化學實驗方案的設計和有效評價

1、化學實驗方案的設計和有效評價一、實驗方案的設計(1)根據(jù)實驗在化學教學認識過程中的作用來劃分 (2)根據(jù)化學實 驗內(nèi)容劃分 實驗名稱實驗目的實驗原理實驗用品(儀器、藥品及規(guī)格)實驗步驟(包括實驗儀器裝配和操作)實驗現(xiàn)象記錄及結果處理問題討論。物質(zhì)性質(zhì)實驗方案的設計思路特別提醒:答案:設計一個實驗應從以下幾方面入手:根據(jù)實驗目的,闡明實驗原理,選擇合適的儀器和藥品;根據(jù)實驗的特點,設計實驗裝置,畫出裝置圖;根據(jù)實驗的要求,設計可行的操作步驟和觀察重點,分析實驗中應注意的事項;實驗結束后應寫出完整的實驗報告?；犹骄? 如何設計一個實驗？科學性和 可行性是設計實驗方案的兩條重要原則,在對實驗方案進

2、行評價時,要分析實驗方案是否科學可行,是否遵循化學理論和實驗方法要求,在實際操作時能否做到可控易行。評價時,從以下4個方面分析:(1) 實驗原理是否正確、可行;(2) 實驗操作是否安全、合理;(3) 實驗步驟是否簡單、方便;二、實驗方案的評價(4)實驗效果是否明顯等。2.從“綠色化學”視角對實驗方案做出評價“綠色化學”要求設計安全的、對環(huán)境友好的合成路線,降低化學工業(yè)生產(chǎn)過程中對人類健康和環(huán)境的危害,減少廢棄物的產(chǎn)生和排放。據(jù)此,對化學實驗過程或方案應從以下4個方面進行綜合評價:(1) 反應原料是否易得、安全、無毒;(2) 反應速率是否較快;(3) 原料利用率以及合成物質(zhì)的產(chǎn)率是否較高;(4)

3、合成過程中是否造成環(huán)境污染。3.從“安全性”方面對實驗方案做出評價化學實驗從安全角度考慮的主要因素如下:(1)凈化、吸收氣體及熄滅酒精燈時要防止 液體倒吸;(2)進行某些易燃易爆實驗時要防 爆炸(如H2還原CuO應先通H2,氣體點燃前先 驗純等);(3)防 氧化(如H2還原CuO后要“先滅燈再停氫”);(4)防吸水(如實驗取用、制取易吸水、潮解、水解的物質(zhì)時宜采取必要措施,以保證達到實驗目的);(5)冷凝回流(有些反應中,為減少易揮發(fā)液體反應物的損耗和充分利用原料,需在反應裝置上加裝冷凝回流裝置,如長玻璃管、豎裝的干燥管及冷凝管等);(6)其他(如實驗操作順序、試劑加入順序、實驗方法使用順序等

4、)。實驗評價問題是高考題經(jīng)常考查的一類綜合性實驗試題,可以很好地考查學生分析問題和解決問題的能力。在比較幾個實驗方案及選擇合理裝置時,首先要明確實驗原理和實驗目的,分析各種方案設計是否合理,確定不合理方案的原因。認真對比各方案、各裝置的異同,重點分析其中的不同之處,體會在不同之處哪個方案、裝置更合理有效。經(jīng)過對不同之處逐一分析,以得到最佳方案。特別提醒:答案:最佳方案的選用是指幾個實驗方案都能達到目的,選出其中最佳的一個并分析各方案的優(yōu)劣,所謂最佳,無非是指裝置最簡單、藥品容易取得并價格低廉、現(xiàn)象明顯、無干擾物質(zhì)以及無污染等?；犹骄?什么叫做最佳方案?考點透析考點1物質(zhì)性質(zhì)實驗方案的設計 典

5、例1甲、乙兩同學為探究SO2與可溶性鋇的強酸鹽能否反應生成白色BaSO3沉淀,用下圖所示裝置進行實驗(夾持裝置和A中加熱裝置已略,氣密性已檢驗)。操作現(xiàn)象關閉彈簧夾,滴加一定量濃硫酸,加熱A中有白霧生成,銅片表面產(chǎn)生氣泡B中有氣泡冒出,產(chǎn)生大量白色沉淀C中產(chǎn)生白色沉淀,液面上方略顯淺棕色并逐漸消失打開彈簧夾,通入N2,停止加熱,一段時間后關閉從B、C中分別取少量白色沉淀,加稀鹽酸均未發(fā)現(xiàn)白色沉淀溶解(1)A中反應的化學方程式是。(2)C中白色沉淀是,該沉淀的生成表明SO2具有性。(3)C中液面上方生成淺棕色氣體的化學方程式是。(4)分析B中不溶于稀鹽酸的沉淀產(chǎn)生的原因,甲認為是空氣參與反應,乙

6、認為是白霧參與反應。為證實各自的觀點,在原實驗基礎上:甲在原有操作之前增加一步操作,該操作是;乙在A、B間增加洗氣瓶D,D中盛放的試劑是。進行實驗,B中現(xiàn)象:甲大量白色沉淀乙少量白色沉淀檢驗白色沉淀,發(fā)現(xiàn)均不溶于稀鹽酸。結合離子方程式解釋實驗現(xiàn)象異同的原因:。(5)合并(4)中兩同學的方案進行實驗。B中無沉淀生成,而C中產(chǎn)生白色沉淀,由此得出的結論是。【解析】對于將二氧化硫通到鹽溶液當中或者將二氧化碳通到鹽溶液當中,或者一前一后通到鹽溶液當中,或者混合氣體通到鹽溶液當中是否有沉淀的問題。第一,二氧化碳、二氧化硫通到強酸、強堿的鹽溶液當中,尤其像氯化鋇、氯化鈣,如果想要出現(xiàn)沉淀必須得采用過量的堿

7、。第二,除了過量堿以外,對二氧化硫還有一點特殊,如果通入一個鹽溶液當中,它被氧化,比如硝酸根這混著氯氣、二氧化氮等一些氣體,有可能就被氧化成硫酸根,從而和鋇離子產(chǎn)生硫酸鋇沉淀。突破此難點,解此題就不難了。銅與濃硫酸反應的方程式為:Cu+2H2SO4(濃) CuSO4+SO2+2H2O 。C中的沉淀應為BaSO4并說明SO2有還原性。C中溶液上方有紅棕色氣體產(chǎn)生的化學方程式為:2NO+O2 2NO2 。甲同學的觀點是空氣參加了反應,故補充實驗是給裝置通一段時間的N2,排除裝置中的空氣。乙同學的觀點是白霧參加了反應,故應補充一個實驗裝置,以除去白霧,故應在A、B間添加一個D裝置,裝的試劑應為飽和N

8、aHSO3溶液。反應方程式為:甲Ba2+S BaSO4,乙2Ba2+2SO2+2H2O+O2 2BaSO4+4H+。據(jù)沉淀量的不同,可判斷白霧量遠多于氧氣的量?！敬鸢浮?(1)Cu+2H2SO4 CuSO4+SO2+2H2O(2)BaSO4;還原(3)2NO+O2 2NO2 (4)通N2一段時間,排除裝置中的空氣;飽和NaHSO3溶液甲:S +Ba2+ BaSO4,乙:2Ba2+2SO2+O2+2H2O 2BaSO4+4H+,白霧的量遠多于裝置中O2的量(5)SO2與可溶性鋇的強酸鹽不能反應生成BaSO3沉淀(1)性質(zhì)探究性實驗方案設計,其程序為物質(zhì)實驗事實科學抽象結論,即主要是根據(jù)實驗現(xiàn)象及

9、實驗事實去推測物質(zhì)可能具有的一系列性質(zhì),然后據(jù)此設計出合理的實驗方案,探究它可能具有的性質(zhì)。(2)性質(zhì)驗證性實驗方案設計,其程序為物質(zhì)性質(zhì)推測實驗驗證結論,即根據(jù)物質(zhì)的組成,結構特征,結合已有知識及經(jīng)驗預測可能具有的性質(zhì),然后設計具體實驗方案驗證物質(zhì)所具有的性質(zhì)。技能歸納(1)證明酸性:pH試紙或酸堿指示劑;與Na2CO3溶液反應;與Zn等反應。(2)證明弱酸性:證明存在電離平衡;測定對應鹽溶液的酸堿性;測量稀釋前后pH的變化。(3)證明氧化性:與還原劑(KI、SO2、H2S等)反應,產(chǎn)生明顯的現(xiàn)象。(4)證明還原性:與氧化劑(如KMnO4,濃HNO3等)反應,產(chǎn)生明顯的現(xiàn)象。(5)證明為膠體

10、分散系:有丁達爾效應。(6)證明有碳碳雙鍵(或三鍵):使溴水或酸性KMnO4溶液褪色。(7)證明酚羥基:與濃溴水反應產(chǎn)生白色沉淀;與FeCl3溶液發(fā)生顯色反應。(8)證明醛基:與銀氨溶液作用產(chǎn)生光亮的銀鏡;與新制Cu(OH)2懸濁液作用產(chǎn)生磚紅色沉淀Cu2O。(9)證明醇羥基:與羧酸發(fā)生酯化反應,其產(chǎn)物不溶于水,有水果香味。(10)比較金屬的活動性:與水反應的劇烈程度;與酸反應的快慢;與鹽溶液反應;組成原電池;電解時形成的陽離子在陰極的放電順序;最高價氧化物對應水化物的堿性強弱。(11)比較非金屬的活動性:置換反應;與H2反應的難易及形成的氣態(tài)氫化物的穩(wěn)定性;氣態(tài)氫化物的還原性強弱;最高價氧化

11、物對應水化物的酸性強弱。(12)比較酸(或堿)的酸(或堿)性強弱:較強的酸(或堿)能制得較弱的酸(或堿)。學以致用1.已知物質(zhì)X的部分性質(zhì)如下表:熔點101.5 分解溫度150 分解生成的物質(zhì)水和兩種氣體為了探究X的分解產(chǎn)物,需要對X進行加熱,應選擇的最佳加熱裝置是(加熱所用部分儀器略去)()【解析】X的熔點為101.5 ,即常溫下X是固體,且X分解時有水生成,故試管口應該向下,但由于X的熔點比分解溫度低,所以D項裝置為最佳加熱裝置,D項符合題意。【答案】D 考點2定量實驗與實驗數(shù)據(jù)的處理 典例2三草酸合鐵酸鉀晶體K3Fe(C2O4)3xH2O是一種光敏材料,在110 可完全失去結晶水。為測定

12、該晶體中鐵的含量和結晶水的含量,某實驗小組做了如下實驗:(1)鐵含量的測定步驟一:稱量5.00 g三草酸合鐵酸鉀晶體,配制成 250 mL 溶液。步驟二:取所配溶液25.00 mL于錐形瓶中,加稀H2SO4酸化,滴加KMnO4溶液至草酸根恰好全部氧化成二氧化碳,同時,Mn被還原成Mn2+。向反應后的溶液中加入一小匙鋅粉,加熱至黃色剛好消失,過濾,洗滌,將過濾及洗滌所得溶液收集到錐形瓶中,此時,溶液仍呈酸性。步驟三:用0.010 molL-1 KMnO4溶液滴定步驟二所得溶液至終點,消耗KMnO4溶液20.02 mL,滴定中Mn被還原成Mn2+ 。重復步驟二、步驟三操作,滴定消耗0.010 mo

13、lL-1 KMnO4 溶液19.98 mL。請回答下列問題:配制三草酸合鐵酸鉀溶液的操作步驟依次是:稱量、轉(zhuǎn)移、洗滌并轉(zhuǎn)移、搖勻。加入鋅粉的目的是。寫出步驟三中發(fā)生反應的離子方程式:。實驗測得該晶體中鐵的質(zhì)量分數(shù)為。在步驟二中,若加入的KMnO4溶液的量不夠,則測得的鐵含量。(選填“偏低”、“偏高”、“不變”)(2)結晶水的測定將坩堝洗凈,烘干至恒重,記錄質(zhì)量;在坩堝中加入研細的三草酸合鐵酸鉀晶體,稱量并記錄質(zhì)量;加熱至110 ,恒溫一段時間,置于空氣中冷卻,稱量并記錄質(zhì)量;計算結晶水含量。請糾正實驗過程中的兩處錯誤:;?！窘馕觥?1)在配制物質(zhì)的量濃度的溶液時,要經(jīng)過:計算稱量溶解移液、洗滌

14、振蕩定容搖勻等步驟。加入鋅粉的目的是將Fe3+還原成Fe2+。在步驟三中發(fā)生的離子反應為:5Fe2+Mn +8H+ 5Fe3+Mn2+4H2O。根據(jù)步驟三中的離子反應可知:n(Fe)=5n(Mn )=5 0.01 molL-110-310=0.01 mol,m(Fe)=56 gmol-10.01 mol=0.56 g。晶體中鐵的質(zhì)量分數(shù)= 100%=11.20%。若在步驟二中滴入酸性高錳酸鉀溶液不足,則會有部分草酸根未被氧化,在步驟三中則會造成消耗酸性高錳酸鉀溶液的量偏大,從而計算出的鐵的量增多,含量偏高。(2)加熱后的晶體要在干燥器中冷卻,防止重新吸收空氣中的水分。另外在加熱時至少要稱量兩次

15、質(zhì)量差,到兩次稱量質(zhì)量差不超過0.1 g?！敬鸢浮?1)溶解;定容使溶液中的Fe3+還原為Fe2+ Mn +5Fe2+8H+ Mn2+5Fe3+4H2O11.20%(或0.112);偏高(2)冷卻應該在干燥器中冷卻;多次加熱,稱量,至連續(xù)兩次稱量質(zhì)量差不超過0.1 g為止并記錄質(zhì)量技能歸納教材中講解的定量實驗有溶液的配制、中和滴定、中和熱測定等,代表性的實驗是中和熱的測定,除了考查實驗原理和實驗操作注意事項外,更重要的是考查數(shù)據(jù)處理的能力。高考中定量實驗的考查肯定不會局限于中學教材中的幾個定量實驗,更多的是教材實驗的衍生和拓展,這就要求我們不但要掌握教材中的幾個定量實驗的操作方法及注意事項,更

16、重要的是挖掘教材中的實驗內(nèi)容,掌握定量實驗技能,在仔細觀察和正確操作的前提下,準確測定和計算,具備正確記錄、分析或處理數(shù)據(jù)的能力,掌握定量實驗的誤差分析方法。 學以致用進行以下探究:查得資料:該牙膏摩擦劑由碳酸鈣、氫氧化鋁組成;牙膏中其他成分遇到鹽酸時無氣體產(chǎn)生。.摩擦劑中氫氧化鋁的定性檢驗取適量牙膏樣品,加水充分攪拌、過濾。(1)往濾渣中加入過量NaOH溶液,過濾。氫氧化鋁與NaOH溶液反應的離子方程式是。(2)往(1)所得濾液中先通入過量二氧化碳,再加入過量稀鹽酸。觀察到的現(xiàn)象是。利用下圖所示裝置(圖中夾持儀器略去)進行實驗,充分反應后,測定C中生成的BaCO3沉淀質(zhì)量,以確定碳酸鈣的質(zhì)量

17、分數(shù)。(3)實驗過程中需持續(xù)緩緩通入空氣。其作用除了可攪拌B、C中的反應物外,還有:。.牙膏樣品中碳酸鈣的定量測定(4)C中反應生成BaCO3的化學方程式是。(5)下列各項措施中,不能提高測定準確度的是(填標號)。a.在加入鹽酸之前,應排凈裝置內(nèi)的CO2氣體c.在AB之間增添盛有濃硫酸的洗氣裝置d.在BC之間增添盛有飽和碳酸氫鈉溶液的洗氣裝置(6)實驗中準確稱取8.00 g樣品三份,進行三次測定,測得BaCO3平均質(zhì)量為3.94 g。則樣品中碳酸鈣的質(zhì)量分數(shù)為。(7)有人認為不必測定C中生成的BaCO3質(zhì)量,只要測定裝置C在吸收CO2前后的質(zhì)量差,一樣可以確定碳酸鈣的質(zhì)量分數(shù)。實驗證明按此方法

18、測定的結果明顯偏高,原因是。【解析】(1)Al(OH)3為兩性氫氧化物,能溶于強堿(如NaOH溶液):Al(OH)3+OH- Al+2H2O。(2)通入過量CO2時發(fā)生反應:Al+CO2+2H2O Al(OH)3+HC ,產(chǎn)生白色沉淀;再加過量鹽酸時發(fā)生反應:Al(OH)3+3H+ Al3+3H2O,HC +H+ H2O+CO2,現(xiàn)象是白色沉淀溶解,同時產(chǎn)生氣體。(3)從裝置圖分析可知,為保證實驗的準確性,應將裝置內(nèi)的空氣排盡,防止空氣中CO2的干擾;同時要將反應產(chǎn)生的CO2盡可能的全部被Ba(OH)2溶液吸收,因此需要持續(xù)通空氣。(4) Ba(OH)2溶液過量,因此反應的化學方程式為CO2+

19、Ba(OH)2 BaCO3+H2O。(5)在加入鹽酸之前,應排凈裝置內(nèi)的CO2氣體,否則會影響測量的準確度,故a不選;滴加鹽酸不宜過快,為保證生成的CO2完全被吸收,故b不選;在A與B之間沒有必要增添盛有濃硫酸的洗氣裝置,因為整個裝置中不需要干燥,有水分不會影響CO2吸收,c選;在B與C之間增添盛有飽和碳酸氫鈉溶液的洗氣裝置,吸收CO2中的HCl,但又生成了CO2,影響了實驗的準確度,d選。(6)根據(jù)碳元素守恒得BaCO3CO2CaCO3,m(CaCO3)= g=2.00 g,故CaCO3的質(zhì)量分數(shù)為: 100%= 25%。(7) B中的水蒸氣、氯化氫等氣體進入裝置C中,質(zhì)量差要大于實際產(chǎn)生C

20、O2氣體的質(zhì)量。【答案】(1)Al(OH)3+OH- Al+2H2O(2)通入CO2氣體有白色沉淀生成;加入鹽酸有氣體產(chǎn)生、沉淀溶解(3)把生成的CO2全部排入C中,使之完全被Ba(OH)2溶液吸收(4)Ba(OH)2+CO2 BaCO3+H2O(5)cd(6)25%(7)B中的水蒸氣、氯化氫氣體等進入裝置C中(或其他合理答案) 典例3某興趣小組設計出如圖所示裝置來改進教材中“銅與硝酸反應”實驗,以探究化學實驗的綠色化。考點3實驗方案的評價(1)實驗前,關閉活塞b,試管d中加水至浸沒長導管口,塞緊試管c和d的膠塞,加熱c,其目的是。(2)在d中加適量NaOH溶液,c中放一小塊銅片,由分液漏斗a

21、向c中加入2 mL濃硝酸,c中反應的化學方程式是。再由a向c中加2 mL蒸餾水,c中的實驗現(xiàn)象是。(3)下表是制取硝酸銅的三種方案,能體現(xiàn)綠色化學理念的最佳方案是,理由是。方案反應物甲Cu、濃HNO3乙Cu、稀HNO3丙Cu、O2、稀HNO3(4)該小組還用上述裝置進行實驗證明氧化性KMnO4Cl2Br2,操作步驟為,實驗現(xiàn)象為;但此實驗的不足之處是?！窘馕觥?1)制氣裝置,在實驗前必須檢驗裝置氣密性。(2)銅與濃硝酸反應產(chǎn)生二氧化氮氣體,二氧化氮溶于水生成無色的一氧化氮氣體。(3)體現(xiàn)綠色化學理念:該反應中不產(chǎn)生污染氣體,原子利用率高。甲方案:Cu+4HNO3(濃) Cu(NO3)2+2NO

22、2+2H2O;乙方案:3Cu+8HNO3(稀) 3Cu(NO3)2+2NO+4H2O;丙方案:2Cu+O2 2CuO,CuO+2HNO3 Cu(NO3)2+H2O。列表比較三種方案:分別制取3 mol Cu(NO3)2 HNO3NOx原子利用率甲126最低乙82較低丙60最高(原子利用率= 100%)綜上所述,丙方案最優(yōu)。(4)在a中加入濃鹽酸,c中裝入固體高錳酸鉀,d中裝入溴化鈉水溶液?？梢宰C明高錳酸鉀、氯氣和溴的氧化性順序。但是,多余氯氣會排入空氣中,污染環(huán)境。發(fā)生反應的化學方程式為2KMnO4+16HCl 2KCl+2MnCl2+ 5Cl2+8H2O,Cl2+2NaBr 2NaCl+Br

23、2。【答案】(1)檢查裝置氣密性(2)Cu+4HNO3(濃) Cu(NO3)2+2NO2+2H2O; 反應變緩,氣體顏色變淡(3)丙;耗酸量最少,無污染(4)向d中加入NaBr溶液,c中加入固體KMnO4,由a向c中加入濃鹽酸; c中有黃綠色氣體產(chǎn)生,d中溶液變?yōu)辄S棕色; 沒有處理尾氣技能歸納對幾個實驗方案的正確與錯誤、嚴密與不嚴密、準確與不準確做出判斷時,要考慮是否完全合理、有無干擾現(xiàn)象、經(jīng)濟上是否合算和對環(huán)境有無污染等。近幾年高考中,有些省份對實驗評價的考查涉及定量評價,即通過對所給化學實驗數(shù)據(jù)的分析處理,對實驗進行評價。評價的關鍵是準確破譯數(shù)據(jù)的含義,進行合理取舍,提煉出有效數(shù)據(jù)。一些數(shù)

24、據(jù)隱含著化學規(guī)律及化學原理,要找出數(shù)據(jù)的具體含義,分析比較數(shù)據(jù)之間的內(nèi)在聯(lián)系,建立題中的隱含數(shù)據(jù)與題目解答之間的聯(lián)系,繼而得出正確結論。3溶液,并收集反應生成的純凈氮氣的實驗裝置,如圖所示:學以致用氣球的作用是。(2)B裝置中發(fā)生的最主要的反應的化學方程式是。D裝置中一步生成硝酸的兩個化合反應:(用化學方程式表示)。(3)該套實驗裝置中有兩處明顯的缺陷。其一是,其(1)A裝置中氨水的作用是。C裝置中濃硫酸的作用是 。 二是。(4)若采用上述的不完善裝置進行實驗,同時不考慮氣體在裝置中的殘留,實驗結束時,實際測得D中有1.0 molL-1 的HNO3溶液150 mL,氣球中收集的混合氣體體積為

25、1400 mL(標準狀況下),其中NO2、O2與N2的體積比為221,則氧化成NO的氨與被氧化的氨的體積比為。【解析】本題實驗目的為用氨催化氧化法制取少量HNO3溶液并利用副反應收集反應生成的純凈氮氣。A裝置的作用為:使氨氣與氧氣混合均勻,控制氨氣和氧氣的氣流速率,氨水的作用是降低氨氣的溶解度,有利于氨氣的逸出。氣體經(jīng)過裝置B催化氧化,生成的氣體中含有氨氣,對制取硝酸有影響,所以用濃硫酸吸收氨氣,水吸收生成的NO、NO2、O2生成硝酸。該套裝置明顯的缺陷:A、B裝置之間缺少干燥裝置,氨氣和氧氣的混合氣體在進入裝置B之前應干燥;氣球中收集到的不一定是純凈的氮氣,可能混有氧氣等雜質(zhì),應除去。被氧化

26、成NO的氨包括HNO3中的N以及氣體中的NO2,被氧化的氨除了這兩部分以外還包括氧化成氮氣的氨,n(HNO3)=0.15 mol,n(NO2)= = 0.025 mol,n(N2)= =0.0125 mol,被氧化為氮氣的氨為0.025 mol。故氧化成NO的氨與被氧化的氨的體積比為(0.15+0.025)(0.15+0.025+0.025)=。(2)4NH3+5O2 4NO+6H2O;4NO+3O2+2H2O 4HNO3、4NO2+O2+2H2O 4HNO3 (3)氨氣和氧氣的混合氣體在進入B裝置之前應干燥;進入氣球的氣體中可能混有氧氣等雜質(zhì),應除去(4) 【答案】(1)使氨氣與氧氣混合均勻,控制氨氣和氧氣的氣流速率,氨水降低氨氣的溶解度,有利于氨氣的逸出;除混合氣體中的氨氣和水蒸氣;收集生成的氮氣學習的目的在于能夠應用,利用所學化學知識解決生產(chǎn)生活的實際問題也是近些年來的熱點問題。此類題型注重聯(lián)系生產(chǎn)生活實際,通常將工業(yè)流程或者原理搬上試卷,探究流程或者原理的合理性和可操作性,需要較強的遷移能力,和對新問題的