浙江版化学高考总复习专题二十一化学实验方案的设计和反应条件的控制（讲解练）教学讲练

1、专题二十一 化学实验方案的设计和反应条件的控制化学 浙江专用考点一物质性质的探究和化学实验方案的设计考点基础一、化学实验方案的设计1.化学实验设计的内容一个相对完整的化学实验方案一般应包括的内容有:实验名称、实验目的、实验原理、实验用品和实验步骤、实验现象记录及结果处理、问题和讨论等。考点清单2.化学实验设计的基本要求实验方案设计的基本要求是:科学性、安全性、可行性、简约性。对同一化学实验,可设计出多种实验方案,选择采用的实验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。3.化学实验方案设计的思路4.实验设计的步骤(1)明确目的、原理(2)选择仪器、药品(3)设计装置、

2、步骤根据实验目的和原理,以及所选用的仪器和药品,设计出合理的实验装置和实验操作步骤。学生应具备识别和绘制典型的实验仪器装置图的能力,实验步骤应完整而又简明。(4)记录现象、数据通过观察,全面而准确地记录实验过程中的现象和数据。(5)分析得出结论根据观察到的现象和记录的数据,通过分析、计算、列图表、推理等方法,得出正确的结论。5.实验设计的注意事项(1)药品和仪器是部分或刚好给出还是有剩余若药品和仪器只部分给出,则需要做必要的补充,若有剩余,则应进行筛选或淘汰。(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,确定操作步骤都做了限定,必须高度重

3、视。(3)实验过程中的隐蔽性操作某些必要的操作如干燥、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,这类问题学生最难答准确,如有些药品的准确描述为:硫酸铜粉末、澄清石灰水、酸性高锰酸钾溶液、浓硫酸、饱和NaHCO3溶液、NaOH溶液等。此外也应注意某些仪器的规格。二、物质性质实验方案的设计1.研究物质性质的基本方法和程序研究物质性质的基本方法:观察法、实验法、分类法、比较法等。研究物质性质的基本程序:观察外观预测物质性质实验和观察解释及结论。图示如下:2.验证性的性质实验方案设计所谓验证性的性质实验,是指对于物质所具备的性质,从化学实验上去寻

4、找证据。此类实验方案的设计应遵循的原则是:操作简单、科学合理、现象明显、安全可靠。3.探究性的性质实验方案设计这类实验方案的设计,首先要分析物质结构的特点或从物质所属类别的代表物去推测物质可能具有的一系列性质,根据现象明显、科学合理、安全可靠、简便易行的原则提出合理的实验方案,去探索寻求物质可能具有的各种性质。4.性质实验方案设计的一般思路、程序三、化学实验方案的评价常常是根据化学原理和实验操作原理,通过比较、分析和综合的方法对化学实验原理、试剂与仪器的选用、实验基本操作及其顺序、实验步骤等的优劣进行科学论证和评判,并能在必要时提出合理的改进意见。例如,排水法和排空气法是两种常用的收集气体的方

5、法,从收集到的气体的纯度和干燥性看,排水法的优点是比较纯净,缺点是不干燥;排空气法的优点是比较干燥,缺点是不纯净。对给出的实验方案作出选择、评价或找出最佳方案,包含的知识点很多,能考查学生分析问题和解决问题的能力。1.选择包括仪器的选择、药品的选择、连接方式的选择等。仪器的选择,包括发生装置(几种基本类型)、净化装置(除杂质的试剂与顺序)、反应装置、收集装置、尾气处理装置等的选择;药品的选择,包括种类、浓度、物质状态等的选择;连接方式的选择,包括仪器的先后顺序、导管接口的连接方式等的选择。2.评价对几个实验方案的正确与错误、严密与不严密、准确与不准确作出判断。要考虑是否合理、有无干扰现象、经济

6、上是否合算和对环境有无污染等。3.最佳方案的选用几个实验方案都能达到实验目的,分析各方案的优劣并选出其中最佳的方案。所谓最佳,无非是装置最简单、药品容易取得且价格低廉、原料利用率高、现象明显、无干扰物质,以及无污染等。重点突破化学实验评价的策略对某个或几个实验方案的正确与错误、严密与不严密、准确与不准确作出判断,要考虑是否完全合理、有无干扰现象、经济上是否合算和对环境有无污染等。1.从可行性方面对实验方案作出评价科学性和可行性是设计实验方案的两条重要原则,任何实验方案都必须科学可行。因此,在对实验方案进行评价时,可从以下4个方面分析:(1)实验原理是否正确、可行;(2)实验操作是否安全、合理;

7、(3)实验步骤是否简单、方便;(4)实验效果是否明显。2.从“绿色化学”视角对实验方案作出评价“绿色化学”要求设计更安全、对环境友好的合成路线,降低化学工业生产过程中对人类健康和环境的危害,减少废弃物的产生和排放。根据“绿色化学”理念,对化学实验过程或方案可从以下4个方面进行综合评价:(1)反应原料是否易得、安全、无毒;(2)反应速率是否较快;(3)原料利用率以及合成物质的产率是否较高;(4)合成过程是否造成环境污染。3.从安全性方面对实验方案作出评价化学实验从安全角度常考虑的主要因素如下:(1)净化、吸收气体及熄灭酒精灯时要防倒吸;(2)进行某些易燃、易爆实验时要防爆炸(如H2还原CuO应先

8、通H2,气体点燃先验纯等);(3)防氧化(如H2还原CuO后要“先灭灯再停氢”,白磷切割宜在水中进行等);(4)仪器拆卸的科学性与安全性(也从防污染、防氧化、防倒吸、防爆炸、防泄漏等角度考虑);(5)其他(如实验操作顺序、试剂加入顺序、实验方法使用顺序等)。考点二化学反应条件的控制考点基础一、化学反应条件控制的内涵化学反应条件的控制包括两方面:一是化学实验条件的控制,二是化学工艺条件的控制。前者常出现在实验探究题中,后者常出现在工艺流程题中。实验条件的控制分为内部配比用量控制(如反应物浓度、体积、用量等)和外部条件控制(如温度、反应物状态、有无催化剂、环境酸碱性等)。二、化学反应条件控制的原则

9、实验条件的控制在科学探究中很重要,在进行实验设计时,控制反应条件应遵循以下原则:1.单一变量原则,对某个实验的影响,会有很多的因素,实验正是要人为控制条件,保证只有一个因素是变量,其余因素保持不变。2.等量性原则,所设计的实验中要采用平行反应,试剂取用时必须是等量的。3.对照性原则,一般要设计一个对照实验。三、实验化学教材中的几个重要实验1.硫代硫酸钠与酸反应速率的影响因素Na2S2O3+H2SO4(稀) SO2+S+Na2SO4+H2O反应生成不溶于水的硫,使溶液出现淡黄色浑浊,通过观察溶液出现浑浊的快慢来估测反应速率。同一温度下,改变硫代硫酸钠溶液的浓度而保持稀硫酸的浓度不变,通过溶液达到

10、同等浑浊程度时所需的时间来比较反应物浓度对反应速率的影响;反应温度不同时,用相同浓度的硫代硫酸钠溶液与稀硫酸反应,通过溶液达到同等浑浊程度时所需的时间来比较温度对反应速率的影响。2.催化剂对过氧化氢分解反应速率的影响(1)催化剂和催化作用能改变化学反应速率而本身的化学性质和质量在反应前后保持不变,这样的物质为催化剂。催化剂在反应中所起的作用为催化作用。催化剂多指能加快化学反应速率的试剂,多数反应用催化剂比不用催化剂反应速率要快得多(以下所讲的催化剂专指这种催化剂)。事实上,如果没有催化剂,大多数化工生产都难以进行。而减小化学反应速率的试剂叫阻化剂(过去叫负催化剂),如橡胶、塑料制品中的防老化剂

11、;在食用油中加入没食子酸正丙酯,能防止食物油酸败,这也是应用阻化剂的一个实例。催化剂的特性:a.催化剂可以加快反应的速率,但不能使原来不能发生的反应得以进行。在可逆反应中,催化剂只能缩短反应达到平衡的时间,而不能使化学平衡发生移动。b.催化剂有专一性,不同的化学反应要选用不同的催化剂。同样的反应物选用不同的催化剂,有时可以发生不同的反应,从而得到不同的产物。c.催化剂有一定的活化温度,在这个温度范围内使用,催化剂的活性最高。d.催化剂增大化学反应速率的机理主要是形成中间产物,或在催化剂表面的活性中心发生反应,从而改变反应的途径,使反应的活化能降低。(2)催化剂对过氧化氢分解反应速率的影响虽然本

12、实验只是通过选择不同的催化剂来比较它们对过氧化氢分解速率的影响,然而,影响该反应中氧气产生速率的因素除了过氧化氢的浓度、催化剂的用量外,还有一些易被忽视的重要因素,如MnO2的状态(粉末状或颗粒状)。若MnO2是粉末状的,用量就要相应减少,否则反应会过于剧烈。3.反应条件对化学平衡的影响(1)氯化钴溶液的颜色变化CoCl2的水合物在加热逐步失去结晶水的过程中会呈现不同的颜色:CoCl26H2O(粉红色) CoCl22H2O(紫色) CoCl2H2O(蓝紫色) CoCl2(蓝色)。蓝色的CoCl2在潮湿的空气中会变为粉红色,因此氯化钴可在变色硅胶中作指示剂,也可制显隐墨水,还可以根据其颜色随温度

13、变化的性质制成温度计。常温下把氯化钴晶体溶于95%乙醇溶液中,可得到蓝色溶液,向该蓝色溶液中逐滴加入水,蓝色溶液会逐渐变为粉红色。到刚刚变为粉红色时停止加水,再加热该粉红色溶液,随温度上升该溶液的颜色又逐渐变为蓝色。冷却该溶液,蓝色溶液又会逐渐变为粉红色。一般钴盐都是以Co2+的形式存在于水溶液中,因为Co2+是钴元素的最稳定状态。水溶液中的四氯合钴()配离子与六水合钴()配离子间存在如下平衡:Co(H2O)62+4Cl- CoCl42-+6H2O (粉红色) (蓝色)(2)乙酸乙酯水解条件的探究乙酸乙酯的水解是一个可逆反应,在纯水中即使加热,反应速率也很慢。而酸和碱对它都有催化作用,酸可加速

14、其达到水解平衡,而碱除了起催化作用外,还能和水解产物中的酸起反应,使该反应的平衡向水解方向移动。所以等量的乙酸乙酯在其他条件一致的情况下,用酸和用碱作催化剂,其水解的效果是不同的。乙酸乙酯为无色透明的液体,实验时我们较难将其与下层的水加以辨别。因此可加些油溶性染料或水溶性染料,使两液层产生明显的色差而便于区分。大部分漆可溶于乙酸乙酯,为方便,可选一些干的漆膜进行染色,如把一支红漆面的铅笔浸于乙酸乙酯中片刻,就能把乙酸乙酯染成红色;也可以将红蜡部分溶于乙酸乙酯而使之变为红色,这一类颜料均不溶于水。当然也可以对水层进行染色。方法化学实验的设计原则化学实验设计应当遵循科学性、可行性、安全性、简约性等

15、基本原则。1.科学性(1)当制备具有还原性的物质时,不能用强氧化性酸,如:制H2S、HBr、HI等气体时,皆不宜用浓硫酸,前一种气体宜用稀盐酸,后两种气体要用浓磷酸。(2)与反应进行、停止有关的问题制CO2,不宜用H2SO4。因为生成的微溶物CaSO4覆盖在CaCO3表面,阻止反应进一步行。(3)H2和Cl2混合气体(H2、Cl2的体积比为11)爆炸的演示实验,其成功关键是H2、Cl2两种气体的纯度要高,尤其是Cl2中含水蒸气越少越好。方法技巧MnO2和浓盐酸在加热条件下反应,制备的Cl2中含易挥发的HCl气体和较多的水蒸气;若用KMnO4代替MnO2进行反应,由于反应不需要加热,使制得的Cl

16、2中含HCl气体和水蒸气极少,从而可提高H2、Cl2混合气体爆炸实验的成功率。(4)酸性废气可用碱石灰或强碱溶液吸收,一般不用石灰水,因为Ca(OH)2属微溶性物质,石灰水中Ca(OH)2的含量少。(5)检查多个连续装置的气密性,一般不用手捂法,因为手掌热量有限。(6)排水法测量气体体积时,一定要注意装置内外压强应相同。(7)实验室制备Al(OH)3的反应原理有两个:由Al3+制Al(OH)3需加氨水;由Al制Al(OH)3需通CO2气体。注意氨水是Mg2+、Al3+、Fe3+的沉淀剂,这个知识点,不但可以用在它们对应氢氧化物的制备上,还可以用于它们的鉴别实验中。(8)制备气体的实验装置中,应

17、先除杂后干燥。如实验室制取Cl2的实验中,应先用饱和食盐水除去HCl气体,后用浓硫酸吸收水蒸气。2.可行性(1)在制备Fe(OH)2时,首先将NaOH溶液煮沸,以除去NaOH溶液中溶解的O2;其次在新制的FeSO4溶液上加一层苯,隔离空气中的O2,防止生成的Fe(OH)2被氧化。(2)实验室一般不宜采用高压、低压或低温(低于0 )等条件。(3)收集气体的方法因气体性质和所提供的装置而异,如右图所示装置用排空气法收集气体时,既可用于收集比空气密度小的气体(B进A出),又可用于收集比空气密度大的气体(A进B出)。(4)尾气处理可采用防倒吸的装置,如下图所示。总之,实验设计应切实可行,所选用的药品、仪器、设备和方法等要在中学现有条件下能够满足。值得一提的是,实验仪器、试剂及方法不一定拘泥于课本上介绍的,重在实效。3.安全性实验设计应尽量避免使用有毒的药品和一些有危险性的实验操作,如必须使用,应注意有毒物品的回收处理,以及详细说明操作中应注意的事项,以防造成环境污染和人身伤害。(1)制备可燃性气体,在点燃前务必认真验纯,以防爆炸!(2)易溶于水的气体,用