江苏省2014届高考化学二轮复习简易通：第13讲-化学实验方案的设计与评价

PAGEPAGE1第13讲化学实验方案的设计与评价(时间：45分钟分值：100分)(共6个题，共100分)1．(2013·福建理综，25)(16分)固体硝酸盐加热易分解且产物较复杂。某学习小组以Mg(NO3)2为研究对象，拟通过实验探究其热分解的产物，提出如下4种猜想：甲：Mg(NO2)2、NO2、O2乙：MgO、NO2、O2丙：Mg3N2、O2丁：MgO、NO2、N2(1)实验小组成员经讨论认定猜想丁不成立，理由是_______________________。查阅资料得知：2NO2＋2NaOH=NaNO3＋NaNO2＋H2O针对甲、乙、丙猜想，设计如下图所示的实验装置(图中加热、夹持仪器等均省略)：(2)实验过程①仪器连接后，放入固体试剂之前，关闭k，微热硬质玻璃管(A)，观察到E中有气泡连续放出，表明__________。②称取Mg(NO3)2固体3.7g置于A中，加热前通入N2以驱尽装置内的空气，其目的是________；关闭k，用酒精灯加热时，正确操作是先________，然后固定在管中固体部位下加热。③观察到A中有红棕色气体出现，C、D中未见明显变化。④待样品完全分解，A装置冷却至室温、称量，测得剩余固体的质量为1.0g。⑤取少量剩余固体于试管中，加入适量水，未见明显现象。(3)实验结果分析讨论①根据实验现象和剩余固体的质量经分析可初步确认猜想______是正确的。②根据D中无明显现象，一位同学认为不能确认分解产物中有O2，因为若有O2，D中将发生氧化还原反应：______________(填写化学方程式)，溶液颜色会褪去；小组讨论认定分解产物中有O2存在，未检测到的原因是______________________________________________________________。③小组讨论后达成的共识是上述实验设计仍不完善，需改进装置进一步探究。解析(1)丁产物中只有N的化合价降低，没有化合价升高的，不符合电子守恒规律。(2)在做有关气体多步连续实验时，首先应检查装置的气密性，还要考虑装置中的空气对产物的生成及检验是否会产生影响，若有干扰必须先排净干扰气体。对玻璃加热时要先均匀预热，再集中加热。(3)①不可能是甲，因为甲中Mg(NO2)2可溶于水。不可能是丙，因为丙中Mg3N2能与水反应产生NH3和Mg(OH)2沉淀。只能是乙，Mg(NO3)2～MgO148403.7gmm＝40×eq\f(3.7g,148)＝1.0g氧化镁难溶于水，且符合质量变化。②Na2SO3具有还原性，能被O2氧化；NO2和O2可被NaOH共同吸收。答案(1)不符合氧化还原反应原理(或其他合理答案)(2)①装置气密性良好②避免对产物O2的检验产生干扰(或其他合理答案)移动酒精灯预热硬质玻璃管(3)①乙②2Na2SO3＋O2=2Na2SO4O2在通过装置B时已参与反应(或其他合理答案)2．(2013·苏北四市联考)(16分)硼位于ⅢA族，三卤化硼是物质结构化学的研究热点，也是重要的化工原料。三氯化硼(BCl3)可用于制取乙硼烷(B2H6)，也可作有机合成的催化剂。【查阅资料】①BCl3的沸点为12.5℃，熔点为－107.3℃；②2B＋6HCleq\o(=,\s\up14(△))2BCl3↑＋3H2↑；③硼与铝的性质相似，也能与氢氧化钠溶液反应。【设计实验】某同学设计如图所示装置制备三氯化硼：请回答下列问题：(1)常温下，高锰酸钾固体粉末与浓盐酸发生的反应可替代A装置中的反应，两个反应的产物中锰的价态相同。写出高锰酸钾固体粉末与浓盐酸反应的离子方程式：_____________________________________________________。(2)E装置的作用是_______________________________________________。如果拆去B装置，可能的后果是________________________________________________________________________。(3)写出D装置中发生反应的化学方程式：________________________________________________________________________；实验中可以用一个盛装________(填试剂名称)的干燥管代替F＋G装置，使实验更简便。(4)三氯化硼遇水剧烈反应生成硼酸(H3BO3)和白雾，写出该反应的化学方程式：__________________________________________________________；实验室保存三氯化硼的注意事项是_________________________________。(5)为了顺利完成实验，正确的操作是________(填序号)，并解释原因：________。①先点燃A处酒精灯，后点燃D处酒精灯②先点燃D处酒精灯，后点燃A处酒精灯③同时点燃A、D处酒精灯(6)请你设计一个简易实验，验证制得的产品中是否含有硼粉：________________________________________________。解析本实验属于物质制备与检验综合设计实验，涉及制备气体、净化气体、干燥气体和尾气处理。(1)见答案。(2)三氯化硼的沸点低，易挥发，需要冷却产品。B装置的作用是吸收Cl2中混有的HCl，由题给资料知，硼与氯化氢反应生成的产物中有氢气，加热氢气和氯气的混合气体，易发生爆炸。(3)硼与氯气在加热条件下反应生成三氯化硼。F装置用于吸收水蒸气，避免G装置中的水蒸气进入U形管。G装置可以盛装氢氧化钠溶液吸收尾气，故实验中可以用一个盛装碱石灰的干燥管来代替F＋G装置。(4)因硼与铝的性质相似，硼酸的化学式为H3BO3，类似铝酸(H3AlO3)。因三氯化硼遇水能反应，故实验室应密封保存三氯化硼。(5)若不先排尽装置中的空气，O2会与硼反应：4B＋3O2eq\o(=,\s\up14(△))2B2O3。(6)由题给材料知硼与氢氧化钠溶液反应：2B＋2H2O＋2NaOH=2NaBO2＋3H2↑，三氯化硼溶于氢氧化钠溶液发生反应：BCl3＋4NaOH=NaBO2＋2H2O＋3NaCl。答案(1)2MnOeq\o\al(－,4)＋10Cl－＋16H＋=2Mn2＋＋8H2O＋5Cl2↑(2)冷却和收集三氯化硼硼粉与氯化氢反应生成的产物中有氢气，加热氢气与氯气的混合气体，易发生爆炸(3)2B＋3Cl2eq\o(=,\s\up14(△))2BCl3碱石灰(4)BCl3＋3H2O=H3BO3＋3HCl↑密封保存(5)①排尽装置中的空气，避免氧气与硼粉反应生成B2O3(6)取少量样品于试管中，滴加浓氢氧化钠溶液，若有气泡产生，则样品中含有硼粉；若无气泡产生，则样品中无硼粉3．(2013·山东理综，30)(18分)TiO2既是制备其他含钛化合物的原料，又是一种性能优异的白色颜料。(1)实验室利用反应TiO2(s)＋CCl4(g)eq\o(=,\s\up14(△))TiCl4(g)＋CO2(g)，在无水无氧条件下制备TiCl4，实验装置示意图如下：有关物质性质如下表：物质熔点/℃沸点/℃其他CCl4－2376与TiCl4互溶TiCl4－25136遇潮湿空气产生白雾仪器A的名称是________。装置E中的试剂是________。反应开始前依次进行如下操作：组装仪器、________、加装药品、通N2一段时间后点燃酒精灯。反应结束后的操作包括：①停止通N2②熄灭酒精灯③冷却至室温。正确的顺序为________(填序号)。欲分离D中的液态混合物，所采用操作的名称是________。(2)工业上由钛铁矿(FeTiO3)(含Fe2O3、SiO2等杂质)制备TiO2的有关反应包括：酸溶FeTiO3(s)＋2H2SO4(aq)=FeSO4(aq)＋TiOSO4(aq)＋2H2O(l)水解TiOSO4(aq)＋2H2O(l)eq\o(=,\s\up14(90℃))H2TiO3(s)＋H2SO4(aq)简要工艺流程如下：①试剂A为________。钛液Ⅰ需冷却至70℃左右，若温度过高会导致产品TiO2产率降低，原因是________________________________________________________________________。②取少量酸洗后的H2TiO3，加入盐酸并振荡，滴加KSCN溶液后无明显现象，再加H2O2后出现微红色，说明H2TiO3中存在的杂质离子是________。这种H2TiO3即使用水充分洗涤，煅烧后获得的TiO2也会发黄，发黄的杂质是____________________(填化学式)。解析(1)注意审题，该反应是在无水无氧条件下制备的；安装完装置，首先检查气密性，然后装入药品。根据反应条件，N2必须进行干燥处理(干燥管)。然后通过N2排除系统内的空气(O2)，点燃酒精灯，使反应发生。为了防止倒吸，反应结束后，应先熄灭酒精灯，再冷却到室温，最后停止通N2。在D中冷凝的液体有CCl4和TiCl4，根据沸点不同，可采用分馏的方法分离。(2)①加入H2SO4，除发生FeTiO3酸溶外，还发生反应Fe2O3＋6H＋=2Fe3＋＋3H2O，为了使Fe3＋转化成Fe2＋，所以应加入Fe粉(A)，钛液中含有FeSO4和TiOSO4，考虑到温度越高，TiOSO4的水解程度越大，造成TiOSO4提前水解生成H2TiO3沉淀，在过滤时，造成钛损失。②由于Fe2＋不可能全部结晶生成绿矾，造成H2TiO3中含Fe2＋，滴入H2O2发生反应2Fe2＋＋2H＋＋H2O2=2Fe3＋＋2H2O，所以当加入KSCN后，显红色，由于在H2TiO3中含Fe2＋，所以煅烧后会发生反应生成Fe2O3，造成TiO2发黄。答案(1)干燥管浓H2SO4检查气密性②③①分馏(或蒸馏)(2)①Fe温度过高会导致TiOSO4提前水解，产生H2TiO3沉淀②Fe2＋Fe2O34．(2013·南京淮安二模，26)(16分)碳酸钠—过氧化氢加合物(aNa2CO3·bH2O2)具有漂白、杀菌作用。实验室用“醇析法”制备该物质的实验步骤如下：第1步：取适量碳酸钠溶解于一定量水里，倒入烧瓶中；再加入少量稳定剂(MgCl2和Na2SiO3)，搅拌均匀。第2步：将适量30%的H2O2溶液在搅拌状态下滴入烧瓶中，于15℃左右反应1h。第3步：反应完毕后再加入适量无水乙醇，静置、结晶，过滤、干燥得产品。(1)第1步中，稳定剂与水反应生成两种常见的难溶物，其化学方程式为___________________________________________________________。(2)第2步中，反应保持为15℃左右可采取的措施是________________________________________________________________________。(3)第3步中，无水乙醇的作用是____________________________________。(4)H2O2的含量可衡量产品的优劣。现称取mg(约0.5g)样品，用新煮沸过的蒸馏水配制成250mL溶液，取25.0mL于锥形瓶中，先用稀硫酸酸化，再用cmol·L－1KMnO4溶液滴定至终点。①配制250mL溶液所需的玻璃仪器有烧杯、玻璃棒、量筒________、________；②滴定终点观察到的现象是______________________________________。(5)可模拟用蒸馏法测定样品中碳酸钠的含量。装置如右图所示(加热和固定装置已略去)，实验步骤如下：步骤1：按右图所示组装仪器，检查装置气密性。步骤2：准确量取(4)中所配溶液50mL于烧瓶中。步骤3：准确量取40.00mL约0.2mol·L－1NaOH溶液两份，分别注入烧杯和锥形瓶中。步骤4：打开活塞K1、K2，关闭活塞K3缓缓通入氮气一段时间后，关闭K1、K2，打开K3；经分液漏斗向烧瓶中加入10mL3mol·L－1硫酸溶液。步骤5：加热至烧瓶中的液体沸腾，蒸馏，并保持一段时间。步骤6：经K1再缓缓通入氮气一段时间。步骤7：向锥形瓶中加入酸碱指示剂，用c1mol·L－1H2SO4标准溶液滴定至终点，消耗H2SO4标准溶液V1mL。步骤8：将实验步骤1～7重复两次。①步骤3中，准确移取40.00mLNaOH溶液所需要使用的仪器是________；②步骤1～7中，确保生成的二氧化碳被氢氧化钠溶液完全吸收的实验步骤是________(填序号)；③为获得样品中碳酸钠的含量，还需补充的实验是______________________。解析(1)由于稳定剂是氯化镁和硅酸钠，由题意混合后生成两种难溶化合物，因此该反应的化学方程式为MgCl2＋Na2SiO3＋2H2O=Mg(OH)2↓＋H2SiO3↓＋2NaCl。(2)要想较稳定的保持溶液的温度为15℃，较好的方法是用15℃的水浴。(3)反应完毕后向溶液中加入无水乙醇，主要作用是降低过碳酸钠的溶解度，有利于其结晶析出。(4)配制250mL溶液需要的关键仪器是250mL的容量瓶作为量器，准确确定溶液的体积，还需要烧杯、量筒、玻璃棒、胶头滴管等；由于用酸性高锰酸钾溶液滴定双氧水，因此达到终点时，过量的高锰酸钾可以做指示剂，终点时的现象为滴入最后一滴酸性高锰酸钾溶液颜色呈粉红色，且半分钟不变色。(5)要准确量取40.00mLNaOH溶液，需要精度高的量器，不能用量筒，应该用碱式滴定管；实验时先通入氮气是为了防止系统中空气的CO2影响实验结果，最后通氮气是为了把生成的CO2全部被烧碱吸收，检查装置气密性是为了防止生成的CO2逸出，加热煮沸烧瓶中的溶液是把生成并溶解在溶液中的CO2赶出然后被烧碱吸收，因此实验步骤1、5、6是为了保证生成的CO2完全被烧碱吸收；由于实验中烧碱溶液的浓度是大约为0.2mol·L－1，因此要想准确计算实验结果，还需要知道烧碱溶液的准确浓度，这就需要用标准硫酸溶液滴定烧碱溶液的浓度。答案(1)MgCl2＋Na2SiO3＋2H2O=2NaCl＋Mg(OH)2↓＋H2SiO3↓(2)15℃水浴或冷水浴(3)降低过碳酸钠的溶解度(有利于晶体析出)(4)①250mL容量瓶胶头滴管②溶液呈粉红色且30s不褪色(5)①碱式滴定管②1,5,6③用H2SO4标准溶液滴定NaOH溶液的浓度5．(16分)利用硫酸渣(主要含Fe2O3、SiO2、Al2O3、MgO等杂质)制备氧化铁的工艺流程如下：(1)“酸浸”中硫酸要适当过量，目的是：①提高铁的浸出率；②________。(2)“还原”是将Fe3＋转化为Fe2＋，同时FeS2被氧化为SOeq\o\al(2－,4)，该反应的离子方程式为________________________________________________________________________。(3)为测定“酸浸”步骤后溶液中Fe3＋的量以控制加入FeS2的量。实验步骤为：准确量取一定体积的酸浸后的溶液于锥形瓶中，加入稀盐酸、稍过量SnCl2，再加HgCl2除去过量的SnCl2，以二苯胺磺酸钠为指示剂，用K2Cr2O7标准溶液滴定，有关反应的化学方程式如下：2Fe3＋＋Sn2＋＋6Cl－=2Fe2＋＋SnCleq\o\al(2－,6)Sn2＋＋4Cl－＋2HgCl2=SnCleq\o\al(2－,6)＋Hg2Cl2↓6Fe2＋＋Cr2Oeq\o\al(2－,7)＋14H＋=6Fe3＋＋2Cr3＋＋7H2O①若SnCl2不足量，则测定的Fe3＋量________(填“偏高”、“偏低”或“不变”，下同)；②若不加HgCl2，则测定的Fe3＋量________。(4)①可选用________(填试剂)检验滤液中含有Fe3＋。产生Fe3＋的原因是________________________________________________________________________(用离子方程式表示)。②已知部分阳离子以氢氧化物形式沉淀时溶液的pH见下表：沉淀物Fe(OH)3Al(OH)3Fe(OH)2Mg(OH)2Mn(OH)2开始沉淀2.73.87.59.48.3完全沉淀3.25.29.712.49.8实验可选用的试剂有：稀硝酸、Ba(NO3)2溶液、酸性KMnO4溶液、NaOH溶液，要求制备过程中不产生有毒气体。请完成由“过滤”后的溶液模拟制备氧化铁的实验步骤：a．氧化：________________________________________________________；b．沉淀：__________________________________________________________；c．分离，洗涤；d．烘干，研磨。解析(1)Fe3＋的水解方程式为Fe3＋＋3H2OFe(OH)3＋3H＋，酸过量，抑制Fe3＋的水解。(2)根据题给信息，写出反应物和生成物，因为在酸性环境下反应，则介质为H2O和H＋，根据电子得失守恒和离子所带电荷守恒可以写出离子方程式。(3)①SnCl2不足，Fe3＋没有完全反应，生成的Fe2＋偏少，则消耗的K2Cr2O7标准溶液体积偏小，则测定的Fe3＋量偏低；②若不加HgCl2，过量的Sn2＋也能够被K2Cr2O7氧化，则消耗的K2Cr2O7标准溶液体积偏高，则测定的Fe3＋量偏高。(4)①Fe3＋与KSCN的络合反应或者Fe3＋与OH的显色反应均可以用于鉴别。产生Fe3＋的原因是Fe2＋被空气中的氧气氧化。②“过滤”后的溶液中有Fe2＋、Al3＋、Mg2＋以及少量Fe3＋，首先将Fe2＋完全氧化为Fe3＋，然后控制pH，只使Fe(OH)3沉淀，从表格数据可以分析，控制pH为3.2～3.8。答案(1)抑制Fe3＋的水解(2)14Fe3＋＋FeS2＋8H2O=15Fe2＋＋2SOeq\o\al(2－,4)＋16H＋(3)①偏低②偏高(4)①KSCN(或OH)4Fe2＋＋O2＋4H＋=4Fe3＋＋2H2O②a.向溶液中加入过量的酸性高锰酸钾溶液，搅拌b．滴加NaOH溶液，调节溶液pH为3.2～3.86．(18分)用氯化铁浸出­重铬酸钾(K2Cr2O7)滴定法测定钛精粉试样中单质铁的质量分数[w(Fe)]，实验步骤如下：步骤1：称取试样0.100g于250mL洗净的锥形瓶中。步骤2：加入FeCl3溶液100mL，迅速塞上胶塞，用电磁搅拌器搅拌30min。步骤3：过滤，用水洗涤锥形瓶和滤渣各3～4次，洗液全部并入滤液中。步骤4：将滤液稀释至500mL，再移取100mL稀释液于锥形瓶中，加入20mL硫酸和磷酸的混合酸，加0.5%二苯胺磺酸钠指示剂4滴。步骤5：以K2Cr2O7标准溶液滴定至出现明显紫色为终点。发生的反应为Cr2Oeq\o\al(2－,7)＋6Fe2＋＋14H＋=2Cr3＋＋6Fe3＋＋7H2O。步骤6：重复测定两次。步骤7：数据处理。(1)步骤2中加入FeCl3溶液后锥形瓶中发生反应的离子方程式为________________，迅速塞上胶塞的原因是________________________________________________________________________。(2)步骤3中判断滤纸上残渣已洗净的方法是_______________________________________________________________