《综合实验设计》教案3-1

综合实验设计》教案课标要求1．能根据具体情况设计解决化学问题的实验方案，并予以评价和优化。2．能通过化学实验收集有关数据，并科学地加以处理。3．能对实验现象做出合理的解释，运用比较、归纳、分析、综合等方法初步揭示化学变化的规律。课标解读1．熟悉各类实验的仪器使用，学会综合实验设计，培养综合实验设计创新思想。2．能通过化学实验收集有关数据，并科学地加以处理。3．能对实验现象做出合理的解释，运用比较、归纳、分析、综合等方法初步揭示化学变化的规律。教学地位本课题是选修6中最后一节，为选学内容，但本节课涉及到的内容也比较重要，如启普发生器的使用，创新实验的设计等在近年全国高考的理综测试卷中，每年都至少有一道化学实验试题具有开放性的特征，所以本节课也不能忽视。新课导入美国“阿波罗登月计划”总指挥韦伯在“阿波罗”登月成功后曾说：“‘阿波罗计划'中没有一项新发明的技术，都是现成的技术，关键在于综合。”综合也是创新，实验设计创新是建立在课本的基础实验之上，没有基本实验方法与技能就谈不上实验设计的创新，实验的创新是实验的生命，它包括新实验的设计和旧实验的改进，实验设计的创新往往体现在以下方面，即：一个实验的多种现象，一个实验现象的多种原因，一种仪器的多种用途，一个用途的多种装置，一个仪器的多种用法，一种物质的多种制法，一组物质的多种鉴别方法等。这对培养我们的发散思维具有重要的作用和意义。在本课题中，我们将综合利用现已掌握的各种知识和技能，进行实验设计上的“创新”尝试。教学过程一、装置的改进与创新ar^~r//、./[.eh1．启普发生器(1)组成：启普发生器由球形漏斗、容器和导气管三部分组成。⑵工作原理：(以稀硫酸和锌粒制H2为例)打开活塞，容器内压强与外界大气压相同，

球形漏斗内的稀硫酸在重力作用下流到容器内，与锌粒接触，产生氢气；关上活塞后，氢气继续生成，此时容器内的压强大于外界大气压，压力将酸液压回球形漏斗，使酸液与锌粒脱离接触，氢气不再产生。(3)使用范围：启普发生器适用于块状固体与液体试剂在常温条件下制取气体。如氢气、二氧化碳等气体。(4)气密性的检验：使用前应先检查装置的气密性，方法是开启旋塞，向球形漏斗中加水，当水充满容器下部的半球体时关闭旋塞，继续加水，使水上升到球形漏斗中。静置片刻，观察水面是否下降，如果下降说明漏气，反之不漏气。(4

水\氨气或

~T~氯化氢

7气体2•如上图所示，准备好装置和试剂，确信烧瓶塞紧后，将滴管内水滴入烧瓶，观察到的现象是烧瓶内的气球膨胀，原因是：滴入水后，大量气体溶解于水，使烧瓶内压强减小，小于大气压，利用大气压使气球在烧瓶内膨胀。此实验的原理与喷泉实验原理相似。【思考题1】图中两个气体发生装置有什么异同？各有什么特点？气体发生装置【提示】仪器不同、装置不同，但所依据的原理相同，都适用于块状固体跟液体的反应,不需要加热。

3•用玻璃管弯制成的U形管、T形管、软胶管、弹簧夹等连接成如上图所示装置。

U形管中加入适量红色水溶液，即得简易

U形气压计。

将此装置用于以下实验：1溶解热效应、反应热效应实验实验时，先按图示将实验装置连接好。在U形管内加入少量品红溶液（或红墨水）。打开T形管上的弹簧夹，使U形管内两边的液面处于同一水平面，再夹紧弹簧夹。然后将

A中液体逐滴滴入B中，观察现象。用此装置实施放热、吸热过程的方法及现象如下表所示:反应物U形管中的现象实验结论AB浓硫酸水U形管中液面左低右咼浓硫酸与水混合放热水硝酸铵U形管中液面右低左咼硝酸铵与水混合吸热水过氧化钠U形管中液面左低右咼Na2O2与水反应放热②证明、测定空气中的氧气参与氧化还原反应实验将铁钉放在如下图所示的试剂瓶中，用饱和食盐水浸泡，过一段时间观察，

U形管中液面右低左高，说明发生的是吸氧腐蚀，相关的电极反应式为—

2负极：2Fe—4e=2Fe;正极：O22H204e—=40H—。•铁钉NaCl溶液可见，此装置的应用可以归纳为两类：有气体量变化

（增加或减少）的实验，如上述实验2；有温度变化从而使气体体积发生变化的实验，如上述实验①。二、综合实验设计程序1•确定实验设计项目。2•前期准备工作：针对所选项目相关的知识、仪器、技术等问题查阅资料，做好理论、技术和装置上的准备。3.提出设计方案初稿。4•检验设计实验的效果。5•写出实验设计报告。报告中应包括实验名称、实验目的、实验原理、实验用品、实验安全、实验装置图、实验步骤和实验现象记录，对记录的整理分析及实验结论等。【思考题2】化学实验方案设计的一般思路是什么？

【提示】三、实验设计的创新【问题导思】1实验设计的创新包括哪些方面？【提示】包括实验原理、实验装置、实验效果、实验步骤与程序、实验安全等方面的创新。2实验装置、仪器的创新指哪些方面？【提示】主要包括仪器的新用途、替代物、重新组合、装置的改进等方面。实验设计的创新包括以下几个方面：（1）实验原理的创新，如与其他学科的综合、新反应的应用、新的检测手段的应用等。⑵实验装置、仪器的创新，如仪器的新用途、替代物、重新组合、装置的改进等。⑶实验效果的创新，如视觉效果一一实验现象明显

（如颜色变化、能量变化、气体的产生等）、应用多媒体手段放大或模拟、现代实验技术

（数字化采集器、光谱分析法）的应用等。⑷实验步骤与程序的创新，如简化、快速、安全等。⑸实验安全的创新，如有毒药品的替换、消除实验污染安全装置的设计等。【例1】（2012上海高考）碱式碳酸铜［CU2（OH）2CO3］是一种用途广泛的化工原料，

实验室以废铜屑为原料制取碱式碳酸铜的步骤如下：步骤一：废铜屑制硝酸铜如图，用胶头滴管吸取浓HNO3缓慢加到锥形瓶内的废铜屑中（废铜屑过量），充分反应后过滤，得到硝酸铜溶液。步骤二：碱式碳酸铜的制备向大试管中加入碳酸钠溶液和硝酸铜溶液，水浴加热至

70C左右，用0.4mol/L的NaOH溶液调节pH至8.5,振荡，静置，过滤，用热水洗涤，烘干，得到碱式碳酸铜产品。完成下列填空：⑴写出浓硝酸与铜反应的离子方程式

。⑵上图装置中NaOH溶液的作用是

。反应结束后，广口瓶内的溶液中，除了含有NaOH外，还有

（填写化学式）。（3）步骤二中，水浴加热所需仪器有

、

（加热、夹持仪器、石棉网除外）;洗涤的目的是

。⑷步骤二的滤液中可能含有CO：,写出检验CO；「的方法。（5）影响产品产量的主要因素有

。⑹若实验得到2.42g样品（只含CuO杂质）,取此样品加热至分解完全后，

得到1.80g固体,此样品中碱式碳酸铜的质量分数是

。【解析】（2）广口瓶内铜与浓硝酸反应生成大气污染气体

NOx,NaOH溶液可用来吸收NOx,利用NO22NaOH=NaNO2NaNOs出0可知，反应结束后，广口瓶的溶液中，除了剩余的NaOH外，还含有新生成的NaNO2与NaNOs。（3）因反应器为大试管，故水浴加热中用来盛放水的仪器可以选用烧杯，温度计

（测定水温）；洗涤可除去碱式碳酸铜表面吸附的硝酸钠。（5）由步骤2可知实验成功的关键是控制溶液

pH和反应温度，故影响产品质量的主要因素为温度、pH。（6）碱式碳酸铜完全分解得到CuO,设样品中碱式碳酸铜的质量分数为

x,依据碱式碳酸铜受热分解的方程式，利用

差量法”可得：222:62=2.42X：（2.42—1.80），解得x=0.92。【答案】（1）Cu4H2NO3=Cu22NO2f2出0⑵吸收氮氧化物（合理即可）NaNO3、NaNO2（3）烧杯温度计除去产品表面吸附的硝酸钠（4）取样，加入稀盐酸，将产生的气体通入澄清石灰水，溶液变浑浊，说明有

CO2⑸温度、pH(6)0.92【变式】下图是气体制取装置，下列能用此装置制取气体并能

随开随用、随关随停的是（

）B.锌粒和稀硫酸制氢气C.浓硫酸和亚硫酸钠制取二氧化硫D.电石和水制取乙炔【答案】B四、实验方案的设计与评价【问题导思】1实验方案设计的一般思路是什么？【提示】明确目的和原理t选仪器药品t设计步骤和装置t评价确定方案。2化学实验方案评价的原则是什么？【提示】化学实验方案的评价原则:a.安全无险b.装置最简c.药品价格低廉d.环保无污染e.操作方便f.原理简单、正确g.现象最明显。1.实验方案设计的一般思路明确目的和原理t选仪器药品t设计步骤和装置t评价确定方案2.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，则应作必要的补充，若有剩余，则应进行筛选和淘汰。(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、确定操作步骤都作了限定，必须高度重视。(3)实验过程中的隐蔽性操作如某些必要的干燥、除杂、冷凝等，这些都是实验中必不可少的，但容易被忽略。(4)药品的描述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

NaHC03溶液、NaOH溶液等。此外也应注意某些仪器的规格。(5)会画简单的实验装置图能够绘制和识别典型的实验仪器装置图，可用“示意装置图”表示。(6)其他应注意的问题①冷凝回流的问题。②冷却问题。3防止倒吸问题。4具有特殊作用的实验改进装置。如为防止分液漏斗中的液体不能顺利流出，用橡皮管连接成连通装置；为防止气体从长颈漏斗中逸出，可在发生装置中的漏斗末端套住一支小试管等。3．实验方案的评价(1)从科学性和可行性对方案评价(2)从“绿色化学”视角对实验方案做出评价“绿色化学”要求设计安全的、对环境友好的合成线路，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。据此，对化学实验过程或方案从以下

4个方面综合评价：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的产率是否较高；4合成过程中是否造成环境污染。(3)从“安全性”方面对实验方案做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液体倒吸；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”，白磷切割宜在水中等）;4防吸水（如实验取用、制取易吸水、潮解、水解的物质时宜采取必要措施，以保证达到实验目的）；5冷凝回流（有些反应中，为减少易挥发液体反应物的损耗和充分利用原料，需在反应装置上加装冷凝回流装置，如长玻璃管、竖装的干燥管及冷凝管等

）；6易挥发液体产物（导出时可为蒸气）的及时冷却；7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）；8其他（如实验操作顺序、试剂加入顺序、实验方法使用顺序等

）。【例2】某学习小组针对如何测定镀锌铁皮锌镀层厚度提出如下一些方案：方案1•将一定质量的镀锌铁皮投入到足量的盐酸中，使其完全溶解，通过测量氢气的体积，计算铁皮上的锌的质量。方案2•将一定质量的镀锌铁皮（W"投入到足量的FeSO4溶液中，一段时间后，取出铁片,洗净、烘干、称量（W2），计算铁皮上的锌的质量。方案3•将一定质量的镀锌铁皮投入到足量的盐酸中，使其完全溶解，再在所得溶液中加入过量的NaOH溶液，过滤、洗涤、烘干、灼烧沉淀，最后称量。⑴方案2的主要缺点是

。方案3的主要缺点是

。

⑵方案1中用到测量气体体积的装置，如图装置中不能用于测量气体体积的装置是学习小组拟选用c装置作量气装置，则气体收集完毕，准备读数时，应注意:【答案】（1）锌与铁的活动性差异不大，反应几乎难以进行

反应时间长，沉淀的获取和称量较为困难，精确度不高（2）B等到冷却到室温再进行读数，上下移动右边管使左右两边的液面相平【变式】下列实验不能达到预期目的的是

（）序号实验内容实验目的ACl2、B「2分别与出反应比较Cl2、B「2的非金属性强弱BCI2、S分别与Fe反应比较CI2、S的氧化性强弱C测定相同浓度的Na2CO3、Na2SO4两溶液的pH比较碳酸、硫酸的稳定性强弱D测定相同浓度的盐酸、醋酸两溶液的导电性比较盐酸、醋酸的酸性强弱【解彳析】含氧酸的稳定性与其盐溶液pH间不存在关系，不能通过测盐的pH来比较不同盐对应含氧酸的稳定性强弱。【答案】C课堂练习1•下列实验中没有涉及气体压强原理的是

（）A.NH,的喷泉

B-检查装置的C.启普发生器D.苯与水分层实验

气密性

原理2.（2013海宁高二检测）如图的装置中，干燥烧瓶中盛有某种气体，烧杯和滴管内盛放某种溶液。挤压胶管的胶头，下列与实验事实不相符的是

（）A.CO2（NaHCO3溶液）无色喷泉B.NH3（H2O含酚酞）红色喷泉C.H2S（CuSO4溶液）黑色喷泉D.HCI（AgNO3溶液）白色喷泉3.(2013昆山高二检测)比较MnO2和CuO对出。2分解反应的催化能力大小的实验中，

若3

催化剂的质量均控制在0.1g,6%的H2O2溶液(密度按1gcm「计算)均取2mL,可选择的实验装置是()A

B

C

D

4•某校课外活动小组的同学设计了如图所示的实验装置，用来验证一氧化碳具有还原A

B

C

D

E

F(1)装置B中最适宜的试剂是

，其作用是(2)装置C的作用是

，若实验中没有装置C,则不可以证明CO具有还原性,原因是：

。⑶装置D中黑色固体为

，反应的化学方程式为(4)根据实验中的

现象，可证明CO具有还原性，有关反应的化学方程式是

。(5)若要根据装置F中出现的现象确认一氧化碳具有还原性，应在上图装置

与(6)参考答案】1．D【解析】苯和水不相溶是产生分层的原因，与压强无关。2．A【解析】选项A中NaHCO3与CO?