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扬州市新华中学高三专题复习教学案
专题： 探究性实验设计题的归类解析
设计意图：06年江苏高考化学学科考试说明中指出：“要求学生具有较强的问题意识，在给定的情境中，能通过分析、判断提出有探究价值的问题或课题，能对探究结果等提出恰当的假设，能设计简单的探究课题的方案，能运用比较和分析、归纳和综合等方法对探究方案、探究结论等进行分析和评价，能准确地表述探究结果，并应用探究结果解决相关问题。”本专题意在帮助学生提高发现问题、提出假设、解决问题、应用结论的能力。
专题目标：1、根据实验试题要求，能够设计基本实验方案。
2、运用化学实验知识，能够对实验方案作出分析和判断。
3、提高发现问题、提出假设、解决问题、应用结论的能力。
4、培养学生刻苦钻研的精神。
复习过程：
【问题讨论】
1．探究反应原理
问题一：某研究性学习小组在做Na2O2与水反应实验时，发现Na2O2与水反应后的溶液中滴加酚酞试液溶液呈现红色，但红色很快褪去，甲、乙、丙三同学对此现象分别做了如下推测：甲：因为反应后试管很热，所以可能是溶液温度较高使红色褪去。乙：因为所加水的量较少，红色褪去可能是生成的NaOH溶液浓度较大的影响。丙：Na2O2具有强氧化性，生成物中O2、H2O2(可能产物)等也具有强氧化性，可能是氧化漂白了红色物质。
（1）验证甲同学的推测是否正确的方法是：冷却后加酚酞试液或冷却后看溶液是否变红；
验证乙同学的推测是否正确的方法是加水稀释后看溶液是否变红(或加较多的水反应后滴加酚酞试液看是否变红)当出现冷却后及加水稀释后均不变红现象时，即可说明丙同学的推测正确。
（2）有同学提出用简单实验探究丙同学方案中是否含有H2O2，其方法为在Na2O2与水反应所得的溶液中加MnO2粉末，若产生气泡，即说明产生了H2O2。
分析：如果温度高引起褪色，则应考虑让其恢复到原温度再观察现象；若碱过浓造成褪色，则可加水稀释看是否变红色，或在原红色溶液中加NaOH看红色是否褪去。排除了甲、乙的推测，即说明丙的推测正确。验证溶液中是否有H2O2，可用MnO2作催化剂进行定性检验，也可根据溶液中有H2O2造成O2的量偏少，通过定量实验进行判断，但定量实验操作较繁。
追问：如何证明乙酸与乙醇发生酯化反应时，酸供羟基，醇提供羟基中氢？
CH3C—OH + H—18O—CH2CH3 CH3C—18O—CH2CH3 + H2O
反思总结：
1．对比实验法2．中间产物分析法
3．同位素示踪法
2．探究物质组成
问题二：怎样测定Na2O，Na2O2混合物中Na2O2的含量，简述实验方案。
分析：比较Na2O、Na2O2的化学性质可知，等量的Na2O，Na2O2与某一种物质(如H2O、O2、CO2、盐酸等)反应(或不反应)后所得产物的量有差别，抓住这种差别，再联系常见的测气体的体积、测溶液的浓度和称物质(固体或液体)质量的定量方法，可设计出多种实验方案。
答案：方法一：称取ag混合物置于烧瓶中，由分液漏斗向烧瓶中逐滴加水，待不再产生气体时，调整量筒高度使其中液面与广口瓶中液面相平，读出水的体积VmL(即产生的O2体积)，测出此时的温度、压强，计算出气体摩尔体积为Vm L mol –1。根据O2物质的量计算出Na2O2的质量。
方法二：在一个质量mg的烧杯中称取ag混合物，向其中加入bmL水(足量)，充分反应后称量，直到两次称量结果相差不超过0.1 g(托盘天平)，得烧杯及溶液质量共cg。根据产生的O2的质量( m+a+b-c)计算出Na2O2的量。
方法三：称取ag混合物，加水溶解后配成500mL溶液，取25 mL溶液，滴加酚酞作指示剂，用b mol L–1盐酸滴定，至终点时，用去盐酸c mL。根据混合物质量和溶于水产生的NaOH总物质的量( 2 × 10-2 bc mol)计算出Na2O2的质量。
方法四:：称取ag混合物置于一质量为mg的玻璃管中，从另一端向玻璃管中通CO2，直至过量(即两次称量相差不超过0.1 g)，称得玻璃管及固体共b g。根据反应前后固体的质量计算出Na2O2的质量。
方法五：称取ag混合物，加足量稀盐酸后，将溶液转移到质量为mg的干燥蒸发皿中，蒸发溶剂后，称得蒸发皿和NaCl晶体共bg。根据NaCI的质量( b g-m g )和混合物的质量计算出Na2O2的量。
方法六：称取ag混合物置于一质量为mg的玻璃管中，通入纯的氧气并加热，充分反应后，再缓缓通入氧气，冷却后称量，重复通O2、加热、冷却、称量，到两次称量相差不超过0.1 g，称得玻璃管及固体质量共为bg。根据消耗O2的质量(bg-ag)先算出Na2O的质量，再计算出Na2O2的质量。
追问：如何证明某矿物中含有铁元素？
应将矿石中的铁转化为可溶的Fe3+，再用SCN- 进行确认。
反思总结：
若探究物质的定量成分，则需找出这种成分发生某反应时量的变化，或用一种试剂作用于混合物，其中两种成分发生反应，但等量的两物质消耗试剂的量不同，或生成的产物量不同，据此寻求可能的实验方法，再确定简便、精确可行的实验方案；若探究物质的定性组成，则考虑利用物质的特征反应进行组成确认。
3．探究反应条件
问题三：己知H2O2与KI溶液反应的化学方程式为：H2O2+2KI= I2+2KOH，试用H2O2溶液、KI溶液、淀粉溶液、水等试剂和试管、量筒等仪器，设计一个简单实验来说明与一定量H2O2反应的KI溶液的浓度越大，反应速率越快。
实验步骤为 。
将实验结果填入下表:
分析：H2O2与KI溶液反应生成I2，产生的I2通过与淀粉作用显蓝色而被指示出来。要证明KI浓度对反应速率有影响，应保持H2O2和淀粉浓度不变，而改变KI浓度进行实验，观察生成I2的快慢程度，溶液由无色变蓝色的时间越短，说明反应速率越快。比较反应时间长短可用计时法，也可用同时实验对比法。
答案：取两支试管，试管I中加入淀粉溶液1 mL, KI溶液5 mL，试管II中加入淀粉溶液1 mL，KI溶液1 mL， H2O 4 mL，再同时向两支试管中分别加入H2O2溶液5 mL。
反思总结：
实验探究发生某反应的条件，应围绕条件的控制，设计出不同条件(如浓度大小、温度高低、纯度大小、有无催化剂)下的对比实验，根据实验现象得出结论。
4．探究物质性质
问题四：向集满氯气的集气瓶内加入10~15 mL的水，振荡，然后放入一朵红玫瑰花，20秒后花的颜色开始发生变化，由深变浅，最后完全变成白色。请设计相应的实验方案，探究氯水中可使花朵褪色的是哪些物质。
分析：氯水由水、氯气、盐酸和次氯酸组成，故使玫瑰花褪色的物质可能是水、氯气、盐酸、次氯酸，据此设计出只含这些物质的试剂分别与玫瑰花作用的实验。
答案：
实验一：将一朵红玫瑰花浸入水中，观察现象。
实验二：将一朵红玫瑰花浸入稀HCl中，观察现象口
实验三：将一朵红玫瑰花放入一瓶干燥Cl2气中，观察现象。
实验四：将一朵红玫瑰花浸入稀HClO ( NaClO溶液中通入过量CO2)溶液中，观察现象。
追问：设计实验证明铜的还原性？
铜丝和Cl2反应，铜与弱氧化性物质如H十、S等反应
反思总结：
若探究某种性质是混合物中某一种成分体现的，则应通过相同条件下只改变一个变量的对比实验进行全面探究；若探究某物质的未知性质，应根据组成或结构推断可能的性质，如对一种盐，可从氧化性、还原性、热稳定性、是否水解及其与酸、碱、盐发生复分解反应等角度进行推测，然后设计一实验方案进行验证；若探究的是物质某方面的性质，则应着眼于这种性质的相对强弱，特别注意推出的性质必须准确，不能笼统。
5．探究实验中的出现的问题
问题五：在一次学生实验中，学生用铝片分别跟稀盐酸、稀硫酸反应，发现铝片跟稀盐酸反应现象非常明显，而跟稀硫酸却几乎不反应。这和课本上的内容“铝能跟稀盐酸或稀硫酸起反应生成氢气”不一致，是什么原因呢？为了寻找原因，某学生在教师指导下重新用分析纯浓盐酸和浓硫酸配制了一定浓度的溶液，然后加入1.0×10×25mm、纯度>99.5%的铝片验证是否存在上述现象，实验结果如下表：
反应进程 酸 1min 2min 5min 15min 20min
3mol/LHCl 少量气泡 较多气泡 大量气泡 大量气泡 铝片耗尽
1.5mol/LH2SO4 均无明显现象(无气泡)
3mol/LH2SO4 均无明显现象(无气泡)
无论是用1.5mol/L的稀硫酸还是3mol/LH2SO4，均无明显反应现象。其结论还是与教材的叙述不相符合。
分析：比较两溶液成分差异，一个含氯离子，一个含硫酸根离子，所以，产生现象的原因是氯离子能促进金属铝跟氢离子反应；硫酸根离子对金属铝跟氢离子反应起阻碍作用
（1）为探究“铝跟稀盐酸、稀硫酸反应的差异原因”，你能对问题的答案作出哪些假设（或猜想）？
假设一：氯离子能促进金属铝跟氢离子反应；
假设二：硫酸根离子对金属铝跟氢离子反应起阻碍作用
（2）为了论证上述假设，你设计的实验方案是：（探究过程）
可加入氯化钠、硫酸钠等其它含氯离子、硫酸根离子的中性盐进行验证。
组别 各组酸5mL 添加试剂 反应现象（5min后）
A 3mol/LH2SO4 加入0.5gNaCl晶体（约0.01mol）
B 3mol/LH2SO4 加入1.4gNa2SO4晶体（约0.01mol）
C 3mol/LHCl 加入1.4gNa2SO4晶体（约0.01mol）
D 3mol/LHCl 不加试剂
E 3mol/LH2SO4 不加试剂
反思总结：
化学实验设计的基本思路：
理清化学问题，解析化学本质，构思实验思路，表述实验过程，包括选择试剂、安排操作、
实验现象、实验结论。
【综合提升】1：
研究课题：探究草酸晶体受热分解的产物
查阅资料：通过网络查询，获得草酸及草酸晶体的一些相关知识：
名称 分子式 颜色、状态 溶解性 熔点（℃） 密度(g/cm3)
草酸 H2C2O4 — 易溶于水 189.5 1.900
草酸晶体 H2C2O4·2H2O 无色晶体 — 101.5 1.650
备注：草酸晶体失去结晶水后，175℃以上开始分解。
猜想与假设：
⑴草酸晶体中含有结晶水，受热时会有水生成 ；
⑵分解产物中的气体可能有CO、CO2或它们的混合物。
设计方案：
⑴为了验证产物中是否有CO2，甲同学设计了如图1所示的实验装置，观察到澄清石灰水变浑浊，……
请你找出甲同学实验装置的设计缺陷：试管口向下，因为草酸晶体熔点101.5℃低于分解温度175℃，所以草酸晶体分解前已转变为
液体，流向试管口会堵住导管造成危险。
⑵请你设计完成“猜想⑴”实验方案［用简要的实验装置图表示，
要体现所使用仪器（加热和夹持仪器不必画出）和试剂］。
⑶化学学习小组的同学继续利用下图所示装置进行“猜想⑵”的实验探究。已知：A、C、F中盛装澄清石灰水，B中盛装浓NaOH溶液，D中装有碱石灰，E中装有CuO。
①证明分解产物中有CO2的现象是 ①装置A中澄清石灰水变浑浊；证明分解产物中有CO的现象是装置C中澄清石灰水不变浑浊，装置E中黑色氧化铜变为红色固体，装置F中澄清石灰水变浑浊。
②若未连接装置G，要达到同样的目的，可采取的措施是在装置F出气导管的末端放一个燃着的酒精灯。
交流讨论：
该组小李同学继续查阅相关资料发现：草酸是二元弱酸，酸性比碳酸强，在受热分解过程中有少量升华；草酸钙和草酸氢钙均为白色不溶物。小李同学通过进一步研究，对实验中CO2的检验提出质疑。试根据相关信息，指出原设计中存在的问题，并提出实验的改进措施在未洗气的情况下通入石灰水，还可能因草酸蒸气与石灰水反应生成了草酸钙沉淀，对实验有干扰，因而在装置A之前可增加一个装有水的洗气装置。
【课后巩固】
1．“过氧乙酸”是抗“非典”中广泛用于医院、地面、门窗、汽车等方面的消毒液。
下面是市售过氧乙酸商品标签：
过氧乙酸本品包括甲、乙两种溶液，体积各500mL，把甲、乙溶液各1份在玻璃容器中混合后放置24小时后，其中过氧乙酸浓度不少于10%，应用50倍纯水稀释（浓度为0.2%）稀释后才能使用。
某研究性学习小组为了弄清配制过氧乙酸消毒液的甲、乙溶液的主要成分各是什么？进行以下科学探究，请你完成下列相关内容：
查阅资料：
H2O2是极弱的电解质，在酸性介质中才能稳定存在，是一种强氧化剂。过氧乙酸消毒液是由H2O2、H2O、CH3COOH及少量H2SO4混合后，反应生成过氧乙酸（CH3COOOH），反应的化学方程式CH3COOH+ H2O2→CH3COOOH + H2O。 CH3COOOH容易放出原子氧，它与空气中微生物机体作用，达到灭菌目的，是消毒液的主要成份。
提出假设：甲溶液的主要成分为
乙溶液的主要成分为 。
实验验证：
取甲、乙两种溶液少许，分别加入几滴 试液，甲溶液的现象为 ，乙溶液的现象为 。
2．在三支洁净试管中分别倒入约2 mL工业硝酸，进行下述三个实验，以探究“工业硝酸呈黄色是由于NO2溶于浓硝酸引起的”，实验方法和现象如下表：
①置于酒精灯上小火加热（在通风厨中） 有红棕色气体逸出，继续加热，直到不再有红棕色气体逸出为止。溶液的黄色变浅，但不能完全消失。
②通入氧气 通入足量氧气后，上述工业硝酸黄色变浅。
③加5 mL的蒸馏水，振荡使之充分混合 试管中的硝酸接近于无色。
说明：在①②实验后溶液中各加1 mL苯，充分振荡，静置，苯层为无色，下层仍浅黄色。
⑴根据上述实验①②的现象你能得出什么结论？__________________________________。
⑵①②实验最终溶液是浅黄色，请猜想可能原因__________________________________，试设计实验方案证明你的猜想________________________________________________
__________________________________________________________________________。
⑶实验③与实验①②最终实验颜色不同的原因可能是______________________________，
试设计实验方案证明________________________________________________________。
3．有两个实验小组的同学为探究过氧化钠与二氧化硫的反应，都用如下图所示的装置进行实验。通入SO2气体，将带余烬的木条插入试管C中，木条复燃。
请回答下列问题：
(1)第1小组同学认为Na2O2与SO2反应生成了Na2SO3和O2，该反应的化学方程式是：
(2)请设计一种实验方案证明Na2O2与SO2反应生成的白色固体中含有Na2SO3。
(3)第2小组同学认为Na2O2与SO2反应除了生成Na2SO3和O2外，还有Na2SO4生成。为检验是否有Na2SO4生成，他们设计了如下方案：
上述方案是否合理 。请简要说明两点理由：
① ；② 。
4．现有含CaO杂质的CaC2试样。某研究性学习小组的同学拟用以下三种方案测定CaC2试样的纯度。请填写下列空白：
(1)第一种方案：请从下图中选用适当的装置，设计一个实验，测定CaC2试样的纯度。
①所选用装置的连接顺序应是(填各接口的字母)：_____________________________。
②若实验时称取的试样为1.40g，产生的乙炔在标准状况下的体积为448mL，此试样中CaC2的质量分数为_______。
(2)第二种方案：根据试样和水在锥形瓶中反应前后质量的变化，测定CaC2的质量分数。先称取试样1.60g、锥形瓶和水的质量为195.00g，再将试样加入锥形瓶中，反应过程中每隔相同时间测得的数据如下表：
读数次数 质量/g
第1次 196.30
第2次 196.15
锥形瓶十水十试样 第3次 196.05
第4次 196.00
第5次 196.00
计算CaC2的质量分数时，必需用的数据是_____________________。不必作第6次读数的原因是________________。
(3)第三种方案：称取一定质量的试样(1.60g)，操作流程如下：
①操作Ⅱ的名称是________________________。
②还需直接测定的物理量是_______________________________。
③在转移溶液时，如溶液转移不完全，则CaC2质量分数的测定结果_________(填“偏大”、“偏小”或“不变”)。
5．某研究性学习小组为研究Cu与浓H2SO4的反应，设计如下实验探究方案（装置中的固定仪器和酒精灯均未画出）
实验选用细铜丝、98.3% H2SO4、品红溶液、澄清石灰水、CCl4、NaOH溶液等药品，铜丝被卷成螺旋状，一端没入浓H2SO4中，另一端露置在液面上方。
以下是该学习小组部分交流记录及后续探究实验的记录
根据上述材料回答下列问题
（1）A试管上方的长导管的作用是_________________；D、E两支试管中CCl4的作用是_____________。
（2）加热过程中，观察到A试管中出现大量白色烟雾，起初部分烟雾在试管上部内壁析出淡黄色固体物质，在持续加热浓硫酸（沸腾）时，淡黄色固体物质又慢慢地消失。写出淡黄色固体消失的化学反应方程式：____。
（3）对A试管中的浓H2SO4和铜丝进行加热，很快发现C试管中品红溶液褪色，但始终未见D试管中澄清石灰水出现浑浊或沉淀。你的猜想是：___________。设计实验验证你的猜想________________。
（4）根据上述研究，结合所学知识，你认为液面下方铜丝表面的黑色物质成分是_____。（写化学式）
图1
验证“猜想⑴”的实验
装置
气体
D
E
A
B
C
F
G
白色
沉淀
稀盐酸
冷却
样品
称量
操作Ⅱ
溶液转移
操作Ⅰ
材料一：小组交流摘录
学生1：加热前，无现象发生；加热后，液面下铜丝变黑，产生气泡，有细小黑色颗粒状物质从铜丝表面进入浓硫酸中，黑色物质是什么？值得探究！
学生2：，我也观察到黑色颗粒状物质，后来逐渐转变为灰白色固体，我想该灰白色固体极有可能是未溶于浓硫酸的CuSO4。
学生3：你们是否注意到液面以上的铜丝也发黑，而且试管上部内壁有少量淡黄色S固体凝聚，会不会液面以上的铜丝与硫发生了反应，我查资料发现：2Cu+S=Cu2S（黑色）。
材料二：探究实验剪辑
实验1 将光亮的铜丝在酒精灯火焰上灼烧变黑，然后插入稀硫酸中，铜丝重新变得光亮，溶液呈蓝绿色；将光亮的铜丝置入加热的硫蒸气中变黑，然后插入稀硫酸中无变化。
实验2 截取浓硫酸液面上方变黑的铜丝，插入稀硫酸中无变化；将浓硫酸液面下方变黑的铜丝，插入稀硫酸，黑色明显变浅，溶液呈蓝绿色。
实验3 将溶液中的黑色颗粒状物质，经过滤、稀硫酸洗、蒸馏水洗、干燥后放入氧气流中加热，然后冷却，用电子天平称重发现质量减少10%左右。
△
将B中反应后的固体溶解于水
BaCl2溶液
稀硝酸
仍有部分白色沉淀不溶解，证明有Na2SO4生成
O
O
△
浓H2SO4
粘有无水CuSO4的棉球
PAGE
DO IT YOURSELF，YOU WILL MAKE IT ！
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