江蘇版高考化學總復習專題18實驗方案的設計與評價(講解練)教學講練

1、專題18 實驗方案的設計與評價化學 江蘇省專用考點一實驗方案的設計基礎知識1.一個相對完整的化學實驗方案一般應包括的內(nèi)容有:實驗名稱、實驗目的、實驗原理、實驗用品和實驗步驟、實驗現(xiàn)象記錄及結果處理、問題和討論等。2.實驗方案設計的基本要求是:科學性、安全性、可行性、節(jié)約性。同一化學實驗可設計出多種實驗方案,選擇采用的實驗方案應具有效果明顯、操作安全、裝置簡單、用藥少、步驟少、時間短等優(yōu)點。考點清單3.制備實驗方案的設計制備實驗方案的設計,對鞏固元素及其化合物知識和掌握各類物質之間的相互轉化關系,全面訓練實驗技能,培養(yǎng)分析問題和解決問題的能力是有益的。制備實驗方案的設計,應遵循以下原則:(1)條

2、件合適,操作方便;(2)原理正確,步驟簡單;(3)原料豐富,價格低廉;(4)產(chǎn)物純凈,污染物少。即從多種路線中選出一種最佳的制備途徑,合理地選擇化學儀器與藥品,設計合理的實驗裝置和實驗操作步驟。4.性質實驗方案的設計(1)探索性性質實驗方案的設計分析物質結構特點或從所屬類型的典型代表物去推測該物質可能具有的一系列性質,而后據(jù)此分別設計出合理的實驗方案,去探索它可能具有的性質。(2)驗證性性質實驗方案的設計對物質具備的性質去求證,關鍵是設計出簡捷的實驗方案,操作簡單,現(xiàn)象明顯,安全可行。(3)研究物質性質的基本方法和程序研究物質性質的基本方法:觀察法、實驗法、分類法、比較法等。研究物質性質的基本

3、程序:觀察外觀預測物質性質實驗和觀察解釋及結論。重點突破1.實驗設計的步驟(1)明確目的、原理首先必須認真審題,明確實驗的目的要求,弄清題目有哪些新的信息,綜合已學過的知識,通過類比、遷移、分析,從而明確實驗原理。(2)選擇儀器、藥品根據(jù)實驗的目的和原理,以及反應物和生成物的性質、反應條件,如反應物和生成物的狀態(tài)、能否腐蝕儀器、反應是否需要加熱及溫度是否需要控制在一定的范圍內(nèi)等,從而選擇合理的化學儀器和藥品。(3)設計裝置、步驟根據(jù)實驗目的和原理,以及所選用的儀器和藥品,設計出合理的實驗裝置和實驗操作步驟。學生應具備識別和繪制典型的實驗儀器裝置圖的能力,實驗步驟應既完整又簡明。(4)記錄現(xiàn)象、

4、數(shù)據(jù)根據(jù)觀察,全面而準確地記錄實驗過程中的現(xiàn)象和數(shù)據(jù)。(5)分析得出結論根據(jù)實驗觀察到的現(xiàn)象和記錄的數(shù)據(jù),通過分析、計算、推理等方法,得出正確的結論。2.設計中的順序問題(1)思考問題的順序圍繞主要問題思考。如選擇適當?shù)膶嶒灺肪€、方法,所用藥品、儀器簡單,實驗過程快速、安全,實驗現(xiàn)象明顯。思考有關物質的制備、凈化、吸收和存放等問題。如制取在空氣中易水解的物質(如Al2S3、AlCl3、Mg3N2等)及易受潮的物質時,往往在裝置末端接一個干燥裝置,以防止空氣中的水蒸氣進入。思考實驗的種類及如何合理地組裝儀器,并將實驗與課本實驗比較、聯(lián)系。如涉及氣體的制取和處理,對這類實驗的操作程序及裝置的連接順

5、序大體可概括為發(fā)生除雜質干燥主體實驗尾氣處理。(2)儀器連接的順序所用儀器是否恰當,所給儀器是全用還是選用。儀器是否齊全。如制有毒氣體及涉及有毒氣體的實驗是否有尾氣的處理裝置。安裝順序是否合理。如氣體凈化裝置中不應干燥后又經(jīng)水溶液洗氣。儀器間連接順序是否正確。如洗氣時“進氣管長,出氣管短”;干燥管除雜質時“大口進,小口出”等。(3)實驗操作的順序連接儀器。檢查氣密性。在整套儀器連接完畢后,應先檢查裝置的氣密性,檢查氣密性的方法要依裝置而定。裝藥品,進行實驗操作?？键c二實驗方案的評價基礎知識實驗方案的評價角度對幾個實驗方案進行評價,主要從正確與錯誤、嚴密與不嚴密、準確與不準確、可行與不可行等方面

6、進行判斷。另外有無干擾、是否經(jīng)濟、是否安全、有無污染等也是要考慮的。1.可行性方面(1)實驗方案是否科學可行;(2)實驗操作是否安全合理;(3)實驗步驟是否簡單方便;(4)實驗效果是否明顯。2.綠色化學方面(1)實驗過程中是否造成環(huán)境污染;(2)原料是否無毒、安全、易得;(3)原料利用率是否較高;(4)反應速率是否較快。3.從安全性方面化學實驗從安全角度常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”,白磷切割宜在水中進行等);(4)

7、污染性的氣體要進行尾氣處理;有粉末狀物質參加的反應,要注意防止導氣管堵塞。4.規(guī)范性方面(1)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、豎裝的冷凝管等);(2)易揮發(fā)液體產(chǎn)物(導出時可為蒸氣)的及時冷卻;(3)儀器拆卸與組裝順序相反,按照從右向左,從高到低的順序;(4)要注意防吸水(如實驗取用、制取易吸水、潮解、水解的物質時宜采取必要措施,以保證達到實驗目的);(5)其他(如實驗操作順序、試劑加入順序等)。5.最佳方案的選擇幾個實驗方案都能達到目的,選出一個最佳方案。所謂最佳,就是裝置最簡單,藥品容易取得、價格低廉,現(xiàn)象明顯,

8、干擾小,無污染。化學實驗方案的設計思路及解題策略一、化實實驗方案的設計思路二、化學實驗方案設計的基本步驟(1)明確目的、原理知能拓展(2)選擇儀器、藥品(3)設計裝置、步驟:根據(jù)實驗目的和原理,以及所選用的實驗儀器和藥品,設計出合理的實驗裝置和實驗操作步驟。學生應具備識別和繪制典型的實驗儀器及裝置圖的能力,實驗步驟應完整而又簡明。(4)記錄現(xiàn)象、數(shù)據(jù):根據(jù)觀察全面、準確地記錄實驗過程中的現(xiàn)象和數(shù)據(jù)。(5)分析得出結論:根據(jù)實驗中觀察到的現(xiàn)象和記錄的數(shù)據(jù),通過分析、計算、推理等,得出正確的結論。三、化學實驗方案題的解題策略1.巧審題,明確實驗的目的和原理。實驗原理是解答實驗題的核心,是實驗設計的

9、依據(jù)和起點。實驗原理可從題給的化學情景(或題目所給實驗目的)并結合元素化合物的有關知識獲取。在此基礎上,遵循科學性、簡捷性、安全性的原則,確定符合實驗目的、要求的方案。2.想過程,理清實驗操作的先后順序。根據(jù)實驗原理所確定的實驗方案中的實驗過程,明確實驗操作的方法步驟,把握各步實驗操作的重點,理清實驗操作的先后順序。3.看準圖,分析各項實驗裝置的作用。有許多綜合實驗題圖文結合,思考容量大。在分析解答過程中,要認真細致地分析圖中所示的各裝置,并結合實驗目的和原理,確定它們在該實驗中的作用。4.細分析,得出正確的實驗結論。實驗現(xiàn)象(或數(shù)據(jù))是化學原理的外在表現(xiàn)。在分析實驗現(xiàn)象(或數(shù)據(jù))的過程中,要

10、善于找出影響實驗成敗的關鍵以及產(chǎn)生誤差的原因,或從有關數(shù)據(jù)中歸納出定量公式,繪制變化曲線等。例(2018課標,26,14分)醋酸亞鉻(CH3COO)2Cr2H2O為磚紅色晶體,難溶于冷水,易溶于酸,在氣體分析中用作氧氣吸收劑。一般制備方法是先在封閉體系中利用金屬鋅作還原劑,將三價鉻還原為二價鉻;二價鉻再與醋酸鈉溶液作用即可制得醋酸亞鉻。實驗裝置如圖所示?；卮鹣铝袉栴}:(1)實驗中所用蒸餾水均需經(jīng)煮沸后迅速冷卻,目的是 。儀器a的名稱是。(2)將過量鋅粒和氯化鉻固體置于c中,加入少量蒸餾水,按圖連接好裝置。打開K1、K2,關閉K3。c中溶液由綠色逐漸變?yōu)榱了{色,該反應的離子方程式為。同時c中有氣

11、體產(chǎn)生,該氣體的作用是。(3)打開K3,關閉K1和K2。c中亮藍色溶液流入d,其原因是;d中析出磚紅色沉淀。為使沉淀充分析出并分離,需采用的操作是、洗滌、干燥。(4)指出裝置d可能存在的缺點。解析(1)為防止水中溶解的氧氣氧化Cr2+或(CH3COO)2Cr,需將蒸餾水煮沸并迅速冷卻,以除去溶解氧。(2)由溶液顏色變化可知,Zn將Cr3+還原為Cr2+,反應的離子方程式為Zn+2Cr3+ Zn2+2Cr2+。c中產(chǎn)生的氣體為氫氣,可排除c中空氣,防止Cr2+被氧化。(3)打開K3,關閉K1、K2,c中產(chǎn)生的氫氣聚集在溶液上方,氣體壓強增大,將c中液體經(jīng)長導管壓入d中;(CH3COO)2Cr難溶

12、于冷水,可將d置于冰水浴中冷卻,(CH3COO)2Cr充分結晶后,經(jīng)過濾、洗滌、干燥得磚紅色晶體。(4)由于裝置d為敞開體系,與大氣直接接觸,故空氣中的氧氣可能會氧化(CH3COO)2Cr。答案(1)去除水中溶解氧分液(或滴液)漏斗(2)Zn+2Cr3+ Zn2+2Cr2+排除c中空氣(3)c中產(chǎn)生H2使壓強大于大氣壓(冰浴)冷卻過濾(4)敞開體系,可能使醋酸亞鉻與空氣接觸思路分析對氣體制備的考查往往會涉及工業(yè)制法和實驗室制法兩大類,其中制備原理和實驗裝置是考查重點。氣體的制取、凈化、收集、尾氣處理等各環(huán)節(jié)裝置的設計和作用基本可以觸類旁通,重要的是答題的規(guī)范性和條理性。審題方法本題解題的關鍵是

13、題干中指出醋酸亞鉻在氣體分析中用作氧氣吸收劑,說明醋酸亞鉻具有強還原性。方法技巧Cr2+、(CH3COO)2Cr的強還原性與Fe2+、Fe(OH)2相似。(CH3COO)2Cr的制取實驗與Fe(OH)2制取的改進實驗相似。綜合實驗設計題的解題思路綜合實驗設計題注重考查對實驗原理的理解、對整個實驗過程的駕馭把控、對實驗方案進行評價和預判?？疾閮?nèi)容通常為儀器名稱、實驗步驟、操作方法、方程式的推斷與書寫、物質檢驗(有干擾)、滴定原理和計算等。實踐探究例(2019宿遷期末,19)利用廢舊白鐵皮(含F(xiàn)e、Zn、Fe2O3、ZnO)制備磁性Fe3O4膠體的流程如下:已知:鋅及其化合物的性質與鋁及其化合物的

14、性質具有一定的相似性。(1)堿溶時除了發(fā)生反應ZnO+2NaOH Na2ZnO2+H2O以外,還發(fā)生另一反應的化學方程式為。(2)向溶液A中滴加稀硫酸可制得Zn(OH)2固體,為防止Zn(OH)2溶解,可將稀H2SO4改為。(3)過濾后的濾渣溶于稀硫酸后,要測定Fe2+、Fe3+的濃度并控制NaClO3加入量,其目的是。(4)檢驗溶液B中是否含有Fe3+的試劑為。(5)若實驗制得的Fe3O4膠體中混有較多的Fe(OH)3,原因可能是(填編號)。a.稀硫酸加入過多b.NaClO3加入過多c.N2通入量偏少(6)由溶液B也可制得綠礬(FeSO47H2O)。請結合下圖的綠礬溶解度曲線,補充完整由溶液

15、B制備綠礬晶體的實驗步驟:向溶液B中滴加NaOH溶液至沉淀不再增加,得到FeSO4溶液,得到FeSO47H2O晶體。(可選用的試劑:鐵粉、鋅粉、稀鹽酸、稀硫酸和NaOH溶液) 解析(1)對比Al與NaOH反應的化學方程式,寫出白鐵皮中Zn與NaOH反應的化學方程式:Zn+2NaOH Na2ZnO2+H2。(2)溶液A中含Zn,如滴加稀硫酸過量,則制得的Zn(OH)2固體溶解。借鑒Al與CO2的反應,可將稀H2SO4改為CO2來制備Zn(OH)2。(3)因Fe3O4中Fe2+、Fe3+物質的量之比是12,所以需要測定Fe2+、Fe3+的濃度并控制NaClO3加入量,以恰好反應生成Fe3O4。(4

16、)檢驗Fe3+的最靈敏的試劑是KSCN溶液。(5)在實驗制備磁性Fe3O4膠體過程中,加入的NaClO3過多或通入N2量偏少可能使較多的Fe2+被氧化,得到Fe(OH)3。(6)溶液B中含有Fe2+和Fe3+,向其中滴加NaOH溶液至沉淀不再增加,得到Fe(OH)2和Fe(OH)3沉淀,過濾并洗滌沉淀,再向沉淀中加入稀硫酸至固體完全溶解,得到Fe2(SO4)3和FeSO4溶液,向混合溶液中加入過量鐵粉并攪拌、過濾,得到FeSO4溶液。由于60 時綠礬的溶解度最大,降溫后溶解度明顯減小,則可加熱濃縮FeSO4溶液得到60 飽和溶液,再冷卻至0 結晶,過濾,用少量冰水洗滌晶體,低溫干燥。答案(1)

17、Zn+2NaOH Na2ZnO2+H2(2)CO2(3)使Fe2+、Fe3+物質的量之比是12,恰好反應生成Fe3O4(4)KSCN溶液(5)bc(6)過濾,洗滌,向所得固體加入稀硫酸至固體完全溶解,加入足量的鐵粉,充分攪拌后,過濾(滴加稀硫酸酸化,)加熱濃縮得到60 飽和溶液,冷卻至0結晶,過濾,用少量冰水洗滌,低溫干燥疑難突破NaClO3氧化Fe2+的離子方程式為:6Fe2+6H+Cl 6Fe3+Cl-+3H2O,當加入NaClO3過多時可能使較多的Fe2+被氧化。知識拓展用冰水洗滌晶體的目的:洗去晶體表面雜質,減少晶體的溶解損失。用乙醇等有機溶劑洗滌晶體的目的:洗去晶體表面雜質,減少晶體

18、的溶解損失,乙醇易揮發(fā)帶走水分,便于晶體的快速干燥。題目價值本題以廢舊白鐵皮制磁性Fe3O4膠體為載體,考查實驗方案的設計與評價。側重考查學生的邏輯分析和類比推理能力、語言組織能力、實驗方案的設計能力,體現(xiàn)了科學探究與創(chuàng)新意識的學科核心素養(yǎng)。一、結合實驗目的與原理,明確非常見儀器的功能與用法在化學實驗探究過程中,通常會根據(jù)不同的實驗目的與原理選擇實驗儀器。由于高中接觸的儀器較為簡單,無法滿足某些實驗的要求,因此在題中可能會出現(xiàn)所學儀器的非常規(guī)使用甚至新型儀器的使用?？梢詮膶嶒災康呐c原理出發(fā)解決這類問題,結合實驗過程中涉及各物質的具體性質,掌握解答綜合性實驗設計與評價題的基本流程:原理反應物質(

19、性質)儀器裝置現(xiàn)象結論作用、意義聯(lián)想。創(chuàng)新思維例1(2018河北衡水中學理綜模擬十五,26)索氏提取法是測定動植物樣品中粗脂肪含量的標準方法。其原理是利用如圖裝置,用無水乙醚等有機溶劑連續(xù)、反復、多次萃取動植物樣品中的粗脂肪。具體步驟如下:包裝:取濾紙制成濾紙筒,放入烘箱中干燥后,移至儀器X中冷卻至室溫。然后放入稱量瓶中稱量,質量記作a;在濾紙筒中包入一定質量研細的樣品,放入烘箱中干燥后,移至儀器X中冷卻至室溫,然后放入稱量瓶中稱量,質量記作b。萃取:將裝有樣品的濾紙筒用長鑷子放入抽提筒中,注入一定量的無水乙醚,使濾紙筒完全浸沒入乙醚中,接通冷凝水,加熱并調(diào)節(jié)溫度,使冷凝下滴的無水乙醚呈連珠狀

20、,至抽提筒中的無水乙醚用濾紙點滴檢查無油跡為止(大約6 h12 h)。稱量:萃取完畢后,用長鑷子取出濾紙筒,在通風處使無水乙醚揮發(fā),待無水乙醚揮發(fā)后,將濾紙筒放入烘箱中干燥后,移至儀器X中冷卻至室溫,然后放入稱量瓶中稱量,質量記作c?；卮鹣铝袉栴}:(1)實驗中使用了三次的儀器X的名稱為。為提高乙醚蒸氣的冷凝效果,索氏提取器可選用下列(填字母)代替。a.空氣冷凝管 b.直形冷凝管 c.蛇形冷凝管 (2)實驗中必須十分注意乙醚的安全使用,如不能用明火加熱、室內(nèi)保持通風等。為防止乙醚揮發(fā)到空氣中發(fā)生燃爆,常在冷凝管上口連接一個球形干燥管,其中裝入的藥品為(填字母)。a.活性炭b.堿石灰c.P2O5d

21、.濃硫酸無水乙醚在空氣中可能氧化生成少量過氧化物,加熱時發(fā)生爆炸。檢驗無水乙醚中是否含有過氧化物的方法是。(3)實驗中需控制溫度在7080 之間,考慮到安全等因素,應采取的加熱方式是。當無水乙醚加熱沸騰后,蒸氣通過導氣管上升,被冷凝為液體滴入抽提筒中,當液面超過回流管最高處時,萃取液即回流入提取器(燒瓶)中該過程連續(xù)、反復、多次進行,則萃取液回流入提取器(燒瓶)的物理現(xiàn)象為 。A.冷凝回流B.虹吸C.倒吸D.分液索氏提取法與一般萃取法相比較,其優(yōu)點為 。(4)數(shù)據(jù)處理:樣品中純脂肪百分含量(填“”或“=”)100%。解析(1)題中三次描述“移至儀器X中冷卻至室溫”,目的是避免吸收空氣中的水蒸氣

22、,說明儀器X是干燥器;為提高乙醚蒸氣的冷凝效果,索氏提取器中的冷凝管可選用蛇形冷凝管以增大接觸面積,延長冷凝時間,提高冷凝效果。(2)乙醚是易揮發(fā)且易燃的液體,在冷凝管上口連接一個球形干燥管的目的是吸收沒有冷凝的乙醚,避免發(fā)生意外。乙醚性質比較穩(wěn)定,很少與除酸之外的試劑反應,與濃硫酸反應具有一定危險性。結合這四種物質的性質,可用來吸收乙醚的只有活性炭。過氧化物一般都有較強的氧化性,所以可在酸性條件下用KI淀粉溶液來檢驗。(3)根據(jù)需要控制的溫度,且不能用明火加熱,故采用恒溫加熱爐且水浴加熱;根據(jù)實驗描述,當萃取液的液面超過回流管最高處時,萃取液即回流入提取器(燒瓶)中,這是利用虹吸原理;水浴加

23、熱時,無水乙醚變?yōu)橐颐颜魵?蒸氣通過導氣管上升,被冷凝為液體后滴入抽提筒中,當液面高于回流管最高處時,萃取液即進入提取器,該過程可多次發(fā)生,故其優(yōu)點是可進行連續(xù)、反復、多次的萃取,且每一次萃取都是用純的溶劑,能提高萃取效率。(4)由于有機溶劑乙醚可能溶解樣品中的其他有機物,所以純脂肪的質量小于(b-c) g,因此樣品中純脂肪百分含量小于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,振蕩,若溶液變藍色則說明含有過氧化物,否則不含(3)恒溫加熱爐且水浴加熱b連續(xù)、反復、多次萃取,且每一次萃取都是純的溶劑,萃取效率高(4)Cu2+。(2)方案2:通過Cu2+、Ag+分別與同

24、一物質反應進行比較經(jīng)檢驗,中溶液不含I2,黃色沉淀是 。實驗試劑編號及現(xiàn)象試管滴管1.0 mol/LKI溶液1.0 mol/L AgNO3溶液.產(chǎn)生黃色沉淀,溶液無色1.0 mol/L CuSO4溶液.產(chǎn)生白色沉淀A,溶液變黃經(jīng)檢驗,中溶液含I2。推測Cu2+作氧化劑,白色沉淀A是CuI。確認A的實驗如下:a.檢驗濾液無I2。溶液呈藍色說明溶液含有(填離子符號)。b.白色沉淀B是。c.白色沉淀A與AgNO3溶液反應的離子方程式是 ,說明氧化性Ag+Cu2+。(3)分析方案2中Ag+未能氧化I-,但Cu2+氧化了I-的原因,設計實驗如下:編號實驗1實驗2實驗3實驗現(xiàn)象無明顯變化a中溶液較快變棕黃

25、色,b中電極上析出銀;電流計指針偏轉c中溶液較慢變淺黃色;電流計指針偏轉(電極均為石墨,溶液濃度均為1 mol/L,b、d中溶液pH4)a中溶液呈棕黃色的原因是(用電極反應式表示)?！皩嶒?”不能說明Cu2+氧化了I-。依據(jù)是空氣中的氧氣也有氧化作用,設計實驗證實了該依據(jù),實驗方案及現(xiàn)象是 。方案2中,Cu2+能氧化I-,而Ag+未能氧化I-的原因:。(資料:Ag+I- AgIK1=1.21016;2Ag+2I- 2Ag+I2K2=8.7108)解析(1)向酸化的AgNO3溶液插入銅絲,析出黑色固體,溶液變藍,說明銅置換出了金屬銀,反應的離子方程式為Cu+2Ag+ 2Ag+Cu2+,說明氧化性Ag+Cu2+。(2)經(jīng)檢驗,中溶液不含I2,黃色沉淀是I-與Ag+形成的AgI沉淀;中溶液含I2,說明Cu2+作氧化劑,將碘離子氧化,本身被還原為Cu+,因此白色沉淀A是CuI。檢驗濾液無I2,溶液呈藍色說明溶液含有Cu2+;濾渣用濃硝酸溶解后