版高考化学一轮复习教案第38讲 化学实验方案的设计与评价.docx
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版高考化学一轮复习教案第38讲化学实验方案的设计与评价
第38讲 化学实验方案的设计与评价
【考纲要求】 1.能根据实验试题要求,做到:
(1)设计、评价或改进实验方案。
(2)正确选用实验装置;(3)掌握控制实验条件的方法。
(4)预测或描述实验现象、分析或处理实验数据,得出合理结论。
2.以上各部分知识与技能的综合应用。
考点一|化学实验方案的设计(重点保分型——师生共研)
授课提示:
对应学生用书第183页
[核心知识大通关]
1.基本原则
(1)科学性:
实验的原理、操作顺序、操作方法等科学合理。
(2)可行性:
原理可行,选用的药品、仪器、设备及实验方法能够满足现行的条件的要求。
(3)简约性:
装置或方法简单,步骤少、节约药品,短时间能完成,符合绿色化学的要求。
(4)安全性:
避免使用有毒药品或危险性的实验操作,有毒气体的尾气处理。
2.基本思路
3.实验设计的步骤
(1)明确实验目的、实验原理;
(2)选择药品和仪器;
(3)设计装置步骤,实施实验操作;
(4)记录实验现象、实验数据;
(5)分析得出结论。
4.实验方案的设计
实验方案设计的流程
设计实验方案
↓
实验,收集资料
↓
分析,得出结论
[考向精练提考能]
考向一 验证物质性质的实验方案设计
物质―→性质推测―→实验验证―→结论。
图示如下:
1.(2016·全国高考卷Ⅰ)氮的氧化物(NOx)是大气污染物之一,工业上在一定温度和催化剂条件下用NH3将NOx还原生成N2。
某同学在实验室中对NH3与NO2反应进行了探究。
回答下列问题:
(1)氨气的制备
①氨气的发生装置可以选择上图中的________,反应的化学方程式为________________________________________________________________________。
②欲收集一瓶干燥的氨气,选择上图中的装置,其连接顺序为发生装置→________(按气流方向,用小写字母表示)。
(2)氨气与二氧化氮的反应
将上述收集到的NH3充入注射器X中,硬质玻璃管Y中加入少量催化剂,充入NO2(两端用夹子K1、K2夹好)。
在一定温度下按图示装置进行实验。
操作步骤
实验现象
解释原因
打开K1,推动注射器活塞,使X中的气体缓慢通入Y管中
①Y管中________________
②反应的化学方程式______________
将注射器活塞退回原处并固定,待装置恢复到室温
Y管中有少量水珠
生成的气态水凝聚
打开K2
③________
④__________
详细分析:
(1)①图中给出了两种气体制备装置,一种是固固加热制气装置,一种是固液加热制气装置。
如果选择A装置制取氨气,则反应的化学方程式为2NH4Cl+Ca(OH)2
CaCl2+2NH3↑+2H2O;如果选择B装置制取氨气,则反应的化学方程式为NH3·H2O
NH3↑+H2O。
②欲收集一瓶干燥的氨气,首先要除去杂质,制备氨气的杂质只有水蒸气,由于氨气溶于水显碱性,因此要选用碱石灰做干燥剂,干燥管的进出口方向为粗进细出,因此先接d后接c;其次要收集氨气,由于氨气的密度小于空气,要从短管进气,因此先接f再接e;最后要进行尾气处理,由于氨气极易溶于水,因此可以选择水吸收尾气,还要注意防倒吸,所以接i。
(2)由题干内容“工业上在一定温度和催化剂条件下用NH3将NOx还原生成N2”,结合实验条件可知反应为8NH3+6NO2
7N2+12H2O,NO2为红棕色气体,发生反应后变成无色气体,因此现象为红棕色气体逐渐变浅。
反应后气体分子数减少,Y管中的压强小于外压,因此产生倒吸现象。
答案:
(1)①A 2NH4Cl+Ca(OH)2
2NH3↑+CaCl2+2H2O(或B NH3·H2O
NH3↑+H2O) ②dcfei
(2)①红棕色气体慢慢变浅
②8NH3+6NO2
7N2+12H2O
③Z中NaOH溶液产生倒吸现象 ④反应后气体分子数减少,Y管中压强小于外压
考向二 探究物质性质的实验方案设计
2.(2015·全国高考课标卷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。
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:
____________________________________________________
________________________________________________________________________。
详细分析:
(1)结合题给装置中装的药品知,草酸晶体的分解产物中有二氧化碳气体,所以装置C中观察到有气泡逸出,澄清石灰水变浑浊。
通入澄清石灰水前,气体进行了冷却,由题中信息知,草酸钙难溶于水,若气体不冷却,则挥发出的草酸蒸气也会进入装置C,与澄清石灰水反应生成沉淀,会干扰CO2的检验。
(2)由题给实验仪器和药品知,CO应与装置H中固体反应,可推测装置H中固体为CuO,CO还原氧化铜生成Cu和CO2气体,然后把CO2通入到D中,结合装置H和装置D中的现象可判断草酸晶体的分解产物中是否含有CO。
检验CO之前应先除去CO中混有的CO2,连接顺序为A、B、F、D、G、H、D、I。
(3)①向盛有碳酸氢钠的试管中加入草酸溶液,若有气泡产生,则证明草酸的酸性强于碳酸。
②证明草酸为二元酸可以用氢氧化钠标准溶液滴定草酸溶液,消耗NaOH的物质的量为草酸的2倍。
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
3.某研究小组将纯净的SO2气体通入0.1mol·L-1的Ba(NO3)2溶液中,得到了BaSO4沉淀。
为探究上述溶液中何种微粒能氧化通入的SO2,该小组提出了如下假设:
假设一:
溶液中的NO
假设二:
溶液中溶解的O2
(1)验证假设一
该小组设计实验验证了假设一,请在下表空白处填写相关实验现象。
实验步骤
实验现象
结论
实验1:
在盛有不含O2的25mL0.1mol·L-1BaCl2溶液的烧杯中,缓慢通入纯净的SO2气体
假设一成立
实验2:
在盛有不含O2的25mL0.1mol·L-1Ba(NO3)2溶液的烧杯中,缓慢通入纯净的SO2气体
(2)为深入研究该反应,该小组还测得上述两个实验中溶液的pH随通入SO2体积的变化曲线如下图。
实验1中溶液pH变小的原因是_________________________________________
________________________________________________________________________;
V1时,实验2中溶液pH小于实验1的原因是(用离子方程式表示)________________________________________________________________________。
(3)验证假设二
请设计实验验证假设二,写出实验步骤、预期现象和结论。
实验步骤、预期现象和结论(不要求写具体操作过程):
(4)若假设二成立,请预测:
在相同条件下,分别用足量的O2和KNO3氧化相同的H2SO3溶液(溶液体积变化忽略不计),充分反应后两溶液的pH前者________(填“大于”或“小于”)后者,理由是________________。
答案:
(1)无明显现象 有白色沉淀
(2)SO2溶于水生成H2SO3 3SO2+2NO
+2H2O===3SO
+4H++2NO↑(或3H2SO3+2NO
===3SO
+4H++2NO↑+H2O)
(3)实验1:
作为参照实验
实验3:
将纯净的SO2气体缓慢通入未经脱O2处理的25mL0.1mol·L-1BaCl2溶液中
若有白色沉淀,表明假设二成立,否则不成立
(4)小于 反应的离子方程式表明,足量的O2和NO
分别氧化相同的H2SO3,生成H+的物质的量前者多于后者(本题部分小题属于开放性试题,合理答案均可)
考向三 探究“原理型”实验方案的设计
控制变量法:
物质变化往往受到多个因素的影响,在研究化学反应与外界因素之间的关系时,对影响物质变化规律的因素或条件加以人为控制,使其他几个因素不变,集中研究其中一个因素的变化所产生的影响,有利于在研究过程中,迅速寻找到物质变化的规律。
常涉及的题型有:
(1)外因(浓度、温度、压强等)对化学反应速率、化学平衡的影响;
(2)物质性质的递变规律。
4.
(1)实验一:
探究酸的强弱对酸与镁条反应速率的影响。
①设计实验方案如下表,表中c=________________mol·L-1。
编号
酸的种类
酸的浓度/(mol·L-1)
酸的体积/mL
镁条质量/g
1
醋酸
1.0
10
2.0
2
盐酸
c
10
2.0
②实验步骤:
a)检查装置(图甲)的气密性后,添加药品;
b)反应开始后,___________________________________________________;
c)将所记录的数据转化为曲线图(图乙)。
③写出0~5min醋酸、盐酸与镁条反应的反应速率变化规律:
________________
________________________________________________________________________。
(2)实验二:
现有一瓶醋酸溶液,常温下测定其中醋酸的电离程度(已电离的电解质分子数占原来总分子数的百分比)。
设计实验方案,将待测物理量和对应的测定方法填写在下表中。
待测物理量
测定方法
①________
量取25.00mL醋酸溶液于锥形瓶中,滴加指示剂,将0.1000mol·L-1NaOH标准溶液装入________,滴定至终点,记录数据,重复滴定2次
②________
________________
答案:
(1)①1.0 ②每隔1min记录一次生成H2的体积 ③醋酸与镁条反应的速率随时间变化不明显;盐酸与镁条反应开始阶段反应速率很快,一段时间后反应速率明显减小
(2)
待测物理量
测定方法
醋酸溶液的物质的量浓度
碱式滴定管
H+的物质的量浓度
取适量醋酸溶液于烧杯中,用pH计测定溶液pH
考点二|化学实验方案的评价(重点保分型——师生共研)
授课提示:
对应学生用书第186页
[核心知识大通关]
对几个实验方案进行评价,主要是看是否正确、严密、准确、可行。
另外有无干扰、是否经济、是否安全、有无污染等也是要考虑的。
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)实验过程中是否造成环境污染;
(2)原料是否无毒、安全、易得;
(3)原料利用率及反应速率是否较高。
3.从安全性方面对实验方案做出评价
化学实验从安全角度常考虑的主要因素如下:
(1)净化、吸收气体,当熄灭酒精灯及左边有挥发性液体加热,气压不恒定时(如乙酸乙酯的制备)要防止液体倒吸;
(2)进行某些易燃易爆实验时要防爆炸(如H2还原CuO应先通H2,气体点燃前先验纯等);
(3)防氧化(如H2还原CuO后要“先灭灯再停氢”,白磷切割宜在水中进行等);
(4)污染性的气体要进行尾气处理;有粉末状物质参加的反应,要注意防止导气管堵塞;
(5)防吸水(如实验取用、制取易吸水、潮解、水解的物质时宜采取必要措施,以保证达到实验目的)。
4.从规范性方面
(1)冷凝回流(有些反应中,为减少易挥发液体反应物的损耗和充分利用原料,需在反应装置上加装冷凝回流装置,如长玻璃管、竖装的干燥管及冷凝管等);
(2)易挥发液体产物(导出时可为蒸气)的及时冷却;
(3)仪器拆卸与组装顺序相反,按照从右向左,从高到低的顺序;
(4)其他(如实验操作顺序、试剂加入顺序、实验方法使用顺序等)。
5.最佳方案的选择
几个实验方案都能达到目的,选出一个最佳方案。
所谓最佳,就是装置最简单,药品容易取得、价格低廉,现象明显,干扰小,无污染。
6.从评价的主要针对点来看,实验综合题可分为装置评价型和原理评价型两类。
(1)实验装置的评价
对比各方案装置,从装置的合理性、操作的简便可行等方面进行全面分析,优选最佳装置。
(2)实验原理的评价
紧扣实验目的,对各方案的原理综合考虑,从原理是否科学正确、是否节省原料、涉及的操作是否简便易行、是否误差较小等方面进行全面分析,设计或优选出最佳方案。
[考向精练提考能]
考向一 制备实验方案的评价
1.从实验方案可行性角度评价
只有合理且切实可行的实验方案才有意义。
可行性是方案的第一要素,评价方案时应注意从实验原理和操作两个方面分析:
理论上要科学合理;操作上要简单可行。
2.从经济效益角度评价
评价一种实验方案,不仅要从科学性上判断是否可行,还要从经济效益上考虑是否切合实际。
3.从环保角度评价
防止污染的根本途径在于控制“三废”的排放,在对实验方案进行评价时,不可忽视环境保护的重要性。
4.从“安全性”方面对实验方案做出评价
化学实验安全通常要考虑气密性检查、气体纯度检验、加热的顺序、防倒吸、有毒气体的吸收处理等问题。
1.硫酸铜是一种应用极其广泛的化工原料。
铜不能与稀硫酸直接反应,某化学兴趣小组将适量浓硝酸分多次加入铜粉与稀硫酸的混合物中,加热使之反应完全,通过蒸发、结晶得到硫酸铜晶体(装置如图1、2所示)。
(1)图1烧瓶中发生反应的离子方程式为_____________________________________。
(2)图2是图1的改进装置,其优点有:
①________________;②________________。
(3)为符合绿色化学的要求,该小组进行如下设计:
方案1:
以空气为氧化剂。
将铜粉在仪器B中反复灼烧,使铜与空气充分反应生成氧化铜,再将氧化铜与稀硫酸反应。
方案2:
将空气或氧气直接通入铜粉与稀硫酸的混合物中,发现在常温下几乎不反应。
向混合物中加FeSO4溶液或Fe2(SO4)3溶液,即发生反应。
反应完全后向其中加物质甲调节pH至3~4,产生Fe(OH)3沉淀,过滤、蒸发、结晶,滤渣做催化剂循环使用。
[已知Fe(OH)3和Cu(OH)2完全沉淀时的pH分别为3.7、6.4]
请回答下列问题:
①方案1中仪器B的名称是________。
②方案2中物质甲是________(填字母)。
a.CaO b.CuCO3 c.CaCO3
以加入FeSO4为例,用离子方程式解释反应发生的原因:
________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
方案3:
将3.2g铜丝放入45mL1.5mol/L的稀硫酸中,控温在50℃。
加入18mL10%的H2O2溶液,反应0.5小时后,升温到60℃,持续反应1小时后,过滤、蒸发、结晶、减压抽滤后,用少量95%的酒精淋洗后晾干,得10.06gCuSO4·5H2O。
③上述三种方案中,更符合绿色化学理念的是________(填“方案1”“方案2”或“方案3”),理由是________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
详细分析:
(1)铜和浓硝酸反应生成硝酸铜、二氧化氮和水,随着反应进行,浓硝酸变成稀硝酸,稀硝酸和铜反应生成硝酸铜、一氧化氮和水,反应的离子方程式为Cu+4H++2NO
Cu2++2NO2↑+2H2O、3Cu+8H++2NO
3Cu2++2NO↑+4H2O。
(2)反应中会产生NO,由于NO与NaOH溶液不反应,故应向氢氧化钠溶液中通入空气(或氧气),装置2中在尾气吸收装置之前连接集气瓶,通入氧气有利于氮氧化合物的完全吸收,同时起安全瓶作用,防止倒吸。
(3)①高温灼烧固体应在坩埚中进行,方案1将铜粉在坩埚中反复灼烧。
②由于溶液酸性较强,欲使Fe3+沉淀,需加入某种试剂减小H+浓度,但又不能引入新杂质。
CaO能减小H+浓度,但引入钙离子,a项错误;CuCO3能减小H+浓度,过量的CuCO3可以过滤除去,不引入新杂质,b项正确;CaCO3引入钙离子,c项错误。
③上述三种方案中,更符合绿色化学理念的是方案3,理由是方案1需要灼烧,消耗能源多;方案2所得产品中含有杂质;方案3几乎不产生有害气体,且所得产品纯度较高。
答案:
(1)Cu+4H++2NO
Cu2++2NO2↑+2H2O、3Cu+8H++2NO
3Cu2++2NO↑+4H2O
(2)①防止倒吸 ②有害气体能被完全吸收
(3)①坩埚 ②b 4Fe2++O2+4H+===4Fe3++2H2O 2Fe3++Cu===2Fe2++Cu2+ ③方案3 方案1需要灼烧,消耗能源多;方案2所得产品中含有杂质;方案3几乎不产生有害气体,且所得产品纯度较高
考向二 探究实验方案的评价
1.对实验用品选择的评价
包括仪器的选择、药品的选择、连接方式的选择等。
仪器的选择包括发生装置(几种基本类型)、净化装置(除杂质的试剂与顺序)、反应装置、收集装置、尾气处理装置等的选择;药品的选择包括种类、浓度、物质状态等的选择;连接方式的选择,包括仪器的先后顺序、导管接口的连接方式等的选择。
2.对不同实验方案的评价
对几个实验方案的正确与错误、严密与不严密、准确与不准确作出判断。
要考虑是否合理、有无干扰现象、经济上是否合算和对环境有无污染等。
3.最佳方案的选用
几个实验方案都能达到目的,应分析各方案的优劣并选出其中最佳的一个。
所谓最佳,无非是装置最简单、药品容易取得且价格低廉、原料利用率高、现象明显、无干扰物质以及无污染等。
2.(2016·全国高考卷Ⅱ)下列实验操作能达到实验目的的是( )
实验目的
实验操作
A.
制备Fe(OH)3胶体
将NaOH浓溶液滴加到饱和FeCl3溶液中
B.
由MgCl2溶液制备无水MgCl2
将MgCl2溶液加热蒸干
C.
除去Cu粉中混有的CuO
加入稀硝酸溶解,过滤、洗涤、干燥
D.
比较水与乙醇中氢的活泼性
分别将少量钠投入到盛有水和乙醇的烧杯中
详细分析:
A项中,制备Fe(OH)3胶体,应把饱和FeCl3溶液逐滴加入到沸水中,继续煮沸至溶液呈红褐色,反应为FeCl3+3H2O
Fe(OH)3(胶体)+3HCl。
B项中,由MgCl2溶液制备无水MgCl2应在HCl气流中加热,防止MgCl2发生水解反应。
C项中,Cu粉能和稀HNO3反应:
3Cu+8HNO3===3Cu(NO3)2+2NO↑+4H2O,应加入稀硫酸(或稀盐酸)溶解,过滤、洗涤、干燥。
D项中,由于H2O中的H比乙醇中的H易电离,所以Na与H2O反应比Na与乙醇反应剧烈得多,可以用与Na的反应来比较水和乙醇中氢的活泼性。
答案:
D
3.(2017·辽宁沈阳八校联考)已知亚硫酸钠在空气中能被氧气氧化生成硫酸钠。
Ⅰ.甲同学设计两种方案来检验Na2SO3溶液是否发生变质。
方案一:
取样,加入稀盐酸有气泡生成,认为亚硫酸钠溶液没有变质。
方案二:
取样,加入氯化钡溶液有白色沉淀生成,认为亚硫酸钠溶液完全变质。
请你对两方案做出评价:
方案一:
________(填“合理”或“不合理”),理由是_________________________
________________________________________________________________________。
方案二:
________(填“合理”或“不合理”),理由是________________________
________________________________________________________________________。
Ⅱ.乙同学探究Na2SO3溶液是否发生变质,设计如下实验测定1.0mol·L-1Na2SO3溶液的实际浓度。
(1)分液漏斗中应加入足量的下列哪种试剂?
________(填字母)。
a.浓硝酸 B.65%硫酸 c.浓盐酸
(2)实验前后测得C装置增重3.2g,则Na2SO3溶液实际的物质的量浓度为________。
(3)该实验装置还存在一个明显的缺陷是_____________________________________
________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
详细分析:
Ⅰ.加入稀盐酸有气泡生成,证明溶液中含有亚硫酸钠,Na2SO3溶液可能没有变质,也可能部分变质。
亚硫酸钠、硫酸钠都能与氯化钡反应生成沉淀,故亚硫酸钠溶液未变质、部分变质、全部变质时的现象相同,都会生成白色沉淀。
Ⅱ.制备二氧化硫气体选用硫酸。
C装置
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