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5.3　实验方案的设计与评价
【回归教材】
知识清单
考点1实验方案的设计(5年4考)
　　1.化学实验方案设计的思路
　　2.化学实验设计时遵循的原则
(1)科学性:实验原理准确、实验流程合理。
(2)安全性:保护人身、保护环境、保护仪器。
(3)可行性:条件允许、效果明显、操作正确。
(4)简约性:做到步骤少、时间短、效果好等基本要求。
3.实验设计的步骤
(1)明确目的、原理
首先必须认真审题,明确实验的目的、要求,弄清题目有哪些新的信息,综合已学过的知识,通过类比、迁移、分析,从而明确实验原理。
(2)选择仪器、药品
根据实验的目的和原理,以及反应物和生成物的性质、反应条件,如反应物和生成物的状态、是否会腐蚀仪器和橡胶、反应是否需要加热及温度是否控制在一定的范围等,从而选择合理的化学仪器和药品。
(3)设计装置、步骤
根据上述实验目的和原理,以及所选用的仪器和药品,设计出合理的实验装置和实验操作步骤,实验步骤应完整而又简明。
(4)记录现象、数据
根据实验观察,全面而准确地记录实验过程中的现象和数据。
(5)分析得出结论
根据实验观察的现象和记录的数据,通过分析、计算、制作图表、推理等处理,得出正确的结论。
4.实验设计的注意事项
(1)药品和装置是部分或刚好给出还是有多余
若药品和装置只部分给出,则需要进行必要的补充,若有多余,则应进行筛选和淘汰。
(2)题目条件有无特殊要求
如采用最简单或最合理的实验步骤,这些要求对我们考虑反应原理、选择药品和装置、确定操作步骤都进行了限定,必须高度重视。
(3)实验过程中的隐蔽性操作
如某些必要的干燥、除杂、冷凝等,这些都是实验中必不可少的,但容易被忽略。
(4)药品的名称及仪器的规格
有些题目要求指出药品的名称,这类问题学生最难答准确,如有些药品的准确描述为硫酸铜粉末、澄清石灰水、浓硫酸、饱和NaHCO3溶液、NaOH溶液等。此外也应注意某些仪器的规格。
考点2实验方案的评价(5年4考)
　　1.对于给出的实验方案设计,要求评价方案的合理性,推断实验中的现象并进行分析,归纳结论(或规律)的题,可结合有关的化学知识和实验技能,从实验的原理、实验仪器和药品、实验操作和注意事项等方面考虑方案的合理性,描述实验现象,得出实验结论。
2.对实验方案要全方位综合地评价。如看方案是否科学合理、具有严密性,操作是否安全、简单易行,是否节约试剂、成本,保证产品质量,是否有利于保护环境等。此外解题时要仔细审题,针对题意,运用评价的各个标准,逐步、逐项全面地分析评价。
核心突破
重难点一、实验方案的设计
例题1 下图是实验室制取某种气体的装置。
(1)仪器组装完毕,下一步的实验操作应该是__________________。
(2)制得所需气体后,请你设计实验方案,验证该气体的一个化学性质。
【温馨提示:从①实验操作、②实验现象、③实验原理(用化学方程式表示)、④实验结论四个方面进行简述。】
【参考答案】
(1)检查装置气密性
(2)若制备二氧化碳,①实验操作:将二氧化碳通入澄清石灰水中;②实验现象:澄清石灰水变浑浊;③实验原理:CO2+Ca(OH)2CaCO3↓+H2O;④实验结论:二氧化碳能与氢氧化钙反应(制备其他气体,实验设计合理即可)。
【解析】反应有气体参与,因此避免气体泄漏,需要验证装置气密性;反应装置为不加热发生装置,可以制取二氧化碳,二氧化碳可使澄清石灰水变浑浊,主要是二氧化碳与澄清石灰水中的氢氧化钙反应生成碳酸钙沉淀和水,设计实验验证二氧化碳需要通过实验操作、实验现象、实验原理和实验结论四个方面进行阐述,另外也可以制取其他气体,只要答案合理即可。
思维破冰 (1)根据有气体参与的反应需要验证装置气密性分析回答此题。
(2)根据装置特点选择制备的气体,然后设计实验验证气体性质。
变式训练
（变题型）某化学兴趣小组欲分离KCl和BaCl2混合溶液,得到都含单一溶质的两种溶液。他们设计了如图所示的实验流程:
供选试剂:K2SO4溶液、Na2CO3溶液、K2CO3溶液、盐酸、稀硫酸。
(1)步骤①中,分离A、B的实验操作名称是________,试剂a是__________________。
(2)沉淀B表面残留少量滤液,需用蒸馏水多次洗涤,为了检验沉淀B是否洗涤干净,可取两份步骤②的最后一次洗涤液分别加入的试剂是________(双选,填字母)。
A.NaOH溶液
B.CaCl2溶液
C.NaCl溶液
D.AgNO3和HNO3混合溶液
(3)步骤③中,发生反应的化学方程式为__________________________________。
(4)要达到预期的目的,还需要改进的方法为__________________________________。
【参考答案】
(1)K2CO3溶液　(2)BD
(3)BaCO3+2HClBaCl2+H2O+CO2↑
(4)加入过量试剂a改为适量的试剂a
【解析】(1)步骤①是将沉淀与滤液分离,实验操作名称是过滤。试剂a是K2CO3溶液,碳酸钾能与氯化钡溶液反应生成碳酸钡沉淀和氯化钾溶液,不会生成新的杂质。
(2)沉淀B是碳酸钡沉淀,表面残留少量滤液是氯化钾和碳酸钾溶液,为了检验沉淀B是否洗涤干净,可取两份步骤②的最后一次洗涤液分别加入的试剂是CaCl2溶液、AgNO3和HNO3混合溶液,分别能检验碳酸钾和氯化钾是否洗涤干净。
(3)步骤③中碳酸钡与试剂b反应,应生成氯化钡溶液,b应为稀盐酸,碳酸钡与稀盐酸反应生成氯化钡、水和二氧化碳,反应的化学方程式为BaCO3+2HClBaCl2+H2O+CO2↑。
(4)滤液A中含有过量的碳酸钾溶液,因此,加入过量试剂a改为适量的试剂a。
重难点二、实验方案的评价
思维破冰 下列探究实验能达到探究目的的是 （ ）
A.探究“同种溶质在不同溶剂里的溶解性”
B.探究“分子在不断运动”
C.探究“CO2与NaOH是否发生化学反应”
D.探究“铁锈蚀的条件”
【参考答案】　B
思维破冰 要注意设计的对照实验之间变量是什么,导致实验结果不同的即为该变量所致;没有对比实验的要思考是否存在其他物质干扰实验,如果有,是否需要设置对照实验;只有单一实验无干扰因素的,分析实验现象推理可得出实验结论,判断实验设计的正误。
变式训练
（变素材）下列操作或方法不能达到实验目的的是 （ ）
选项 操作或方法 实验目的
A 分别闻气味 鉴别氯化钠溶液和白醋
B 将带火星的木条伸入集气瓶内 检验集气瓶内气体是否为氧气
C 加入足量铝粉 除去硝酸铜溶液中的硝酸银
D 将浓硫酸沿着烧杯壁,缓慢地注入水中,并用玻璃棒不停搅拌 稀释浓硫酸
【参考答案】C　【解析】分别闻气味,有酸味的是白醋,没有气味的是氯化钠溶液,A正确;将带火星的木条伸入集气瓶内,若带火星的木条复燃,说明集气瓶内气体是氧气,B正确;硝酸铜和硝酸银均能与足量铝粉反应,不但能把杂质除去,也会把原物质除去,C错误;稀释浓硫酸时,要把浓硫酸慢慢地沿器壁注入水中,同时用玻璃棒不断搅拌,使热量能及时地扩散,一定不能把水注入浓硫酸中,以防酸液飞溅,D正确。
【真题精粹】
考向1实验方案的设计
1.(2023·河北节选)根据如图所示实验回答问题。图中是稀释浓硫酸的实验。试剂X是__________;为使溶解时热量及时散失,防止液滴飞溅,应沿烧杯内壁慢慢倒入并______________________。
2.(2022·河北节选)根据下图所示的实验回答问题。
上图是探究金属化学性质的实验。实验前先用砂纸打磨铝丝的目的是 ____________________________;步骤②中观察到铝丝表面的现象是 ______________________。设计该实验的依据是 ____________________________________。
考向2实验方案的评价
3.(2021·河北)下列实验方案能够达到目的的是 （ ）
A.用点燃的方法除去二氧化碳中少量的一氧化碳
B.用溶解、过滤、蒸发的方法从粗盐中提取纯净的氯化钠
C.分别加入熟石灰研磨、闻气味,鉴别化肥氯化钾和氯化铵
D.分别将镁片、锌片放入硝酸银溶液中,验证镁、锌、银的金属活动性顺序
4.(2020·河北)下图所示的实验方案不能达到实验目的的是 （ ）
A.证明待测溶液呈酸性
B.探究硝酸钾的溶解度与温度的关系
C.探究水的组成元素
D.验证质量守恒定律
【参考答案】
1.浓硫酸　不断地用玻璃棒搅拌
2.除去铝丝表面的氧化铝薄膜　覆盖着一层红色物质　三种金属的活动性顺序是铝>铜>银
【解析】铝丝的表面有一层致密的氧化铝薄膜,实验前先用砂纸打磨铝丝的目的是除去铝丝表面的氧化铝薄膜。铜与硝酸银反应生成硝酸铜和银,①反应后所得溶液为硝酸铜溶液,步骤②中铝能与硝酸铜反应生成硝酸铝和铜,观察到铝丝表面的现象是覆盖着一层红色物质;设计该实验的依据是三种金属的活动性顺序是铝>铜>银。
3.C　【解析】当二氧化碳(不能燃烧、不能支持燃烧)大量存在时,少量的一氧化碳是不会燃烧的,A不能达到目的;用溶解、过滤、蒸发的方法从粗盐中提取得到的氯化钠并不纯净,其中仍含有可溶性杂质,B不能达到目的;氯化钾与熟石灰不反应,氯化铵能与熟石灰反应生成有刺激性气味的氨气,现象不同,可以鉴别,C能达到目的;镁片、锌片都能和硝酸银溶液发生置换反应,说明银最不活泼,但是无法比较镁和锌的金属活动性强弱,D不能达到目的。
4.A　【解析】无色酚酞溶液遇酸性溶液不变色,不能证明待测溶液呈酸性,也可能显中性,A不能达到实验目的;根据加热后硝酸钾能继续溶解,可用于探究硝酸钾的溶解度与温度的关系,B可达到实验目的;电解水生成氢气和氧气,氢气和氧气分别是由氢元素和氧元素组成的,说明水是由氢元素和氧元素组成的,C可达到实验目的;氢氧化钠与硫酸铜溶液反应生成氢氧化铜沉淀和硫酸钠,没有气体逸出,反应前后容器中物质的总质量不变,能直接用于验证质量守恒定律,D可达到实验目的。
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