2020年高考化学一轮总复习文档：第十一章第35讲实验方案的设计与评价 学案

第35讲　实验方案的设计与评价

1.化学实验方案的设计(主要是物质制备和提纯的方案设计)

(1)化学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，设计合理的装置，并且从几种方案中分析选择出最佳方案。

(2)化学实验方案设计的步骤

(3)物质制备与提纯的实验方案设计

2．化学实验方案的评价

(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)实验方案评价的解题思路

一个实验方案的优劣主要从实验原理是否科学合理，操作与装置是否简单可行，以及绿色化学和安全性的角度去评价。

①从“科学性”和“可行性”方面对实验方案作出评价

评价时可从以下4个方面分析：实验原理是否科学；实验操作是否合理；实验步骤是否简单、方便；实验效果是否明显。

②从“绿色化学”视角对实验方案作出评价

反应原料是否易得、安全、无毒；反应速率是否合适；原料利用率以及生成物的产率是否较高；实验过程中是否造成环境污染。

③从“安全性”方面对实验方案作出评价

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。

1．(2018·南昌市一模)下列实验操作中，对应的实验现象以及实验结论都正确且两者具有因果关系的是(　　)

答案　D

解析　盐酸是无氧酸，不能根据盐酸酸性强弱判断非金属性，应该用高氯酸，A项错误；将氯化铝溶液蒸干析出的白色固体是氢氧化铝，B项错误；苯的密度比水小，溶液分层后，应该是上层呈紫红色，C项错误；铜与浓硫酸加热，生成硫酸铜、二氧化硫、水，表现了浓硫酸的强氧化性和酸性，D项正确。

2．氮化镁(Mg3N2)是工业上应用广泛的离子化合物，常温下为浅黄色粉末，极易与水反应。某校化学兴趣小组用镁与氮气反应制备Mg3N2，并测定氮化镁的纯度。

Ⅰ.制备氮化镁

已知：亚硝酸钠和硫酸铵制取氮气的反应剧烈放热，产生氮气的速率较快。

(1)制取氮气反应的离子方程式为____________________。

(2)实验装置(可重复使用)的连接顺序为a→____，____→____，____→____，____→h，i→____，____(按气流方向，用小写字母表示)。

Ⅱ.测定氮化镁的含量

(3)定性分析

答案　(1)NH＋NON2↑＋2H2O

(2)f　g　b　c　d　e　d　e

(3)试管底部有固体不溶物，有刺激性气味的气体产生

①Mg3N2＋6H2O===3Mg(OH)2＋2NH3↑

②未反应的镁与盐酸反应产生氢气

解析　(1)NaNO2和(NH4)2SO4反应生成N2为归中反应，离子方程式为NH＋NON2↑＋2H2O。

(2)制取的氮气先通过安全瓶，利用硫酸亚铁的还原性除去氧气；为防止水蒸气使氮化镁水解，用浓硫酸干燥氮气；氮气与镁在装置B中反应生成氮化镁，再连接盛有浓硫酸的洗气瓶防止水蒸气进入使氮化镁水解，所以实验装置的连接顺序为a→f，g→b，c→d，e→h，i→d，e。

(3)氮化镁与水反应生成氨气和氢氧化镁，化学方程式为Mg3N2＋6H2O===3Mg(OH)2＋2NH3↑，所以现象为试管底部有固体不溶物，有刺激性气味的气体产生；镁与冷水不反应，镁与盐酸反应放出氢气。

考点　化学实验方案设计

[典例1]　(2015·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。

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，则升华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，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。

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

名师精讲

(1)实验设计的创新往往要体现七个“一”，即一个实验的多种现象，一种实验现象的多种原因，一种装置的多种用途，一种用途的多种装置，一个仪器的多种用法，一种物质的多种制法，一组物质的多种鉴别方法。

(2)选择反应原理的原则：反应条件温和、转化率高、实验操作简便安全、产物便于分离与收集。

(3)实验原理的优化包括实验装置的优化和实验操作顺序的优化。实验装置的优化如增加安全瓶、防倒吸装置、尾气处理装置等；实验操作顺序的优化如先用惰性气体排出装置中的空气，再进行有关实验，最后再用惰性气体将装置中生成的气体排出等。

1. 下图是某同学设计的储气装置(固定装置已略去)，下列说法中，不正确的是(　　)

A．打开止水夹a、b，气体从d管导入，储存在下面的集气瓶里

B．气体被储存在下面的集气瓶里时，c导管也必须安装止水夹

C．取用储存在下面集气瓶里的气体时，通过控制止水夹a、b，可将气体顺利排出

D．该装置也可作为制取二氧化碳气体的发生装置

答案　B

解析　打开止水夹a、b，气体从d管导入，水被压入上面的集气瓶，气体储存在下面的集气瓶里，故A正确；气体被储存在下面的集气瓶里时，液面低于上面的导管口，所以c导管不必安装止水夹，故B不正确；取用储存在下面集气瓶里的气体时，打开止水夹a、b，可将气体顺利排出，故C正确；将石灰石或大理石块置于下面集气瓶，将稀盐酸置于上面集气瓶，该装置也可作为制取二氧化碳气体的发生装置，故D正确。

2．(2018·南昌市一模)POCl3是有机合成的催化剂，研究小组利用Cl2、PCl3和H2O在105～109 ℃下制备POCl3。

已知：①PCl3易被氧化易水解，沸点为76 ℃；②POCl3易水解，沸点为105.8 ℃。

(1)A装置制取氯气，仪器“2”的名称是____________，离子方程式为_________________________________________________________________。

(2)PCl3的电子式为________，仪器“1”的作用是_____________________。

(3)仪器“3”装入的物质是________，当温度为105～109 ℃时，逐滴滴入。制备POCl3的化学反应方程式是

____________________________________________________________。

(4)制备POCl3的关键是必须保证≥3.94，当比值小于3.94时得不到POCl3，原因是______________________________。

(5)装置连接顺序是A—__________，C中盛装的物质是__________。

答案　(1)分液漏斗　2MnO＋10Cl－＋16H＋===2Mn2＋＋5Cl2↑＋8H2O

(2) 　冷凝回流，提高反应物的转化率

(3)水　PCl3＋Cl2＋H2OPOCl3＋2HCl

(4)PCl3、POCl3都发生水解

(5)C—D—C—B　浓硫酸

解析　(1)A装置仪器“2”的名称是分液漏斗；A装置中不需加热，因此用高锰酸钾与浓盐酸反应制取氯气的离子方程式是2MnO＋10Cl－＋16H＋===2Mn2＋＋5Cl2↑＋8H2O。

(2)PCl3所有原子均满足8电子稳定结构，PCl3的电子式是；PCl3沸点为76 ℃，仪器“1”是球形冷凝管，可以使PCl3冷凝回流入三颈瓶中，提高PCl3转化率。

(3)Cl2、PCl3和H2O在105～109 ℃下制备POCl3，PCl3、POCl3易水解，水要逐滴加入，故仪器“3”装入的物质是水；制备POCl3的化学方程式是：PCl3＋Cl2＋H2OPOCl3＋2HCl。

(4)PCl3、POCl3都发生水解，故制备POCl3需要氯气过量，≥1，即≥3.94。

(5)装置A制备氯气、装备B尾气处理、装置C防止水蒸气进入反应器，装置D是反应容器；所以连接顺序是A—C—D—C—B，C中盛放浓硫酸。

考点　化学实验方案的评价

[典例2]　(2017·全国卷Ⅱ)水中的溶解氧是水生生物生存不可缺少的条件。某课外小组采用碘量法测定学校周边河水中的溶解氧。实验步骤及测定原理如下：

Ⅰ.取样、氧的固定

用溶解氧瓶采集水样。记录大气压及水体温度。将水样与Mn(OH)2碱性悬浊液(含有KI)混合，反应生成MnO(OH)2，实现氧的固定。

Ⅱ.酸化、滴定

将固氧后的水样酸化，MnO(OH)2被I－还原为Mn2＋，在暗处静置5 min，然后用标准Na2S2O3溶液滴定生成的I2(2S2O＋I2===2I－＋ S4O)。

回答下列问题：

(1)取水样时应尽量避免扰动水体表面，这样操作的主要目的是

________________________________________________________________。

(2)“氧的固定”中发生反应的化学方程式为

_______________________________________________________________。

(3)Na2S2O3溶液不稳定，使用前需标定。配制该溶液时需要的玻璃仪器有烧杯、玻璃棒、试剂瓶和________；蒸馏水必须经过煮沸、冷却后才能使用，其目的是杀菌、除________及二氧化碳。

(4)取100.00 mL水样经固氧、酸化后，用a mol·L－1 Na2S2O3溶液滴定，以淀粉溶液作指示剂，终点现象为________；若消耗Na2S2O3溶液的体积为b mL，则水样中溶解氧的含量为________mg·L－1。

(5)上述滴定完成时，若滴定管尖嘴处留有气泡会导致测定结果偏________。(填“高”或“低”)

解析　(1)本实验为测定水样中的溶解氧，如果扰动水体表面，会增大水体与空气的接触面积，增大氧气在水中的溶解量。避免扰动水体表面是为了使测定值与水体中的实际值保持一致，避免产生误差。

(2)由题意知，反应物为O2和Mn(OH)2，生成物为MnO(OH)2，因此该反应的化学方程式为O2＋2Mn(OH)2===2MnO(OH)2。

(3)配制溶液时还需要量筒量取液体体积；煮沸可以使蒸馏水中的氧气挥发，达到除去氧气的目的。

(4)由于混合液中含有碘单质，加入淀粉时，溶液为蓝色；滴定时，Na2S2O3与碘反应，当碘恰好完全反应时，溶液蓝色刚好褪去，且半分钟内颜色不恢复。由各反应关系可建立如下关系式：O2～2Mn(OH)2～2I2～4S2O，由题意知，滴定消耗Na2S2O3的物质的量为ab×10－3 mol，因此0.1 L水样中溶解氧的物质的量＝×10－3 mol，质量为×10－3 mol×32 g·mol－1＝8ab×10－3 g＝8ab mg，即溶解氧的含量为80ab mg·L－1。

(5)滴定完成时，滴定管尖嘴处留有气泡，会使最后的读数偏小，测得消耗Na2S2O3的体积偏小，所以测量结果偏低。

答案　(1)使测定值与水体中的实际值保持一致，避免产生误差

(2)O2＋2Mn(OH)2===2MnO(OH)2

(3)量筒　氧气

(4)蓝色刚好褪去　80ab

(5)低

名师精讲

实验方案设计与评价要注意的问题

(1)实验装置的组合顺序一般为气体发生→除杂质→干燥→主体实验→尾气处理。

(2)接口的连接顺序：总体上遵循装置的排列顺序，但对于吸收装置应“长”进“短”出(或“深”入“浅”出)；量气装置应“短”进“长”出；洗气装置应“长”进“短”出；干燥管应“粗”进“细”出。

(3)实验操作顺序：气体制备实验的一般顺序为装置选择与连接→气密性检验→装固体药品→加液体药品→开始实验→拆卸仪器→其他处理等。

(4)加热操作注意事项：主体实验加热前一般应先通原料气赶走空气后再点燃酒精灯，如H2还原CuO，CO还原Fe2O3；或用Mg和N2制备Mg3N2等。反应结束时，应先熄灭酒精灯，继续通原料气直到冷却为止。

(5)尾气处理：有毒气体常用溶液(或固体)吸收或点燃使其转化为无毒气体后再排放。

(6)气体的纯度：点燃或加热可燃性气体(如H2、CO、CH4等)前，必须检查气体的纯度。

(7)倒吸问题：实验过程用到加热操作的一般要防倒吸；气体易溶于水的要防倒吸。

(8)冷凝回流问题：有易挥发的液体反应物时，为了充分利用原料，要在发生装置中设计冷凝回流装置。

(9)拆卸时的安全性和科学性：实验仪器的拆卸要注意安全性和科学性，有些实验为防止“爆炸”或“氧化”，应考虑何时停止加热或停止通气，如有尾气吸收装置的实验，必须将通尾气的导管提出液面后才能熄灭酒精灯，以免造成溶液倒吸；拆卸用排水法收集且需要加热制取气体的装置时，需先把导管从水槽中取出，再熄灭酒精灯，以防止水倒吸。拆下的仪器要清洗、干燥、归位。

3．CuCl广泛应用于化工和印染等行业。某研究性学习小组拟热分解CuCl2·2H2O制备CuCl，并进行相关探究。

【资料查阅】

【实验探究】　该小组用下图所示装置进行实验(夹持仪器略)。

请回答下列问题：

(1)仪器X的名称是____________________。

(2)实验操作的先后顺序是a→________→e(填操作的编号)。

a．检查装置的气密性后加入药品

b．熄灭酒精灯，冷却

c．在“气体入口”处通入干燥HCl

d．点燃酒精灯，加热

e．停止通入HCl，然后通入N2

(3)在实验过程中，观察到B中物质由白色变为蓝色，C中试纸的颜色变化是____________________。

(4)装置D中发生的氧化还原反应的离子方程式是_______________。

【探究反思】

(5)反应结束后，取出CuCl产品进行实验，发现其中含有少量的CuCl2或CuO杂质，根据资料信息分析：

①若杂质是CuCl2，则产生的原因是________________________。

②若杂质是CuO，则产生的原因是______________________________。

答案　(1)干燥管　(2)cdb　(3)先变红，后褪色　(4)Cl2＋2OH－===ClO－＋Cl－＋H2O　(5)①加热时间不足或温度偏低　②通入HCl的量不足

解析　(2)实验操作中应先通氯化氢气体，再点燃酒精灯，反应结束后，先熄灭酒精灯，再停止通入氯化氢气体，故实验操作的先后顺序为a→c→d→b→e。

(3)实验过程中，由于通入氯化氢气体，多余的氯化氢气体能使湿润的蓝色石蕊试纸变红；又由于反应过程中产生氯气，氯气与水反应生成的HClO能漂白试纸而使试纸褪色。

(4)装置D中发生的氧化还原反应为氯气与氢氧化钠溶液的反应，离子方程式为Cl2＋2OH－===Cl－＋ClO－＋H2O。

(5)①由于加热时间不足或温度偏低，CuCl2·2H2O失去结晶水后生成CuCl2，CuCl2没有完全分解；②通入的氯化氢气体不足，反应过程中CuCl2水解生成Cu2(OH)2Cl2，Cu2(OH)2Cl2分解而生成CuO。

4．(2018·成都市二诊)工业上乙醚可用于制造无烟火药。实验室合成乙醚的原理如下。

主反应：2CH3CH2OHCH3CH2OCH2CH3＋H2O

副反应：CH3CH2OHH2C===CH2↑＋H2O

【乙醚制备】装置设计如下图(部分装置略)

(1)仪器a是________(写名称)。仪器b应更换为下列的________(填序号)。

A．干燥器  B．直形冷凝管

C．玻璃管  D．安全瓶

(2)实验操作的正确排序为________(填序号)，取出乙醚立即密闭保存。

a．安装实验仪器

b．加入12 mL浓硫酸和少量乙醇的混合物

c．检查装置气密性

d．熄灭酒精灯

e．通冷却水并加热烧瓶

f．拆除装置

g．控制滴加乙醇速率与馏出液速率相等

(3)加热后发现a中没有添加碎瓷片，处理方法是________________________。反应温度不超过145 ℃，其目的是____________。若滴入乙醇的速率显著超过馏出液速率，反应速率会降低，可能原因是__________________。

【乙醚提纯】

(4)粗乙醚中含有的主要杂质为________。无水氯化镁的作用是________。

(5)操作a的名称是________。进行该操作时，必须用水浴代替酒精灯加热，其目的与制备实验中将尾接管支管通入室外相同，均为_________________。

答案　(1)三颈烧瓶　B　(2)acbegdf　(3)停止加热，将烧瓶中的溶液冷却至室温，再重新加入碎瓷片　避免副反应发生　温度骤降导致反应速率降低　(4)乙醇　干燥乙醚　(5)蒸馏　避免引发乙醚蒸气燃烧或爆炸

解析　(1)仪器a是三颈烧瓶。仪器b是球形冷凝管，为避免冷凝时积液，应更换为直形冷凝管。

(2)实验操作的正确排序为a.安装实验仪器→c.检查装置气密性→b.加入12 mL浓硫酸和少量乙醇的混合物→e.通冷却水并加热烧瓶→g.控制滴加乙醇速率与馏出液速率相等→d.熄灭酒精灯→f.拆除装置，取出乙醚立即密闭保存。

(4)粗乙醚中含有的主要杂质为未反应的乙醇；无水氯化镁的作用是干燥乙醚。