。第14题（14分）某学生尝试用“排水集气法”收集氢气，但发现集气瓶内仍有水。请分析可能原因，并提出至少两种改进方案（如密封改进、集气前干燥处理），并说明原理。答案与解析一、实验原理与设计（每题8分）第1题答案：1.目的：探究温度对铁粉与硫酸铜反应速率的影响，制备氢气和硫酸亚铁。2.仪器：烧杯、试管、酒精灯、温度计、铁粉、硫酸铜溶液、导气管、集气瓶。3.步骤：-对照组：常温下混合铁粉和硫酸铜溶液，观察现象。-实验组：将混合物加热至50℃、70℃、90℃，分别观察反应速率（如气泡产生速率、铁粉消耗量）。-验证产物：用pH试纸测溶液酸度，用氢氧化钠检验硫酸亚铁。4.数据处理：记录各温度下反应时间，绘制速率-温度曲线。5.预期现象：温度越高，反应越剧烈。解析：实验需设置温度梯度，对照组排除常温影响，产物验证确保实验完整性。第2题答案：1.沉淀剂选择：AgNO₃（因AgCl沉淀溶解度极小，且生成白色沉淀便于观察）。2.步骤：-配制标准AgNO₃溶液（0.1mol/L）。-取自来水样，滴加稀硝酸酸化（排除CO₃²⁻干扰）。-用移液管加入过量AgNO₃，静置过滤。-用标准NaCl溶液滴定剩余AgNO₃，以K₂CrO₄为指示剂（终点橙红色）。3.表达式：c(Cl⁻)=(c(AgNO₃)×V(AgNO₃)-c(NaCl)×V(NaCl))/V(样品)。解析：沉淀滴定需酸化排除干扰，终点选择需基于Ag⁺与CrO₄²⁻的显色反应。第3题答案：1.装置图（文字描述）：直流电源正极接阳极，负极接阴极，电解槽内为饱和食盐水，阳极产生Cl₂，阴极产生H₂。2.电极选择依据：-石墨（惰性电极，适用于制备Cl₂）。-铁/锌（活性电极，阳极溶解，但铁更稳定）。3.安全措施：-氯气有毒，需通风橱；阳极附近用NaOH溶液吸收Cl₂。-氢气易燃，阴极附近远离火源。4.产物检验：-Cl₂：湿润淀粉碘化钾试纸变蓝；-H₂：点燃闻爆鸣声。解析：阳极反应为2Cl⁻-2e⁻=Cl₂↑，阴极反应为2H₂O+2e⁻=H₂↑+2OH⁻。第4题答案：1.实验方案：-取三支试管，分别加入等量等浓度H₂O₂（如30%）。-加入MnO₂、Fe²⁺溶液、空白对照。-观察带火星木条复燃时间或气泡产生速率。2.预期现象：MnO₂>Fe²⁺>空白。3.原理：MnO₂为催化剂，Fe²⁺为催化剂，空白为自分解速率极慢。解析：催化剂通过降低活化能加速反应，浓度越高，碰撞频率越大。第5题答案：1.实验方案：-四组试管，分别加入等量铁片，分别置于：-空气+水（中性）-无氧水（隔绝空气）-酸性水（加稀盐酸）-空气+水（加NaCl）2.观察指标：表面锈蚀程度、质量变化。3.原理：锈蚀需氧气和水，酸性环境加速电化学腐蚀。解析：无氧水对照组验证氧气必要性，酸性环境提供H⁺促进电化学。二、实验操作与安全（每题10分）第6题答案：1.可能原因：-冷却过快导致结晶核过多。-浓缩过度蒸发过多水分。-未使用玻璃棒搅拌导致结晶不均。2.改进措施：-缓慢冷却（如温水浴）。-控制浓缩程度（保留原体积2/3）。-搅拌并缓慢滴加母液。解析：晶体生长依赖过饱和度，操作不当会破坏平衡。第7题答案：1.安全要点：-将浓硫酸沿容器壁缓慢倒入水中，并搅拌。-穿实验服，戴护目镜。-在通风橱操作。2.原理：浓硫酸稀释会放热，若“水入酸”会瞬间沸腾飞溅。解析：热量传导速率决定安全性，酸密度大，水浮于上。第8题答案：1.误差影响：浓度偏高（因实际体积小于标示）。2.改进措施：-用洗耳球吹出挂壁液滴。-移液管垂直放入容器，避免接触内壁。-使用校准合格的移液管。解析：体积误差直接影响浓度，挂壁导致实际加入量减少。第9题答案：1.关键温度：-碘升华：184℃（常压下）。-需略高于此温度（如200℃）。2.过高/过低后果：-过低：碘不升华，实验失败。-过高：碘分解（生成I₂O₅）。解析：升华是物理变化，温度控制需精确在相变点附近。三、实验数据分析与讨论（每题12分）第10题答案：1.分析：-MnO₂浓度越高，速率越快（0.2>0.1）。-MnO₂>Fe²⁺（相同浓度下）。2.速率常数计算（以0.1mol/LMnO₂为例）：-k=(ΔV/V)/Δt=(50mL/1000mL)/2min=0.025min⁻¹。解析：速率常数反映催化剂活性，浓度越高活化位点越多。第11题答案：1.计算：-消耗AgNO₃=(0.1mol/L×12.5mL)/1000=0.00125mol。-c(Cl⁻)=0.00125mol/0.05L=0.025mol/L。2.误差分析：-初读数偏高会导致V(AgNO₃)偏小，结果偏低。解析：沉淀滴定需精确读数，视线高度影响读数准确性。第12题答案：1.解释：-盐水提供电解质环境，促进电化学腐蚀。-空气+水为中性，速率较慢。-稀盐酸提供H⁺，加速腐蚀但不如盐水全面。2.数据差异原因：-盐水形成原电池，阴阳极反应同时进行。解析：电化学腐蚀速率受电解质种类和浓度影响显著。四、实验创新与改进（每题14分）第13题答案：1.实验步骤：-取三支试管，分别加入等量碳酸钙粉末。-加入等体积稀盐酸（1mol/L、2mol/L、3mol/L）。-用秒表计时，记录产生100mLCO₂所需时间。2.数据记录：-盐酸浓度（mol/L）|反应时间（s）-1.0|...-2.0|...-3.0