2019版高考化学创新大一轮人教全国通用版讲义：第十章化学实验基础及探究学案九

学案九　化学实验方案的设计与评价

【教学目标】

知识目标：1.运用化学实验知识，对实验方案作出分析和判断。了解实验设计的基本要求。2.通过对实验设计的分析和判断，了解实验设计的一般思路。

能力目标：1.通过分析实验方案是否合理，实验现象和结论是否正确，培养分析评价能力和实践能力。2.培养学生观察、描述实验的能力，启发学生学习化学的兴趣，激发学生学习化学的自觉性和积极性。

情感与价值观：以化学实验为载体，激发学生对化学的兴趣和对科学的探究欲望。

【教学重点】　化学实验设计的一般思路以及对化学实验设计的评价。

【教学难点】　化学实验设计的一般思路。

【考情分析】

近年的新课标高考中常考的有两类实验：一是探究类实验，主要探究物质分解的产物和物质的性质；设计并完成实验报告，包括补充实验步骤或实验步骤的排序、选择试剂和现象的描述等。二是评价类实验，根据题目提供的实验方案，评价是否合理，并要求设计合理的方案。如2017年全国新课标Ⅰ卷T26，2015年全国新课标Ⅰ卷T26，2014年全国新课标Ⅱ卷T28。

1．实验方案设计的基本原则

2．实验方案设计的基本内容

3．实验方案评价的基本原则

(1)可行性原则

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)绿色化学原则

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原料利用率是否较高；

④反应速率是否较快。

(3)安全性原则

①化学实验从安全角度常考虑的主要因素如下：

②净化、吸收气体及熄灭酒精灯时要防止液体倒吸；

③进行某些易燃易爆实验时要防爆炸；

④防氧化；

⑤污染性的气体要进行尾气处理；有粉末状态物质参加的反应，要注意防止导气管堵塞；防吸水。

(4)规范性原则

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)。

考点指导1　“假设判断”型实验方案设计

【典例1】　漂白粉是生产生活中常用的消毒剂和杀菌剂

实验室有一瓶密封不严的漂白粉样品，其中肯定存在CaCl2，请设计实验，探究该样品中可能存在的其他固体物质。

(1)提出合理假设。

假设1：该漂白粉未变质，只含有________；

假设2：该漂白粉全部变质，只含有________；

假设3：该漂白粉部分变质，既含有Ca(ClO)2，又含有CaCO3。

(2)设计实验方案，进行实验。请写出实验步骤、预期现象和结论。

限选用的仪器和药品：试管、滴管、带导管的单孔塞、蒸馏水、自来水、1 mol·L－1盐酸、品红溶液、新制澄清石灰水。(提示：不必检验Ca2＋和Cl－)

【思维提示】

第一步　明确目的原理

设计实验探究漂白粉变质后物质的成分，涉及反应：

①2Ca(OH)2＋2Cl2===CaCl2＋Ca(ClO)2＋2H2O。

②Ca(ClO)2＋H2O＋CO2===CaCO3↓＋2HClO。

第二步　提出合理假设

根据假设3提供的物质及反应原理判断样品中可能含有Ca(ClO)2或CaCO3或二者的混合物。

第三步　寻求验证方法

用CaCO3与盐酸反应产生澄清石灰水变浑浊的CO2来验证CaCO3的存在。

用Ca(ClO)2与盐酸反应生成能使品红溶液褪色的HClO来验证Ca(ClO)2的存在。

第四步　设计操作步骤

①固体样品中加入稀盐酸，将产生的气体通入澄清石灰水中(用于检验CO2)。

②向步骤①反应后的溶液中滴入1～2滴品红溶液，振荡(用于检验HClO)。

第五步　分析得出结论

若步骤①中石灰水未变浑浊，则说明样品中无CaCO3，即假设1成立。

若步骤①中石灰水变浑浊，且步骤②中品红溶液不褪色，说明CaCO3存在，不存在Ca(ClO)2，即假设2成立。

若步骤①中石灰水变浑浊，且步骤②中品红溶液褪色，说明有CaCO3和Ca(ClO)2存在，即假设3成立。

答案　(1)假设1：只含有Ca(ClO)2；假设2：只含有CaCO3

(2)

【课堂对点训练】

1．将含有水蒸气的氯气通入到干燥疏松的碳酸钠中可以得到一种固体物质X，利用下图实验装置可以探究固体物质X的成分。

(1)试剂甲的名称为________，试剂乙的名称为________。

(2)经测定可知固体X中至少含有NaHCO3和一种含氯的盐类物质，装置D中的物质为含氯氧化物。下面对固体X的成分进行猜想和探究。

①提出合理猜想。

猜想1　固体X含有两种成分：NaHCO3和________；

猜想2　固体X含有三种成分：NaHCO3和________。

②下面是针对固体X中的成分猜想进行的实验探究。请填写下表中的空格(可不填满)。

限选试剂：酸性KMnO4溶液、BaCl2溶液、稀HNO3、蒸馏水、AgNO3溶液、澄清石灰水

(3)上述装置C中，如果标准状况下的氯气2.24 L与0.1 mol碳酸钠正好完全反应，则湿润的氯气与碳酸钠反应的化学方程式为___________________________。

解析　(1)实验室制备氯气一般用浓盐酸与MnO2反应，制得的氯气中含有HCl杂质，一般用饱和食盐水除去。(2)①反应物为Cl2、H2O、Na2CO3，而D中物质为含氯氧化物，其中Cl元素显正价，则C中含氯的盐中Cl元素必显负价，该盐为NaCl。固体X的成分可能为NaHCO3、NaCl或NaHCO3、NaCl、Na2CO3。(2)由于可以确定固体X中含有NaHCO3，因此对固体X的成分的探究，实质是检验NaCl、Na2CO3的存在，即可以通过检验Cl－、CO来探究固体X的组成，检验CO选择BaCl2溶液，需要注意的是不能选择澄清石灰水，否则NaHCO3会有干扰，检验Cl－选择稀HNO3和AgNO3溶液。(3)设含氯氧化物的化学式为Cl2Ox，则该反应可表示为Cl2＋Na2CO3＋H2O===NaHCO3＋NaCl＋Cl2Ox，根据氧元素守恒，得x＝1，故该反应的化学方程式为2Cl2＋2Na2CO3＋H2O===2NaHCO3＋2NaCl＋Cl2O。

答案　(1)浓盐酸　饱和食盐水

(2)①NaCl　NaCl、Na2CO3

②

(3)2Cl2＋2Na2CO3＋H2O===2NaHCO3＋2NaCl＋Cl2O

【解题建模】

假设判断型方案设计解题模板

考点指导2　“原理探究型”方案的设计

【典例2】　(北京理综)为探讨化学平衡移动原理与氧化还原反应规律的联系，某同学通过改变浓度研究“2Fe3＋＋2I－2Fe2＋＋I2”反应中Fe3＋和Fe2＋的相互转化。实验如下：

(1)待实验Ⅰ溶液颜色不再改变时，再进行实验Ⅱ，目的是使实验Ⅰ的反应达到__________________________________________________________________

______________________________________________________________。

(2)ⅲ是ⅱ的对比实验，目的是排除ⅱ中________造成的影响。

(3)ⅰ和ⅱ的颜色变化表明平衡逆向移动，Fe2＋向Fe3＋转化。用化学平衡移动原理解释原因：____________________________________________________

_______________________________________________________________。

(4)根据氧化还原反应的规律，该同学推测ⅰ中Fe2＋向Fe3＋转化的原因：外加

Ag＋使c(I－)降低，导致I－的还原性弱于Fe2＋，用下图装置(a，b均为石墨电极)进行实验验证。

①K闭合时，指针向右偏转，b作________极。

②当指针归零(反应达到平衡)后，向U形管左管中滴加0.01 mol·L－1 AgNO3溶液，产生的现象证实了其推测。该现象是____________________________________

_______________________________________________________________。

(5)按照(4)的原理，该同学用上图装置进行实验，证实了ⅱ中Fe2＋向Fe3＋转化的原因。

①转化的原因是__________________________________________________

______________________________________________________________。

②与(4)实验对比，不同的操作是_____________________________________

________________________________________________________________。

(6)实验Ⅰ中，还原性：I－＞Fe2＋；而实验Ⅱ中，还原性Fe2＋＞I－。将(3)和(4)、(5)作对比，得出结论是__________________________________________________

__________________________________________________________________。

【解题指导】

原理探究型实验答题过程中答题误区

(1)原理探究实验过程中忽视反应条件设置与控制；回答问题时遗漏某一限制条件；易造成想当然或默认某些条件等错误。

(2)原理探究中易将待探究的原理当成已知内容进行设计，造成明确的探究指向。

(3)原理探究过程中提出的探究点不够完整，遗漏某种情况；有时也会在方案设计中遗漏某一种可能，造成方案不完整，或非此即彼的情况。

(4)原理探究实验设计思路中从已有知识与信息找不到合理的方法，无法将综合探究实验解答完整。

解析　(1) 待实验Ⅰ溶液颜色不再改变，说明其中的可逆反应已达平衡状态。(2) 实验ⅲ中加入1 mL水，目的是排除ⅱ中因加入FeSO4溶液对原溶液稀释，造成溶液颜色变化。(3)ⅰ中加入 AgNO3溶液，Ag＋与I－生成AgI黄色沉淀，c(I－)减小，平衡2Fe3＋＋2I－2Fe2＋＋I2逆向移动。ⅱ中加入 FeSO4溶液，c(Fe2＋)增大，平衡也是逆向移动，c(I2)减小，溶液颜色变浅。(4) ①U形管左管中I－具有强还原性，易发生氧化反应，a极为原电池的负极。U形管右管中Fe3＋具有强氧化性，易发生还原反应，b极为原电池的正极。②在U形管左管中滴加AgNO3溶液后，Ag＋与 I－生成AgI黄色沉淀，I－浓度降低，U形管右管新生成的Fe2＋还原性比I－的强，从而U形管右管易发生氧化反应，作负极，故电流表的指针向左偏转。(5)①按照(4)的离子浓度大小影响离子的还原性的原理，该同学利用原电池装置进行实验，证实了 ⅱ 中Fe2＋浓度增大，还原性增强，使Fe2＋还原性强于I－。②实验ⅱ与实验(4)相比较，实验(4)当指针归零后，可采取向U形管右管中滴加1 mol·L－1 FeSO4溶液，以增加Fe2＋的浓度，使c(Fe2＋)大于c(I－)。(6) 根据实验Ⅰ和实验Ⅱ中c(Fe2＋)和c(I－)的浓度不同知，在其他条件不变时，物质的氧化性和还原性与浓度有关，在平衡时，通过改变物质的浓度，可以改变物质的氧化、还原能力，导致平衡移动。

答案　(1)化学平衡状态

(2)因溶液稀释使溶液颜色变化

(3)Ⅰ中加入Ag＋发生反应：Ag＋＋I－===AgI↓，c(I－)降低；Ⅱ中增大c(Fe2＋)，平衡均逆向移动

(4)①正　②左管产生黄色沉淀，指针向左偏转

(5)①Fe2＋随浓度增大，还原性增强，使Fe2＋还原性强于I－　②向右管中滴加 1 mol·L－1 FeSO4溶液

(6)该反应为可逆氧化还原反应，在平衡时，通过改变物质的浓度，可以改变物质的氧化、还原能力，并影响平衡移动方向

【课堂对点训练】

2．某校化学兴趣小组探究SO2与FeCl3溶液的反应，所用装置如图所示(夹持装置已略去)。

(1)该小组同学预测SO2与FeCl3溶液反应的现象为溶液由棕黄色变为浅绿色，然后开始实验。

FeCl3溶液显酸性的原因是__________________________________________

__________________________________________________(用化学用语解释)。

若用浓硫酸与Cu反应产生SO2，则该反应的化学方程式为________________。

(2)当SO2通入FeCl3溶液至饱和时，该小组同学观察到的现象是溶液由棕黄色变为红棕色，没有观察到丁达尔现象。将混合液放置12小时，溶液才变成浅绿色。

【查阅资料】

Fe(HSO3)2＋为红棕色，它可以将Fe3＋还原为Fe2＋；生成Fe(HSO3)2＋的反应为可逆反应。解释SO2与FeCl3溶液反应生成红棕色Fe(HSO3)2＋的原因：_________________________________________________________________

_____________________________________________(用化学用语解释)。

写出溶液中Fe(HSO3)2＋与Fe3＋反应的离子方程式：_______________________

_______________________________________________________________。

(3)为了探究如何缩短红棕色变为浅绿色的时间，该小组同学进行了步骤②和步骤③的实验。

用铁氰化钾溶液检验步骤②和步骤③所得溶液中的Fe2＋，其现象为________________________________________________________________。

(4)综合上述实验探究过程，可以获得如下实验结论：

a．SO2与FeCl3溶液反应生成红棕色中间产物Fe(HSO3)2＋；

b．红棕色中间产物转变成浅绿色溶液是一个较慢的过程；

c．_________________________________________________________

____________________________________________________________。

解析　(1)Fe3＋水解使FeCl3溶液显酸性。Cu与浓硫酸在加热条件下反应，生成CuSO4、SO2和H2O。(2)SO2与H2O反应生成H2SO3，H2SO3发生电离生成H＋和HSO，Fe3＋与HSO结合生成红棕色的Fe(HSO3)2＋。Fe(HSO3)2＋中铁元素为＋3价，Fe(HSO3)2＋与Fe3＋反应的实质是＋3价铁将HSO氧化为SO，＋3价铁被还原为Fe2＋。(3)用铁氰化钾溶液检验Fe2＋时，生成的Fe3[Fe(CN)6]2为蓝色沉淀。(4)根据步骤②和步骤③的实验探究过程，还可以得出的结论是加热、提高FeCl3溶液的酸性会缩短浅绿色出现的时间。

答案　(1)Fe3＋＋3H2OFe(OH)3＋3H＋

Cu＋2H2SO4(浓)CuSO4＋SO2↑＋2H2O

(2)H2O＋SO2H2SO3、H2SO3H＋＋HSO、Fe3＋＋HSOFe(HSO3)2＋　Fe3＋＋H2O＋Fe(HSO3)2＋===2Fe2＋＋SO＋3H＋

(3)生成蓝色沉淀

(4)加热、提高FeCl3溶液的酸性会缩短浅绿色出现的时间

考点指导3　实验方案的评价

【典例3】　铝镁合金是飞机制造、化工生产等行业的重要材料。研究性学习小组的同学，为测定某含镁3%～5%的铝镁合金(不含其他元素)中镁的质量分数，设计了下列两种不同实验方案进行探究。填写下列空白：

[方案一]

[实验方案]　将铝镁合金与足量NaOH溶液反应，测定剩余固体质量。

实验中发生反应的化学方程式是_______________________________。

[实验步骤]

(1)称取10.8 g铝镁合金粉末样品，溶于体积为V、物质的量浓度为4.0 mol·L－1的NaOH溶液中，充分反应。则NaOH溶液的体积V≥__________mL。

(2)过滤、洗涤、干燥、称量固体。该步骤中若未洗涤固体，测得镁的质量分数将______________(填“偏高”、“偏低”或“无影响”)。

[方案二]

[实验方案]　将铝镁合金与足量稀硫酸溶液反应，测定生成气体的体积。

[实验步骤]

(1)同学们拟选用下列实验装置完成实验：

你认为最简易的装置其连接顺序是A接(　)(　)接(　)(　)接(　)(填接口字母，可不填满)。

(2)仔细分析实验装置后，同学们经讨论认为以下两点会引起较大误差：稀硫酸滴入锥形瓶中，即使不生成氢气，也会将瓶内空气排出，使所测氢气体积偏大；实验结束时，连接广口瓶和量筒的导管中有少量水存在，使所测氢气体积偏小。于是他们设计了如图所示的实验装置。

①装置中导管a的作用是____________________________________________

_____________________________________________________________。

②实验前后量气管中液面读数分别为V1 mL、V2 mL，则产生氢气的体积为__________mL。

③若需确定产生氢气的量，还需测定的数据是___________________。

【思维提示】

答案　方案一：2Al＋2NaOH＋2H2O===2NaAlO2＋3H2↑

(1)97　(2)偏高

方案二：(1)E　D　G

(2)①使分液漏斗内气体压强与锥形瓶内气体压强相等，打开分液漏斗活塞时稀硫酸能顺利滴下；滴入锥形瓶的稀硫酸的体积等于进入分液漏斗的气体体积，从而消除由于加入稀硫酸引起的氢气体积误差　②(V1－V2)　③实验时的温度和压强

【课堂对点训练】

3．某化学课外小组研究乙醇氧化的实验并验证其产物，设计了甲、乙、丙三套装置(图中的支撑仪器均未画出，“△”表示酒精灯热源)，每套装置又划分为①②③三部分。仪器中盛放的试剂：a.无水乙醇(沸点：78 ℃)；b.铜丝；c.无水硫酸铜；d.新制氢氧化铜悬浊液。

(1)简述三套方案各自的优点。

甲：_______________________________________________________________

______________________________________________________________；

乙：_______________________________________________________________

______________________________________________________________；

丙：______________________________________________________________

______________________________________________________________。

(2)集中三套方案的优点，组成一套比较合理完善的实验装置，可按气流由左到右的顺序表示为__________________________________________________

(例如：甲①，乙②，丙③)。

解析　(1)甲的优点在于②，水浴加热能较好地控制温度，使气流平稳、 反应充分。乙的优点在于两干燥管考虑了溶液中水蒸气对产物H2O检验的干扰。丙的优点在①，无水生成，且装置简单。(2)将三套方案的优点组合：取丙①、甲②、乙③可组成一套完善的装置。

答案　(1)甲：②中用热水浴加热，可形成较平稳的乙醇气流，使反应更充分；②中的斜长导管起到冷凝回流乙醇的作用

乙：①与③中的干燥管可防止溶液中的水与无水硫酸铜反应，避免干扰对生成物的检验

丙：①中氧气发生装置中无水生成，且装置简单

(2)丙①，甲②，乙③

【课堂总结】

实验方案设计与评价中的“答题规范”

(1)规范书写试剂名称。

(2)规范书写装置中试剂的用途。如

①除杂装置：除去(或吸收)××杂质，防止干扰(影响)；除去××中的杂质，以免影响测量结果。

②尾气吸收装置：吸收××气体，防止污染空气。

(3)物质检验、鉴别题的描述：

取样，加入××试剂，若有××现象，则有××物质；否则，没有××物质。

(4)规范书写实验现象描述：如“颜色由××变成××”“液面上升或下降(形成液面差)”“溶液变浑浊”等。

(5)规范书写实验方法。

用试管取(收集)少量(适量)××滴加(放、伸)××，若××则××(或出现××现象，证明××)。

(6)规范书写实验操作目的、原因、理由方法。

答题思路：这样做有什么好处、不这样做有什么影响。

好处：直接作用是……根本目的是……

“坏处”：如果(不这样)……那么会(怎样)。