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第3讲　创新探究综合实验
解题模型(能力课)
【复习目标】　
1．能根据不同情境、不同类型实验特点评价或设计解决问题的简单方案。
2．建立解答创新探究综合实验的思维模型。
3．能正确选用实验装置，掌握控制实验条件的方法。
4．能预测或描述实验现象、分析或处理实验数据、得出合理结论。
要点归纳 · 发掘教材
1.根据物质性质设计实验方案
2．根据物质的结构(或官能团)设计实验方案
【模型构建】
关键能力 · 拓展教材
【典题示例】
【示例】　(2025·北京西城区检测)某化学小组为探究Cu与Fe2(SO4)3溶液的反应，设计实验如表：
实验序号 实验方案 实验现象
ⅰ 振荡试管，观察到溶液变为蓝色，待反应充分后，试管底部有Cu粉剩余
ⅱ 取实验ⅰ中的上层清液，向其中滴加0.1 mol·L－1 KSCN溶液 溶液局部变红，同时产生白色沉淀，振荡试管，红色消失
已知：经检验白色沉淀为CuSCN。
(1)实验ⅰ中发生反应的离子方程式为________________________________________。
(2)实验ⅱ中检测到Fe3＋，依据的实验现象是__________________。
2Fe3＋＋Cu===2Fe2＋＋Cu2＋
溶液局部变红
(3)对实验ⅱ中Fe3＋产生的原因作如下假设。
假设1：Cu与Fe2(SO4)3溶液的反应是可逆反应。
假设2：溶液中的Fe2＋被________氧化。
假设3：在实验ⅱ的条件下，Fe2＋被Cu2＋氧化。
①将假设2补充完整；
②通过查找____________的数据，可定量判断Cu与Fe2(SO4)3溶液的反应是否为可逆反应。
O2
化学平衡常数
(4)设计实验验证假设。
①假设1不成立的实验现象是______________。
②实验ⅲ的目的是________________________。
③溶液a是_____________________。电极材料b、c分别是________、________。
④对比实验ⅱ、ⅳ，结合电极反应，从化学平衡的角度解释实验ⅱ中Fe3＋产生的原因：_____________________。
电流计指针不动
验证假设2是否成立
0.1 mol·L－1 FeSO4溶液
石墨
石墨
见解析
【第三步　设计实验方案进行探究】(4)③
【第四步　分析实验现象，归纳实验结论】(4)①②
(4)④结合假设3分析，实验ⅳ中，c电极附近存在反应Cu2＋＋e－ Cu＋，b电极附近存在反应Fe2＋－e－ Fe3＋，向右侧CuSO4溶液中滴加KSCN溶液，SCN－与Cu＋结合生成CuSCN沉淀，c(Cu＋)降低，使Cu2＋＋e－ Cu＋平衡正向移动，导致Fe2＋－e－ Fe3＋平衡正向移动，电路中产生电流。由上述分析可知，实验ⅱ中Fe3＋产生的原因是溶液中存在平衡Cu2＋＋e－ Cu＋、Fe2＋－e－ Fe3＋，滴加KSCN溶液，Cu2＋＋e－ Cu＋平衡正向移动，导致Fe2＋－e－ Fe3＋平衡正向移动，有Fe3＋生成。
【模型构建】
XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX
见解析
见解析
(3)针对实验Ⅲ、Ⅳ进行分析：
①实验Ⅲ中“溶液变为绿色”的原因是_____________________________________________(用离子方程式表示)。
②实验Ⅳ中“静置5 min，绿色变浅，有棕黑色沉淀生成”的可能原因：____________________(写出两点即可)。
见解析
解析：【第一步　明确探究问题】探究溶液酸碱性对锰化合物和Na2S2O3氧化还原反应的影响。
【第二步　找寻影响因素(变量)】由题意可知，影响因素为溶液酸碱性。
【第三步　控制变量，定多变一】设计实验Ⅰ、Ⅱ、Ⅳ：其他条件不变，改变加入试剂a的种类(H2SO4溶液、蒸馏水、NaOH溶液)。
【第四步　分析实验现象，归纳实验结论】
教考互应　命题溯源悟真谛——考教衔接突出创新性应用性
真题导向
【示例】　(2024·广东卷，17)含硫物质种类繁多，在一定条件下可相互转化。
(1)实验室中，浓硫酸与铜丝反应，所产生的尾气可用________(填化学式)溶液吸收。
(2)工业上，烟气中的SO2可在通空气条件下用石灰石的浆液吸收，生成石膏。该过程中，________(填元素符号)被氧化。
序号 V(Na2CO3)/mL V(H2O)/mL V(滤液)/mL V消耗(盐酸)/mL
a 100.0 0 V0 2V1/5
b 80.0 x V0 3V1/10
(4)兴趣小组继续探究反应(Ⅰ)平衡的建立，进行实验。
①初步实验　将1.00 g硫酸钙(M＝136 g·mol－1)加入100.0 mL 0.100 mol·L－1 Na2CO3溶液中，在25 ℃和搅拌条件下，利用pH计测得体系的pH随时间的变化曲线如图。
②分析讨论　甲同学根据t2 min后pH不改变，认为反应(Ⅰ)已达到平衡；乙同学认为证据不足，并提出如下假设：
假设1　硫酸钙固体已完全消耗；
假设2　硫酸钙固体有剩余，但被碳酸钙沉淀包裹。
③验证假设，乙同学设计如下方案，进行实验。
步骤 现象
ⅰ.将①实验中的反应混合物进行固液分离 —
ⅱ.取少量分离出的沉淀置于试管中，滴加________ ________，沉淀完全溶解
ⅲ.继续向ⅱ的试管中滴加________ 无白色沉淀生成
④实验小结　假设1成立，假设2不成立。①实验中反应(Ⅰ)平衡未建立。
⑤优化方案、建立平衡　写出优化的实验方案，并给出反应(Ⅰ)平衡已建立的判断依据：
_________________________________________________________。
[试题立意]　本题属于实验探究情境中的研究型实验，是以硫及其化合物的性质和探究性实验为载体，考查考生对化学语言与概念、物质转化与应用、反应变化与规律以及实验原理与方法的掌握情况，涉及氧化还原反应、沉淀的转化、物质的量浓度的测定、变量控制、反应速率的计算、实验步骤和实验现象的补充以及实验方案的优化等。与《课程标准》学业质量水平3中“能选择合适的实验试剂和仪器装置，控制实验条件，安全、顺利地完成实验”“能基于现象和数据进行分析推理得出合理结论”以及学业质量水平4中“能对实验方案、实验过程和实验结论进行评价，提出进一步探究的设想”的要求吻合。
[教材溯源]　(1)知识的来源：本题的前两个小题均源于教材中相关内容；(2)素材的应用：第3小题用碳酸钠除硫酸钙的素材源于人教版选择性必修1第85页中的沉淀转化的应用。
(4)由结论假设1成立，假设2不成立，说明①实验中的沉淀均为CaCO3，要验证沉淀中无CaSO4，可酸溶后滴加BaCl2。将①实验中的反应混合物进行固液分离后，取少量分离出的沉淀置于试管中，滴加过量稀盐酸，有气体产生，沉淀完全溶解，继续滴加BaCl2溶液，无白色沉淀生成，说明沉淀均为CaCO3，无CaSO4；
[考教衔接]　(1)在备考时，要注意引导学生对教材中提供的素材进行深入地分析，特别是每章节的后半部分涉及知识在生产、生活中的应用素材，要结合各章节所学知识从结构、性质、反应原理等进行分析，体现学以致用的思想。(2)引导学生掌握以下四点内容：一是实验探究题型的常见类型和基本特征；二是探究前的假设；三是探究过程中的变量控制、条件的控制、试剂的选择、实验方案的补充和设计、实验现象的描述；四是探究结论的叙述。(3)本题型的简答题相对较多，因此备考时要引导学生掌握解答目的类、作用类、理由类、实验现象类、实验步骤类、实验结论类等不同类型简答题的答题要点和表述方法，提高学生的语言表达能力。
真题体验
(2024·湖北卷，18)学习小组为探究Co2＋、Co3＋能否催化H2O2的分解及相关性质，室温下进行了实验Ⅰ～Ⅳ。
已知：[Co(H2O)6]2＋为粉红色、[Co(H2O)6]3＋为蓝色、[Co(CO3)2]2－为红色、[Co(CO3)3]3－为墨绿色。回答下列问题：
(1)配制1.00 mol·L－1的CoSO4溶液，需要用到下列仪器中的________(填标号)。
bc
不能
吸收转化过程中产生的H＋，促使反应正向进行
实验Ⅲ初步表明[Co(CO3)3]3－能催化H2O2的分解，写出H2O2在实验Ⅲ中所发生反应的离子方程式
_____________________________________________、
________________________________________________。
2H2O2[Co(CO3)3]3－2H2O＋O2↑
(4)实验Ⅳ中，A到B溶液变为蓝色，并产生气体；B到C溶液变为粉红色，并产生气体。从A到C所产生的气体的分子式分别为________、________。
CO2
O2
1．(16分)某研究性学习小组通过下列实验验证AgI沉淀的生成会使I2的氧化能力增强，可将Fe2＋氧化。
回答下列问题：
(1)由AgNO3固体配制0.1 mol·L－1的AgNO3溶液50 mL，下列仪器中不需要使用的有___________________(填名称)，配制好的溶液应转移到__________(填试剂瓶的名称)中保存。
蒸馏烧瓶、分液漏斗
棕色细口瓶
(2)步骤1的实验现象是________；步骤2无明显现象；步骤3最终的实验现象是溶液中生成黄色沉淀，________________。由此可知，步骤3反应的离子方程式为____________________________________。
(3)为了确证AgI的生成使I2的氧化能力增强而将Fe2＋氧化，学习小组在上述实验基础上进行补充实验：分别取少量的________________和步骤3试管中的上层清液于试管a和试管b中，向两支试管中加入过量的___________，观察到的现象为_______________________________。
溶液变蓝
溶液蓝色褪去
I2＋2Fe2＋＋2Ag＋===2AgI↓＋2Fe3＋
步骤2中的溶液
KSCN溶液
试管a中溶液不变红，试管b中溶液变红
解析：(3)由于步骤2的溶液中有亚铁离子而没有铁离子，要确证AgI的生成使I2的氧化能力增强而将Fe2＋氧化，只要证明步骤3的溶液中存在氧化产物铁离子即可，由实验知，步骤2溶液中有碘与淀粉混合液和亚铁离子，步骤3中加入了足量的硝酸银溶液，则上层清液中有银离子与铁离子。
实验装置如图(夹持装置略)：
(1)B中试剂是________________。
(2)通入Cl2前，实验Ⅱ、Ⅲ中沉淀由白色变为棕黑色的化学方程式为________________________________________。
(3)对比实验Ⅰ、Ⅱ通入Cl2后的实验现象，对于二价锰化合物还原性的认识是________________________________________。
饱和NaCl溶液
2Mn(OH)2＋O2===2MnO2＋2H2O
Mn2＋的还原性随溶液碱性的增强而增强

②取实验Ⅲ中放置后的1 mL悬浊液，加入4 mL 40% NaOH溶液，溶液紫色迅速变为绿色，且绿色缓慢加深。溶液紫色变为绿色的离子方程式为____________________________________，溶液绿色缓慢加深，原因是MnO2被________(填化学式)氧化，可证明实验Ⅲ的悬浊液中氧化剂过量。
③取实验Ⅱ中放置后的1 mL悬浊液，加入4 mL水，溶液紫色缓慢加深，发生反应的离子方程式是_______________________________。
④从反应速率的角度，分析实验Ⅲ未得到绿色溶液的可能原因：_____________________。
解析：在装置A中HCl与KMnO4发生反应制取Cl2，由于盐酸具有挥发性，在装置B中盛有饱和NaCl溶液，除去Cl2中的杂质HCl，在装置C中通过改变溶液的pH，验证不同条件下Cl2与MnSO4反应，装置D是尾气处理装置。(2)通入Cl2前，Ⅱ、Ⅲ中Mn2＋与碱性溶液中的OH－反应产生Mn(OH)2白色沉淀，该沉淀不稳定，会被溶解在溶液中的氧气氧化为棕黑色的MnO2，则沉淀由白色变为棕黑色的化学方程式为2Mn(OH)2＋O2===2MnO2＋2H2O。
3．(15分)(2024·北京卷，19)某小组同学向pH＝1的0.5 mol·L－1的FeCl3溶液中分别加入过量的Cu粉、Zn粉和Mg粉，探究溶液中氧化剂的粒子及其还原产物。
(1)理论分析
依据金属活动性顺序，Cu、Zn、Mg中可将Fe3＋还原为Fe的金属是________。
Mg、Zn
(2)实验验证
实验 金属 操作、现象及产物
Ⅰ 过量Cu 一段时间后，溶液逐渐变为蓝绿色，固体中未检测到Fe单质
Ⅱ 过量Zn 一段时间后有气泡产生，反应缓慢，pH逐渐增大，产生了大量红褐色沉淀后，无气泡冒出，此时溶液pH为3～4，取出固体，固体中未检测到Fe单质
Ⅲ 过量Mg 有大量气泡产生，反应剧烈，pH逐渐增大，产生了大量红褐色沉淀后，持续产生大量气泡，当溶液pH为3～4时，取出固体，固体中检测到Fe单质
①分别取实验Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ中的少量溶液，滴加K3[Fe(CN)6]溶液，证明都有Fe2＋生成，依据的现象是________________。
②实验Ⅱ、Ⅲ都有红褐色沉淀生成，用平衡移动原理解释原因________________________。
产生蓝色沉淀
Fe3＋水解方程式为Fe3＋＋3H2O Fe(OH)3＋3H＋，加入的Mg或Zn会消耗H＋，促进Fe3＋水解平衡正向移动，使其转化为Fe(OH)3沉淀
③对实验Ⅱ未检测到Fe单质进行分析及探究。
ⅰ.a.甲认为实验Ⅱ中，当Fe3＋、H＋浓度较大时，即使Zn与Fe2＋反应置换出少量Fe，Fe也会被Fe3＋、H＋消耗。写出Fe与Fe3＋、H＋反应的离子方程式_____________________________________。
2Fe3＋＋Fe===3Fe2＋、2H＋＋Fe===Fe2＋＋H2↑
b.乙认为在pH为3～4的溶液中即便生成Fe也会被H＋消耗。设计实验__________________________(填实验操作和现象)。证实了此条件下可忽略H＋对Fe的消耗。
c.丙认为产生的红褐色沉淀包裹在Zn粉上，阻碍了Zn与Fe2＋的反应。实验证实了Zn粉被包裹。
向pH为3～4的稀盐酸中加铁粉，一段时间后取出少量溶液，滴加K3[Fe(CN)6]溶液，不产生蓝色沉淀　
ⅱ.查阅资料：0.5 mol·L－1 Fe3＋开始沉淀的pH约为1.2，完全沉淀的pH约为3。
结合a、b和c，重新做实验Ⅱ，当溶液pH为3～4时，不取出固体，向固-液混合物中持续加入盐酸，控制pH<1.2，________________________________________________ (填实验操作和现象)，待pH为3～4时，取出固体，固体中检测到Fe单质。
(3)对比实验Ⅱ和Ⅲ，解释实验Ⅲ的固体中检测到Fe单质的原因__________________________________________________。
加入镁粉后产生大量气泡，使镁粉不容易被Fe(OH)3沉淀包裹
加入几滴KSCN溶液，待溶液红色消失后，停止加入盐酸
解析：实验Ⅰ中，加入过量的Cu，Cu与Fe3＋发生反应2Fe3＋＋Cu===Cu2＋＋2Fe2＋，一段时间后，溶液逐渐变为蓝绿色，固体中未检测到Fe单质；实验Ⅱ中，加入过量的Zn，发生反应Zn＋2H＋===Zn2＋＋H2↑，有气泡产生，pH逐渐增大，使得Fe3＋转化为红褐色沉淀Fe(OH)3，固体中未检测到Fe单质，原因可能是Fe3＋的干扰以及Fe(OH)3沉淀对锌粉的包裹；
4．(12分)某小组利用H2C2O4溶液和酸性KMnO4溶液反应来探究“外界条件对化学反应速率的影响”。实验时，先分别量取两种溶液，然后倒入试管中迅速振荡混合均匀，开始计时，通过测定褪色所需时间来判断反应的快慢。该小组设计了如下的方案。
(1)已知反应后H2C2O4转化为CO2逸出，KMnO4转化为MnSO4。为了观察到紫色褪去，H2C2O4与KMnO4初始的物质的量需要满足的关系为n(H2C2O4)∶n(KMnO4)≥________。
(2)探究温度对化学反应速率影响的实验编号是________(填编号，下同)，可探究反应物浓度对化学反应速率影响的实验编号是________。
(3)实验①测得KMnO4溶液的褪色时间为40 s，忽略混合前后溶液体积的微小变化，0～40 s这段时间内平均反应速率v(KMnO4)＝_______________________________________。
5∶2
②③
①②
1.67×10－4 mol·L－1·s－1(或0.01 mol·L－1·min－1)
(4)该小组的同学实验时发现开始时反应产生气泡非常慢，一段时间后反应产生气泡速率明显加快。其原因可能是________(填标号)。
A.反应放热导致温度升高
B.压强增大
C.生成物的催化作用
D.反应物接触面积增大
AC
该小组对实验①测定反应过程中溶液不同时间的温度，结果如表：
结合实验目的和表中数据，你得出的结论是_______________________________。
时间/s 0 5 10 15 20 25 35 40 50
温度/℃ 25 26 26 26 26 26 26.5 27 27
随着反应的进行反应速率明显加快，但是溶液温度变化不是很大，说明温度不是反应速率明显加快的主要原因
(4)H2C2O4溶液和酸性KMnO4溶液的反应为放热反应，温度升高，反应速率增大，生成物Mn2＋对反应也可能有催化作用，而反应在溶液中进行，则压强对反应速率基本没有影响，且随着反应的进行，反应物的面积逐渐减小，故选AC；结合实验目的和表中数据，得出的结论是随着反应的进行反应速率明显加快，但是溶液温度变化不是很大，说明温度不是反应速率明显加快的主要原因。

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