化学试验的设计与评价

PAGE4-化学实验的设计与评价一．教学分析1.教学背景“化学实验的设计与评价”是新课程标准提出的提高学生实验能力的重要方面，在其总目标中就明确提出“使学生掌握一些化学实验基本操作技能，以及跟化学学习有关的认识、感受和体验的表达技能，简单实验设计能力，对化学知识和实验设计的评价能力，对学习内容、过程和方法的反思能力等。”实验设计是指实施化学实验之前，根据化学实验的目的和要求，运用相关的化学知识和技能，对实验的仪器、装置和方法进行规划，构思解决问题方案的过程。纵观历史，在科学研究中，科学、合理、周密、巧妙的实验设计，往往能导致科学的重大发现。居里夫人设计了用酸处理矿渣并在数百个蒸发皿间进行重结晶操作的实验方案，四年后提取出了镭的化合物；艾伦-G-马克迪尔米德他从1973年就开始研究能够使聚合材料能够象金属一样导电的技术，并于2000年最终研究出了有机聚合导体技术。这些科学家们的创造源泉，除了他们对学科知识的广博精通，更加需要具备强烈的创造意识和实验设计能力，因此化学实验设计对于提高学生的实验设计能力有极大的促进作用。而对于相关实验方案的评价，则能有意识指导学生以理性、严谨、科学的态度对于实验方案的各个环节进行考察，比如以一定的原则选择最优化原理来实施，如何在实验过程中尽量避免可能出现的种种问题以将误差降到最低，如何科学地审视实验数据并进行科学的误差分析等等，这种化学实验方式不仅改变了传统的化学实验中照方抓药、模仿重复的实验教学模式，而且激发了学生对知识的主动探求、发现和体验的兴趣，同时在提升学生对信息获取、分析、判断和选择方面十分有效，它能让学生认识科学探索的一般方法，掌握化学探究中常用的、有效的实验方法和手段，学会观察、记录化学现象以及数据处理等，了解化学原理应用于实际化工生产的方法。在情感态度与价值观方面，能培养学生尊重事实、积极探究、崇尚创新、重视合作的科学精神和科学态度。2.学情分析化学实验设计与评价试题的特点是：化学实验与设计题型思维量比较大、综合性强、题目信息新颖、综合分析能力要求高、题设情境新、设问角度看似熟悉却又感觉陌生，能较好地考查学生对化学基础知识、基本技能的掌握情况和基本方法的应用情况，特别是信息给予形式的实验设计与评价试题能更好的考查考生的阅读、理解、分析、提炼、综合、创新等能力和考生的能力品质，因而在各类选拔与考试中尤其是高考中一直受到出题者的青睐。根据题目情境并结合所学过的基础知识来创造性地解决或分析实际问题，能激发学生的创新意识并提高其思维推理能力，为高考的选拔功能和突出化学学科特点起着不可替代的作用。学生存在的主要问题有：自学能力欠佳、提取题干有效信息能力不到位、不能准确地组织文字和简明扼要地答出要点、不能准确地使用化学用语、思维缺乏严密性与逻辑性、缺乏解题技巧、对实验设计与评价试题有恐惧感。二．设计思路（一）关于三维目标1.知识与技能：◆能根据要求，综合应用化学实验的各部分知识与技能，做到设计、改进或评价实验方案。◆能绘制和识别典型的实验仪器装置图。2.过程与方法◆逐步培养学生简单实验设计能力，对化学知识和实验设计的评价能力，对学习内容、过程和方法的反思能力等。◆让学生认识科学探索的一般方法，掌握化学探究中常用的、有效的实验方法和手段，学会观察、记录化学现象以及数据处理等，了解化学原理应用于实际化学实验操作或化工生产的方法。3.情感态度与价值观◆培养学生尊重事实、积极探究、崇尚创新、重视合作的科学精神和科学态度。◆培养学生的辩证唯物主义思想，帮助他们树立科学的人生观、世界观和价值观。◆培养学生关注人类的可持续发展问题。（二）关于重点难点重点与难点：综合应用化学实验的各部分知识与技能，做到设计、改进和评价实验方案，形成最优实验设计思路，培养简单实验设计能力，对化学知识和实验设计的评价能力，对学习内容、过程和方法的反思能力。（三）关于教学过程1．回顾：前几次月考当中遇到的实验题第26、27题及同学解题情况。2．引入：实验题的基本要求。3．情境设置：从具体实验题的设计与评价引发讨论与交流。4．引导总结：揭示实验设计与评价的一般思路与原则。5．解决问题：应用原则解决新的问题。6．总结提高：在实验设计的原则下，培养大家有思路、会评价、能选择。7．练习反馈：通过课外练习对于课内掌握情况进行反馈。三．设计知识点1.明确化学实验教学的目标：（实验方案）有思路、会评价、能选择。2.实验分类（1）从实验目的分：①物质的制备实验方案的设计；②物质的性质实验方案的设计；③物质的分离、提纯、检验实验方案的设计（2）从量的要求分：①定性实验：制备、鉴别、鉴定、性质的比较、分离、提纯；②定量实验：化学式、结构的推断；结晶水数目的测定；纯度、浓度、溶解度的测算。中学化学主要有三个重要的定量实验：配制一定物质的量浓度的溶液，硫酸铜晶体中结晶水含量的测定，中和滴定。3.化学实验设计的内容一个相对完整的化学实验方案一般包括下述内容：（1）实验目的。（2）实验原理。（3）实验用品（药品、仪器、装置、设备）及规格。（4）实验装置图、实验步骤和操作方法。（5）注意事项。（6）实验现象及结论记录表。4.化学实验设计的要求(1)科学性科学性是化学实验方案设计的首要原则。所谓科学性是指实验原理、实验操作程序和方(2)应选择的装置为（填图中仪器编号）_________(3)所用装置的连接顺序为（填接口的字母，连接的胶管省略）______解析：测定含Na2O杂质的Na2O2的纯度，同学们一般都是从两种物质不同的性质着手。很多同学一看到Na2O2想到的就是它可以和CO2反应生成氧气，何况题目中提供了能生成CO2的试剂与仪器，然后可以通过测定氧气的体积推算出Na2O2的量，最终求算出其纯度。然而这条思路遇到的最大问题就是CO2也是气体，在通过横放的玻璃管与Na2O2反应不可能完全，那么接下去要处理的就是要将未完全反应的CO2处理掉，才能测氧气的体积，或者通过排水法量氧气体积时溶液必须是能很好吸收CO2的，这样遇到的问题就比较复杂了，违背了实验设计中的简约原则。其实，不受CO2这一信息的干扰，有更为简单的方法来测定Na2O2的量，即Na2O2与水反应。把握了这一基本思路后，这道题目也就迎刃而解了。答案：（1）2Na2O2+2H2O→4NaOH+O2↑(2)⑤①④(3)GBAF2、制备实验方案的设计制备实验方案设计的基本思路：[例2]以铜、硝酸、硝酸银、水、空气等为原料，可用多种方法制取Cu(NO3)2。（1）试设计四种制取Cu(NO3)2的途径（用化学方程式表示）。（2）从“绿色化学”角度（环境保护和经济效益）考虑，大量制取Cu(NO3)2最宜采用上述哪种方法？说明原因。解析：这是一道开放型的实验设计题目，答案是多样化的。从给出的原料和目标产物[Cu(NO3)2]来看，基本的思路如下：完成这一转化的途径很多。直接用Cu与HNO3反应：②利用③，问题（2）实际上是要求从环境保护和经济效益两个角度对上述四种制取Cu(NO3)2的方法进行评价。很显然，用Cu和HNO3直接反应的方法既污染环境（生成NO或NO2），又浪费原料（HNO3的理论利用率分别只有50%和75%），故不符合要求。用Cu和AgNO3，反应方法虽然简单，但是成本太高（AgNO3价格昂贵），也不符合题目要求。只有最后一种方法既不造成污染，两种基本原料为Cu和HNO3，又不会有损失，符合“绿色化学”的设计思想。答案：（1）方法一：方法二：方法三：方法四：（2）（略）3、性质实验方案的设计（1）完成性质实验方案设计的基础：（1）无机物质的性质：与原子结构有关（2）有机物质的性质：与分子结构有关而有机物的分子结构又与官能团的种类和基团之间的相互影响有关。（2）性质实验方案设计的一般思路：分析结构对比回顾相关知识预测性质拟定方案分子结构 同系物 稳定性原子结构 元素周期表 酸、碱性氧化还原性官能团反应常识了解[例3]为探究乙炔与溴的加成反应，甲同学设计并进行了如下实验：先取一定量工业用电石与水反应，将生成的气体通入溴水中，发现溶液褪色，即证明乙炔与溴水发生了加成反应。（电石、水）（）（）

溴水乙同学发现甲同学实验中，褪色后的溶液里有少许淡黄色浑浊，推测在制得乙炔中还有可能含有少量还原性的杂质气体，由此他提出必须先除去之，再与溴水反应。请你回答问题：（1）写出甲同学实验中两个主要的化学方程式。（2）甲同学设计的实验（填能或不能）验证乙炔与溴发生加成反应，其理由是。①使溴水褪色的反应，未必是加成反应②使溴水褪色的反应，就是加成反应③使溴水褪色的物质，未必是乙炔④使溴水褪色的物质，就是乙炔（3）乙同学推测此乙炔中必定含有的一种杂质气体是，它与溴水反应的化学方程式是。验证过程中必须全部除去。（4）请你选用上列四个装置（可重复使用）来实现乙同学的实验方案，将它们的编号填入方框，并写出装置内所放的化学药品。（5）为验证这一反应是加成而不是取代，丙同学提出可用pH试纸来测试反应后溶液的酸性，理由是。解析：该题为有机化合物性质的实验。已知乙炔与Br2发生加成生成1，1，2，2—四溴乙烷成或1，2一二溴乙烯，不会产生淡黄色沉淀。则电石与H2O反应生成气体物质中必含还原性物质。答案：（1）或（2）不能；（由于生成的气体中混有还原性气体，也会使Br2水褪色，则在净化前不能直接与Br2反应。）①、③（3）；（4）c（CuSO4溶液）；b（CuSO4溶液）。（5）如若发生取代反应，必定生成HBr，溶液酸性将会明显增强，故可用pH试纸验证。

化学实验的设计与评价姓名_________班级_________学号__________[练习]AUTONUM．某同学想利用实验证明高锰酸钾溶液的紫红色是MnO4－离子的颜色，而不是K＋离子的颜色，他设计的下列实验步骤中没有意义的是（）A．将高锰酸钾晶体加热分解，所得固体质量减少B．观察氯化钾溶液没有颜色，表明溶液中K＋无色C．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＋无反应D．在高锰酸钾溶液中加入适量锌粉振荡，静置后见紫红色褪去，表明MnO4－离子为紫红色2．下图装置可以用来发生、洗涤、干燥、收集(不考虑尾气处理)气体。该装置可用于（）

A．锌和盐酸生成氢气

B．二氧化锰和浓盐酸生成氯气

C．碳酸钙和盐酸生成二氧化碳

D．氯化钠和浓硫酸生成氯化氢3．为了检验某化合物中是否含有NH4+、SO42－、Fe2+和结晶水，设计了下列操作步骤：①取少量晶体加热，发现试管口处有液体，且该液体能使无水硫酸铜变蓝；②另取少量晶体溶于水中，滴加少量的氯水，再加入KSCN溶液，有红色出现；③取少量溶液于试管，加入盐酸，没有现象，再加入BaCl2溶液，有白色沉淀生成；④取少量溶液于试管中，加入浓NaOH溶液，微热有使湿润的红色石蕊试纸变蓝的气体产生，同时也有白色沉淀产生，该沉淀很快变成灰绿色沉淀。下列说一定正确的是（）A．②中的现象说明一定有Fe2+B．为了检验SO42－，可以将③中的试剂换为HNO3酸化的Ba(NO3)2C．通过上述实验可确定该化合物的化学式为(NH4)2Fe(SO4)2·6H2OD．④中的沉淀长时间放置会变成红褐色沉淀4．以Al、稀H2SO4和NaOH为原料制取Al(OH)3，甲、乙、丙3个学生分别用3种不同的途径制备：甲：AlAl2(SO4)3Al(OH)3乙：AlNaAlO2Al(OH)3丙：若要制得等量的Al(OH)，则()A.乙消耗原料最少B.三者消耗原料相同C.丙消耗的原料最少D.甲、乙消耗原料相同5．用下图装置测定水中氢、氧元素的质量比，其方法是分别测定通氢气前后玻璃管的质量差和U型管的质量差，实验测得m(H)：m(O)>1：8。下列对导致这一结果的原因的分析中，一定错误的是（）A．I、Ⅱ装置之间缺少干燥装置B．CuO没有全部被还原C．Ⅱ装置中玻璃管内有水冷凝D．Ⅲ装置后缺少干燥装置6．某研究小组成员在讨论鉴别浓硫酸和稀硫酸的方案时，设计如下方案：操作结论甲火柴梗变黑者为浓硫酸乙加入金属铝片产生刺激性气味者为浓硫酸丙分别加入到盛水的试管中放热者为浓硫酸丁用玻璃棒蘸浓氨水靠近盛酸的瓶口冒白烟者为浓梳酸戊加到CuSO4·5H2O晶体中变白者为浓硫酸（1）其中可行的是_________________。（2）其中一个操作稍作改进就能成为可行的是__________，改进方法是____________。（3）完全错误的是_______，因为_____________________________________________。（4）请给出另外两种鉴别方法：操作根据现象做出结论AB7．化学活动课上，三组学生分别用图示甲、乙两装置，探究“NaHCO3，和Na2CO3与稀盐酸的反应”，按表中的试剂用量，在相同条件下，将两个气球中的固体粉末同时倒入试管中(装置的气密性已检查)。请回答：(1)各组反应开始时_____________，装置中的气球体积先变大，该装置中反应的离子方程式是_______________________________。(2)当试管中不再有气体生成时，三组实验出现不同现象，填写下表的空格。

试剂用量实验现象分析原因第①组042gNaHCO3053gN2CO33mL4mol/L盐酸甲中气球与乙中气球的体积相等甲、乙盐酸均过量n(NaHCO3)=n(Na2CO3)V甲(CO2)=V乙(CO2)第②组03gNaHCO303gNa2CO33mL4mol/L盐酸甲中气球比乙中气球的体积大第③组06gNaHCO306gNa2CO33mL2mol/L盐酸甲中气球比乙中气球的体积大片刻后，乙中气球又缩小，甲中气球的体积基本不变(用离子方程式表示)8．欲在室温和1.01×105Pa条件下测定镁的原子量。请利用图给定的仪器（盛放镁条的隔板有小孔）组装成一套实验装置（每种仪器只允许用一次）。请回答下列问题：（1）假设气流方向为左→右，则各仪器的接口连接的先后顺序为（用小写字母填写）______。（2）连接好仪器后，要进行的操作有以下几步：①待仪器B中的物质恢复至室温时，测量量简C中水的体积（若假定将测定的体积换算成标准状况下为VmL）；②擦掉镁条表面的氧化膜，将其置于天平上称量（假定其质量为mg），并将其投入试管B中；③检查各装置的气密性；④旋开仪器A上分液漏斗的活塞，当镁条完全溶解时再关闭活塞。上述几步操作的先后顺序是______。（3）根据实验数据可算出镁的相对原子质量，其数字表达式为________。（4）若未将试管B冷却至室温就测量量筒C中水的体积，这将会使所测镁的相对原子质量数据（填偏高、偏低或无影响）________。（5）若未擦净镁条表面氧化膜就进行实验，这将会使所测镁的相对原子质量数据（填偏高、偏低或无影响）_________。9．某绿色粉末的组成可表示为Cu2(OH)2CO3·xH2O，在加热条件下，该粉末在失去结晶水的同时发生分解反应，化学方程式如下：Cu2(OH)2CO3·xH2O2CuO+CO2↑+（x+1）H2O现取一定量该粉末（未精确测定质量）样品，用下图所列仪器（夹持、加热等仪器均略）先后进行两个实验：（Ⅰ）测定该粉末组成中结晶水的x值；（Ⅱ）用前一个实验结束后的残留固体与乙醇蒸气反应（该残留固体可使乙醇发生去氢氧化），并检验反应产物。（已知乙醇的沸点为78℃（1）见图中已装配好一套装置，回答下列问题：①该装置用于进行实验（选填Ⅰ或Ⅱ），需加热的仪器有（选填序号字母）；②在试管D中所放试剂及可观察到的现象是，反应的离子方程式为；③为确保反应物有较高的利用率，且使装置中气流平稳，应对C部分进行的改进是；（2）用图中其它仪器组装完成另一实验的装置，回答以下问题：①这些仪器按气流从左到右方向的连接顺序是（填写序号字母）→→→H；其中H的作用是；②组装试管F时，试管口应略向下倾斜，其原因是；（3）若各装置中的反应都能进行完全，实验后测得A中固体质量减轻ag、E增重bg、G增重cg，则表示结晶水x值的计算式为（从a、b、c中选两个量求算，不必化简）。10.三氧化二铁和氧化亚铜都是红色粉末，常用作颜料。某校一化学实验小组通过实验来探究一红色粉末是Fe2O3、Cu2O或二者混合物。探究过程如下：查阅资料：Cu2O是一种碱性氧化物，溶于稀硫酸生成Cu和CuSO4，在空气中加热生成CuO。提出假设假设1：红色粉末是Fe2O3；假设2：红色粉末是Cu2O；假设3：。设计探究实验取少量粉末放入足量稀硫酸中，在所