高三化学一轮复习精品课件-10.4化学实验方案的设计与评价

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…………三年14考 高考指数:★★★★1.设计、评价或改进实验方案；2.了解控制实验条件的方法；3.分析或处理实验数据，得出合理的结论；4.绘制和识别典型的实验仪器装置图；5.以上各部分知识与技能的综合应用。
化学实验方案的设计1.化学实验方案设计的基本要求——“四性”
实验原理、实验流程科学合理。
保护人身安全、仪器、环境。
仪器、条件、试剂在中学现有条件下能满足要求。
步骤少、仪器装置简单、节省药品、效果好。
2.化学实验设计的基本内容一个相对完整的化学实验方案一般包括下述内容：(1)实验名称；(2)实验目的；(3)实验原理；(4)实验用品(药品、仪器、装置、设备)及规格；(5)实验装置图、实验步骤和操作方法；(6)实验注意事项；(7)实验现象的记录及结果处理；(8)问题与讨论。
3.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。
4.化学实验方案设计的分类
5.化学实验方案设计的注意事项(1)实验操作顺序。装置选择与连接→气密性检查→加固体药品→加液体药品→开始实验(按程序)→拆卸仪器→其他处理等。(2)加热操作先后顺序的选择。若气体制备实验需加热，应先加热气体发生装置，通入气体排出装置中的空气后，再给实验中需要加热的物质加热。目的是：①防止爆炸(如氢气还原氧化铜)；②保证产品纯度，防止反应物或生成物与空气中的物质反应。熄灭酒精灯的顺序则相反。
(3)实验中试剂或产物防止变质或损失。①实验中反应物或产物若易吸水、潮解、水解等，要采取措施防止吸水；②易挥发的液体产物要及时冷却；③易挥发的液体反应物，需在反应装置中加装冷凝回流装置(如长导管、竖直的干燥管、冷凝管等)；④注意防止倒吸的问题。
(4)选用仪器及连接顺序。
所给仪器全用还是选用，是否可重复使用
是否有除杂和尾气处理装置
自下而上，从左到右，先洗气后干燥
洗气时长进短出，干燥管粗进细出
(5)仪器药品的准确描述。①实验中所用试剂名称：如无水硫酸铜(CuSO4)，硫酸铜溶液，酸性高锰酸钾溶液；澄清石灰水；饱和碳酸氢钠溶液等。②仪器名称：如坩埚、研钵、100 mL 容量瓶。(6)会画简单的实验装置图。考纲要求能够绘制和识别典型的实验仪器装置图，可用“示意装置图”表示。一般能画出简单的装置图即可，但要符合要求，例如形状、比例等。
【高考警示钟】(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。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防变质装置。(3)补画装置图的题目中，装置图画得不准确也会失分。
【典例1】课题式学习是研究性学习的一种方式，其基本模式为： 提出课题 → 确定研究方案 → 解决问题 → 总结和评价如图是关于“一氧化碳的化学性质”的课题式学习中，甲同学设计的证明CO具有还原性的实验装置。
(1)实验时应先点燃_______(填“A”或“B”)处的酒精灯。(2)硬质玻璃管中反应的化学方程式为__________________。
(3)乙同学认为甲装置有待优化，如尾气可先储存在瓶内，然后再处理。如图是他设计的贮气瓶，尾气应从_______(填“a”或“b”)口通入(其他装置略)。(4)丙同学质疑：CO能否使澄清石灰水变浑浊？因此，他设计在CO通入CuO之前，应先通入澄清石灰水，以比较排除CO与澄清石灰水反应，试对此作出评价。你认为丙的设计是否有必要____________，理由是____________________________。(5)如果开始时通入的是CO和CO2的混合气体，则应如何设计才能达到实验目的？________________________________________________。
【解题指南】解答本题要注意以下两点：(1)点燃A处酒精灯之前先检验装置内气体纯度，以防爆炸；(2)通入的如果是CO和CO2的混合气体，应先除去CO2以防干扰。
【解析】(1)(2)应先点燃B处酒精灯，当导管口气体点燃后表示硬质玻璃管内已充满纯净的CO气体。再点燃A处酒精灯，使反应发生：CuO+CO Cu+CO2。(3)要将尾气采用排液法储存在瓶内，应从a口通入。(4)丙的设计不必要，其理由是在酒精灯A点燃前，CO已通过了澄清石灰水。(5)如果开始时通入的是CO和CO2的混合气体，应先通过碱石灰(或NaOH溶液)，除去CO2，排除干扰。
答案：(1)B (2)CuO+CO Cu+CO2 (3)a(4)不必要 在酒精灯A点燃前，CO已通过了澄清石灰水(5)先通过碱石灰除去CO2后再通入装置(其他合理答案也可)
【互动探究】(1)处理尾气还可以采取什么方法？提示：可以用充真空气囊(球)的方法。(2)乙同学设计的装置改进后还可以作安全瓶，来调节气压，如何改进？提示：再在该装置的塞子打一孔，装一长颈漏斗，插到水面以下，导管都改为短导管并高于水面。当气压过高时，气体就将水压入漏斗中，使压强保持恒定。
【变式备选】某研究性学习小组设计实验探究铝等金属的性质：将一置于空气中的铝片投入浓氯化铜溶液中，铝片表面很快出现一层海绵状暗红色物质，接下来铝片上产生大量气泡，产生的气体具有可燃性，触摸容器知溶液温度迅速上升，溶液中有蓝色沉淀生成的同时夹杂着少量黑色物质。(1)铝片表面出现的暗红色物质是__________，放出的气体是___________。(2)蓝色的沉淀中夹杂的少量黑色物质是______，写出生成该物质的化学方程式：__________________。
(3)铝片投入浓氯化铜溶液中，产生气体的速率不断加快的原因除随着反应进行生成铝离子浓度增大，水解程度增大，产生H+的浓度增大外，还有____________________。【解析】(1)铝活泼性大于铜，在水溶液中铝置换出铜，氯化铜溶液水解显酸性，产生的可燃性气体是氢气。(2)生成的蓝色沉淀只能是氢氧化铜，夹杂的黑色物质是氢氧化铜分解生成的氧化铜。(3)反应速率加快的原因主要有：温度升高，形成原电池。
答案：(1)铜或Cu 氢气或H2(2)CuO Cu(OH)2 CuO+H2O(3)该反应放热，温度升高反应加快；铜与铝构成原电池，加快铝溶解(合理即可)
化学实验方案的评价对几个实验方案进行评价，主要从正确与错误、严密与不严密、准确与不准确、可行与不可行等方面作出判断。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； (4)反应速率是否较快。3.安全性方面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.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。
【高考警示钟】化学实验方案主要在以下几个方面容易出现失误：(1)规范方面，如操作、观察、读数等。(2)安全方面，如安全瓶、气体点燃、防暴沸、防倒吸、防污染等。(3)量化方面，如仪器规格的选择、数据记录与处理、误差分析等。(4)创新方面，如装置的改进、方案的优化等。(5)表达方面，如实验现象、实验操作的表述等。
【典例2】某同学想利用图示装置(夹持装置已略去)实验，探究SO2与Na2O2反应的产物。
测得反应前C管的质量为m1 g，反应后C管的质量为m2 g，反应后装置D质量增加了n g。请分析：Ⅰ.装置B的作用___________，装置D的作用___________。Ⅱ.如何检验反应中是否有O2生成______________。Ⅲ.对C中固体产物提出如下假设：假设1：只有Na2SO3，假设2：只有Na2SO4假设3：__________________________________________。
(1)若Na2O2反应完全，为确定C中固体产物的成分，甲同学设计如下实验：将C中的固体配成溶液，加Ba(NO3)2溶液，得到白色沉淀，加足量稀硝酸，沉淀不溶解。得出结论：产物是Na2SO4。该方案是否合理_____________(填“是”或“否”)，理由是_______________________。
(2)若假设1成立，某同学以反应前后C管的质量差(m2-m1) g为依据推断生成Na2SO3的质量为(m2-m1)×126/64 g。老师提示推算不合理,请你分析其中的缘由:____________________。(3)若假设2成立，则参加反应的Na2O2的物质的量为_________(列计算式)ml。
【解题指南】解答本题时应注意以下三点：(1)明确该装置中各仪器的作用；(2)二氧化硫虽然类似二氧化碳，是酸性氧化物，但二氧化硫还原性很强可被过氧化钠氧化；(3)评价实验方案的正误时，要考虑有无副反应。
【解析】Ⅰ：过氧化钠能与水蒸气反应，装置B的作用就是干燥二氧化硫；同时要防止空气进入。Ⅱ：检验氧气的方法是用带火星的木条，观察是否复燃。Ⅲ：假设3为Na2SO3和Na2SO4两者的混合物；(1)该方案不合理，因为硝酸有氧化性，即使产物为亚硫酸钠，生成的亚硫酸钡也被氧化成硫酸钡；(2)若假设1成立，则发生反应2Na2O2+2SO2====2Na2SO3+O2，(m2-m1)不等于参加反应的SO2的质量，故该推算不合理。(3)若假设2成立，则发生反应Na2O2+SO2====Na2SO4，二氧化硫的质量为m2-m1，n(Na2O2 )=(m2-m1)/64
答案：Ⅰ.干燥SO2气体，防止水蒸气与Na2O2反应防止空气中的水蒸气和二氧化碳进入C装置与Na2O2反应；同时吸收过量的SO2，以免污染空气Ⅱ.用带火星的木条靠近干燥管口a，观察其是否燃烧Ⅲ.有Na2SO3和Na2SO4(1)否 HNO3有氧化性，可将 氧化为 ，据此不能确定产物是Na2SO3还是Na2SO4或二者兼有(2)因为该反应中吸收SO2的同时有O2产生，所以(m2-m1)不等于参加反应的SO2的质量，故该推算不合理(3)(m2-m1)/64
【技巧点拨】假设法判断某一实验方案能否达到目的(1)先假设该实验能达到目的；(2)根据该实验列出得出的结论；(3)结合题目中的信息判断该结论是否符合事实。符合事实，则反应成立，反之，不成立。
【实验探究9】——“科学、经济、环保”为据解答方案评价型实验题
【典例】［2011·山东高考·T30(4)］常温下，H2SO3的电离常数Ka1=1.2×10-2，Ka2=6.3×10-3，H2CO3的电离常数Ka1=4.5×10-7，Ka2=4.7×10-11。某同学设计实验验证H2SO3酸性强于H2CO3：
将SO2和CO2气体分别通入水中至饱和，立即用酸度计测两溶液的pH，若前者的pH小于后者，则H2SO3酸性强于H2CO3。该实验设计不正确，错误在于_____________________。设计合理实验验证H2SO3酸性强于H2CO3(简要说明实验步骤、现象和结论)。_______________________________。仪器自选。供选的试剂：CO2、SO2、Na2CO3、NaHCO3、KMnO4、NaHSO3、蒸馏水、饱和石灰水、酸性KMnO4 溶液、品红溶液、pH试纸。
【精讲精析】1.解题关键点比较H2SO3和H2CO3酸性强弱的关键有两个：(1)选择合理、可操作的原理。例如利用水解原理(酸越弱其相应的强碱盐就越易水解，溶液碱性越强)，也可以利用较强的酸制取较弱的酸的原理来检验。(2)根据原理设计严密的实验方案，并准确描述。
2.解题疑惑点(1)为什么不能通过测定H2SO3和H2CO3溶液的pH来验证其酸性强弱如果通过比较两种酸溶液的pH来验证酸性强弱，必须保证两种酸的浓度相同，H2SO3和H2CO3虽然都是二元酸，因SO2和CO2气体的溶解度不同，溶于水后的饱和溶液的浓度不相等，所以该实验设计不正确。
(2)利用较强的酸制取较弱的酸这一原理时，如何避免SO2对CO2检验的干扰SO2和CO2气体均可以使饱和澄清石灰水变浑浊，所以用澄清石灰水检验CO2气体之前必须首先除去CO2气体中混有的SO2气体，并且要确保除尽。除去SO2气体可用酸性KMnO4溶液氧化、检验SO2气体是否除尽可用品红溶液检验。
【参考答案】用于比较pH的H2SO3和H2CO3的物质的量浓度不相等参考方案如下：方案一：配制相同物质的量浓度的NaHSO3和NaHCO3溶液，用酸度计(或pH试纸)测两溶液的pH。前者的pH小于后者，证明H2SO3酸性强于H2CO3
方案二：将SO2气体依次通过NaHCO3(Na2CO3)溶液、酸性KMnO4溶液、品红溶液、澄清石灰水。品红溶液不退色、且澄清石灰水变浑浊，证明H2SO3酸性强于H2CO3方案三：将CO2气体依次通过NaHSO3(Na2SO3)溶液、品红溶液。品红溶液不退色，证明H2SO3酸性强于H2CO3
实验方案评价是高考化学的热点题目，该类试题不仅符合新课改精神，还能综合考查学生的实验能力、分析问题和解决问题的能力。1.评价角度该类题目一般从下面几点思考：(1)操作可行性评价。实验原理是否科学、合理，操作是否简单、可行，基本仪器的使用、基本操作是否正确。
(2)经济效益评价。原料是否廉价、转化率是否高，产物产率是否高。(3)环保评价。原料是否对环境有污染，产物是否对环境有污染，污染物是否进行无毒、无污染处理。2.最佳方案的选择若有几个实验方案都能达到目的，应选出其中最佳的方案。最佳的方案要符合装置最简单、药品最常见且价格低廉、原料利用率高、现象明显、无干扰物质并无污染等。
3.注意问题(1)评价时注意排查有无干扰因素。(2)若要求重新设计实验方案时，要注意两点：①要明确要求，是限制范围的设计还是给定备选药品的设计等；②要严格按照“操作(实验步骤)+现象+结论”的格式叙述。
1.下列实验操作正确的是( )A.用带橡皮塞的棕色试剂瓶存放浓硫酸B.测定某溶液的pH，先用蒸馏水润湿pH试纸，再用洁净、干燥的玻璃棒蘸取该溶液滴在试纸上，并与标准比色卡比较C.分液时，分液漏斗中下层液体从下口放出，上层液体从上口倒出D.用量筒量取18.50 mL 1 ml·L-1的NaOH溶液
【解析】选C。浓硫酸可以腐蚀橡皮塞，A错误；测定某溶液的pH，不能用蒸馏水润湿pH试纸，润湿pH试纸相当于对溶液稀释，B错误；C正确；量筒的精确度为0.1 mL，不能量出18.50 mL溶液，D错误。
2.下列关于实验的叙述正确的是( )A.向Fe(OH)3胶体中逐滴加入过量H2SO4现象是先出现沉淀后溶解B.亚硫酸的酸性弱于硝酸，向Ba(NO3)2溶液中通入SO2无明显变化C.向某溶液中依次加入氯水和硫氰化钾溶液，溶液变红，说明溶液中含有Fe2+D.锌粒与稀硝酸反应制备氢气
【解析】选A。向Fe(OH)3胶体中逐滴加入过量H2SO4，先使胶体聚沉形成氢氧化铁沉淀，过量H2SO4使它溶解，A正确；溶液中含有硝酸根离子，SO2溶于水形成亚硫酸显酸性， 在酸性条件下有强氧化性，可将SO2或 氧化为 ，生成硫酸钡沉淀，B错误；原溶液中含有三价铁离子时，会有同样的现象，C错误；锌粒与稀硝酸反应不产生氢气，D错误。
3.(2012·衡阳模拟)某学生设计了三种制备方案：①用KI晶体与浓硫酸反应制HI；②用浓度均为0.1 ml·L-1的氯化铁和氢氧化钠混合制备氢氧化铁胶体；③用纯碱和石灰水制烧碱，可用的方案是( )A.① B.③ C.②③ D.全部【解析】选B。KI中的I-具有强还原性，不可用氧化性物质制取；制备氢氧化铁胶体应把饱和氯化铁溶液滴入沸水中至液体呈红褐色；用纯碱和石灰水反应除去沉淀制烧碱，只有B正确。
4.下列实验或操作不合理的是( )A.用溴水鉴别苯、乙醇、CCl4B.为准确测定盐酸与氢氧化钠溶液反应的中和热，所用酸和碱的物质的量应相等C.除去乙酸乙酯中少量的乙酸，用饱和碳酸钠溶液洗涤、分液D.某气体能使湿润的红色石蕊试纸变蓝，该气体的水溶液一定显碱性
【解析】选B。选项A中与溴水分层橙色在上层的是苯，橙色在下层的是四氯化碳，混溶的是乙醇，A正确；测定中和热时，为使一种物质完全反应，另一种物质应过量，一般碱过量，选项B错误；饱和碳酸钠溶液中和乙酸，与乙酸乙酯分液就可以除去，选项C正确。
5.下述实验能达到预期实验目的的是( )
【解析】选C。钠先与水反应，生成H2和NaOH，不能将铜置换出来，A错误；10 g硫酸铜晶体中含有的硫酸铜质量小于10 g，B错误；选项D中水解液未加硝酸中和碱，错误。
6.为探究Cl2和SO2同时通入H2O中发生的反应，某化学兴趣小组设计了如图所示的实验装置。
(1)化学兴趣小组的同学采用Na2SO3粉末与70%的硫酸反应制取SO2气体，采用MnO2和浓盐酸反应制取Cl2。已知SO2的溶解度比Cl2大40倍，在此实验中，E仪器的作用是_________；发生装置B应选择以下三种装置中的__________(填序号)。
(2)资料显示等物质的量的Cl2和SO2同时通入H2O中恰好反应生成两种酸，请写出反应的离子方程式_________________。(3)为了不影响产物的检验，小组成员认为上述整套装置有一处不合理，应在___________装置之间(填代号)连接一装置。