高考化学 11.4 化学实验方案的设计与评价课件 .ppt

第四节化学实验方案的设计与评价 考点一化学实验方案的设计1 基本原则 2 基本内容 3 基本思路 5 化学实验设计要做到 六防 1 防爆炸 点燃可燃性气体 如h2 co ch4等 或用co h2还原cuo 或fe2o3 之前要检验气体的纯度 2 防暴沸 加热液体混合物时要加入沸石 3 防氧化 实验过程中要防止易被氧化的物质与空气中的o2接触 如h2还原cuo时要 先灭灯后停氢 4 防水解 实验制取易吸水 潮解 水解的物质要在装置的前后增加干燥装置 5 防倒吸 实验中使用或制取极易溶于水的气体 如nh3 hcl等 要设置防倒吸装置 6 防污染 实验中使用或制取有毒气体 如cl2 so2 co no2 no h2s等 要进行尾气处理 典题 2014 安徽高考 某研究小组为探究弱酸性条件下铁发生电化学腐蚀类型的影响因素 将混合均匀的新制铁粉和碳粉置于锥形瓶底部 塞上瓶塞 如图1 从胶头滴管中滴入几滴醋酸溶液 同时测量容器中的压强变化 1 请完成以下实验设计表 表中不要留空格 2 编号 实验测得容器中压强随时间变化如图2 t2时 容器中压强明显小于起始压强 其原因是铁发生了 腐蚀 请在图3中用箭头标出发生该腐蚀时电子流动方向 此时 碳粉表面发生了 填 氧化 或 还原 反应 其电极反应式是 3 该小组对图2中0 t1时压强变大的原因提出了如下假设 请你完成假设二 假设一 发生析氢腐蚀产生了气体 假设二 4 为验证假设一 某同学设计了检验收集的气体中是否含有h2的方案 请你再设计一个实验方案验证假设一 写出实验步骤和结论 实验步骤和结论 不要求写具体操作过程 解析 1 实验 是探究醋酸浓度的影响 因此醋酸浓度不同 其他条件相同 即铁粉的质量为2 0g 实验 是探究碳粉的量对反应的影响 2 t2时压强减小 则是发生了吸氧腐蚀 碳是正极 发生还原反应 o2 4e 2h2o 4oh 或4h o2 4e 2h2o 电子流向是铁 碳 3 压强变大可能是产生了气体 温度升高等 因此假设二是反应放热 4 假设一的验证有多种方法 如测量瓶内的压强增大或点燃气体 并在火焰上方罩一个干而冷的烧杯 观察到火焰呈蓝色 烧杯内壁有小水珠出现则证明气体为氢气 药品用量和操作同编号 实验 多孔橡皮塞增加进 出导管 通入氩气排尽装置中的空气 滴入醋酸 同时测量瓶内的压强变化 如果瓶内压强增大 则假设一成立 否则不成立 答案合理即可 答案 1 2 0 碳粉含量的影响 2 吸氧还原o2 4e 2h2o 4oh 或4h o2 4e 2h2o 3 反应放热 温度升高 体积膨胀 4 药品用量和操作同编号 实验 多孔橡皮塞增加进 出导管 通入氩气排净瓶内空气 滴入醋酸溶液 同时测量瓶内压强变化 也可测温度变化 检验fe2 等 针对训练 某学习小组在通过反应na2s2o3 h2so4 na2so4 s so2 h2o研究反应速率的影响因素后 对na2s2o3产生了兴趣 查资料知na2s2o3的名称为硫代硫酸钠 俗称海波 可视为一个硫原子取代了na2so4中的一个氧原子 该实验小组运用类比学习的思想预测了na2s2o3的某些性质 并通过实验验证自己的预测 提出假设 1 部分学生认为na2s2o3与na2so4结构相似 化学性质也相似 因此室温时na2s2o3溶液的ph 填 或 7 2 部分学生由硫元素化合价推测na2s2o3与so2性质相似 均具有较强的 实验探究 取适量na2s2o3晶体 溶于水中制成na2s2o3溶液 进行如下探究 填写表中空格 实验结论 6 探究 7 探究 问题讨论 8 甲同学向 探究 反应后的溶液中滴加硝酸银溶液 观察到有白色沉淀产生 并据此认为氯水可将na2s2o3氧化 你认为该方案是否正确并说明理由 9 请你重新设计一个实验方案 证明na2s2o3被氯水氧化 你的方案是 解析 1 由学生认为na2s2o3的化学性质与na2so4的性质 强酸强碱盐 溶液呈中性 相似 可推知室温时na2s2o3溶液呈中性 则ph 7 2 由so2具有还原性可知na2s2o3 s为 2价 也有较强的还原性 3 由实验现象可知探究 是为了探究溶液的酸碱性 验证假设 1 故其操作是利用ph试纸来检验na2s2o3溶液的酸碱性 4 由实验现象可知na2s2o3溶液呈碱性 说明其是强碱弱酸盐 其原因应是s2水解 5 向氯水 具有强氧化性 中滴加na2s2o3溶液 目的是验证na2s2o3是否具有还原性 由实验现象可知cl2被还原 说明na2s2o3具有还原性 利用得失电子守恒可知反应的离子方程式为s2 4cl2 5h2o 2 8cl 10h 8 甲同学是通过观察有无agcl沉淀生成来判断na2s2o3是否被氯水氧化 有则说明cl2被还原为cl 从而证明氯水将na2s2o3氧化 该方案不正确 因为即使不发生氧化还原反应 过量的氯水中也含有cl cl 会与agno3溶液反应生成agcl沉淀 9 可通过验证na2s2o3溶液与氯水反应后的溶液中是否含有s来说明na2s2o3是否被氯水氧化 答案 1 2 还原性 3 用玻璃棒蘸取na2s2o3溶液点在ph试纸中部 将试纸颜色与标准比色卡对照 4 s2 h2ohs2 oh 5 s2 4cl2 5h2o 2 8cl 10h 6 na2s2o3溶液呈碱性 7 na2s2o3具有还原性 8 不正确 因氯水过量 氯水中含有cl 会生成agcl沉淀 9 取少量反应后的溶液 向其中滴入氯化钡溶液 若观察到有白色沉淀产生 则说明na2s2o3能被氯水氧化 加固训练 1 2015 南昌模拟 下列说法中正确的是 a 在漂白粉中滴入75 的硫酸 立刻产生黄绿色气体 说明硫酸具有还原性b 用0 1000mol l 1标准盐酸滴定未知浓度的氨水 用甲基橙作指示剂c 向溴水中滴入植物油 振荡后 油层显无色 说明溴不溶于油脂d 用如图所示装置证明so2与naoh发生了反应 系统装置不漏气 解析 选b 漂白粉中含有ca clo 2和cacl2 加硫酸后发生反应clo cl 2h cl2 h2o 硫酸中各元素化合价不变 a项错 盐酸与氨水恰好完全反应时生成nh4cl nh4cl溶液显酸性 故选用酸性条件下变色的甲基橙 b项正确 植物油属于不饱和高级脂肪酸的甘油酯 能和溴水发生加成反应而使溴水褪色 c项错 题中装置若出现倒吸则有两种可能 一是so2与naoh发生了反应 二是so2溶解在naoh溶液中 故d项错 2 下列相关家庭实验设计能达到预期目的的是 解析 选c 碳酸钠 碳酸氢钠均能与乙酸反应生成二氧化碳 a不能达到预期目的 食用盐中加入的是化合态的碘 不能用淀粉检验 b不能达到预期目的 蛋白质不是电解质 不能电离出氯离子 d不能达到预期目的 考点二实验装置的改进与实验方案评价1 化学实验装置的改进 1 气体实验装置的改进 中学化学实验中 应掌握的气体制备实验有 三种单质 h2 o2 cl2 的制备 二种氢化物 hcl nh3 的制备 四种氧化物 co2 so2 no2 no 的制备 复习时 除了掌握好经典的制备方法外 还应对药品选择 反应原理进行拓展和创新 典型的气体实验装置改进设计有 依据启普发生器原理设计的反应器 尾气吸收 防倒吸装置的设计 液封装置的设计 恒压装置的设计等 2 性质实验装置的改进 改进后的实验应尽可能简单易行 用较少的实验步骤和实验药品 并能在较短的时间内完成 且效果明显 例如 用套管实验证明na2co3 nahco3的热稳定性 图甲 用培养皿通过向naoh固体上滴浓氨水 探究氨气的性质 图乙 等 3 制备实验装置的改进 制备一种物质 应根据目标产品的组成来确定原料及反应原理 设计反应路径 选择合适的仪器和装置 最后 根据生成物的性质将产品分离提纯出来 整个过程如图所示 改进过程时应注意以下两点 在设计物质制备的实验方案时 要优化上述流程中的每一个具体环节 遵循的优化原则是原料廉价 原理绿色 条件优化 仪器简单 分离方便 一些物质的制备 由于其性质上的特殊性 需要设计一些特殊的装置来完成 如实验室制备fe oh 2固体 由于fe oh 2遇空气易被氧化而变质 故其制备实验装置必须严格防止制备的fe oh 2固体与o2接触 2 化学实验方案的评价 1 化学实验评价的内容 评价实验原理 是否明确 合理 评价实验方案 是否安全 可行 评价药品 仪器 是否方便 易得 评价实验现象和结论 是否明显 清晰 2 化学实验评价的五大视角 可行性视角 只有合理且切实可行的实验方案才有意义 可行性是方案的第一要素 评价方案时应注意从实验原理和操作两个方面分析 a 理论上要科学合理 b 操作上要简单可行 经济效益视角 评价一种实验方案 不仅要从科学性上判断是否可行 还要从经济效益上考虑是否切合实际 绿色化视角 a 分析实验药品是否有毒 是否会造成环境污染 b 仪器药品是否价格低廉 便宜易得 c 反应是否充分 原子经济性强 安全性视角 a 避免炸裂 受热不均匀 液体倒吸 气流不畅 易燃气体中混有助燃气体等 b 防污染 有毒尾气未经处理 剩余药品随意丢弃 实验产生的废液肆意倾倒等 c 防失火 点燃或熄灭酒精灯的方法不正确 易燃试剂与明火接触等 d 防吸水 极易水解 吸水性强 潮解 的物质未密封保存或与潮湿空气接触 大量吸水导致液体溢出或药品变质等 规范性视角 a 仪器的安装与拆卸 b 试剂添加的顺序与用量 c 加热的方式方法和时机 d 仪器的查漏 气密性检验 e 温度计的规范使用 水银球的位置 f 实验数据的读取 g 冷却 冷凝的方法等 典题 某化学兴趣小组的甲 乙 丙三位同学在学习na2o2与co2的反应时 提出so2与na2o2反应的问题 同学们设计实验探究so2与na2o2的反应 1 甲同学认为na2o2和so2的反应与na2o2和co2的反应类同 设计了下图实验装置 并将带火星的木条伸到导管口 结果没有得到预期现象 如果甲同学的观点是正确的 请你分析实验失败的原因是 2 反应完毕后 综合大家的观点 认为硬质玻璃管中的固体成分有多种可能 可能 全部为na2so3 可能 为na2so3和na2o2的混合物 可能 可能 为na2so3和na2so4的混合物 可能 为na2o2和na2so4的混合物 可能 为na2o2 na2so3和na2so4的混合物 3 乙同学认为 无论哪种观点正确 甲同学设计的装置都有一个明显的缺陷 即 4 丙同学对可能 持怀疑的态度 现有下列实验用品 几支试管 带胶塞的导管 单孔 滴管 药匙 品红溶液 蒸馏水 ba no3 2溶液 bacl2溶液 稀硫酸 稀盐酸 稀硝酸 请你帮助丙同学从中选出合适的用品对 可能 进行验证 完成下表 可以不填满 解析 1 由于氧气的浓度不高 导致助燃性差 使带火星的木条不能复燃 2 根据过氧化钠与二氧化硫可能发生的反应 其固体残留物可能是na2o2 na2so3和na2so4三种中的一种 两种或三种 3 无尾气吸收装置 so2会造成大气污染 4 na2so3存在时会与酸反应生成使品红溶液褪色的so2 na2so4存在时 加入盐酸酸化的氯化钡溶液会生成白色沉淀 答案 1 木条复燃 氧气需达到一定浓度才行 或通入的so2速度太快 导出气体中氧气的含量太少 则不复燃 2 全部为na2so4 3 没有尾气处理装置 4 针对训练 某同学利用锌 氧化铜和稀硫酸制取铜 他设计了两套方案 方案 利用锌与足量稀硫酸反应制氢气 氢气还原氧化铜 方案 氧化铜溶于稀硫酸生成硫酸铜 然后用锌与硫酸铜反应制备铜 下列关于方案 和 的评价不正确的是 a 方案 比方案 操作简便b 等质量的锌 相同条件下在方案 和方案 中制得的铜的质量相同c 等质量的h2so4参加反应 方案 制取铜的质量比方案 的少d 为了加快锌与稀硫酸反应 可以在溶液中加入少量氧化铜 解析 选b 氢气还原氧化铜的实验操作顺序是先通入氢气排出装置中的空气 防止加热时 氢气中混有空气发生事故 将氧化铜还原成铜后 继续通入氢气至铜冷却 防止赤热的铜再被氧化成氧化铜 所以用于还原氧化铜的氢气的量小于生成氢气的总量 加固训练 绿色化学实验是在绿色化学思想指导下的实验新方法 以减少污染 防止浪费等 下列符合绿色化学实验的是 a 用铜与浓硫酸反应制取cuso4 并用少量品红溶液吸收尾气b 将co还原fe2o3后的尾气直接排入空气中c 用ccl4完成萃取操作练习时 将溴水改成碘水d 将zn和稀硫酸制h2后的废液倒入水槽后再清洗玻璃仪器 解析 选c 品红溶液可以用来检验so2气体 但不能用来吸收尾气 a项错误 co还原fe2o3后的尾气直接排放到空气中会造成污染 b项错误 溴易挥发 而碘不易挥发 c项正确 锌与稀硫酸制氢气后的废液倒入水槽会污染环境 d项错误 考点三实验数据的分析或处理 自主训练 2015 哈尔滨模拟 在如图所示的量热计中 将100ml0 50mol l 1ch3cooh溶液与100ml0 55mol l 1naoh溶液混合 温度从25 0 升高到27 7 已知量热计的热容常数 量热计各部件每升高1 所需的热量 是150 5j 1 生成溶液的比热容为4 184j g 1 1 溶液的密度均近似为1g ml 1 1 试求ch3cooh的中和热 h 2 ch3cooh的中和热的文献值为56 1kj mol 1 则请你分析在 1 中测得的实验值偏差可能的原因为 3 实验中naoh过量的目的是 解析 1 ch3cooh的中和热 h q cm t 150 5j 1 4 184j g 1 1 1g ml 1 200ml 27 7 25 0 05mol 53 3kj mol 1 2 实验值偏差可能是因为 量热计的保温瓶绝热效果不好 酸碱溶液混合不迅速 温度计不够精确等 3 酸和碱反应测中和热时 为了保证一方全部反应 往往需要另一试剂稍稍过量 减少实验误差 答案 1 53 3kj mol 1 2 量热计的保温瓶绝热效果不好 酸碱溶液混合不迅速 温度计不够精确等 3 使碱稍稍过量 保证ch3cooh溶液完全被中和 从而提高实验的准确度 归纳总结 对实验数据筛选的一般方法和思路的 五看 一看 数据是否符合测量仪器的精度特点 如用托盘天平测得的质量的精度为0 1g 若精度值超过了这个范围 说明所得数据是无效的 二看 数据是否在误差允许范围内 若所得的数据明显超出误差允许范围 要舍去 三看 反应是否完全 是否是过量反应物作用下所得的数据 只有完全反应时所得的数据 才能进行有效处理和应用 四看 所得数据的测试环境是否一致 特别是气体体积数据 只有在温度 压强一致的情况下才能进行比较 运算 五看 数据测量过程是否规范 合理 错误和违反测量规则的数据需要舍去 针对训练 2013 天津高考 下列实验误差分析错误的是 a 用湿润的ph试纸测稀碱液的ph 测定值偏小b 用容量瓶配制溶液 定容时俯视刻度线 所配溶液浓度偏小c 滴定前滴定管内无气泡 终点读数时有气泡 所测体积偏小d 测定中和反应的反应热时 将碱缓慢倒入酸中 所测温度值偏小 解析 选b 加固训练 1 某课外活动小组设计了以下实验方案验证ag与浓硝酸反应的过程中可能产生no 其实验流程图如下 1 测定反应结束后硝酸的物质的量 从下图b装置中所得100ml溶液中取出25 00ml溶液 用0 1mol l 1的naoh溶液滴定 用酚酞作指示剂 滴定前后的滴定管中液面的位置如右上图所示 在b容器中生成硝酸的物质的量为 则ag与浓硝酸反应过程中生成的no2的物质的量为 2 测定no的体积 从上图所示的装置中 你认为应选用 装置进行ag与浓硝酸反应实验 选用的理由是 选用上图所示仪器组合一套可用来测定生成no体积的装置 其合理的连接顺序是 填各导管口编号 在读取量筒内液体体积之前 应进行的操作是 3 气体成分分析 若实验测得no的体积为112 0ml 已折算到标准状况 则ag与浓硝酸反应的过程中 填 有 或 没有 no产生 作此判断的依据是 解析 本题根据ag和浓硝酸反应原理 考查了酸碱中和滴定及气体成分的分析方法 1 根据图示消耗naoh溶液的体积为20 00ml n hno3 20 00 10 3l 0 1mol l 1 4 0 008mol n no2 3 0 012mol 2 装置a可以利用n2排尽装置内的气体 防止no被氧化 所以选用装置a 其装置顺序为a b c e 为了减少误差 在读取no体积时 一是要冷却到室温 二是量筒内液面应和集气瓶内液面相平 3 根据3no2 h2o 2hno3 no0 012mol0 004molv no 0 004mol 22 4l mol 1 0 0896l 0 112l 所以有no产生 答案 1 0 008mol0 012mol 2 a因为a装置可以通入n2将装置中的空气排尽 防止no被空气中o2氧化 123547 液体冷却到室温 并使集气瓶和量筒内液面相平 3 有no2与水反应生成的no的体积小于收集到的no的体积 2 目前流行的关于生命起源假设的理论认为 生命起源于约40亿年前的古洋底的热液环境 这种环境系统中普遍存在铁硫簇结构 如fe2s2 fe4s4 fe8s7等 这些铁硫簇结构参与了生命起源的相关反应 某化学兴趣小组在研究某铁硫簇结构的组成时 设计了下列实验 实验 确定硫的质量 按图连接装置 检查好装置的气密性后 在硬质玻璃管a中放入1 0g铁硫簇结构 含有部分不反应的杂质 在试管b中加入50ml0 100mol l 1的酸性kmno4溶液 在试管c中加入品红溶液 通入空气并加热 发现固体逐渐转变为红棕色 待固体完全转化后 将b中溶液转移至250ml容量瓶 洗涤试管b后定容 取25 00ml该溶液用0 01mol l 1的