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第6章 第1-4节 化学实验方案的设计与评价
考纲解读
考点展示
1.根据实验现象，观察、记录、分析或处理数据，得出结论。
2.根据实验试题要求，设计或评价实验方案
1.利用限定的仪器装置、药品，根据题目要求进行实验方案的设计。
2.利用部分实验环节，根据题目要求设计完整的实验方案
3.对给出的实验方案作出科学的评估，选出最佳方案
第一节 制备实验方案的设计与评价
【真题再现】（2011全国卷I.28）
氢化钙固体登山运动员常用的能源提供剂。某兴趣小组长拟选用如下装置制备氢化酸；同时为防止空气中水蒸气进入，最后还需要连接干燥管，所以正确的顺序为：i→e，f→d，c→j，k（或k，j）→a；
（2）由于多余的氢气需要燃烧反应掉，所以应该先收集一部分气体并检验其纯度，反应结束后还需要使氢化钙在氢气的氛围中冷却，所以应该最后关闭分液漏斗活塞，因此正确的顺序为BADC；
（3）氢化钙中H显－1价，极易与水反应生成氢氧化钙和氢气，方程式为：CaH2＋2H2O=Ca(OH)2＋H2↑；因为金属钙与水反应也会生成氢氧化钙和氢气，同样会出现上述现象，所以该同学的判断不正确。
（4）由于氢化钙中含有氢元素，因此氢化钙的燃烧产物有水，所以可以利于无水硫酸实验操作和现象：
操作
现象
关闭弹簧夹，滴加一定量浓硫酸，加热
A中有白雾生成，铜片表面产生气泡
B中有气泡冒出，产生大量白色沉淀
C中产生白色沉淀，液面上方略显浅棕色并逐渐消失
打开弹簧夹，通入N2，停止加热，一段时间后关闭
从B、C中分别取少量白色沉淀，加稀盐酸
均未发现白色沉淀溶解
⑴A中反应的化学方程式是 。
⑵C中白色沉淀是 ，该沉淀的生成表明SO2具有 性。
⑶C中液面上方生成浅棕色气体的化学方程式是 。
⑷分析B中不溶于稀盐酸的沉淀产生的原因，甲认为是空气参与反应，乙认为是白雾参与反应。
①为证实各自的观点，在原实验基础上：
甲在原有操作之前增加一步操作，该操作是 ；
乙在A、B间增加洗气瓶D，D中盛放的试剂是 。
甲
大量白色沉淀
乙
少量白色沉淀
②进行实验，B中现象：
⑵H2SO4 还原
⑶2NO+O22NO2
⑷①通N2一段时间，排除装置中的空气 饱和NaHSO3溶液 ②甲：SO42－+Ba2＋BaSO4↓，乙：2Ba2＋+2SO2+O2+2H2O2BaSO4↓+4H＋ 白雾的量远多于装置中O2的量
⑸SO2与可溶性钡的强酸盐不能反应生成BaSO3沉淀
第三节 知识与方法归纳
一、知识网络
二.化学实验设计与评价的要求
(1) 科学性
科学性是化学实验方案设计的首要原则。所谓科学性是指实验原理、实验操作程序和方法必须正确。例如，鉴别Na2SO3和NaI，在试剂的选择上就不宜选用硝酸等具有氧化性的酸，在操作程序的设计上，应取少量固体先溶解，然后再取少量配成的溶液并再加入试剂，而不能将样品全部溶解或在溶解后的全部溶液中加入试剂。
(2) 安全性
实验设计时应尽量避免使用有毒的药品和进行具有一定危险性的实验操作。如果必须使用，应在所设计的化学实验方案中详细写明注意事项，以防造成环境污染和人身伤害。
(3) 可行性
实验设计应切实可行，所选用的化学药品、仪器、设备和方法等在中学现有的实验条件下能够得到满足。 (4) 简约性
实验设计应尽可能简单易行，应采用简单的实验装置、用较少的实验步骤和实验药品，并能在较短的时间内完成实验。
对同一个化学实验，可以设计出多种实验方案，并对它们进行选择。选择采用的实验设计方案，应具有效果明显、操作安全、装置简单、用药少、步骤少、时间短等优点。
三.化学实验设计的一般思路
① 接受信息。接受、分析、筛选信息，明确实验设计的课题、条件和要求。
② 实验设计原理。通过对新旧信息的加工，实现制定的实验设计。从设计的要求及解决问题的顺序分析，大致有以下两个层次：一是实验方案的选定。二是实验装置与实验操作的设计。
③ 设计实验内容。见上。
1. 设计思想、规律和方法
（1）思考问题的顺序：
① 围绕主要问题思考。例如：选择适当的实验路线、方法；所用药品、仪器简单易得；2. 设计时，应全方位思考的问题
（1）检查气体的纯度，点燃或加热通有可燃性气体（H2、CO、CH4、C2H4、C2H2等）的装置前，必须检查气体的纯度。例如用H2、CO等气体还原金属氧化物时，需要加热金属氧化物，在操作中，不能先加热，后通气，应当先通入气体，将装置内的空气排干净后，检查气体是否纯净（验纯），待气体纯净后，再点燃酒精灯加热金属氧化物。
（2）加热操作先后顺序的选择。若气体发生需加热，应先用酒精灯加热发生气体的装置，等产生气体后，再给实验需要加热的固体物质加热。目的是：一则防止爆炸（如氢气还原氧化铜）；二则保证产品纯度，防止反应物或生成物与空气中其它物质反应。例如用浓硫酸和甲酸共热产生CO，再用CO还原Fe2O3，实验时应首先点燃CO发生装置的酒精灯，生成的CO赶走空气后，再点燃加热Fe2O3的酒精灯，而熄灭酒精灯的顺序则相反，原因是：在还原性气体中冷却Fe可防止灼热的Fe再被空气中的O2氧化，并防止石灰水倒吸。
（3）冷凝回流的问题。有的易挥发的液体反应物，为了避免反应物损耗和充分利用原料，要在发生装置设计冷凝回流装置。如在发生装置安装长玻璃管等。
（4）冷却问题。有的实验为防止气体冷凝不充分而受损失，需用冷凝管或用冷水或冰水冷凝气体（物质蒸气），使物质蒸气冷凝为液态便于收集。
（5）防止倒吸问题。
（6）具有特殊作用的实验改进装置。如为防止分液漏斗中的液体不能顺利流出，用橡皮管连接成连通装置；为防止气体从长颈漏斗中逸出，可在发生装置中的漏斗末端套住一只小试
3．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剩余
若药品和装置只部分给出，则应需要作必要的补充，若有剩余，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、确定操作步骤都作了限定，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)药品的规格
有些题目要求指出药品的名称，如有些药品的准确描述为：硫酸铜粉末、澄清石灰水、酸性
第6章 第5节 专题跟踪演练
1.某工业废水中仅含下表离子中的5种（不考虑水的电离及离子的水解），且各种离子的物质的量浓度相等，均为0.1mol/L。
阳离子
K+ Cu2+ Fe3+ Al3+ Fe2+
阴离子
Cl- CO32- NO3- SO42- SiO32-
甲同学欲探究废水的组成，进行了如下实验：
Ⅰ．用铂丝蘸取少量溶液，在火焰上灼烧，无紫色火焰（透过蓝色钴玻璃观察）。
Ⅱ．取少量溶液，加入KSCN溶液无明显变化。
Ⅲ．另取溶液加入少量盐酸，有无色气体生成，该无色气体遇空气变成红棕色，此时溶液依然澄清，且溶液中阴离子种类不变。
Ⅳ． 向Ⅲ中所得的溶液中加入BaCl2溶液，有白色沉淀生成。
请推断：
（1）由Ⅰ、Ⅱ判断，溶液中一定不含有的阳离子是 （写离子符号）。
（2）Ⅲ中加入少量盐酸生成无色气体的的离子方程式是_________________________。
（3）将Ⅲ中所得红棕色气体通入水中，气体变无色，所发生的化学方程式为
_______________________________________________________________
（4）甲同学最终确定原溶液中所含阳离子是 ，阴离子是 。（写离子符号）
（5）另取100mL原溶液，加入足量的NaOH溶液，充分反应后过滤，洗涤，灼烧至恒重，得到的固体质量为 g。
（6）工业废水中常含有不同类型的污染物，可采用不同的方法处理。以下是乙同学针对含不同污染物的废水提出的处理措施和方法，其中正确的是（ ）
选项
污染物
处理措施
方法类别
A
废酸
加生石灰中和
物理法
B
Cu2+等重金属离子
加硫酸盐沉降
化学法
C
含复杂有机物的废水
通过微生物代谢
物理法
D
碱性的废水
用CO2来中和
化学法
2.可利用下图中的实验装置测定足量铜与适量一定浓度的浓硝酸反应生成的NO气体和NO2气体的物质的量之比（用m表示），其中装置C由广口瓶和量气管组成，量气管由甲、乙两根玻璃管组成，用橡皮管连通，并装入适量水，甲管有刻度（0mL～50mL），乙管可上下移动。
回答下列问题：
（1）实验中气体（NO和NO2）发生装置应选择 （填装置序号）。
（2）实验中的气体（NO和NO2）通入C装置，请在下图的广口瓶中将导气管画出。
⑴首先根据上图所示，组装实验装置，并在加入试剂前先进行 操作。
⑵烧杯中用NaOH溶液吸收的物质是： (填化学式)，利用倒置的漏斗而不是将导气管直接深入烧杯中的目的是： 。
⑶加热烧瓶20分钟，烧瓶中发生反应的化学方程式是： 。待烧瓶中反应基本结束，撤去酒精灯，利用烧瓶中的余热使反应进行完全。然后由导管a通入足量的空气，以确保烧瓶中的SO2气体全部进入烧杯中。在该实验装置中的
(填仪器名称)起到了确保硫酸体积保持不变的作用。
⑷将充分反应后的烧杯取下，向其中加入足量的酸化的双氧水，再加入足量的BaCl2溶液，再进行 、 、 后称量硫酸钡的质量为13.98g，请计算能与铜反应的硫酸的浓度最低是 。
⑸有的同学提出在上面⑷中可以不必加入酸化的双氧水，直接进行后面的实验，也能得到准确的数据，请结合你的理解分析是否需要加入双氧水及原因：
。
4. 某研究性学习小组对过量炭粉与氧化铁反应的气体产物成分进行研究。
（1）提出假设 ①该反应的气体产物是CO2。
②该反应的气体产物是CO。
③该反应的气体产物是 。
（3）设计方案 如图所示，将一定量的氧化铁在隔绝空气的条件下与过量炭粉完全反应，测定参加反应的碳元素与氧元素的质量比。
（3）查阅资料
氮气不与碳、氧化铁发生反应。实验室可以用氯化铵饱和溶液和亚硝酸钠（NaNO2）
饱和溶液混合加热反应制得氮气。
请写出该反应的离子方程式： 。
（4）实验步骤
①按上图连接装置，并检查装置的气密性，称取3.20g氧化铁、2.00g碳粉混合均匀，放入48.48g的硬质玻璃管中；
②加热前，先通一段时间纯净干燥的氮气；
③停止通入N2后，夹紧弹簧夹，加热一段时间，澄清石灰水（足量）变浑浊；
④待反应结束，再缓缓通入一段时间的氮气。冷却至室温，称得硬质玻璃管和固体总质量为52.24g；
⑤过滤出石灰水中的沉淀，洗涤、烘干后称得质量为2.00g。
步骤②、④中都分别通入N2，其作用分别为 。
（5）数据处理
试根据实验数据分析，写出该实验中氧化铁与碳发生反应的化学方程式：
。
（6）实验优化 学习小组有同学认为应对实验装置进一步完善。
①甲同学认为：应将澄清石灰水换成Ba(OH)2溶液，其理由是 。
②从环境保护的角度，请你再提出一个优化方案将此实验装置进一步完善：
。
5. 某校化学兴趣小组设计了图示实验装置（图中省略了夹持仪器）来测定某铁碳合金中铁的质量分数。
⑴ m克铁碳合金中加入过量浓硫酸，未点燃酒精灯前，A、B均无明显现象，其原因是
①常温下碳与浓硫酸不反应；② 。
⑵写出加热时A中碳与浓硫酸发生反应的化学方程式 。
⑶B中的现象是： ；C的作用是： 。
⑷待A中不再逸出气体时，停止加热，拆下E并称重，E增重bg。则铁碳合金中铁的质量分数为 (写表达式)。
⑸甲同学认为利用此装置测得铁的质量分数偏大，请你写出可能的原因：
。
⑹最后对所得测量结果进行评价，小组内有同学提出，本套装置在设计上存在多处缺陷而导致实验结果不准确，其中会导致铁质量分数测量值偏低是(任答一条即可)
。
6. 海水蕴含着丰富的资源。在化学实验室里模拟从海水中提取重要的工业原料氯化钠时，设计了以下操作流程：
请回答以下问题：
（1）在所提供的试剂中选择：试剂C是
①Na2CO3 ②BaCl2 ③稀盐酸
（2）操作b中用到的主要仪器为酒精灯、 、三脚架和玻璃棒。
（3）利用所得的氯化钠制氯气和氢气，并检验氯气的氧化性和测定产生氢气的体积。试按下图所给仪器，设计一套能完成以上实验目的装置，仪器接口的正确连接顺序是：
A接 ， 接 ；B接 ， 接 。
（4）写出通入C后，烧杯中所发生的离子反应方程式
（5）电解氯化钠溶液时的离子方程式为 [
若装入的饱和食盐水为75mL，接通电源一段时间，停止通电后，测得氢气为8.4mL（标准状况）。将U形管内的溶液混合均匀，其pH约为_______ 。（假设电解前后溶液体积变化可忽略不计，产生的气体全部逸出）
（6）若想准确读取所得氢气的体积，应采取的操作有
7.我国制碱工业的先驱——侯德榜先生，1939年发明了著名的侯氏制碱法，其核心反应原理可用如下化学方程式表示： NH3+CO2+NaCl+H2O NH4Cl+NaHCO3（晶体）,
依据此原理，欲制得碳酸氢钠晶体，某校学生设计了如下实验装置，其中B装置中的试管内是溶有氨和氯化钠的溶液，且二者均已达到饱和。
（1）A装置中所发生反应的离子方程式为________________________。
C装置中稀硫酸的作用为___________________________________________。
（2）下表中所列出的是相关物质在不同温度下的溶解度数据（g/100g水）
温度
溶
解
盐 度
0℃
10℃
20℃
30℃
40℃
50℃
NaCl
35.7
35.8
36.0
36.3
36.6
37.0
NaHCO3
6.9
8.1
9.6
11.1
12.7
14.5
NH4Cl
29.4
33.3
37.2
41.4
45.8
50.4
参照表中数据，请分析B装置中使用冰水的目的是 。
（3）该校学生在检查完此套装置气密性后进行实验，结果没有得到碳酸氢钠晶体，指导教师指出应在 装置之间（填写字母）连接一个盛有 的洗气装置，其作用是 。
（4）若该校学生进行实验时，所用饱和食盐水中含NaCl的质量为5.85g，实验后得到干燥的NaHCO3晶体的质量为5.04g，则NaHCO3的产率为 。
8. 工业上将纯净干燥的氯气通入到物质的量浓度为0.375mol/LNaOH溶液中得到漂水。某同学想在实验室探究Cl2性质并模拟制备漂水，下图是部分实验装置。已知KMnO4与盐酸溶液反应可以制取Cl2。
（1）配制物质的量浓度为0.375 mol/LNaOH溶液时，主要用到的玻璃仪器有烧杯、玻璃棒、胶头滴管、量筒和 。
（2）浓硫酸的作用是 。
（3）装置E中发生化学反应的离子方程式为 。
（4）装置B中饱和NaCl溶液可用于除去Cl2中的HCl气体，已知氯气与水的反应是一个可逆反应，请简述饱和NaCl溶液除去Cl2中HCl气体的原理（用离子方程式表示和文字说明） 。
（5）实验时装置D中湿润的红色纸条褪色，干燥部分没有褪色，放置一段时间后，纸条全部褪色。该同学认为Cl2的密度比空气大，可能是试管下部Cl2的浓度大于试管上部Cl2的浓度所导致的。请判断该解释是否合理，并分析产生上述实验现象的原因 ；如需改进，请简述设计方案 （若认为合理。则此问可不作答）。
（6）氯元素含量为10%的漂水溶液355g，其中含NaClO的物质的量为 mol。
9. 某化学学习小组对铝与酸和碱的反应进行探究，过程如下。
实验I：
（1）取形状、大小均相同的铝丝分别与等体积的、PH相同的盐酸、稀硫酸反应，随反应进行，盐酸中生成气体的速率明显比硫酸中生成气体的速率快，对此原因，你认为合理的猜测是下列的 （填写相应的字母）;
a. 盐酸的物质的量浓度大于硫酸的物质的量浓度
b. Cl－能促进此反应的进行
c. SO42－能抑制此反应的进行
d.硫酸使铝发生钝化
（2）为了探究反应速率不同的原因，请你根据所提供的药品，填写实验方案中的空白部分。
药品：氯化钠固体、硫酸钠固体、硫酸铜固体、氯化铜固体、6mol/L盐酸、3mol/L硫酸、18.4mol/L硫酸、5mol/L硝酸。
方案：取两支试管，分别加入形状、大小均相同的铝丝和等体积的 （填写相应的试剂，下同），再向其中的一支试管中加入适量的 固体并振荡使固体溶解，观察实验现象。
实验探究：略。
实验II：
取足量的形状、质量均相同的铝丝分别与等体积的6mol/L的盐酸、6mol/L氢氧化钠溶液反应，待反应停止后取出剩余的铝丝洗净、干燥、称量，剩余铝丝的质量关系是前者 后者（填“大于”或“小于”或“等于”）；观察反应后的液体，发现铝与盐酸反应后所得的液体是黑色浑浊的，试管底部有少量黑色沉淀，对此现象，同学们进行了如下探究：
（1）提出猜想
同学们查找资料后获得如下信息：工业上用电解法冶炼铝所用的原料氧化铝是从铝土矿中提取的，所以得到的氧化铝中可能还含有微量的氧化铁和二氧化硅两种杂质，据此，同学们提出如下猜想：
猜想1：此黑色固体是铁单质，可能是电解得到的铝与杂质反应生成的，相应的化学反应方程式为 ；
猜想2：此黑色固体是硅单质，是电解得到的铝与二氧化硅反应生成的。
猜想3：此黑色固体是铝单质，是铝与盐酸反应时因反应过快而变成粉末分散到溶液中；
猜想4：此黑色固体可能是上述若干种单质组成的混合物。
（2）设计实验方案并完成相关实验：
将反应后所得的液体进行过滤、洗涤，分别取少量固体置于两支试管中，完成下列实验：
① 向其中的一支试管中加入足量的稀盐酸，观察固体是否溶解。实验时发现固体完全溶解，证明猜想 一定不正确（填“1”、“2”、“3”、“4”）。
② 向另一试管中加入足量的氢氧化钠溶液，观察固体是否溶解。实验时发现固体完全溶解，证明猜想 一定不正确（填“1”、“2”、“3”、“4”）；
（3）得出结论
综合实验①②的现象，可推知猜想 （填“1”、“2”、“3”、“4”）是正确的，固体溶解在氢氧化钠溶液中的离子方程式为： 。
第六 章 第五节专题跟踪演练
参考答案
5、⑴ 常温下Fe遇浓硫酸发生钝化
⑵ C + 2H2SO4(浓) ＝ CO2↑ + 2SO2↑ + 2H2O
⑶ 品红溶液褪色（或“颜色变浅”） 除尽反应产物中的SO2气体
⑷ （11m－3b）/11m
⑸ 装置内的CO2难以赶尽，导致E质量增重偏小
⑹ SO2不一定能全部被品红、KMnO4除去或E中碱石灰会吸收空气中的CO2、H2O(其它合理的也对)
6、（1） ① （2） 蒸发皿
（3）A接 G ， F 接 H ； B接___D __，___E _接___ C _
（4） Cl2+ 2OH - ==Cl - +ClO - +H2O
（5）2Cl - + 2H2O 2OH - + Cl2↑+ H2↑ pH约为12
（6）量筒中液面和广口瓶液面相平；读数时视线与量筒凹液面相平；待整套装置恢复至室温时再行读取数据。
7、
（1） CaCO3+2H+=Ca2++CO2↑+H2O；吸收从B装置中的试管内逸出的氨气，减少对环境的污染
（2）温度越低，碳酸氢钠的溶解度越小，便于析出
（3）A与B； 饱和NaHCO3溶液（其他合理答案均可给分）；除去CO2中混合的HCl气体
（4）60%
8、（1）容量瓶（2）干燥氯气
（3）Cl2 + 2OH— = Cl— + ClO— + H2O
（4）HCl溶于水电离出的H+和饱和NaCl溶液中的Cl— 都会对反应Cl2 + H2O H+ + Cl—+ HClO 起到抑制作用
（5）不合理；实验进行中Cl2与湿润红色纸条中的水反应生成HClO使湿润的红色纸条褪色，干燥部分没有HClO，所以纸条不褪色，放置一段时间，由于水分子运动会导致整个纸条湿润而褪色。
取一塑料板将干燥的红色纸条和湿润的红色纸条分别贴在塑料板两侧，将该装置放入装置D中。或将氯气先通入装有干燥的红色纸条的试管，再通入装有湿润的红色纸条的试管中。
（6）0.5
9、实验I：（1）bc；（2）3mol/LH2SO4、氯化钠固体（或6mol/LHCl、硫酸钠固体）
实验II：大于（1）2Al+Fe2O32Fe + Al2O3；
（2）①2；②1；
（3）3，2Al+2OH-+2H2O=2AlO2-+3H2↑；

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