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专题六　实验方案设计与评价
一、实验设计
1．设计要求
实验设计要科学，安全可靠，操作简便，药品经济，现象明显。
2．一般流程
(1)根据某一主题，“发现问题”“提出猜想”“确定假设”；
(2)根据假设设计实验方案；
(3)通过实验收集证据或实验现象；
(4)作出假设是否成立的结论；
(5)对结论进行反思与评价。
3．解题方法
(1)分析题给条件，明确实验目的；
(2)根据反应原理，选择恰当的仪器和药品；
(3)对仪器装置进行科学的连接；
(4)制定操作步骤；
(5)结合物质性质，根据实验现象，得出正确的结论。
注意：在进行实验方案设计时要特别注意水的处理。
(1)水作为杂质要除去：要先除去其他杂质，后干燥。
(2)水作为产物的检验：先检验水，再检验其他产物。
(3)水的定量测量：前后都要排除外来水的干扰。
二、实验评价
1．评价内容
实验方案的评价包括实验原理的评价、方案的评价、实验装置的评价、实验操作的评价、实验现象的描述与结论分析的评价等。
2．评价方法
(1)化学反应原理是否正确，是否与实验目的相符；
(2)实验装置是否科学、优化、安全；
(3)操作方法是否可行，简捷；
(4)绿色化学的理念是否符合，对环境是否会造成污染；
(5)推理过程是否严密。
考向一　探究物质成分的实验设计
【例1】已知碳酸易分解，草酸与碳酸有相似的化学性质，在受热的条件下草酸也会分解，仅生成三种氧化物。我校研究性学习小组对此展开探究：
[提出问题]生成的三种氧化物是什么？
[查阅资料]无水硫酸铜是一种白色粉末，遇水变成蓝色硫酸铜晶体。化学方程式为：CuSO4(白色粉末)＋5H2O===CuSO4·5H2O(蓝色晶体)
[提出猜想]生成的氧化物中有H2O、CO2和CO。
[实验探究]张亮将生成的气体，依次通过如图所示装置，验证猜想。
(1)观察到A中__________，证明生成物中有水。
(2)B中澄清石灰水变浑浊，证明______________。
(3)D中红色粉末是__________(填化学式)，实验现象______________。
[交流讨论]
陈军认为：张亮不需要E装置也能够推断出生成物中有一氧化碳。你是否支持陈军的观点：________(填“支持”或“不支持”)，请说出你的理由：______________________。
陈军还认为：从环保的角度来看，此装置有一个缺陷，请你指出该缺陷：________________，处理的方法是____________________。
解析：因水与白色CuSO4粉末会发生化学反应生成蓝色晶体，若看到A中白色粉末变蓝色，则证明产物中有水生成；可利用CO的还原性来确定CO的存在，这样D中的红色粉末为Fe2O3，与CO反应后变黑色且E中澄清石灰水变浑浊；因为这三种气体中只有CO能将红色的氧化铁变黑色，故陈军的观点也是正确的，但此装置中未反应的CO随尾气排入了大气造成污染，可将尾气回收利用。
答案：(1)白色粉末变为蓝色
(2)生成了二氧化碳
(3)Fe2O3　红色粉末变为黑色，E中澄清石灰水变浑浊
[交流讨论]支持　因为在这三种气体中，只有一氧化碳有还原性，能将氧化铁还原为铁　没有进行尾气处理　点燃尾气或收集尾气或尾气再利用
根据使用的实验装置和涉及的反应原理，对实验现象进行合理的预测，关键是要理解装置中物质在反应时可能产生的现象。在描述实验现象时，要注意语言的准确和简洁。
考向二　仪器组合装置的实验设计
【例2】化学是一门以实验为基础的学科，化学所取得的丰硕成果，与实验的重要作用是分不开的。结合如下图所示的实验装置回答问题：
(1)写出图中带标号仪器的名称：①________，②________。
(2)若实验室对你开放，请从上图中选择合适的装置，制取一种你熟悉的气体。你想制取的气体是________，选择的发生装置是__________(填序号，下同)，选择的收集装置是________，选择此收集装置的理由是________________________________________________。
(3)装置B虽然操作简便，但无法控制反应速率。请从上图中选取________(填序号)取代B中的单孔塞，以达到控制反应速率的目的。
解析：(2)气体的发生装置是由反应物的状态和反应条件决定的；若反应物为固体，且需加热，应选A装置；若反应物为固体和液体，而且反应不需加热，应选装置B。气体的收集装置是由气体的密度及在水中的溶解性决定的；若气体不易溶于水，可用排水法收集；若气体的密度比空气的大，且不与空气的成分发生反应，可用向上排空气法收集；若气体密度比空气的小，且不与空气的成分反应，可用向下排空气法收集。
(3)若用图中的H装置代替B中的单孔塞，可通过控制滴加液体的量来控制反应速率。
答案：(1)酒精灯　长颈漏斗
(2)O2　B　C(或D)　氧气的密度比空气的大(或氧气不易溶于水)(其他合理答案均可)
(3)H
考向三　对不同实验方案的评价
【例3】(2011·四川乐山中考)下列每组对比实验不能达到实验目的的是(　　)。
选项 实验设计 实验目的
实验一 实验二
A 将带火星的木条伸入装有5 mL 5%的过氧化氢溶液的试管中 将带火星的木条伸入装有少量MnO2和5 mL 5%的过氧化氢溶液的试管中 探究催化剂对化学反应速率的影响
B 将铁丝放入2 mL 10%的硫酸铜溶液中 将银丝放入2 mL 10%的硫酸铜溶液中 探究铁、铜、银三种金属的活动性顺序
C 将5 g氯化钠加入20 mL 20 ℃的水中 将5 g硝酸钾加入20 mL 10 ℃的水中 比较两种物质溶解度大小
D 将植物嫩叶浸泡在10 mL蒸馏水中 取10 mL蒸馏水，通入过量二氧化硫气体，再将植物嫩叶浸泡其中 模拟酸雨的危害
解析：A中过氧化氢溶液的体积和浓度相同，实验一中没有催化剂，实验二用了催化剂，可以比较催化剂对化学反应速率的影响，故A正确；B中实验一将铁丝放入2 mL 10%的硫酸铜溶液中能比较出铁、铜的金属活动性顺序，实验二将银丝放入2 mL 10%的硫酸铜溶液中能比较出银、铜的金属活动性顺序，通过这两个实验可比较出铁、铜、银三种金属的活动性顺序；C中实验一和实验二的温度不同，无法比较两种物质溶解度大小；将植物嫩叶放在等体积的水中和通入二氧化硫气体的水中可以比较酸雨的危害，故D正确。
答案：C
1．文文的家庭化学实验室有如下物品：①试管　②烧杯
③煤气和煤气炉　④托盘天平　⑤筷子　⑥铁钉　⑦食盐　⑧食醋　⑨澄清石灰水　⑩牵牛花汁　 水　 饮料吸管　 胶头滴管　 小勺。只利用这些物品不能完成的实验是(　　)。
A．探究人体吸入的空气和呼出的气体中CO2含量的不同
B．探究牵牛花汁是否可作指示剂
C．探究加速食盐溶于水的有效方法
D．探究铁钉锈蚀的条件
2．某气体可能含有水蒸气、CO、H2中的一种或几种。为了确定其成分，最佳的方案是将气体依次通过装置(　　)。
A．甲、乙、丙 B．丙、乙、甲
C．丙、甲、乙、丙 D．丙、甲、丙、乙
3．(2011·河南中考)下列实验不能达到实验目的的是(　　)。
4．认真对实验现象进行观察和分析，有助于获得化学知识并学会简单的科学探究方法。下列结论是对实验现象分析得出的。其中正确的是(　　)。
A．某固体物质加到水中，液体温度升高，则该固体一定是氧化钙
B．向某固体中滴加稀盐酸，有气泡产生，则该固体中一定含有碳酸根
C．某固态化肥与熟石灰混合研磨产生氨味，证明该化肥一定是铵态氮肥
D．把燃着的木条伸入无色气体中，木条火焰熄灭，该气体一定是二氧化碳
5．某学生设计的下列四个实验方案中，理论上正确，操作上可行，经济上合理的是(　　)。
A．CuCuCl2Cu(OH)2
B．H2OO2MgO
C．CaCO3CaOCa(OH)2溶液NaOH溶液
D．MgCl2Mg(OH)2Mg
6．如下图所示，小明将两根含硫火柴点燃后迅速伸入烧杯B中，片刻后取出火柴，振荡烧杯A，观察到高锰酸钾溶液褪色。小明认为是火柴燃烧生成的二氧化硫使高锰酸钾溶液褪色。小红认为这个实验还不足以说明褪色原因，应补做一个实验。
(1)你认为小明应该补做的实验是什么？
____________________________________________________________。
(2)补做该实验的目的是什么？
____________________________________________________________。
7．小洁发现妈妈在面粉中加入一种白色粉末，做出的蛋糕、馒头疏松多孔。她很感兴趣，想探究这种“神奇粉末”的成分。通过对市场上相关产品进行调查，她发现了如下图所示的三种商品，认为妈妈使用的白色粉末是以下三种商品中的一种。
商品
成分 碳酸钠 碳酸氢钠 碳酸氢钠、有机酸
用法 面粉加水揉和成面团，发酵后产生酸味，加入适量食用纯碱，反复揉和，加热即可制成松软的馒头 面粉无需发酵，直接加入适量小苏打，加水调和，放入烤箱加热即可制成疏松多孔的糕饼 面粉与发酵粉按比例拌匀，放入适量温水揉和，放置一段时间，即可蒸、烘、烤制成疏松多孔的各种食品
(1)纯碱的化学式是________，这三种商品都能在使用过程中产生一种气体，使做成的食品疏松多孔，这种气体是________。
(2)小洁通过阅读纯碱和小苏打的用法，推测出小苏打不同于纯碱的化学性质是__________________。
(3)根据获得的信息，小洁设计实验方案，在实验室探究这种白色粉末的成分。
实验操作 实验现象 实验结论
①取少量白色粉末于试管中，加入适量蒸馏水 固体溶解，无其他明显现象 ________
②______________ 有无色气泡产生 白色粉末一定是纯碱
实验反思：老师提示小洁第②步实验得出的结论有不足之处，请你帮助小洁改进实验方案，确认白色粉末的成分，并完成实验报告。
实验操作 实验现象 实验结论
8．(2011·山东烟台中考)某化学兴趣小组利用下图装置探究制取气体的原理、方法及性质。结合装置图，回答下列问题：
(1)写出图中标号仪器的名称：a________，b________。
(2)用双氧水和二氧化锰制取氧气时，可选用的发生装置是__________(填上图字母)，可选用C装置收集氧气，其原因是__________________________。
(3)实验室常用氯化铵固体与碱石灰固体共热来制取氨气(NH3)，应选择的发生装置是________________(填上图字母)。
(4)该小组设计了如下图所示的实验装置，既可用于制取气体，又可用于探究物质性质。
①当打开K1、关闭K2时，利用Ⅰ、Ⅱ装置，可进行的实验是__________(填字母)。
a．大理石与稀盐酸反应制取二氧化碳
b．锌与稀硫酸反应制取氢气
②当打开K2、关闭K1时，可以利用Ⅰ、Ⅲ装置制得二氧化碳并验证其性质。实验室制取二氧化碳的化学方程式是__________________________；若要证明二氧化碳能与水发生反应，应向烧杯的水中加入____________________。
9．现有如下图所示的实验装置：
现有稀硫酸、CuO、Fe粉三种物质，请设计两种制取铜的实验方案。填写下表。
实验方案 有关反应的化学方程式 选用装置(填字母代号)
方案一
方案二
在以上两个设计方案中，你认为__________操作更合理，更简便。
10．实验室有一保管不当的试剂瓶，其残缺的标签中只剩下“Na”字样。已知它是无色液体，是初中化学常用的无机试剂。小宏同学为探究其成分进行了猜想，并设计实验进行验证，有关内容见下表：
猜想 设计的实验步骤 可能的现象与结论
猜想一：可能是氢氧化钠溶液 用试管取少量样品，向其中滴入两滴酚酞试液 若酚酞溶液变为红色，则猜想成立。若酚酞溶液无明显变化，则猜想不成立
猜想二：？ 用试管取少量样品，向其中先滴入适量的用硝酸酸化的硝酸钡溶液，然后滴入硝酸银溶液 若溶液先没有明显变化，后出现白色沉淀，则猜想成立。若与上述现象不同，则猜想不成立
猜想三：？ 用试管取少量样品，向其中先加入适量盐酸酸化，然后滴入氯化钡溶液 若溶液先没有明显变化，后出现白色沉淀，则猜想成立。若与上述现象不同，则猜想不成立
请你参与这一探究活动，根据上表回答下列问题：
(1)小宏的猜想二是____________________________________。如果猜想成立，则产生沉淀的化学反应方程式为__________________。
(2)小宏的猜想三是____________________________________。如果猜想成立，则产生沉淀的化学反应方程式为______________________。
(3)小宏同学对猜想一所描述的实验现象和得出的结论是否正确？请判断并说明理由。____________________________________。
(4)除了小宏的三种猜想，请你再补充一种猜想，模仿上述过程，设计简单的实验方案并验证你的猜想，将有关内容填入下表。
你补充的猜想 设计的实验步骤 可能的现象与结论
11．将过量的Na2CO3溶液滴入到一定量CuSO4溶液中得到蓝色固体。某研究性学习小组对蓝色固体的成分进行了如下探究。请完成下列各题：
(1)猜想与假设：
猜想一：固体为CuCO3，理由：________________________________(用化学反应方程式表示)。
猜想二：固体为Cu(OH)2，理由：Na2CO3溶液呈______(填“酸”或“碱”)性。
猜想三：固体为Cu(OH)2和CuCO3的混合物。
(2)资料查阅：
①Cu(OH)2和CuCO3晶体均不带结晶水；
②Cu(OH)2、CuCO3受热易分解，各生成对应的两种氧化物。
(3)设计与实验：
Ⅰ．固体的获取：
①将反应后的固、液混合物经________、洗涤、低温烘干得蓝色固体。
②判断固体已洗净的方法及现象______________________________________________。
Ⅱ．用下图所示装置，定性探究固体的成分。
③若用装置A、B组合进行实验，B中无现象，则猜想________正确；
④若用装置A、C组合进行实验，C中无现象，则猜想________正确；
⑤小组同学将装置按A、______、______(填“B”或“C”)的顺序组合进行实验，验证出猜想三是正确的，实验中：B中的现象为____________________________，C中的现象为____________________________。
结论：固体为Cu(OH)2和CuCO3的混合物。
Ⅲ．固体成分定量测定：
已知Cu(OH)2的分解温度为66～68 ℃，CuCO3的分解温度为200～220 ℃。设固体的组成为aCu(OH)2·bCuCO3。小组同学用热分析仪对固体进行热分解，获得相关数据，绘成固体质量变化与分解温度的关系如图，请根据图示回答下列问题：
⑥写出AB、CD段发生反应的化学方程式：
AB段：____________________________________________________________________；
CD段：____________________________________________________________________。
⑦通过计算可得：a∶b＝________。
⑧若将24.0 g剩余固体继续加热到更高的温度，发现固体质量减少了2.4 g后质量不再改变，写出此过程中可能发生反应的化学方程式：______________________________。
12．下图为常见的实验装置(用途不一)，根据下列要求回答问题，装置可重复使用。提示：H2＋CuOCu＋H2O，无水硫酸铜遇水由白色变为蓝色。
(1)将含有水蒸气的氢气干燥后还原氧化铜，则该气体先要通过装置__________(填序号，下同)。
(2)如果要验证混合气体由H2、CO组成，则需要连接的仪器顺序为______________。
(3)如果要验证混合气体由CO、CO2组成，则需要连接的仪器顺序为______________。
(4)如果要验证混合气体由H2、H2O组成，则需要连接的仪器顺序为______________。
(5)如果要验证混合气体由CO2、CO、H2组成，则需要连接的仪器顺序为__________。
参考答案
专题提升演练
1．D　2．D　3．A　4．C　5．C
6．答案：(1)把火柴换成木条再重复以上实验
(2)说明二氧化碳不能使高锰酸钾溶液褪色(或做对比实验)
7．答案：(1)Na2CO3　CO2　(2)NaHCO3受热易分解，产生CO2
(3)
实验操作 实验现象 实验结论
该白色粉末不是快速发酵粉
取少量白色粉末于试管中，滴加稀盐酸
取少量白色粉末于试管中，塞上带导管的单孔塞，导管另一端伸入澄清石灰水中，加热固体 若产生无色气泡，使澄清石灰水变浑浊。若无明显现象 该白色粉末是小苏打(NaHCO3)该白色粉末是纯碱(Na2CO3)
8．答案：(1)长颈漏斗　锥形瓶
(2)B　氧气的密度比空气的大
(3)A　(4)①b　②CaCO3＋2HCl===CaCl2＋H2O＋CO2↑　石蕊溶液
9．答案：
方案一 ①Fe＋H2SO4===FeSO4＋H2↑②H2＋CuOCu＋H2O B、C
方案二 ①CuO＋H2SO4===CuSO4＋H2O②Fe＋CuSO4===Cu＋FeSO4 D、E
方案二
10．答案：(1)可能是氯化钠溶液　NaCl＋AgNO3===AgCl↓＋NaNO3
(2)可能是硫酸钠溶液　Na2SO4＋BaCl2===BaSO4↓＋2NaCl
(3)不正确；使酚酞溶液变红的不一定是氢氧化钠溶液，碳酸钠溶液等也可使其变红
(4)
你补充的猜想 设计的实验步骤 可能的现象与结论
可能是碳酸钠溶液(或者碳酸氢钠溶液)等 用试管取少量样品，向其中滴入适量的稀硫酸 若能产生无色无味的气体，则猜想成立。若无明显变化，则猜想不成立
11．答案：(1)猜想一：Na2CO3＋CuSO4===CuCO3↓＋Na2SO4
猜想二：碱
(3)Ⅰ．①过滤
②取最后洗涤液少量，滴加适量的稀盐酸(硝酸、硫酸)，无气泡产生；或滴加BaCl2[或Ba(OH)2、Ba(NO3)2]或CaCl2[或Ca(OH)2、Ca(NO3)2]溶液，无沉淀产生(其他合理答案均可)
Ⅱ．③二　④一　⑤C　B　澄清石灰水变浑浊　白色固体变蓝
Ⅲ．⑥Cu(OH)2CuO＋H2O　CuCO3CuO＋CO2↑　⑦2∶1　⑧4CuO2Cu2O＋O2↑
12．答案：(1)B　(2)EAD　(3)DCDBED　(4)ABEA　(5)DCBEAD

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