高三化学一轮复习++专题6第四单元第1讲-化学探究性实验++讲义

专题六化学实验第四单元综合性实验第1讲化学探究性实验一、课程标准要求1.认识科学探究是进行科学解释和发现、创造和应用的科学实践活动。2．了解科学探究过程包括提出问题和假设、设计方案、实施实验、获取证据、分析解释或建构模型、形成结论及交流评价等核心要素。3．理解从问题和假设出发确定研究目的、依据研究目的设计方案、基于证据进行分析和推理等对于科学探究的重要性。二、在高中化学教材体系中的地位化学是一门以实验为基础的自然学科，实验与理论相辅相成，是化学学科的基础和灵魂。我国著名化学教育家戴安邦教授说过：在化学教育中强调化学实验，无论如何都不会过分；它是学生学习化学最有效和收获丰富的场所。结合教材和课程标准的具体内容，将相互关联的实验整合起来，能激发学生学习的兴趣，培养学生的科学精神和探究能力，是提升学生对化学知识的理解能力和成自评探究的能力的有效途径。三、思维导图四、课时安排建议第1课时化学探究性实验(1课时)第1课时化学探究性实验(1课时)一、教学流程活动一：构建知识体系问题1： 探究性实验应该注意哪些问题？[例题1](南京、盐城2022二模)二氧化氯(ClO2)是一种黄绿色气体，易溶于水，在水中的溶解度约为Cl2的5倍，其水溶液在较高温度与光照下会生成ClO与ClO。ClO2是一种极易爆炸的强氧化性气体，实验室制备ClO2的反应为2NaClO3+SO2+H2SO4=2ClO2+2NaHSO4。下列有关实验室制备ClO2的实验原理和装置不能达到实验目的的是A．用装置甲获取SO2 B．用装置乙制备ClO2C．用装置丙吸收ClO2 D．用装置丁处理尾气[解析]：A．用装置甲通过70%硫酸与亚硫酸钠反应生成硫酸钠、二氧化硫和水获取SO2，选项A正确；B．实验室制备ClO2的反应为2NaClO3+SO2+H2SO4=2ClO2+2NaHSO4，试剂选择正确，但二氧化硫通入时导管应该长进短出，才能充分接触，否则反应很难进行，选项B错误；C．ClO2是一种极易爆炸的强氧化性气体，易溶于水，可用冰水吸收，选项C正确；D．制备过程中有毒气体直接排放到空气中会造成污染，可用装置丁处理尾气吸收，氢氧化钠能与二氧化硫、二氧化氯反应，选项D正确；[答案]B[归纳总结]探究性实验方案设计过程中需要注意的问题1．设计思路2．实验方案设计的原则(1)科学性(2)安全性(3)可行性(4)简约性3．实验方案设计的方法(1)明确实验目的、原理。(2)选择合适的仪器和药品。(3)设计装置、实验步骤。(4)记录实验现象和数据。(5)分析得出结论。4．实验方案设计时的几个操作(1)实验装置的组装顺序气体发生→除杂质→干燥→主体实验→尾气处理(2)仪器接口的连接顺序总体上遵循装置的排列顺序，但对于吸收装置应“长”进“短”出(或“深”入“浅”出)；量气装置应“短”进“长”出；洗气装置应“长”进“短”出；干燥管应“粗”进“细”出。(3)实验操作顺序气体发生一般按：装置选择与连接→气密性检验→装固体药品→加液体药品→开始实验(按程序)→拆卸仪器→其他处理等。(4)加热操作注意事项主体实验加热前一般应先用原料气赶走装置中的空气后再点燃酒精灯，其目的一是防止爆炸，如H2还原CuO、CO还原Fe2O3；二是保证产品纯度，如制备Mg3N2、CuCl2等。反应结束时，应先熄灭酒精灯，继续通原料气直到装置冷却为止。(5)尾气处理有毒气体常采用溶液(或固体)吸收或将之点燃的方法，无毒气体可直接排放。(6)特殊的实验装置制取在空气中易吸水、潮解以及易水解的物质(如Al2S3、AlCl3、Mg3N2等)及易受潮的物质时，往往在装置末端再接一个干燥装置，以防止空气中水蒸气进入。用碱石灰吸收测定实验中生成CO2的质量时，前面要干燥，末端要防止空气中的水蒸气和CO2的进入。[练习1]下列由废铝粉、稀盐酸和氨气为原料制取的实验原理和装置不能达到实验目的的是A．用装置甲溶解废铝粉 B．用装置乙制取固体C．用装置丙过滤得到固体 D．用装置丁灼烧固体制得(练习1出处：2022年盐城二模。推荐理由：本题意在考查考生对化学实验的设计和分析能力；通过具体的实验，探析操作的可行性操作，找出问题，能设计出合理的实验方案。)[答案]D问题2：怎样设计实验方案？[例题2]下列有关模拟侯氏制碱法的实验原理和装置正确的是(例题2出处：2020年盐城市调研试卷第13题。推荐理由：通过具体的实验及现象，分析实验目的，知道探究性实验的一般思路；能体现“证据推理”和“模型认知”这一素养。)[解析]A项：缺少加热装置，且稀盐酸的还原性较弱，不能达到制取Cl2的目的。B项：Cl2能将H2S中氧化成单质，能达到实验目的。C项：品红是有机有色物质，Cl2与水反应生成的HClO能使品红溶液褪色，能证明HClO的漂白性，能达到实验目的。D项：Cl2能与NaOH完全反应，且不会倒吸，能达到实验目的。[答案]A[归纳总结]常见的实验方案设计序号实验目的实验设计及实验现象1盐酸、碳酸、苯酚酸性强弱的比较利用强酸制弱酸的原理探究：盐酸与碳酸钠在气体发生装备中反应制备CO2气体，气体净化后通入苯酚钠溶液中生成苯酚，溶液变浑浊利用盐类水解原理探究：用pH试纸(pH计)测定同浓度的NaCl溶液、NaHCO3溶液、苯酚钠溶液的pH2Cl2、Fe3+、I2氧化性强弱的比较利用氧化剂的氧化性强于氧化产物的氧化性的原理探究：将Cl2通入FeCl2溶液中，Cl2将Fe2+氧化成Fe3+；将FeCl3溶液滴入淀粉-KI溶液中，Fe3+将I-氧化成I23金属性强弱的比较可通过与水或酸反应置换氢的能力、最高价氧化物对应水化物的碱性、置换反应、原电池的正负极、电解池中阴极阳离子的放电顺序等方法来比较4非金属性强弱的比较可通过最高价氧化物对应水化物的酸性、气态氢化物的稳定性、与H2化合的难易程度、相互之间的置换、对应阴离子的还原性等方法来比较5Ksp大小的比较(AgCl、AgI为例)①向少量的AgNO3溶液中滴加NaCl溶液至不再有白色沉淀生成，再向其中滴加KI溶液产生黄色沉淀②向浓度均为0.1mol·L-1的NaCl、NaI混合溶液中滴加0.1mol·L-1AgNO3溶液先产生黄色沉淀6HCl、CH3COOH电离能力强弱的比较①用pH试纸(pH计)分别测定同浓度的HCl溶液、CH3COOH溶液的pH②用pH试纸(pH计)分别测定同浓度的HCl溶液、CH3COONa溶液的pH，盐溶液的碱性越强，对应酸的酸性越弱[练习2]根据下列实验操作和现象能得到相应结论的是()选项实验操作和现象结论A向某溶液中加入Ba(NO3)2溶液，出现白色沉淀，再加入足量盐酸，白色沉淀不消失原溶液中有SOeq\o\al(2－,4)B向Na2CO3溶液中加入冰醋酸，将产生的气体通入苯酚钠溶液中，产生白色浑浊酸性：醋酸＞碳酸＞苯酚C向1­溴丙烷中加入KOH溶液，加热并充分振荡，然后滴入少量AgNO3溶液，出现褐色沉淀1­溴丙烷中混有杂质D向浓度均为0.1mol·L－1的Na2CO3和Na2S的混合溶液中，滴入少量AgNO3溶液，产生黑色沉淀(Ag2S)Ksp(Ag2S)＜Ksp(Ag2CO3)(练习2出处：2020年盐城市调研试卷第13题。推荐理由：通过具体的实验及现象，分析实验目的，知道探究性实验的一般思路；能体现“证据推理”和“模型认知”这一素养。) 活动二：重难点突破问题3：三氧化二铁和氧化亚铜都是红色粉末，通常用作颜料，某红色粉末是Fe2O3、Cu2O中的一种或两种，请你通过实验对红色粉末的组成进行探究。 典例简析[例题3]某研究小组为探究SO2和Fe(NO3)3溶液反应的实质，设计了如图所示装置进行实验。已知：1.0mol·L－1的Fe(NO3)3溶液的pH＝1。请回答下列问题：(1)装置A中用于滴加浓硫酸的仪器名称为_______________________________________，装置A中发生反应的化学方程式是________________________________________________。(2)为排除空气对实验的干扰，滴加浓硫酸之前应进行的操作是________________________。(3)装置B中产生了白色沉淀，其成分是________，说明SO2具有________性。(4)分析B中产生白色沉淀的原因。观点1：SO2与Fe3＋反应；观点2：在酸性条件下SO2与NOeq\o\al(－,3)反应；观点3：________________________________________________________________________；①若观点1正确，装置B中反应的离子方程式是______________________________________，证明该观点应进一步确认生成的新物质，其实验操作及现象是_____________________。②按观点2，装置B中反应的离子方程式是_________________________________________。③有人认为，如将装置B中的Fe(NO3)3溶液替换为等体积的下列溶液，在相同条件下进行实验，也可验证观点2。此时应选择的最佳试剂是______(填字母)。A．3.0mol·L－1NaNO3溶液和0.1mol·L－1硫酸等体积混合的溶液B．6.0mol·L－1NaNO3溶液和0.2mol·L－1盐酸等体积混合的溶液C．1.5mol·L－1Fe(NO3)3溶液D．1.0mol·L－1稀硝酸[解析]：(1)根据装置图，装置A中用于滴加浓硫酸的仪器为分液漏斗，装置A中Na2SO3与H2SO4(浓)发生反应生成二氧化硫气体，反应的化学方程式是Na2SO3＋H2SO4(浓)=Na2SO4＋SO2↑＋H2O。(3)SO2气体进入装置B中被Fe(NO3)3溶液氧化为SOeq\o\al(2－,4)，装置B中产生的白色沉淀是BaSO4，说明SO2具有还原性。(4)酸性条件下Fe3＋、NOeq\o\al(－,3)都有氧化性，所以观点3是SO2既与Fe3＋反应，在酸性条件下也与NOeq\o\al(－,3)反应；①若观点1正确，装置B中SO2被Fe3＋氧化为SOeq\o\al(2－,4)，反应的离子方程式是SO2＋2Fe3＋＋Ba2＋＋2H2O=BaSO4↓＋2Fe2＋＋4H＋，该反应的还原产物是Fe2＋，若要证明该观点正确，实验操作及现象是取少量B中溶液于试管中，加入少量铁氰化钾[K3Fe(CN)6]溶液，产生蓝色沉淀，则溶液中有Fe2＋；②按观点2，装置B中SO2被NOeq\o\al(－,3)氧化为SOeq\o\al(2－,4)，反应的离子方程式是3SO2＋2NOeq\o\al(－,3)＋3Ba2＋＋2H2O=3BaSO4↓＋2NO＋4H＋；③若改变溶液后在相同条件下进行实验，也可验证观点2是否正确，要让NOeq\o\al(－,3)、H＋的浓度与原溶液相同，所以最佳试剂是6.0mol·L－1NaNO3溶液和0.2mol·L－1盐酸等体积混合的溶液，故选B。[答案]：(1)分液漏斗Na2SO3＋H2SO4(浓)=Na2SO4＋SO2↑＋H2O(2)打开弹簧夹，向装置中通入一段时间的N2，再关闭弹簧夹(3)BaSO4还原(4)SO2既与Fe3＋反应，在酸性条件下也与NOeq\o\al(－,3)反应①SO2＋2Fe3＋＋Ba2＋＋2H2O=BaSO4↓＋2Fe2＋＋4H＋取少量B中溶液于试管中，加入少量铁氰化钾[K3Fe(CN)6]溶液，产生蓝色沉淀，则溶液中有Fe2＋②3SO2＋2NOeq\o\al(－,3)＋3Ba2＋＋2H2O=3BaSO4↓＋2NO＋4H＋③B[小结]：熟悉元素及其化合物的性质，根据设计，根据实验原理，找出实验操作中出现的可能失败分析原因，找出解决问题的办法。[练习3]某小组同学为探究Zn与FeCl3溶液的反应，设计并完成了如下实验，已知固液反应速率与离子迁移速率有关。实验条件现象ⅰ18℃开始时无明显气泡，0.5min后有气体产生，一段时间后，溶液颜色加深，存在丁达尔效应ⅱ65℃水浴有气泡产生，12s后，气泡非常明显，溶液随之很快转为红棕色，一段时间后，红棕色消失，最后产生红棕色沉淀(1)实验ⅰ中产生丁达尔效应的原因是__________________________________________________________________________________________________________________。(2)实验ⅱ中发生了多个反应，它们所属的基本反应类型是______________________。(3)根据物质性质，推测体系中可能发生的氧化还原反应的离子方程式：_________(至少写三个)。(4)实验ⅰ和ⅱ均先有气体生成，后有溶液颜色的变化，甲同学认为产生该现象的原因可能是此实验条件下氧化性：H＋>Fe3＋。①乙同学根据已有知识________________________________________________________(结合化学用语说明)，判断氧化性：H＋<Fe3＋。②乙同学认为产生实验ⅰ和ⅱ现象的原因是H＋的迁移速率大于Fe3＋的迁移速率，因此改用锌粉进行实验，证明氧化性：H＋<Fe3＋。结果如下：实验条件现象ⅲ18℃，混合后不振荡3min后有明显的气泡产生，溶液颜色加深，存在丁达尔效应ⅳ18℃，混合后振荡气泡不明显，溶液褪色明显，存在丁达尔效应对比实验ⅰ、ⅱ、ⅲ、ⅳ，解释实验ⅳ现象与ⅰ、ⅱ、ⅲ不同的原因：____________________。[答案]：(1)Fe3＋水解生成了Fe(OH)3胶体(2)置换反应、复分解反应(3)Zn＋2Fe3＋=Zn2＋＋2Fe2＋、Zn＋2H＋=Zn2＋＋H2↑、Zn＋Fe2＋=Zn2＋＋Fe、2Zn＋4H＋＋O2=2Zn2＋＋2H2O(答案合理即可)(4)①2Fe3＋＋Cu=2Fe2＋＋Cu2＋，而铜不与盐酸反应②实验ⅳ中，锌粉表面积大，且振荡增大锌与铁离子的接触几率，降低了由于氢离子的迁移速率大于铁离子的迁移速率而导致锌表面铁离子浓度低的影响，铁离子的氧化性大于氢离子的氧化性，因此铁离子与锌发生反应速率更快，表现为溶液褪色明显而气泡不明显。实验ⅰ、ⅱ、ⅲ中随反应进行，氢离子可以迅速补充到锌表面，Zn表面的氢离子浓度大于铁离子浓度，表现为先产生气体，Fe3＋在溶液中水解为Fe(OH)3活动三：巩固提升1．按下列设计进行相关操作，不能达到相应实验目的的是()甲 乙 丙 丁A．用装置甲可以制H2B．用装置乙可以加热熔融纯碱C．用装置丙可以测量氨气的体积D．用装置丁可以除去Cl2中的HCl气体2．某同学想用实验证明高锰酸钾的紫红色是MnO4－的颜色，而不是K＋的颜色，他设计了以下实验方案。请你判断下列方案与本实验目的无关的是()A．观察氯化钾溶液没有颜色，表明溶液中的K＋无色B．在氯化钾溶液中加入适量锌粉振荡、静置后未见明显变化，表明锌与K＋不反应C．在高锰酸钾溶液中加入适量锌粉振荡、静置后紫红色褪去，表明MnO4－为紫红色D．将高锰酸钾晶体加热分解，所得的固体质量减轻3．根据下列实验操作和现象所得出的结论正确的是()选项实验操作和现象结论A向KI溶液中滴入少量新制氯水和四氯化碳，振荡、静置，溶液下层呈紫红色I－的还原性强于Cl－B向无水乙醇中加入浓硫酸，加热，将产生的气体通入酸性KMnO4溶液，紫红色褪去该气体一定是乙烯C测定Na2CO3和Na2SiO3溶液的pH，后者pH比前者的大C的非金属性比Si强D向BaCl2溶液中通入SO2和气体X，出现白色沉淀气体X一定具有氧化性4．根验操作和现象所得出的结论正确的是()选项实验操作和现象结论A向盛有KI3溶液的试管中加入适量CCl4，振荡后静置，CCl4层显紫色(已知Ieq\o\al(－,3)I2＋I－)KI3在CCl4中的溶解度比在水中的大B向淀粉溶液中加入稀硫酸水浴加热后，再加入银氨溶液水浴加热，未出现银镜淀粉未发生水解C向饱和Na2CO3溶液中加入少量BaSO4粉末搅拌，过滤，向洗净的沉淀中加入稀盐酸，有气体放出Ksp(BaSO4)＞Ksp(BaCO3)D向新制饱和氯水中滴加紫色石蕊试液，溶液先变红后褪色氯水具有酸性和漂白性5．海水中含有丰富的碘元素，海洋中许多藻类植物具有富集碘的能力，如海带中含碘量可达0.3%~0.5%，约为海水中碘浓度的10万倍。灼烧海带提取I2时，下列实验原理与装置不能达到相应实验目的的是A．用装置甲灼烧海带 B．用装置乙过滤得到浸出液C．用装置丙反应生成I2 D．用装置丁萃取碘水中的I26．某课外实验小组设计的下列实验不合理的是()7．已知，室温下存在反应3HNO2＝HNO3＋2NO↑＋H2O；在酸性溶液中，NO2－可将MnO4－还原为Mn2＋且无气体生成。某化学兴趣小组设计了如下探究实验：请回答下列问题：(1)装置A的试管中发生反应的化学方程式是___________________________。(2)B瓶中可以观察到的现象是________________________________________，C瓶出来的气体是___________________________________________________。(3)实验时观察到D管内固体颜色逐渐变为白色。据此甲同学认为D管中生成物是NaNO3，而乙同学则认为D管中生成的是NaNO2，请设计实验证明乙同学的观点正确。实验方法实验现象反应的方程式(4)E装置的作用是_________________________。(5)该小组的同学经讨论认为上述装置仍有缺陷，为了避免D管中生成NaOH，你认为应该进行的改进是_____________________________________________。参考答案1．B2．D解析：氯化钾在水中完全电离，溶液无色，则K＋无色，A正确；由B、C两项对比分析可知，锌不与K＋反应，紫红色褪去只能是锌与MnO4－反应，从而证明MnO4－为紫红色，B、C两项正确；高锰酸钾晶体加热分解，所得固体质量减轻不能达到该实验目的，D不正确。3．A解析：B项，浓硫酸可以使乙醇脱水生成碳，再与浓硫酸反应生成SO2，SO2与挥发出来的C2H5OH都能使酸性KMnO4溶液褪色；C项，应该在相同浓度下比较二者的碱性；D项，在氧化剂存在下，生成的沉淀是BaSO4，在碱性条件下，生成的沉淀是BaSO3。4．D解析：A项，CCl4层显紫色，说明此反应是可逆的、平衡发生了移动，KI3为无机物，在CCl4中的溶解度小；B项，银镜反应需在碱性条件下进行；C项，能否生成BaCO3沉淀，与CO32-与Ba2+浓度的乘积大于溶度积常数有关，与溶度积的大小无关。5．C解析：A．灼烧海带应在坩埚中进行，故A正确；B．海带灰溶于水后得到悬浊液，应用过滤方法得到浸出液，故B正确；C．向用稀硫酸酸化的浸出液滴入双氧水，双氧水能将溶液中的碘离子氧化为单质碘，故C正确；D．碘与乙醇互溶，不能用乙醇萃取溶液中的碘，故D错误；6．C解析：A项，生成的H2能将体系中的O2排出，观察到有Fe(OH)2白色沉淀；B项，脱脂棉燃烧，能说明Na2O2与水反应放热；C项，不能用排水法收集NO2气体；D项，NaOH溶于水放热，且提供OH－，抑制NH3·H2O的电离，能用于制备少量NH3。7．(1)C＋4HNO3(浓)CO2↑＋4NO2↑＋2H2O(2)产生无色气体，溶液逐渐变蓝NO(3)将生成物置于试管中，加入稀硫酸产生无色气体并在液面上方变为红棕色3NO2－＋2H＋＝NO3－＋2NO↑＋H2O、2NO＋O2＝2NO2(或将生成物置于试管中，加入酸性KMnO4溶液溶液的紫色褪去5NO2－＋2MnO4－＋6H＋＝5NO3－＋2Mn2＋＋3H2O)(4)吸收尾气，以免污染空气(5)在C、D之间增加一个盛浓硫酸的洗气瓶(或在C、D之间增加一个装无水CaCl2的干燥管)解析：装置A的试管中发生的是C与浓硝酸的反应，生成的CO2和NO2混合气体进入B装置与水反应，生成的硝酸与Cu反应，B瓶中可以观察到的现象是：产生无色气体，溶液逐渐变蓝。C瓶出来的气体是NO。要验证D管中生成的是否是NaNO2，可通过以下方法来验证：一种方法是将生成物置于试管中，加入稀硫酸，产生无色气体并在液面上方变为红棕色；另一种方法是将生成物置于试管中，加入酸性KMnO4溶液，看溶液的紫色是否褪去。E装置的作用是吸收尾气，以免污染空气。为避免D管中生成NaOH，可在C、D之间增加一个干燥装置。二、教学建议1．能列举物质组成和结构的实验方法，结合仪器分析的数据或图表推测简单物质的组成和结构。2．能在复杂的化学问题情境中提出有价值的实验探究课题，能设计有关物质转化、分离提纯、性质应用等的综合实验方案。3．能运用变量控制的方法探究并确定合适的反应条件，安全、顺利地完成实验；能用数据、图表、符号等描述实验证据并据此分析推理形成结论；能对实验方案、实验过程和实验结论进行评论，提出进一步探究的设想。三、情境素材探究性实验的解题技巧1．限制条件的探究性实验(1)限制条件——限选仪器、用品与试剂①若题目给出限选的实验仪器、用品与试剂，实验过程中所使用的仪器、用品和试剂必须是给定的，不能超出其范围。②若题目没有限制实验仪器、用品与试剂，实验过程中所使用的仪器用品与试剂也应尽量安全、用量恰当、易于操作、符合绿色化学的思想。(2)限制条件——基于某假设①若题目要求基于某假设，即假定该假设是正确的，要且根据该假设给出预