高考化学二轮习题化学实验设计与评价.doc
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第三讲 化学实验设计与评价
[考纲展示]
1.能设计、评价或改进实验方案。
2.了解控制实验条件的方法。
3.能分析或处理实验数据,得出合理结论。
4.能绘制和识别典型的实验仪器装置图。
考点一 化学实验方案的设计
一、实验方案设计的基本要求
二、实验方案设计的基本思路
根据实验目的和原理及所选用的药品和仪器,设计合理的实验方案,并且从几种方案中分析选择出最佳方案。
三、实验设计示例
设计实验证明氯酸钾中含有氯元素。
1.实验原理(用化学或离子方程式表示):
2KClO32KCl+3O2↑,Ag++Cl-===AgCl↓。
2.实验试剂:
氯酸钾固体、MnO2、AgNO3溶液、稀硝酸。
3.操作步骤
(1)将氯酸钾和MnO2混合共热。
(2)冷却至室温,加水充分溶解后,过滤。
(3)取少量滤液于洁净试管中,加入几滴硝酸酸化的AgNO3溶液,观察到有白色沉淀生成,证明氯酸钾中含有氯元素。
四、实验方案设计中的安全问题
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,要检验气体的纯度。
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;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、HCl)时,要注意熄灯顺序或加装安全瓶。
五、实验方案创新设计的几个方面
1.尾气处理装置的设计
在设计尾气处理装置时,要充分考虑装置是否符合以下几点:
能充分吸收气体、不能倒吸、尾气处理装置应与大气相通。
例如:
下列吸收氨气的装置(未标出的液体为水)A、C、E、F、G均能防止倒吸,B、D均不能。
2.防污染安全装置的设计
例如:
下列尾气处理装置中,A可吸收有毒的尾气(如Cl2、SO2等),B和C装置可吸收易溶的尾气(如HCl、NH3等),D可用于除去CO等可燃性气体,E可用于收集所有气体。
3.量气装置的设计
例如:
下列装置中,A是常规的量气装置,B、C、D是改进后的装置,而装置E则不能测量气体体积。
4.启普发生器具有随开随用、随关随停的特点,是气体制备的常用装置。
实验室中没有启普发生器时,可以根据启普发生器的原理设计出简易制气装置,如下图所示的装置。
名师点拨
(1)实验方案的设计对细节要求较高,往往在细节上失分,如实验原理、仪器选择、操作步骤、实验现象的描述、实验安全等方面,不全面、不准确是失分的重要方面。
(2)实验设计不完整,也是实验题失分的重要原因。
例如:
制备一些在空气中易变质的物质时,在制备装置后还要连接一个防变质装置。
(3)补画装置图的题目中,装置图画得不准确、不规范也会失分。
(2015·高考全国卷Ⅰ)草酸(乙二酸)存在于自然界的植物中,其K1=5.4×10-2,K2=5.4×10-5。
草酸的钠盐和钾盐易溶于水,而其钙盐难溶于水。
草酸晶体(H2C2O4·2H2O)无色,熔点为101℃,易溶于水,受热脱水、升华,170℃以上分解。
回答下列问题:
(1)甲组同学按照如图所示的装置,通过实验检验草酸晶体的分解产物。
装置C中可观察到的现象是____________________________,由此可知草酸晶体分解的产物中有____________。
装置B的主要作用是________________________________________________________________________。
(2)乙组同学认为草酸晶体分解产物中还有CO,为进行验证,选用甲组实验中的装置A、B和下图所示的部分装置(可以重复选用)进行实验。
澄清石灰水
D
水
E
浓氢氧化钠溶液
F
无水氯化钙 排水集气装置
G H I
①乙组同学的实验装置中,依次连接的合理顺序为A、B、______________________________。
装置H反应管中盛有的物质是________。
②能证明草酸晶体分解产物中有CO的现象是________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
(3)设计实验证明:
①草酸的酸性比碳酸的强________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
②草酸为二元酸________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
[解析]
(1)结合草酸晶体(H2C2O4·2H2O)的组成可知,澄清石灰水应是用来检验其分解产物CO2的存在。
因草酸晶体易升华,且草酸钙难溶于水,若草酸进入C装置,会干扰CO2的检验,故装置B中冰水的主要作用是冷凝挥发出来的草酸。
(2)①要验证草酸晶体分解产物中还有CO,只能通过检验CO与CuO反应的产物CO2的存在来达到这一目的。
因为草酸晶体的分解产物本身含有CO2,会对CO的检验造成干扰,所以在检验CO前应将分解产物中的CO2除尽,可选用F装置来除去CO2,D装置用来检验CO2是否除尽。
将除去CO2的气体通过盛有无水氯化钙的装置G干燥,然后通过盛有CuO的装置H,CuO将CO氧化为CO2,再将气体通过盛有澄清石灰水的D装置,用来检验CO2的存在。
因CO有毒,最后可将尾气通过排水法收集。
②若前一个装置D中澄清石灰水不变浑浊,说明草酸晶体分解的产物CO2已除尽;H中黑色CuO变红,同时其后的装置D中澄清石灰水变浑浊,说明草酸晶体分解产物中含有CO。
(3)①根据强酸制弱酸的反应原理,可选择NaHCO3加入草酸溶液的实验方法来证明草酸的酸性比碳酸的强。
②根据酸碱中和反应原理,可采用中和滴定的方法用NaOH标准溶液来滴定一定物质的量浓度的草酸溶液,根据反应的草酸与NaOH的物质的量的比值为1∶2,证明草酸是二元酸。
[答案]
(1)有气泡逸出、澄清石灰水变浑浊 CO2 冷凝(水蒸气、草酸等),防止草酸进入装置C反应生成沉淀,干扰CO2的检验
(2)①F、D、G、H、D、I CuO ②H中黑色粉末变为红色,其后的D中澄清石灰水变浑浊
(3)①向盛有少量NaHCO3的试管里滴加草酸溶液,有气泡产生 ②用NaOH标准溶液滴定草酸溶液,消耗NaOH的物质的量为草酸的2倍
—综合实验设计题的解题思路
(1)巧审题,明确实验的目的和原理。
实验原理是解答实验题的核心,是实验设计的依据和起点。
实验原理可从题给的化学情景(或题首所给实验目的)并结合元素化合物等有关知识获取。
在此基础上,遵循可靠性、简捷性、安全性的原则,确定符合实验目的、要求的方案。
(2)想过程,理清实验操作的先后顺序。
根据实验原理所确定的实验方案中的实验过程,确定实验操作的方法步骤,把握各步实验操作的要点,理清实验操作的先后顺序。
(3)看准图,分析各项实验装置的作用。
有许多综合实验题图文结合,思考容量大。
在分析解答过程中,要认真细致地分析图中所示的各项装置,并结合实验目的和原理,确定它们在该实验中的作用。
(4)细分析,得出正确的实验结论。
实验现象(或数据)是化学原理的外在表现。
在分析实验现象(或数据)的过程中,要善于找出影响实验成败的关键以及产生误差的原因,或从有关数据中归纳出定量公式,绘制变化曲线等。
1.(2015·最新试题调研)工业上从废铅蓄电池的铅膏回收铅的过程中,可用碳酸盐溶液与处理后的铅膏(主要成分为PbSO4)发生反应:
PbSO4(s)+CO(aq)PbCO3(s)+SO(aq)。
某课题组用PbSO4为原料模拟该过程,探究上述反应的实验条件及固体产物的成分。
(1)上述反应的平衡常数表达式:
K=________________________________________________________________________。
(2)室温时,向两份相同的PbSO4样品中分别加入同体积、同浓度的Na2CO3和NaHCO3溶液均可实现上述转化,在________溶液中PbSO4转化率较大,理由是________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
(3)查阅文献:
上述反应还可能生成碱式碳酸铅[2PbCO3·Pb(OH)2],它和PbCO3受热都易分解生成PbO。
该课题组对固体产物(不考虑PbSO4)的成分提出如下假设,请你完成假设二和假设三:
假设一:
全部为PbCO3;
假设二:
__________________;
假设三:
__________________。
(4)为验证假设一是否成立,课题组进行如下研究。
①定性研究:
请你完成下表中内容。
实验步骤(不要求写出具体操作过程)
预期的实验现象和结论
取一定量样品充分干燥,……
②定量研究:
取26.7mg的干燥样品,加热,测得固体质量随温度的变化关系如下图。
某同学由图中信息得出结论:
假设一不成立。
你是否同意该同学的结论,并简述理由:
________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
解析:
突破本题的难点在于溶解平衡的应用和对数据的处理。
(1)反应的平衡常数是用各反应物和生成物的浓度来表示的,固体和纯液体的浓度是一定值,不出现在表达式中,故K=。
(2)在溶液中Na2CO3能完全电离生成CO,而NaHCO3是弱酸的酸式盐,溶液中的HCO微弱电离生成CO,故两者同浓度时Na2CO3溶液中CO浓度大,PbSO4转化率较大。
(3)根据原题的描述可知,PbSO4在转化时能生成PbCO3,也能生成碱式碳酸铅,故所得产物有三种可能情况:
一是全部为碳酸铅,二是全部为碱式碳酸铅,三是两者都有。
(4)①因为PbCO3分解生成PbO和CO2,碱式碳酸铅分解生成PbO、CO2和H2O,故只要分析产物中是否有H2O生成就可以判断假设一是否成立。
②同意,若全部为PbCO3时,26.7mg样品完全分解后最终固体质量应为22.3mg(或:
不同意,实验最终得到固体的质量与全部为PbCO3分解所得固体质量相差不大,可能是实验过程中产生的误差引起的)。
答案:
(1)
(2)Na2CO3 Na2CO3溶液中的c(CO)大
(3)全部为2PbCO3·Pb(OH)2
为PbCO3和2PbCO3·Pb(OH)2的混合物
(4)①
实验步骤(不要求写出具体操作过程)
预期的实验现象和结论
充分加热样品,将产生的气体通入盛有无水硫酸铜的干燥管
若无水硫酸铜不变蓝,则假设一成立;若无水硫酸铜变蓝,则假设一不成立
②同意,若全部为PbCO3时,26.7mg样品完全分解后最终固体质量应为22.3mg(或:
不同意,实验最终得到固体的质量与全部为PbCO3分解所得固体质量不同,但相差不大,两者质量不同可能是实验过程中产生的误差引起的)(合理答案均可)
题组一 对未知产物的探究实验设计
1.硫代硫酸钠是一种常见的化工原料。
将SO2通入按一定比例配成的Na2S和Na2CO3混合溶液中,便可得到Na2S2O3,该反应的化学方程式为2Na2S+Na2CO3+4SO2===3Na2S2O3+CO2。
(1)在配制混合溶液前先将蒸馏水加热煮沸一段时间后待用,其目的是________________________________________________________________________。
(2)用该方法获得的Na2S2O3·5H2O晶体中常混有一定量的杂质。
某兴趣小组欲对其中所含杂质的成分进行探究(不考虑副反应和杂质所带的结晶水)。
[提出假设]
假设1:
晶体中只含Na2CO3杂质;
假设2:
晶体中只含Na2S杂质;
假设3:
________________________________________________________________________。
[查阅资料]
①SO2+2H2S===3S↓+2H2O;
②Na2S2O3在中性、碱性溶液中较稳定,而在酸性溶液中能迅速发生反应:
Na2S2O3+H2SO4===Na2SO4+S↓+SO2↑+H2O。
[判断与思考]
某同学取少量制得的晶体溶于足量稀H2SO4中,并将产生的气体通入CuSO4溶液中,未见黑色沉淀,据此认为假设2不成立。
你认为其结论是否合理?
________(填“合理”或“不合理”)中,请说明理由:
________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
[设计方案进行实验]
基于假设1,完成下表中的实验方案、现象及结论(仪器自选)。
限选实验试剂:
3mol·L-1H2SO4溶液、1mol·L-1NaOH溶液、酸性KMnO4溶液、饱和NaHCO3溶液、品红溶液、澄清石灰水。
实验方案
现象及结论
(3)已知:
2Na2S2O3+I2===2NaI+Na2S4O6。
为测定所制得晶体的纯度,该小组以淀粉作指示剂,用0.010mol·L-1的碘水进行多次取样滴定,测得Na2S2O3·5H2O的含量约为102%。
若所用试剂及操作均无不当,产生该结果最可能的原因是________________________________________________________________________
________________________。
解析:
Na2S2O3与稀H2SO4反应生成的SO2对H2S和CO2的检验都有干扰。
在检验时应充分考虑到:
晶体中可能含有的杂质(Na2S)在滴定时参与反应或晶体部分失去结晶水,是解答第(3)小题的关键。
答案:
(1)赶走水中的溶解氧(或空气)
(2)晶体中含Na2S和Na2CO3两种杂质 不合理 Na2S2O3与稀H2SO4反应生成的SO2与H2S发生反应,可能无H2S逸出
实验方案
现象及结论
取适量晶体于烧瓶中,加入足量3mol·L-1H2SO4溶液,塞上带导气管的橡胶塞,将产生的气体导出并依次通过盛有酸性KMnO4溶液、品红溶液、澄清石灰水的洗气瓶
若品红溶液不褪色、澄清石灰水变浑浊,说明晶体中含Na2CO3杂质
(其他合理答案也可)
(3)晶体中含有的杂质(如Na2S等)在滴定时参与反应或晶体部分失去结晶水(其他合理答案也可)
题组二 对物质性质的探究实验设计
2.(2015·山东济南质检)MnO2是中学化学中常见的一种试剂,可作氧化剂和催化剂。
某兴趣小组通过实验对MnO2的性质进行了一系列的研究。
(1)欲探究MnO2的催化效果,需要用30%的H2O2溶液(密度近似为1g·cm-3)配制浓度为3%的H2O2溶液(密度近似为1g·cm-3)100mL。
简述其配制方法:
________________________________________________________________________
________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
(2)该小组设计了如下4个方案以验证MnO2的氧化性,可行的是________。
A.把MnO2固体加入到FeSO4溶液中,再加入KSCN溶液,观察溶液是否变红
B.把MnO2固体加入到FeCl3溶液中,再加入KSCN溶液,观察溶液是否变红
C.把MnO2固体加入到Na2SO3溶液中,再加入BaCl2溶液,观察是否有白色沉淀生成
D.把MnO2固体加入到稀盐酸中,观察是否有黄绿色气体生成
(3)该小组为研究在不同酸碱性的溶液中MnO2的氧化能力,他们控制KI溶液的浓度和MnO2固体的质量相同,恒定实验温度在298K,设计如下对比实验:
实验
酸或碱
现象
A
1滴0.2mol·L-1NaOH溶液
不变色
B
1滴水
缓慢变为浅棕褐色
C
1滴0.1mol·L-1硫酸
迅速变为棕褐色
从上述对比实验中,可以得出的结论是________________________________________________________________________。
写出在酸性条件下,MnO2氧化I-的离子方程式:
________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
(4)利用二氧化锰的氧化性,让其与浓盐酸反应制取氯气,下列仪器可作为该反应的反应容器的是________(填序号)。
解析:
(1)需30%的H2O2溶液的体积为100mL×3%÷30%=10mL,质量为10g,则需水90g,即90mL。
(2)B项MnO2固体不可能将FeCl3氧化,加入KSCN溶液也无实际意义;C项无论Na2SO3是否被氧化,都能生成白色沉淀;D项常温下MnO2不能将稀盐酸氧化。
(3)根据信息,棕褐色应该是I2溶液的颜色,因而MnO2将I-氧化为单质,本身被还原为Mn2+,据此可写出相应的离子方程式。
(4)C为容量瓶,不能加热;B为烧杯,无法将制得的氯气导入集气瓶。
答案:
(1)用量筒量取10mL30%的H2O2溶液放入烧杯中,再加入90mL水,搅拌均匀
(2)A (3)酸性越强,MnO2的氧化性越强 MnO2+2I-+4H+===Mn2++I2+2H2O (4)AD
3.(2015·广西南宁高三测试)某实验小组开展自主实验活动,学校实验室提供如下实验试剂和实验装置:
实验试剂:
A.浓盐酸 B.稀盐酸
C.浓硫酸 D.稀硫酸
E.MnO2粉末 F.Na2SO3晶体
G.Na2SO3稀溶液 H.NaOH稀溶液
I.品红溶液
实验装置:
Ⅰ.该小组拟制备Cl2和SO2两种气体,请为其选择适当的试剂(用字母表示)和装置并填入下表:
气体
试剂
装置
Cl2
SO2
上述制备Cl2的反应的离子方程式是________________________________________________________________________
________________________。
Ⅱ.该小组进一步探究Cl2和SO2两种气体的化学性质,设计如图装置。
首先将C中少量SO2通入B中,请书写SO2与过量NaOH溶液反应的化学方程式:
________________________________________________________________________;
为验证此时溶液中大量存在的阴离子,该小组又设计了若干实验方案,其实验简要操作及结论是________________________________________________________________________
________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
待SO2与过量NaOH溶液反应完全后再将过量Cl2通入B中充分反应,此时溶液中一定大量存在的阴离子是________(不考虑空气中的CO2影响)。
解析:
Ⅰ.根据提供的实验试剂和装置,制Cl2只能用MnO2和浓盐酸,该反应需要加热,故选用丙装置;制SO2用浓硫酸和Na2SO3晶体,故选用乙装置。
Ⅱ.SO2与过量NaOH反应生成Na2SO3和H2O,要证明溶液中存在SO,利用已提供的试剂只能选用稀H2SO4和品红溶液,在反应后的溶液中逐滴加入足量的稀H2SO4,开始无现象,后产生气体,并将产生的气体通入品红溶液中,若品红溶液褪色,证明产生气体是SO2,即证明含有SO;上述反应完全后再通入过量Cl2即发生反应:
Na2SO3+Cl2+2NaOH===Na2SO4+2NaCl+H2O,故反应后的溶液中一定大量存在的阴离子是SO和Cl-。
答案:
Ⅰ.
气体
试剂
装置
Cl2
A、E
丙
SO2
C、F
乙
MnO2+4H++2Cl-Mn2++Cl2↑+2H2O
Ⅱ.SO2+2NaOH===Na2SO3+H2O 取少量B中溶液于试管中,逐滴加入过量稀硫酸,开始无现象,后有气泡产生,将产生的气体通入品红溶液中,能使品红溶液由红色变成无色,则证明存在SO Cl-和SO
反思归纳
实验方案设计中几个易忽视的问题
(1)净化、吸收气体及熄灭酒精灯时要防止液体倒吸。
(2)进行某些易燃、易爆实验时,要防止爆炸。
例如:
H2还原CuO实验中应先通入H2,气体点燃前要先验纯。
(3)防止氧化。
例如:
H2还原CuO要“先灭灯再停氢”,白磷切割要在水中进行等。
(4)防止吸水。
例如:
实验、取用、制取易吸水、潮解、水解的物质要采取必要措施,以保证达到实验目的。
(5)易挥发液体产物(导出时可为蒸气)的及时冷却。
(6)仪器拆卸的科学性与安全性。
例如:
防污染、防氧化、防倒吸、防爆炸、防泄漏等。
考点二 化学实验方案的评价
一、实验方案的评价解题要点
1.理论上要科学。
2.操作上要简单可行。
3.原料用量要节约。
4.要环保,符合绿色化学原则。
二、实验评价题的常见考查角度
1.可行性方面
(1)分析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
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