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新高考版高中化学 专题二十三 实验方案的设计与评价 课件
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这是一份新高考版高中化学 专题二十三 实验方案的设计与评价 课件，共60页。PPT课件主要包含了考情解读，解析导引，④实验操作等内容，欢迎下载使用。
课标要求1.认识科学探究是进行科学解释和发现、创造和应用的科学实践活动。2.了解科学探究过程包括提出问题和假设、设计方案、实施实验、获取证据、分析解释或建构模型、形成结论及交流评价等核心要素。3.理解从问题和假设出发确定研究目的、依据研究目的设计方案、基于证据进行分析和推理等对于科学探究的重要性。
高考怎么考 实验方案的设计与评价每年必考,但年年有新意,综合性强,难度较大,符合高考命题的创新性和综合性原则。常在以物质的制备或探究物质组成、性质为背景的实验题中进行考查。实验探究题近几年出现的频率较高,主要是将教材实验进行创新,结合实验基本操作、数据分析和处理等知识进行综合考查。预计2022年高考仍将结合实验基本操作,物质的制备、组成与性质的探究等综合考查考生的实验能力,并关注“控制变量”思想的运用和定量实验设计。
考点 实验方案的设计与评价考点帮·必备知识通关考法帮·解题能力提升考法1 物质制备型实验方案的设计与评价考法2 物质性质探究型实验方案的设计与评价高分帮 “双一流”名校冲刺探模型·主题探究模型6 综合实验题的解题模型与突破方法
考点 实验方案的设计与评价
考点帮▪必备知识通关
1.实验方案的设计(1)实验方案应包括的内容
(2)实验方案设计的程序
2.实验方案的评价(1)实验评价的主要形式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、操作的简便性和可行性等方面进行全面分析,选出最佳装置。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、原料是否节约、误差是否较小等方面进行全面分析,选出最佳方案。
(2)实验方案评价类试题的解题思路①“科学性”和“可行性”方面a.实验原理是否正确、可行;b.实验操作是否安全、合理;c.实验步骤是否简单、方便;d.实验效果是否明显、准确。②“绿色化学”方面a.反应原料是否易得、安全、无毒;
b.反应速率是否合适;c.原料利用率以及生成物的产率是否较高;d.实验过程中是否造成环境污染。③“安全性”方面化学实验从安全角度常考虑的因素主要有防倒吸、防爆炸、防吸水、防泄漏、防着火、防溅液、防破损等。
考法帮▪解题能力提升
考法1 物质制备型实验方案的设计与评价1.物质制备实验方案的设计原则(1)条件合适,操作方便。(2)原理正确,步骤简单。(3)原料丰富,价格低廉。(4)产物纯净,污染物少。
2.物质制备实验方案的评价对物质制备实验方案的评价,是指为达到一定的制备目的而对实验方案进行的价值判断,这种评价基于对实验原理的理解,对元素化合物知识的融会贯通,对实验手段优劣的辨析,通过分析和综合、比较和论证,选择最佳方案,其中主要是对方案的简便性、可行性、环保经济性进行评价。
3.物质制备实验方案设计与评价应注意的问题(1)在满足物质制备条件的前提下,制备装置越简单越好。(2)刚制备好的物质要注意分析可能含有的杂质,在除杂过程中所选择的实验仪器、实验药品和除杂步骤应力求最简化。(3)在物质的收集或保存过程中要注意物质储存的环境,避免储存过程中物质受污染或变质。(4)如果制备过程中有气体产生,或制备的物质是气体,或使用的试剂有气态物质,一定要确定剩余的气态物质不会污染环境,设计好尾气处理装置。(5)整个过程结束后要注意对剩余药品的处理,避免污染环境、发生火灾等。
命题角度 物质制备型实验方案的设计与评价[热点角度]示例1 [2021湖南长沙长郡中学月考]锶(Sr)和镁位于同主族,锶比镁更活泼,锶与氮气在加热条件下反应产生氮化锶,已知氮化锶遇水剧烈反应。某同学设计实验制备氮化锶(Sr3N2相对分子质量:290.8)。方案Ⅰ:先制备氮气再制取氮化锶(装置如图1所示,部分夹持装置已略去)
图1
(1)仪器A的名称是 。 (2)实验时先点燃 (填“B”或“C”)处酒精灯,一段时间后,再点燃另一盏酒精灯。 (3)用饱和氯化铵溶液和亚硝酸钠溶液共热制备氮气,其化学方程式为 。
方案Ⅱ:利用氮气样品制取氮化锶(装置如图2所示,部分夹持装置已略去)
图2
已知:①所使用的氮气样品可能含有少量CO、CO2、O2气体杂质。②醋酸二氨合亚铜{CH3COO[Cu(NH3)2]}溶液能定量吸收CO,但易被O2氧化,失去吸收CO能力。③连苯三酚碱性溶液能定量吸收O2。(4)打开分液漏斗的旋塞,装置D能持续提供N2,这是利用了N2 的物理性质。 (5)装置F、G、H盛装的试剂分别是 。(填代号) A.浓硫酸 B.连苯三酚碱性溶液 C.醋酸二氨合亚铜溶液(6)方案Ⅰ和方案Ⅱ设计存在相同的缺陷,可能会导致产品变质,提出改进方案为 。
(7)产品纯度的测定:称取0.800 0 g方案 Ⅰ 中所得产品,加入干燥的三颈瓶中,加入蒸馏水,并通入足量水蒸气,将产生的氨全部蒸出,用20.00 mL 1.00 ml/L的盐酸标准溶液完全吸收,再用1.00 ml/L NaOH标准溶液滴定剩余的HCl,到终点时消耗16.00 mL NaOH溶液。则产品纯度为 (计算结果保留4位有效数字)。
答案：(1)蒸馏烧瓶 (2)B (3)NH4Cl+NaNO2NaCl+N2↑+2H2O (4)不溶于水 (5)B、C、A (6)最后添加一个装有碱石灰的干燥管(合理即可) (7)72.70%
考法2 物质性质探究型实验方案的设计与评价1.性质实验验证型设计性质验证实验方案可分为多种情况:一是已知物质的性质,设计实验验证物质的某些性质; 二是已知某类物质的结构(或含有的官能团),设计性质实验来验证这类物质的结构;三是根据性质设计定量实验;四是根据物质性质验证化学原理(理论)或根据化学原理来验证物质的某些性质。设计性质验证实验方案的常用程序有如下两种:
(1)根据物质性质设计实验方案
(2)根据物质的结构(或官能团)设计验证性质实验方案
2.性质实验探究设计性质探究实验方案时要注意:(1)实验方案要可行。要尽量避免使用高压和特殊催化剂等实验室难以达到的条件,实验方案要简单易行。(2)实验顺序要科学。要对各个实验步骤进行统一的规划和安排,保证实验准确高效,同时要减少副反应的发生和避免实验步骤间的相互干扰。
(3)实验现象要直观。如“证明CH3COOH是弱电解质”的实验,可配制一定浓度的CH3COONa溶液,用pH试纸测溶液的pH,通过测定的结果(常温下,pH>7)得出结论,操作简便且现象明显。(4)实验结论要可靠。要反复推敲实验步骤,多方验证实验结果,做到实验结论准确可靠。
命题角度 “操作—现象—结论”微型实验探究[热点角度]示例2 [2017全国卷Ⅱ,13,6分]由下列实验及现象不能推出相应结论的是
解析：A项,因为发生反应2Fe3++Fe 3Fe2+,所以溶液黄色逐渐消失,加KSCN溶液不变红,根据反应2Fe3++Fe 3Fe2+,可以得出还原性Fe>Fe2+;B项,因为Na和CO2反应生成C和Na2CO3,所以产生大量白烟及黑色颗粒,根据反应中CO2→C碳元素化合价的变化,可得出CO2有氧化性;C项,因为NH4HCO3分解产生NH3,NH3使湿润的红色石蕊试纸变蓝,但是该实验现象不能说明NH4HCO3显碱性;D项,由题述可知黄色沉淀为AgI,另一支试管中无明显现象,说明没有AgCl析出,该实验现象能说明Ksp(AgI)
高分帮 “双一流”名校冲刺
模型6 综合实验题的解题模型与突破方法综合实验题因综合程度高、命题素材广、考查角度灵活等特点倍受命题者青睐。综合实验题能较好地考查考生科学探究与创新意识化学学科核心素养,具体考查的内容:能用题中所给的数据、图表、符号等处理实验信息;能对实验中所给的“异常”现象和结论进行反思、提出质疑和新的实验设想;能对实验现象作出合理解释;能根据题中所给的问题设计简单的实验方案,完成实验操作及实验现象的描述等。
综合实验题的考查目的在于“实验”而不在于“素材”,且其命题有规律、解题有方法,若考生能把握综合实验题的命题特点及解题方法,则在备考中可事半功倍。1.综合实验题的常见类型
2.近年来高考综合实验题的考查盘点
3.综合实验题的命题特点和突破方法(1)综合实验题的命题程序
(2)考查方式和突破方法①实验目的
【突破方法】 实验目的一般在题干信息中,可通过阅读审出。②实验原理
【突破方法】 一般可通过两种途径获知实验原理:①题目直接给出实验所涉及反应的化学方程式;②根据题意或实验中检验与测定得出化学方程式。③实验装置
4.合理利用答题模板突破语言描述类问题(1)综合实验题的命题程序(1)“现象”模板描述现象时要注意语言的全面性、准确性,全面性要包括看到的、听到的、触摸到的、闻到的;准确性要指明产生这种现象的部位。按“现象+结论”模式描述时,忌现象结论不分,正确的思维是根据××现象推出生成了××物质或发生了××反应。
(2)“操作或措施”模板
(3)“仪器或试剂作用”模板
(4)“某操作的目的、作用或原因”模板①沉淀的目的:除去××杂质(可溶于水)。②沉淀用乙醇洗涤的目的:a.减小固体的溶解损失;b.除去固体表面吸附的杂质;c.乙醇挥发带走水分,使固体快速干燥。③冷凝回流的作用及目的:防止××蒸气逸出而脱离反应体系,提高××物质的转化率。④控制溶液pH的目的:防止××离子水解;防止××离子沉淀;确保××离子沉淀完全;防止××物质溶解等。
⑤“趁热过滤”后,有时先向滤液中加入少量水,加热至沸腾,然后再“冷却结晶”出目标产物的原因:稀释溶液,防止降温过程中杂质析出,提高产品的纯度。⑥加过量A试剂的原因:使B物质反应完全或提高B物质的转化率等。⑦加入氧化性试剂的目的:使××(还原性)物质转化为××物质。⑧温度不高于××℃的原因:温度过低反应速率较慢,温度过高××物质(如H2O2、浓硝酸、NH4HCO3等)分解或××物质(如浓硝酸、浓盐酸)挥发或××物质(如Na2SO3等)氧化或促进××物质(如AlCl3等)水解。
⑨减压蒸馏(减压蒸发)的原因:减小压强,使液体沸点降低,防止××物质(如H2O2、浓硝酸、NH4HCO3等)受热分解。⑩蒸发、反应时的气体氛围:抑制××离子的水解(如蒸发AlCl3溶液得无水AlCl3时需在HCl气流中进行,加热MgCl2·6H2O得MgCl2时需在HCl气流中进行等)。 配制某溶液时事先煮沸水的原因:除去溶解在水中的氧气,防止某物质被氧化。 反应容器中和大气相通的玻璃管的作用:指示容器中压强大小,避免反应容器中压强过大。
加热的目的:加快反应速率或促进平衡向某个方向(一般是有利于生成目标产物的方向)移动。 用平衡移动原理解释某现象的原因:溶液中存在××平衡,该平衡是××(平衡反应的特点),××(条件改变)使平衡向××方向移动,产生××现象。5.典型例题分析(1)探究型实验题 [全国卷有借鉴北京卷趋势]探究型实验题一般分为探究已知物质的化学性质、探究物质的组成、
制备物质并探究其化学性质等,需要考生依据题中设定的实验步骤,通过对实验现象进行分析最终得出实验结论(物质组成、性质、反应方程式等)。示例3 [2018全国卷Ⅱ,28,15分]K3[Fe(C2O4)3]·3H2O(三草酸合铁酸钾)为亮绿色晶体,可用于晒制蓝图。回答下列问题:(1)晒制蓝图时,用K3[Fe(C2O4)3]·3H2O作感光剂,以K3[Fe(CN)6]溶液为显色剂。其光解反应的化学方程式为2K3[Fe(C2O4)3]·3H2O 2FeC2O4+3K2C2O4+2CO2↑;显色反应的化学方程式为 。
(2)某小组为探究三草酸合铁酸钾的热分解产物,按如图所示装置进行实验。①通入氮气的目的是 。 ②实验中观察到装置B、F中澄清石灰水均变浑浊,装置E中固体变为红色,由此判断热分解产物中一定含有 、 。
③为防止倒吸,停止实验时应进行的操作是 。 ④样品完全分解后,装置A中的残留物含有FeO和Fe2O3,检验Fe2O3存在的方法是: 。 (3)测定三草酸合铁酸钾中铁的含量。①称量m g样品于锥形瓶中,溶解后加稀H2SO4酸化,用c ml·L-1 KMnO4溶液滴定至终点。滴定终点的现象是 。
②向上述溶液中加入过量锌粉至反应完全后,过滤、洗涤,将滤液及洗涤液全部收集到锥形瓶中。加稀H2SO4酸化,用c ml·L-1KMnO4溶液滴定至终点,消耗KMnO4溶液V mL。该晶体中铁的质量分数的表达式为 。
答案：(1)3FeC2O4+2K3[Fe(CN)6] Fe3[Fe(CN)6]2+3K2C2O4(2)①隔绝空气、使反应产生的气体全部进入后续装置 ②CO2 CO ③先熄灭装置A、E的酒精灯,冷却后停止通入氮气 ④取少许固体粉末于试管中,加稀硫酸溶解,滴入1~2滴KSCN溶液,溶液变红色,证明含有Fe2O3 (3)①粉红色出现 ② ×100%
考法点睛·迁移创新本题与2017年全国卷Ⅲ第26题测定硫酸亚铁晶体中结晶水的数目、探究硫酸亚铁的分解产物等非常接近,将定性实验与定量实验结合,部分问题考向也相同。由此可见,全国卷紧紧抓住核心反应原理、典型物质及其性质进行命题,问题设计也有规律,如防氧化[2018全国卷Ⅰ26(1)、2016全国卷Ⅱ28(1)],通入氮气[2018全国卷Ⅱ28(2)①、2017全国卷Ⅲ26(3)]等,因此考生在备考中要研究近年高考真题,在继承的基础上进行创新,有效发挥高考真题的作用。
示例4 [2020河南郑州二检]高锰酸钾是实验室常用的氧化剂。某实验小组制备高锰酸钾的具体流程如图1所示: 图1
实验一:锰酸钾的制备。称取3.0 g KClO3固体和7.0 g KOH固体混合,于铁坩埚中小火加热,待混合物熔融后用铁棒不断搅拌,再加入4.0 g MnO2继续加热。(1)熔融时加入MnO2后铁坩埚中发生反应的化学方程式为 。 (2)用铁棒而不用玻璃棒搅拌的原因是 。
实验二:锰酸钾的歧化。待铁坩埚冷却后放入烧杯中,加水共煮浸取,待物质完全溶解后取出铁坩埚,开启启普发生器,趁热向浸取液中通入CO2,直到浸取液由绿色变为紫色为止,静置沉淀,用砂芯漏斗进行抽滤,留滤液。向浸取液中通入CO2的实验装置如图2所示: 图2
(3)向启普发生器中加入块状固体的位置是 (填“a”“b”或“c”)。该仪器的优点是方便控制反应的发生与停止,其原理是 。 (4)烧杯中锰酸钾发生歧化反应的化学方程式为 。 实验三:高锰酸钾的浓缩结晶。将滤液(KMnO4和K2CO3的混合溶液)转移至蒸发皿中,蒸发浓缩,冷却结晶,抽滤至干。将晶体转移至已知质量的表面皿上,放入烘箱中80 ℃下干燥半小时左右,冷却,称量,产品质量为3.16 g。 (5)蒸发浓缩滤液至 停止加热。 (6)高锰酸钾的产率是 (结果保留四位有效数字)。
解析： (1)根据信息,可初步写出转化关系,即MnO2+KClO3+KOHK2MnO4+KCl,MnO2转化为K2MnO4时Mn的化合价升高2,KClO3转化为KCl时Cl的化合价降低6,根据得失电子守恒,MnO2、K2MnO4的化学计量数为3,KClO3、KCl的化学计量数为1,再根据原子守恒配平得KClO3+3MnO2+6KOH 3K2MnO4+KCl+3H2O。(2)玻璃中含SiO2,因为SiO2可以和熔融的KOH反应,因此不能用玻璃仪器,而用铁坩埚和铁材质的搅拌棒。(3)应从启普发生器的b处加入块状固体。打开止水夹,块状固体与液体接触发生反应,关闭止水夹,启普发生器内压强增大,液体被压入球形漏斗中,块状固体和液体脱离接触,反应停止。
(4)根据题图1可知通入CO2后的产物为KMnO4、K2CO3和MnO2,K2MnO4转化为KMnO4时Mn的化合价升高1,K2MnO4转化为MnO2时Mn的化合价降低2,故KMnO4的化学计量数为2,MnO2的化学计量数为1,则K2MnO4的化学计量数为3,根据原子守恒配平得3K2MnO4+2CO2 MnO2↓+2KMnO4+2K2CO3。(5)蒸发浓缩至溶液表面出现晶膜时停止加热。(6)由KClO3+3MnO2+6KOH 3K2MnO4+KCl+3H2O可知,加入4.0 g MnO2消耗的KClO3的质量约为1.88 g,消耗的KOH的质量约为5.15 g,则MnO2完全反应。再结合3K2MnO4+2CO2 MnO2↓+2KMnO4+2K2CO3,则有关系式3MnO2~3K2MnO4~2KMnO4。
设理论上生成的高锰酸钾的质量为x,则 = ,解得x≈4.843 g,则高锰酸钾的产率是 ×100%≈65.25%。答案：(1)KClO3+3MnO2+6KOH 3K2MnO4+KCl+3H2O (2)玻璃棒中的SiO2可以与熔融的KOH反应 (3)b 打开止水夹,块状固体与液体接触发生反应,关闭止水夹,启普发生器内压强增大,液体被压入球形漏斗中,块状固体和液体脱离接触,反应停(4)3K2MnO4+2CO2 MnO2↓+KMnO4+2K2CO3 (5)溶液表面出现晶膜时 (6)65.25%
示例5 [2020广东肇庆三检]氨基钠(NaNH2)常用作有机合成的促进剂,是合成维生素A的原料。某学习小组以NH3和Na为原料在350~360 ℃条件下制备氨基钠,并检验其他产物和测定产品的纯度,实验装置如图1所示。 图1
已知:NaNH2极易水解且易被空气氧化。回答下列问题:(1)仅从试剂性质角度分析,下列各组试剂可用于实验室制备NH3的是 (填标号)。 A.浓氨水、CaO B.NH4Cl固体、Ca(OH)2固体 C.浓氨水(2)D的名称为 ,其中盛放的试剂为 。 (3)A中发生反应的化学方程式为 ,能证明A中已发生反应的实验现象是 。 (4)B的作用是 。
(5)制备氨基钠时,通入的氨气过量,待钠充分反应后,取m g产品, 按如图2所示装置进行实验(产品所含杂质仅为Na2O)。用注射器向具支试管中缓慢加入H2O至固体恰好完全反应后立即停止,G中液面从刻度V1变为V2(已知V2>V1,单位为mL,忽略固体和加入水的体积,读取刻度时保持G中液面和漏斗中液面相平,实验过程处于标准状况下),则产品纯度为 。若读取V1时,G中液面低于漏斗中液面,则所测得的产品纯度与实际产品纯度相比 (填“偏高”“偏低”或“无影响”)。
解析：(1)CaO溶于水生成Ca(OH)2,同时放出大量热,可使浓氨水逸出氨气,A正确;加热NH4Cl与Ca(OH)2的固体混合物是实验室常用的制氨气的方法,B正确;浓氨水在加热条件下可逸出氨气,C正确。(2)D的名称为球形干燥管,其作用是检验H2与CuO反应生成的水蒸气。常用无水硫酸铜检验生成的水蒸气。(3)A中Na和氨气在加热条件下反应生成NaNH2和H2,化学方程式为2Na+2NH3 2NaNH2+H2。H2在加热条件下能将黑色的氧化铜还原成红色的铜单质,并产生水,H2O使D中白色的无水硫酸铜粉末变为蓝色。(4)NH3有还原性,在加热条件下能还原CuO,则B的作用是吸收NH3,防止NH3与CuO反应,干扰产物H2的检验。(5)已知NaNH2极易水解,
即发生反应NaNH2+H2O NaOH+NH3↑,反应中生成NH3的物质的量为 ,则产物NaNH2的物质的量为 ml,产品纯度为若读取V1时,G中液面低于漏斗中液面,此时G中压强大于大气压强,V1相对标准状况下的体积偏小,则(V2-V1)偏大,导致所测得的产品纯度与实际产品纯度相比偏高。
答案：(1)ABC (2)球形干燥管 无水硫酸铜 (3)2Na+2NH3 2NaNH2+H2 C中的黑色粉末变为红色,D中的白色粉末变为蓝色 (4)吸收NH3,防止NH3与CuO反应 (5) 偏高
示例6 [2020浙江诸暨诊断]对甲氧基苯丙酰胺(相对分子质量为179)为难溶于冷水的白色晶体,且是一种医药中间体,可以由苯甲醚通过两步反应合成,合成路线如图1所示: 图2
已知:无水三氯化铝遇水会发生剧烈水解并放热。步骤一:用如图2所示装置合成对甲氧基苯丙腈在500 mL三颈烧瓶中,加入108 g(1 ml)苯甲醚,室温下缓慢加入70 g(约0.52 ml)粉末状三氯化铝,加入过程中温度不超过25 ℃,加完后降温至5 ℃,然后逐滴加入130 g(约2.45 ml)丙烯腈(沸点77 ℃),滴加结束后再升温至90~95 ℃,反应2 h。将反应液倒入500 g冰水中,搅匀,静置分层,分出油相。减压蒸馏,收集2.67 kPa下150~160 ℃的馏分,得到对甲氧基苯丙腈。
步骤二:合成对甲氧基苯丙酰胺将步骤一中合成的对甲氧基苯丙腈加入500 mL三颈烧瓶中,加入300 mL浓盐酸,再经过一系列操作后得到对甲氧基苯丙酰胺133.7 g。(1)对甲氧基苯丙腈的合成过程中宜采用的加热方式为 。 (2)图2中合成对甲氧基苯丙腈的装置有一缺陷,请提出改进方法并说明理由: 。 (3)用恒压滴液漏斗加丙烯腈的优点有 (写出两条)。(4)下列操作为合成对甲氧基苯丙酰胺的过程中加浓盐酸后的一系列操作,其合理顺序为 。
①加入活性炭回流0.5 h ②趁热过滤 ③抽滤 ④将滤液慢慢倒入1 000 g冷水中,析出晶体 ⑤升温至40~50 ℃,搅拌1 h ⑥洗涤、烘干 (5)下列关于实验操作的说法错误的是 (填标号)。 A.减压蒸馏采用如图3所示装置,装置中 的D为毛细管,也可以用沸石代替B.减压蒸馏过程中,可以通过控制G处的 旋塞停止减压 图3
C.在对甲氧基苯丙酰胺的合成过程中,析出的晶体可以用冷水 洗涤D.减压过滤不宜用于过滤颗粒太小的沉淀,因为颗粒太小的沉淀在快速过滤时易透过滤纸(6)本实验中对甲氧基苯丙酰胺的产率为 %(保留两位小数)。
解析
课标要求1.认识科学探究是进行科学解释和发现、创造和应用的科学实践活动。2.了解科学探究过程包括提出问题和假设、设计方案、实施实验、获取证据、分析解释或建构模型、形成结论及交流评价等核心要素。3.理解从问题和假设出发确定研究目的、依据研究目的设计方案、基于证据进行分析和推理等对于科学探究的重要性。
高考怎么考 实验方案的设计与评价每年必考,但年年有新意,综合性强,难度较大,符合高考命题的创新性和综合性原则。常在以物质的制备或探究物质组成、性质为背景的实验题中进行考查。实验探究题近几年出现的频率较高,主要是将教材实验进行创新,结合实验基本操作、数据分析和处理等知识进行综合考查。预计2022年高考仍将结合实验基本操作,物质的制备、组成与性质的探究等综合考查考生的实验能力,并关注“控制变量”思想的运用和定量实验设计。
考点 实验方案的设计与评价考点帮·必备知识通关考法帮·解题能力提升考法1 物质制备型实验方案的设计与评价考法2 物质性质探究型实验方案的设计与评价高分帮 “双一流”名校冲刺探模型·主题探究模型6 综合实验题的解题模型与突破方法
考点 实验方案的设计与评价
考点帮▪必备知识通关
1.实验方案的设计(1)实验方案应包括的内容
(2)实验方案设计的程序
2.实验方案的评价(1)实验评价的主要形式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、操作的简便性和可行性等方面进行全面分析,选出最佳装置。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、原料是否节约、误差是否较小等方面进行全面分析,选出最佳方案。
(2)实验方案评价类试题的解题思路①“科学性”和“可行性”方面a.实验原理是否正确、可行;b.实验操作是否安全、合理;c.实验步骤是否简单、方便;d.实验效果是否明显、准确。②“绿色化学”方面a.反应原料是否易得、安全、无毒;
b.反应速率是否合适;c.原料利用率以及生成物的产率是否较高;d.实验过程中是否造成环境污染。③“安全性”方面化学实验从安全角度常考虑的因素主要有防倒吸、防爆炸、防吸水、防泄漏、防着火、防溅液、防破损等。
考法帮▪解题能力提升
考法1 物质制备型实验方案的设计与评价1.物质制备实验方案的设计原则(1)条件合适,操作方便。(2)原理正确,步骤简单。(3)原料丰富,价格低廉。(4)产物纯净,污染物少。
2.物质制备实验方案的评价对物质制备实验方案的评价,是指为达到一定的制备目的而对实验方案进行的价值判断,这种评价基于对实验原理的理解,对元素化合物知识的融会贯通,对实验手段优劣的辨析,通过分析和综合、比较和论证,选择最佳方案,其中主要是对方案的简便性、可行性、环保经济性进行评价。
3.物质制备实验方案设计与评价应注意的问题(1)在满足物质制备条件的前提下,制备装置越简单越好。(2)刚制备好的物质要注意分析可能含有的杂质,在除杂过程中所选择的实验仪器、实验药品和除杂步骤应力求最简化。(3)在物质的收集或保存过程中要注意物质储存的环境,避免储存过程中物质受污染或变质。(4)如果制备过程中有气体产生,或制备的物质是气体,或使用的试剂有气态物质,一定要确定剩余的气态物质不会污染环境,设计好尾气处理装置。(5)整个过程结束后要注意对剩余药品的处理,避免污染环境、发生火灾等。
命题角度 物质制备型实验方案的设计与评价[热点角度]示例1 [2021湖南长沙长郡中学月考]锶(Sr)和镁位于同主族,锶比镁更活泼,锶与氮气在加热条件下反应产生氮化锶,已知氮化锶遇水剧烈反应。某同学设计实验制备氮化锶(Sr3N2相对分子质量:290.8)。方案Ⅰ:先制备氮气再制取氮化锶(装置如图1所示,部分夹持装置已略去)
图1
(1)仪器A的名称是 。 (2)实验时先点燃 (填“B”或“C”)处酒精灯,一段时间后,再点燃另一盏酒精灯。 (3)用饱和氯化铵溶液和亚硝酸钠溶液共热制备氮气,其化学方程式为 。
方案Ⅱ:利用氮气样品制取氮化锶(装置如图2所示,部分夹持装置已略去)
图2
已知:①所使用的氮气样品可能含有少量CO、CO2、O2气体杂质。②醋酸二氨合亚铜{CH3COO[Cu(NH3)2]}溶液能定量吸收CO,但易被O2氧化,失去吸收CO能力。③连苯三酚碱性溶液能定量吸收O2。(4)打开分液漏斗的旋塞,装置D能持续提供N2,这是利用了N2 的物理性质。 (5)装置F、G、H盛装的试剂分别是 。(填代号) A.浓硫酸 B.连苯三酚碱性溶液 C.醋酸二氨合亚铜溶液(6)方案Ⅰ和方案Ⅱ设计存在相同的缺陷,可能会导致产品变质,提出改进方案为 。
(7)产品纯度的测定:称取0.800 0 g方案 Ⅰ 中所得产品,加入干燥的三颈瓶中,加入蒸馏水,并通入足量水蒸气,将产生的氨全部蒸出,用20.00 mL 1.00 ml/L的盐酸标准溶液完全吸收,再用1.00 ml/L NaOH标准溶液滴定剩余的HCl,到终点时消耗16.00 mL NaOH溶液。则产品纯度为 (计算结果保留4位有效数字)。
答案：(1)蒸馏烧瓶 (2)B (3)NH4Cl+NaNO2NaCl+N2↑+2H2O (4)不溶于水 (5)B、C、A (6)最后添加一个装有碱石灰的干燥管(合理即可) (7)72.70%
考法2 物质性质探究型实验方案的设计与评价1.性质实验验证型设计性质验证实验方案可分为多种情况:一是已知物质的性质,设计实验验证物质的某些性质; 二是已知某类物质的结构(或含有的官能团),设计性质实验来验证这类物质的结构;三是根据性质设计定量实验;四是根据物质性质验证化学原理(理论)或根据化学原理来验证物质的某些性质。设计性质验证实验方案的常用程序有如下两种:
(1)根据物质性质设计实验方案
(2)根据物质的结构(或官能团)设计验证性质实验方案
2.性质实验探究设计性质探究实验方案时要注意:(1)实验方案要可行。要尽量避免使用高压和特殊催化剂等实验室难以达到的条件,实验方案要简单易行。(2)实验顺序要科学。要对各个实验步骤进行统一的规划和安排,保证实验准确高效,同时要减少副反应的发生和避免实验步骤间的相互干扰。
(3)实验现象要直观。如“证明CH3COOH是弱电解质”的实验,可配制一定浓度的CH3COONa溶液,用pH试纸测溶液的pH,通过测定的结果(常温下,pH>7)得出结论,操作简便且现象明显。(4)实验结论要可靠。要反复推敲实验步骤,多方验证实验结果,做到实验结论准确可靠。
命题角度 “操作—现象—结论”微型实验探究[热点角度]示例2 [2017全国卷Ⅱ,13,6分]由下列实验及现象不能推出相应结论的是
解析：A项,因为发生反应2Fe3++Fe 3Fe2+,所以溶液黄色逐渐消失,加KSCN溶液不变红,根据反应2Fe3++Fe 3Fe2+,可以得出还原性Fe>Fe2+;B项,因为Na和CO2反应生成C和Na2CO3,所以产生大量白烟及黑色颗粒,根据反应中CO2→C碳元素化合价的变化,可得出CO2有氧化性;C项,因为NH4HCO3分解产生NH3,NH3使湿润的红色石蕊试纸变蓝,但是该实验现象不能说明NH4HCO3显碱性;D项,由题述可知黄色沉淀为AgI,另一支试管中无明显现象,说明没有AgCl析出,该实验现象能说明Ksp(AgI)
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模型6 综合实验题的解题模型与突破方法综合实验题因综合程度高、命题素材广、考查角度灵活等特点倍受命题者青睐。综合实验题能较好地考查考生科学探究与创新意识化学学科核心素养,具体考查的内容:能用题中所给的数据、图表、符号等处理实验信息;能对实验中所给的“异常”现象和结论进行反思、提出质疑和新的实验设想;能对实验现象作出合理解释;能根据题中所给的问题设计简单的实验方案,完成实验操作及实验现象的描述等。
综合实验题的考查目的在于“实验”而不在于“素材”,且其命题有规律、解题有方法,若考生能把握综合实验题的命题特点及解题方法,则在备考中可事半功倍。1.综合实验题的常见类型
2.近年来高考综合实验题的考查盘点
3.综合实验题的命题特点和突破方法(1)综合实验题的命题程序
(2)考查方式和突破方法①实验目的
【突破方法】 实验目的一般在题干信息中,可通过阅读审出。②实验原理
【突破方法】 一般可通过两种途径获知实验原理:①题目直接给出实验所涉及反应的化学方程式;②根据题意或实验中检验与测定得出化学方程式。③实验装置
4.合理利用答题模板突破语言描述类问题(1)综合实验题的命题程序(1)“现象”模板描述现象时要注意语言的全面性、准确性,全面性要包括看到的、听到的、触摸到的、闻到的;准确性要指明产生这种现象的部位。按“现象+结论”模式描述时,忌现象结论不分,正确的思维是根据××现象推出生成了××物质或发生了××反应。
(2)“操作或措施”模板
(3)“仪器或试剂作用”模板
(4)“某操作的目的、作用或原因”模板①沉淀的目的:除去××杂质(可溶于水)。②沉淀用乙醇洗涤的目的:a.减小固体的溶解损失;b.除去固体表面吸附的杂质;c.乙醇挥发带走水分,使固体快速干燥。③冷凝回流的作用及目的:防止××蒸气逸出而脱离反应体系,提高××物质的转化率。④控制溶液pH的目的:防止××离子水解;防止××离子沉淀;确保××离子沉淀完全;防止××物质溶解等。
⑤“趁热过滤”后,有时先向滤液中加入少量水,加热至沸腾,然后再“冷却结晶”出目标产物的原因:稀释溶液,防止降温过程中杂质析出,提高产品的纯度。⑥加过量A试剂的原因:使B物质反应完全或提高B物质的转化率等。⑦加入氧化性试剂的目的:使××(还原性)物质转化为××物质。⑧温度不高于××℃的原因:温度过低反应速率较慢,温度过高××物质(如H2O2、浓硝酸、NH4HCO3等)分解或××物质(如浓硝酸、浓盐酸)挥发或××物质(如Na2SO3等)氧化或促进××物质(如AlCl3等)水解。
⑨减压蒸馏(减压蒸发)的原因:减小压强,使液体沸点降低,防止××物质(如H2O2、浓硝酸、NH4HCO3等)受热分解。⑩蒸发、反应时的气体氛围:抑制××离子的水解(如蒸发AlCl3溶液得无水AlCl3时需在HCl气流中进行,加热MgCl2·6H2O得MgCl2时需在HCl气流中进行等)。 配制某溶液时事先煮沸水的原因:除去溶解在水中的氧气,防止某物质被氧化。 反应容器中和大气相通的玻璃管的作用:指示容器中压强大小,避免反应容器中压强过大。
加热的目的:加快反应速率或促进平衡向某个方向(一般是有利于生成目标产物的方向)移动。 用平衡移动原理解释某现象的原因:溶液中存在××平衡,该平衡是××(平衡反应的特点),××(条件改变)使平衡向××方向移动,产生××现象。5.典型例题分析(1)探究型实验题 [全国卷有借鉴北京卷趋势]探究型实验题一般分为探究已知物质的化学性质、探究物质的组成、
制备物质并探究其化学性质等,需要考生依据题中设定的实验步骤,通过对实验现象进行分析最终得出实验结论(物质组成、性质、反应方程式等)。示例3 [2018全国卷Ⅱ,28,15分]K3[Fe(C2O4)3]·3H2O(三草酸合铁酸钾)为亮绿色晶体,可用于晒制蓝图。回答下列问题:(1)晒制蓝图时,用K3[Fe(C2O4)3]·3H2O作感光剂,以K3[Fe(CN)6]溶液为显色剂。其光解反应的化学方程式为2K3[Fe(C2O4)3]·3H2O 2FeC2O4+3K2C2O4+2CO2↑;显色反应的化学方程式为 。
(2)某小组为探究三草酸合铁酸钾的热分解产物,按如图所示装置进行实验。①通入氮气的目的是 。 ②实验中观察到装置B、F中澄清石灰水均变浑浊,装置E中固体变为红色,由此判断热分解产物中一定含有 、 。
③为防止倒吸,停止实验时应进行的操作是 。 ④样品完全分解后,装置A中的残留物含有FeO和Fe2O3,检验Fe2O3存在的方法是: 。 (3)测定三草酸合铁酸钾中铁的含量。①称量m g样品于锥形瓶中,溶解后加稀H2SO4酸化,用c ml·L-1 KMnO4溶液滴定至终点。滴定终点的现象是 。
②向上述溶液中加入过量锌粉至反应完全后,过滤、洗涤,将滤液及洗涤液全部收集到锥形瓶中。加稀H2SO4酸化,用c ml·L-1KMnO4溶液滴定至终点,消耗KMnO4溶液V mL。该晶体中铁的质量分数的表达式为 。
答案：(1)3FeC2O4+2K3[Fe(CN)6] Fe3[Fe(CN)6]2+3K2C2O4(2)①隔绝空气、使反应产生的气体全部进入后续装置 ②CO2 CO ③先熄灭装置A、E的酒精灯,冷却后停止通入氮气 ④取少许固体粉末于试管中,加稀硫酸溶解,滴入1~2滴KSCN溶液,溶液变红色,证明含有Fe2O3 (3)①粉红色出现 ② ×100%
考法点睛·迁移创新本题与2017年全国卷Ⅲ第26题测定硫酸亚铁晶体中结晶水的数目、探究硫酸亚铁的分解产物等非常接近,将定性实验与定量实验结合,部分问题考向也相同。由此可见,全国卷紧紧抓住核心反应原理、典型物质及其性质进行命题,问题设计也有规律,如防氧化[2018全国卷Ⅰ26(1)、2016全国卷Ⅱ28(1)],通入氮气[2018全国卷Ⅱ28(2)①、2017全国卷Ⅲ26(3)]等,因此考生在备考中要研究近年高考真题,在继承的基础上进行创新,有效发挥高考真题的作用。
示例4 [2020河南郑州二检]高锰酸钾是实验室常用的氧化剂。某实验小组制备高锰酸钾的具体流程如图1所示: 图1
实验一:锰酸钾的制备。称取3.0 g KClO3固体和7.0 g KOH固体混合,于铁坩埚中小火加热,待混合物熔融后用铁棒不断搅拌,再加入4.0 g MnO2继续加热。(1)熔融时加入MnO2后铁坩埚中发生反应的化学方程式为 。 (2)用铁棒而不用玻璃棒搅拌的原因是 。
实验二:锰酸钾的歧化。待铁坩埚冷却后放入烧杯中,加水共煮浸取,待物质完全溶解后取出铁坩埚,开启启普发生器,趁热向浸取液中通入CO2,直到浸取液由绿色变为紫色为止,静置沉淀,用砂芯漏斗进行抽滤,留滤液。向浸取液中通入CO2的实验装置如图2所示: 图2
(3)向启普发生器中加入块状固体的位置是 (填“a”“b”或“c”)。该仪器的优点是方便控制反应的发生与停止,其原理是 。 (4)烧杯中锰酸钾发生歧化反应的化学方程式为 。 实验三:高锰酸钾的浓缩结晶。将滤液(KMnO4和K2CO3的混合溶液)转移至蒸发皿中,蒸发浓缩,冷却结晶,抽滤至干。将晶体转移至已知质量的表面皿上,放入烘箱中80 ℃下干燥半小时左右,冷却,称量,产品质量为3.16 g。 (5)蒸发浓缩滤液至 停止加热。 (6)高锰酸钾的产率是 (结果保留四位有效数字)。
解析： (1)根据信息,可初步写出转化关系,即MnO2+KClO3+KOHK2MnO4+KCl,MnO2转化为K2MnO4时Mn的化合价升高2,KClO3转化为KCl时Cl的化合价降低6,根据得失电子守恒,MnO2、K2MnO4的化学计量数为3,KClO3、KCl的化学计量数为1,再根据原子守恒配平得KClO3+3MnO2+6KOH 3K2MnO4+KCl+3H2O。(2)玻璃中含SiO2,因为SiO2可以和熔融的KOH反应,因此不能用玻璃仪器,而用铁坩埚和铁材质的搅拌棒。(3)应从启普发生器的b处加入块状固体。打开止水夹,块状固体与液体接触发生反应,关闭止水夹,启普发生器内压强增大,液体被压入球形漏斗中,块状固体和液体脱离接触,反应停止。
(4)根据题图1可知通入CO2后的产物为KMnO4、K2CO3和MnO2,K2MnO4转化为KMnO4时Mn的化合价升高1,K2MnO4转化为MnO2时Mn的化合价降低2,故KMnO4的化学计量数为2,MnO2的化学计量数为1,则K2MnO4的化学计量数为3,根据原子守恒配平得3K2MnO4+2CO2 MnO2↓+2KMnO4+2K2CO3。(5)蒸发浓缩至溶液表面出现晶膜时停止加热。(6)由KClO3+3MnO2+6KOH 3K2MnO4+KCl+3H2O可知,加入4.0 g MnO2消耗的KClO3的质量约为1.88 g,消耗的KOH的质量约为5.15 g,则MnO2完全反应。再结合3K2MnO4+2CO2 MnO2↓+2KMnO4+2K2CO3,则有关系式3MnO2~3K2MnO4~2KMnO4。
设理论上生成的高锰酸钾的质量为x,则 = ,解得x≈4.843 g,则高锰酸钾的产率是 ×100%≈65.25%。答案：(1)KClO3+3MnO2+6KOH 3K2MnO4+KCl+3H2O (2)玻璃棒中的SiO2可以与熔融的KOH反应 (3)b 打开止水夹,块状固体与液体接触发生反应,关闭止水夹,启普发生器内压强增大,液体被压入球形漏斗中,块状固体和液体脱离接触,反应停(4)3K2MnO4+2CO2 MnO2↓+KMnO4+2K2CO3 (5)溶液表面出现晶膜时 (6)65.25%
示例5 [2020广东肇庆三检]氨基钠(NaNH2)常用作有机合成的促进剂,是合成维生素A的原料。某学习小组以NH3和Na为原料在350~360 ℃条件下制备氨基钠,并检验其他产物和测定产品的纯度,实验装置如图1所示。 图1
已知:NaNH2极易水解且易被空气氧化。回答下列问题:(1)仅从试剂性质角度分析,下列各组试剂可用于实验室制备NH3的是 (填标号)。 A.浓氨水、CaO B.NH4Cl固体、Ca(OH)2固体 C.浓氨水(2)D的名称为 ,其中盛放的试剂为 。 (3)A中发生反应的化学方程式为 ,能证明A中已发生反应的实验现象是 。 (4)B的作用是 。
(5)制备氨基钠时,通入的氨气过量,待钠充分反应后,取m g产品, 按如图2所示装置进行实验(产品所含杂质仅为Na2O)。用注射器向具支试管中缓慢加入H2O至固体恰好完全反应后立即停止,G中液面从刻度V1变为V2(已知V2>V1,单位为mL,忽略固体和加入水的体积,读取刻度时保持G中液面和漏斗中液面相平,实验过程处于标准状况下),则产品纯度为 。若读取V1时,G中液面低于漏斗中液面,则所测得的产品纯度与实际产品纯度相比 (填“偏高”“偏低”或“无影响”)。
解析：(1)CaO溶于水生成Ca(OH)2,同时放出大量热,可使浓氨水逸出氨气,A正确;加热NH4Cl与Ca(OH)2的固体混合物是实验室常用的制氨气的方法,B正确;浓氨水在加热条件下可逸出氨气,C正确。(2)D的名称为球形干燥管,其作用是检验H2与CuO反应生成的水蒸气。常用无水硫酸铜检验生成的水蒸气。(3)A中Na和氨气在加热条件下反应生成NaNH2和H2,化学方程式为2Na+2NH3 2NaNH2+H2。H2在加热条件下能将黑色的氧化铜还原成红色的铜单质,并产生水,H2O使D中白色的无水硫酸铜粉末变为蓝色。(4)NH3有还原性,在加热条件下能还原CuO,则B的作用是吸收NH3,防止NH3与CuO反应,干扰产物H2的检验。(5)已知NaNH2极易水解,
即发生反应NaNH2+H2O NaOH+NH3↑,反应中生成NH3的物质的量为 ,则产物NaNH2的物质的量为 ml,产品纯度为若读取V1时,G中液面低于漏斗中液面,此时G中压强大于大气压强,V1相对标准状况下的体积偏小,则(V2-V1)偏大,导致所测得的产品纯度与实际产品纯度相比偏高。
答案：(1)ABC (2)球形干燥管 无水硫酸铜 (3)2Na+2NH3 2NaNH2+H2 C中的黑色粉末变为红色,D中的白色粉末变为蓝色 (4)吸收NH3,防止NH3与CuO反应 (5) 偏高
示例6 [2020浙江诸暨诊断]对甲氧基苯丙酰胺(相对分子质量为179)为难溶于冷水的白色晶体,且是一种医药中间体,可以由苯甲醚通过两步反应合成,合成路线如图1所示: 图2
已知:无水三氯化铝遇水会发生剧烈水解并放热。步骤一:用如图2所示装置合成对甲氧基苯丙腈在500 mL三颈烧瓶中,加入108 g(1 ml)苯甲醚,室温下缓慢加入70 g(约0.52 ml)粉末状三氯化铝,加入过程中温度不超过25 ℃,加完后降温至5 ℃,然后逐滴加入130 g(约2.45 ml)丙烯腈(沸点77 ℃),滴加结束后再升温至90~95 ℃,反应2 h。将反应液倒入500 g冰水中,搅匀,静置分层,分出油相。减压蒸馏,收集2.67 kPa下150~160 ℃的馏分,得到对甲氧基苯丙腈。
步骤二:合成对甲氧基苯丙酰胺将步骤一中合成的对甲氧基苯丙腈加入500 mL三颈烧瓶中,加入300 mL浓盐酸,再经过一系列操作后得到对甲氧基苯丙酰胺133.7 g。(1)对甲氧基苯丙腈的合成过程中宜采用的加热方式为 。 (2)图2中合成对甲氧基苯丙腈的装置有一缺陷,请提出改进方法并说明理由: 。 (3)用恒压滴液漏斗加丙烯腈的优点有 (写出两条)。(4)下列操作为合成对甲氧基苯丙酰胺的过程中加浓盐酸后的一系列操作,其合理顺序为 。
①加入活性炭回流0.5 h ②趁热过滤 ③抽滤 ④将滤液慢慢倒入1 000 g冷水中,析出晶体 ⑤升温至40~50 ℃,搅拌1 h ⑥洗涤、烘干 (5)下列关于实验操作的说法错误的是 (填标号)。 A.减压蒸馏采用如图3所示装置,装置中 的D为毛细管,也可以用沸石代替B.减压蒸馏过程中,可以通过控制G处的 旋塞停止减压 图3
C.在对甲氧基苯丙酰胺的合成过程中,析出的晶体可以用冷水 洗涤D.减压过滤不宜用于过滤颗粒太小的沉淀,因为颗粒太小的沉淀在快速过滤时易透过滤纸(6)本实验中对甲氧基苯丙酰胺的产率为 %(保留两位小数)。
解析
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