专题5化学实验设计和评价（原卷版）2

专题5化学实验设计和评价【命题重点】实验设计包括:①单项实验设计:设计实验求证某一单项问题,或求证某一规律;特点是围绕某一问题设计一个指向很单一的实验,而且实验通常一步到位。②综合实验设计:设计实验求证多个问题,其特点是多步操作、装置复杂、现象多样。③定量实验设计:通过实验,获取有关数据,然后分析数据推理出结论。定量实验设计要精密一些,要尽可能地回避一些误差的引入。④开放型实验设计:试题从提出问题、实验的方向、仪器的选择、装置的设计、现象的观察记录到结论的推理完全自主完成。解答此类试题,过程要合理完整,方法简便,现象叙述要准确,推理要符合逻辑。实验方案评价包括实验原理及方案的评价、实验装置的评价、实验操作的评价、实验现象的描述与结论分析的评价。以批判的思维方法对所设计的实验方案、实验方法、实验装置、实验操作从某个角度否定,排除不合理或可行但不是最优的方法,选择、创新更好的方法。【方法要点】1.实验方案的设计(1)实验设计的基本要求①科学性：实验原理、方法和操作等科学、合理。②安全性：实验操作要尽量防止带有危险性的操作,尽量避免与有毒物质接触。若无法避免有毒物质,则应采取安全措施,以防造成环境污染和人体伤害。③可行性：设计的实验方案要真正切实可行,所选药品、仪器、装置经济可靠。④简约性：实验设计应简单易行。装置简单,实验操作简便,实验现象明显。(2)实验方案设计的几种思路实验设计的总体思路是明确实验目的,弄清实验原理,根据要求正确选择仪器和药品,设计实验装置和操作步骤,分析得出结论。①对比实验设计：对比实验是实验设计的一种基本思路,有利于实验现象观察对比,有利于推理论证结论。②控制变量实验设计：一个问题常常受多方面的因素制约,为了研究每一个因素对问题的影响程度,常常采取控制变量法逐个检验,每一个现象只说明一个问题,换一个条件再检验。综合各个因素对问题的影响作出综合性的判断。③综合实验设计：设计一个实验探究多方面的问题,如设计一个组合实验探究某一混合气体的成分、某一气体的性质和组成等。2.实验方案的评价(1)方案在理论上是否科学、合理,是否具有严密性;(2)在满足安全性的前提下,操作上是否简单易行;(3)从经济角度评价,是否节约试剂、降低成本和提高产品质量;(4)从环境角度考虑,是否会对环境造成污染。(2)对方案优劣的评价的原则①设计简洁就是要尽可能采用简单的仪器或实验装置,在常规条件下进行;用较少的实验步骤和试剂,在较短的时间内完成实验,充分体现实验设计的简约性原则。②效果明显就是按照实验设计进行操作,产生的现象生动直观,易于观察记录。③安全可靠实验设计要尽可能避免选用有毒药品和具有一定危险性的实验操作,如果必须选用,应在设计方案中给出明确提示和预防措施,以避免造成环境污染或实验事故;此外,还要确保实验成功。【例题精析】类型1实验方案的设计1．甲、乙两学习小组准备测定某石灰石样品中碳酸钙的质量分数。它们分别采用了不同的测定方法。甲组同学的方法是：将样品与稀盐酸反应，测定反应后生成CO2的体积，再根据体积换算为质量最后根据CO2的质量求出样品中碳酸钙的质量。如图1为大理石与稀盐酸反应的反应装置，图2用于测量O2的体积（1）写出图1中仪器的名称：①。（2）图1检查装置气密性的方法是：。（3）图2装置中油层的作用是。（4）图1中，长颈漏斗的下端必须伸入液面以下，这样做的目的是。（5）（填操作方法）可使反应前后油层上方气体压强和外界大气压相同，此时排出水的体积即为生成二氧化碳的体积。乙组同学的实验方法是：将采集到的样品用水冲洗后晾干，称取20.00g样品平均分成两份，分别与足量相同质量分数的稀盐酸反应进行下列测定（如图3），经数据处理得到释放出二氧化碳的质量与反应时间的关系图（如图4）。（6）图3所示实验中数据记录纸上应该连续记录的实验数据是和。（7）石灰石与稀盐酸反应的化学方程式（8）由图4中曲线可以看出，固体物质与液体物质反应，当其他条件相同时，其影响实验反应速率的因素是。（9）有同学认为图3装置不能准确测定产生的气体的质量，原因是。2．碳酸钠与工农业生产、日常生活紧密相关。工业碳酸钠大多采用侯氏制碱法制取，所得碳酸钠样品中往往含有少量NaCl，现欲测定样品中Na2CO3的质量分数，某探究性学习小组分别设计了如下实验方案。请回答下列有关问题：方案一：沉淀分析法（1）把一定质量的样品溶解后加入过量的CaCl2溶液，将所得沉淀（填操作）、洗涤、烘干、称量，判断沉淀已洗涤干净的操作是。方案二：气体分析法（2）把一定量的样品与足量盐酸反应后，用如图所示装置测定产生CO2的体积，为了确保测定结果的准确性，B中的溶液最好采用，装置A中发生反应的离子方程式为。方案三：质量差分析法（3）把一定质量的样品和足量的稀硫酸反应，采用如图2所示装置，通过称量反应前后盛有碱石灰的干燥管的质量，利用其质量差求算样品的纯度。该实验的操作步骤有：①取ng样品装入广口瓶中，打开止水夹，缓慢鼓入空气数分钟②关闭止水夹，在干燥管内填满碱石灰，质量为mg③缓慢加入稀硫酸至不再产生气体为止④打开止水夹缓慢鼓入空气数分钟，再称量干燥管质量为wgⅠ.装置组装完成后，进行步骤①前还必要进行的操作为；Ⅱ.装置B的作用是，若去掉装置A，测定结果。Ⅲ.根据上述数据可以计算出样品中Na2CO3的质量分数为（用字母表示）。3．为了测定某品牌食用纯碱中碳酸钠的质量分数，小明取10克食用纯碱样品和足量的溶质质量分数为10%的稀硫酸，进行如图甲实验，实验前后，均需往装置中缓慢通一会儿氮气。（样品中其他成分不与稀硫酸反应）（1）实验前，先往A装置通入一会儿氮气的目的是。（2）随着纯碱样品与稀硫酸反应，C装置增加的质量变化情况如图乙所示，则该食用纯碱中碳酸钠的质量分数是多少？（3）若将稀硫酸换为浓盐酸，实验中C装置增加的质量会偏大，请说明理由。（4）为使实验更加精确，在C装置的后面应该增加碱石灰装置，其目的是。类型2实验方案的评价4．某兴趣小组的同学按课本进行的一个化学实验如图1所示，在进行实验时，同学们闻到一股难闻的刺激性气味，于是对原实验重新进行了设计（如图2所示）。【实验方案一】图1中观察到的实验现象是，其中烧杯B的作用是。【实验方案二】图2中的无色透明塑料瓶的材质、大小、形状完全相同，瓶内用细线固定着用滤纸折叠成的大小和形状相同的小纸花，小纸花上都均匀喷有酚酞溶液，按照A的操作方式分别用注射器向B和C中的塑料瓶同时注入5滴浓氨水，然后将针孔处密封，再分别将两个塑料瓶同时放入等体积的冷水和40℃的热水中。观察到的现象是。【实验结论】由此可以得出的实验结论是。【分析讨论】对比改进前的实验，改进后的实验的优点是（填一条）。【注意：若答对下面小题奖励3分，化学总得分不超过40分】【实验方案三】小林设计的方案如图3所示，用长柄V形玻璃管进行实验，分别向左、右两端的V形玻璃管中同时滴入等量的浓氨水和浓盐酸，塞紧橡胶塞。已知浓盐酸会挥发出氯化氢气体，浓氨水会挥发出氨气，两种气体反应生成白色固体氯化铵。（1）过一会儿后，从图3中观察到有白烟产生且位置偏右，说明氨气分子运动得比氯化氢分子运动得（选填“快”或“慢”）。（2）写出图3中产生白烟的文字表达式：。5．图Ⅰ是教材中的探究实验，在进行实验时闻到了一股难闻的刺激性气味。在老师的指导下，同学们对原实验装置进行了改进，装置如图Ⅱ。【实验操作】①向B、C、E三支试管中分别加入5mL的蒸馏水，各滴入1～2滴无色酚酞溶液，振荡，观察，溶液都是无色的。②在A、D试管中分别加入2mL浓氨水，立即用带橡皮塞的导管按实验图Ⅱ连接好，并将D试管放置在盛有热水的烧杯中，观察，看到B试管中的溶液慢慢变红色，D试管中溶液很快变红色。【分析讨论】（1）E试管放有酚酞试液的目的是。（2）由操作②可以得到的实验结论是：。（3）对比改进前的实验，改进后实验的优点是。6．化学课上，老师表演了“魔棒生烟”的魔术（如图一），当分别蘸有浓盐酸和浓氨水的两根玻璃棒靠近时会产生白烟。为了揭秘这个魔术，化学兴趣小组的同学查阅了大量资料发现：①浓盐酸会挥发出氯化氢气体，浓氨水会挥发出氨气，两种气体反应生成白色固体氯化铵；其文字表达式是：氯化氢+氨气→氯化铵。②氯化氢气体和氨气均有刺激性气味。③气体的分子质量越小，分子运动速率越快，氨分子比氯化氢分子质量小。然后化学兴趣小组的同学进一步设计了如图二所示的实验。试回答以下问题：（1）图一中“魔棒生烟”魔术中两根玻璃棒无需接触，只要靠近就能产生白烟，说明分子具有的性质是。（2）“魔棒生烟”的反应基本反应类型是。（3）图二中同时打开开关a和b，玻璃管c中出现白烟，白烟最浓厚的地方是（选填“d”“e”或“f”）。（4）若将图二中的两烧瓶放入冰水中，则更（选填“快”或“慢”）地观察到白烟的产生。（5）图二实验相对于图一实验的优点是。【针对训练】1．图Ⅰ是小娅按课本进行的一个化学实验，在实验时同学们闻到了一股难闻的刺激性气味，于是小明对原实验装置进行了改进，装置如图Ⅱ。已知：氨水易挥发，碱性溶液能使酚酞变红，而氨水呈碱性。【实验操作】a.向B、C、E三支试管分别加入5mL的蒸馏水，各滴入1～2滴无色酚酞溶液，振荡，观察溶液颜色。b.在A、D试管中分别加入2mL浓氨水，立即用带橡皮塞的导管按实验图Ⅱ连接好，并将D试管放置在盛有热水的烧杯中，观察几分钟。【分析讨论】（1）E试管放有酚酞溶液的目的是。（2）进行操作b时观察到的现象是。（3）由此可以得到的有关分子的性质是。（4）对比改进前的实验，改进后实验的优点是。（5）小婷认为还需加对比试验排除水是否参加反应的干扰，你认为小婷的说法（填“正确”或“错误”），理由是。（6）结合上述实验，实验室保存浓氨水等药品时，应该注意事项是。2．应用如图所示装置（部分夹持装置已省略），在硬质玻璃管中放入还原铁粉和石棉绒的混合物加热，并通入水蒸气，就可以完成高温下“Fe与水蒸气的反应实验”，产物为Fe3O4和一种单质。已知：氧化还原反应的特征是有元素化合价发生变化，所含元素化合价升高的反应为氧化反应，反之为还原反应。请完成该实验中的问题。（1）写出该反应的化学方程式：，该反应中发生氧化反应的物质是。（2）实验前应首先进行的操作是。（3）圆底烧瓶中盛装的是水，该装置受热后的主要作用是。烧瓶底部放置了几片碎瓷片，碎瓷片的作用是。（4）酒精灯和酒精喷灯点燃的顺序是。（5）干燥管的作用是。（6）试管中收集的气体是。如果要在A处的玻璃管处点燃该气体，则必须对该气体进行。3．小明查阅资料得知，潜艇中可用超氧化钾（KO2）作为氧气再生剂。超氧化钾是一种固体，它与人呼出的二氧化碳反应生成氧气：4KO2+2CO2═2K2CO3+3O2。为了验证这个反应能够产生氧气，小明以大理石和盐酸反应生成的CO2与KO2反应制取O2，设计了如图实验装置：（已知CO2不溶于饱和碳酸氢钠溶液）（1）仪器①的名称是。（2）装置B中饱和碳酸氢钠溶液的作用是。（3）有同学提出，CO2中混有的水蒸气可能会对实验产生影响。若要验证干燥的CO2也能与超氧化钾反应生成氧气，你认为实验装置改进的方法为。4．化学小组欲测定某锌矿废渣（主要成分为Zn和少量CuO，其他杂质不溶于水且不参与反应）中锌的质量分数并回收金属铜。现利用稀硫酸、生铁粉末（Fe、C）等物质设计如下两个实验方案。方案一：方案二：（1）方案一中，步骤Ⅰ所得固体与锌矿废渣的质量差为的质量。步骤Ⅲ所得滤液中的溶质是，对应滤渣的组成是；从该滤渣中回收金属铜，除稀硫酸外还需要的一种试剂是。（2）方案二中，若不测滤渣的质量，结合如图所示实验装置，也可达成测定目的。除锌矿废渣质量外，还需测量的数据是；若省略步骤Ⅰ，测定结果（填“偏大”、“偏小”或“不变”）。5．宇宙飞船中采用超氧化钠（NaO2）固体作为氧气再生剂，实现二氧化碳与氧气的转化。为了验证这个反应能够产生O2，该小组同学以大理石和盐酸反应生成的CO2来与NaO2反应制取O2，设计了如图所示实验装置：（1）检验H中集气瓶内收集的气体是否为O2，可以在取出集气瓶后，用检验；（2）已知CO2不溶于饱和碳酸氢钠溶液，E装置的作用是；（3）为了除去O2中可能混有的CO2，G中可盛放（填具体物质）溶液；（4）有同学提出，上述实验能生成O2可能与CO2中混有的水蒸气有关，若要检验干燥的CO2能否与NaO2反应生成O2，你对上述实验装置的改进方法是在E和F之间加装一个装有（填具体物质）的干燥装置；（5）为检验CO2与NaO2反应除生成O2外还生成什么物质，设计如下实验：充分反应后，取F中的固体，加足量水溶解，在所得溶液中加入CaCl2溶液，产生白色沉淀，取白色沉淀加稀盐酸，产生气泡。根据上述实验写出CO2与NaO2反应的化学方程式：。6．某纯碱样品中含有少量NaCl，为测定该样品中Na2CO3的质量分数，设计如图实验方案。【方案一】①“操作”的名称是。②加入“过量”CaCl2溶液的原因是。③判断白色沉淀Y是纯净物的方法：取最后一次洗涤液，（填所用的试剂及实验现象）。④纯碱样品中Na2CO3的质量分数是（精确到0.1%）。【方案二】⑤装置A中反应的化学方程式为。⑥为了减少实验误差，理论上装置C中NaOH溶液必须过量。设计实验证明装置C中NaOH溶液可能存在的两种情况。实验目的实验方案实验现象证明NaOH溶液过量取装置C中反应后的溶液于烧杯中，滴入证明NaOH溶液的量不足取装置D中反应后的固体于烧杯中，滴入7．水煤气是我国某些地区常用的生活燃料，将水蒸气通过炽热的煤层可制得比较洁净的水煤气，小科设计了如图实验装置。A、E中装有澄清石灰水，B、F中装有硫酸铜粉末，C中装有浓硫酸，D的硬质玻璃管中装有氧化铜。（假设每一步反应或吸收都完全）（1）小科推测水煤气的成分为CO2、CO、H2和水蒸气中的一种或几种，让气体依次通过上述实验装置，根据实验现象，他能够做出正确判断的气体为。（2）为使本实验有可能得出更多的正确结论，可将各实验仪器重新连接，你认为最合适的连接次序是。（3）改进实验仪器连接顺序后再次实验，小科观察到如下实验现象：装置E中澄清石灰水变浑浊，装置D中黑色固体变红色，装置F中固体由白色变为蓝色，其他均无明显现象，则该水煤气的组成成分是。8．某CuO粉末中混有少量Cu2O，现有一课外活动小组利用如图所示装置测定其中Cu2O的质量。已知在加热条件下，氢气还原氧化亚铜生成铜和水，一氧化碳还原氧化亚铜生成铜和二氧化碳。请根据图示内容回答下列问题：（1）X是常见还原性气体CO、H2中的一种，请根据该组合装置判断X的化学式为。（2）若缺少B装置，将直接导致反应后D装置内的物质的质量（填“偏大”、“偏小”或“不影响”）。（3）E装置的作用是。（4）已知反应前CuO和Cu2O的总质量为m1g，完全反应后D中U型管内物质的质量增加了m2g（损失忽略不计），则原混合物中Cu2O的质量为g。（用m1、m2表示）9．在制作简易酸碱灭火器前，小明准备先测定样品中碳酸钠的纯度，小明用天平称取6克样品和足量的稀硫酸，按如图装置进行实验。实验前后，小明均往装置中缓慢通一会儿氮气。其中装置A中碳酸钠与稀硫酸反应的化学方程式为：Na2CO3+H2SO4═Na2SO4+H2O+CO2↑（假设样品中其他成分不与稀硫酸反应）。（1）实验后小明往装置中缓慢通一会儿氮气的目的是。（2）实验前后小明用该天平测得装置C增加的质量为2.2g，则该样品中碳酸钠的质量分数为多少？。（3）下列情况会导致样品中碳酸钠质量分数测量值偏小的是（可多选）。A．样品中滴加硫酸过量B．A瓶内部分水蒸气随二氧化碳逸出C．反应结束后，A瓶内有二氧化碳残留D．反应速度过快，大量气泡从氢氧化钠溶液中出来10．某CuO粉末中混有少量Cu2O，现有一课外活动小机利用如图所示装置测定其中Cu2O的含量，请根据图示内容回答下列问题：（1）X是常见还原性气体CO、H