实验设计方案专题

实验设计方案专题•对比实验设计•化学实验设计的种类及•怎样进行化学实验设计•化学实验设计可分为哪•如何进行化学实验设计更多：实验设计一、目的要求（一）掌握实验基本操作和技能（二）正确运用实验原理和正确认识实验装置（三）运用所学知识和技能进行实验设计或处理二、内容综析根据实验目的、要求、设计简单实验方案的能力，它包括实验操作程序设计、混合物组分确认及分离、验证化学原理、纯度及定性、定量实验设计，是培养学生敏锐思维能力和综合分析能力及创造性素质的重要途径，是理综合考查的热点。（一）中学化学常见气体制备的三种基本装置：1．固－固加热制气装置：制O2、NH3、CH4等。2．固－液常温制气装置：制H2、CO2、H2S、C2H2等。3．固－液加热制气装置：制Cl2、HCl、SO2、NO等。根据反应物的状态以及反应条件是否需要加热，选择制气装置，把气体制备的化学反应与气体制备的装置相联系，有利提高实验设计能力。（二）药品选择的知识1.检验水蒸气的有无用无水硫酸铜粉末，除去气体中的水蒸气常用浓硫酸，也可用硫酸铜粉末，有时也用碱石灰或氯化钙。２.检验二氧化碳气体用澄清的石灰水，除去二氧化碳气体常用氢氧化钠溶液，除去二氧化碳中的氯化氢常用饱和碳酸氢钠溶液。３.检验氯化氢气体用硝酸银溶液，除氯化氢气体可用硝酸银溶液，也可用碱溶液或水。４、检验氢气和一氧化碳的混合物，因为它们的性质非常相似，需要灼热的氧化铜把它们转化为水和二氧化碳，通过生成物加以验证。（三）思考问题的顺序1.围绕主要问题思考。例如：选择适当的实验路线、方法；所用药品、仪器简单易得；实验过程快速、安全；实验现象明显。2.思考有关物质的制备、净化、吸收和存放等有关问题。例如：制取在空气中易水解的物质（如Al2S3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。3.思考实验的种类及如何合理地组装仪器，并将实验与课本实验比较、联想。例如涉及到气体的制取和处理，对这类实验的操作程序及装置的连接顺序大体可概括为：发生→除杂质→干燥→主体实验→尾气处理。（四）仪器连接的顺序1.所用仪器是否恰当，所给仪器是全用还是选用。2.仪器是否齐全。例如制有毒气体及涉及有毒气体的实验是否有尾气的吸收装置。3.安装顺序是否合理。例如：是否遵循“自下而上，从左到右”；气体净化装置中应先经过水溶液洗气，后干燥。4.仪器间连接顺序是否正确。例如：洗气时“进气管长，出气管短”；干燥管除杂质时“大进小出”等。（五）实验操作的顺序1.连接仪器。按“气体发生→除杂质→干燥→主体实验→尾气处理”顺序连接好实验仪器。2.检查气密性。在整套仪器连接完毕后，应先检查装置的气密性，然后装入药品。检查气密性的方法要依装置而定。3.装药品进行实验操作。4.在通过水溶液之前，需先检验有无水蒸气，因为气体通过水溶液时必然带出水蒸气，此时已经无法判断水蒸气的准确来源。5.验证气体时，应先除相应杂质的干扰，当水蒸气和其它气体杂质都需要除掉时，应先除其它杂质后干燥。三、思维拓宽［例1］（MCE98）测量一定质量的铝锌合金与强酸溶液反应产生的氢气的体积，可以求得合金中铝和锌的质量分数。现有下列实验用品：中学化学实验常用仪器、800mL烧杯、100mL量筒、短颈玻璃漏斗、铜网、铝锌合金样品、浓盐酸（密度1.19gcm-3）、水。按图示装置进行实验，回答下列问题。（设合金样品全部反应，产生的气体不超过100mL）（1）补充下列实验步骤，直到反应开始进行（铁架台的铁夹的安装可省略）：将称量后的合金样品用铜网小心包裹好，放在800ml烧杯底部，把短颈漏斗倒扣在样品上面。（2）合金样品用铜网包裹的目的是：［解题思路］本题的命题思路和特点是：(1)用简单的实验原理和实验装置考查学生设计实验操作步骤的能力和思维能力。(2)通过操作细节的考查来强化对实验基本操作的考查。(3)通过对未知处理方法的解释来考查学生的实验经验和解决问题的能力。无论是实验原理（铝、锌与强酸反应放出氢气），还是装置图，或所有药品，都给人一种熟悉、简单的感觉。它的实验目的是求合金中铝和锌的质量分数，看起来是一个定量实验，但是，题目却没就此设问。所设的问没有“定量”的味道，只是问实验步骤和铜网的作用，还是给人一种简单的感觉。此题最本质的命题思路是：考查学生设计简单实验步骤的能力和动手操作的能力。从设问可看出，本题要求学生将铝、锌与酸放出氢气的反应设计出一个可操作的实验步骤。设计实验，要求学生对有关的概念、理论、知识和装置的原理、使用，不仅要熟练掌握，还要灵活运用。更主要的是设计实验的题型往往考查学生的综合能力（发现问题、分析问题、解决问题的能力）和综合思维素质（思维的敏捷性、严密性、整体性和创造性）。本题另一个命题思路是考查学生的动手操作能力。这一命题思路得到了很好的贯彻。评分标准的要求是：在往烧杯加水时必须“水面没过漏斗颈”；将装满水的量筒倒置在盛水的烧杯时要使“漏斗颈伸入量筒中”；这些操作细节，只有经常动手作实验并积极思考的学生才会注意到，才有这些“精确”的概念。第（2）小题是问“用铜网包裹的目的”，要准确答好这个问题，必须作如下分析：铜网在这里不与盐酸反应，更不可能与铝或锌反应，这就排除了铜网参加反应的可能。再回忆学过的有关小块固体与液体放出气体的反应（尤其是轻金属，像钠与水放出氢气的反应），在放出气体时，固体由于受力不均，总是在液体中跳动、翻滚或游动。于是提出问题：如果铝、锌合金在反应时，移出漏斗之外，那放出的气体将无法收集，这将影响测量的准确性。再结合题目思考，此处用的是铜网，而不是薄铜片，这是由于其上的网眼是可以让气体逸出的。这样一来，此题便迎刃而解：铜网的作用是“使样品在反应时能保持在烧杯底适当的位置”。由此可见，“用铜网包裹”这一特殊处理方法，虽然考生没遇到过，但只要有较强的思维能力，结合已有的实验经验，同样是可以正确解释的。［答案］（1）①将称量后的合金样品用铜网小心包裹好，放在800mL烧杯底部，把短颈漏斗倒扣在样品上面。②往烧杯中注入水，直至水面没过漏斗颈。③在100mL量筒中装满水，倒置在盛水的烧杯中（量筒中不应留有气泡），使漏斗颈伸入量筒中。烧杯中水面到杯口至少保留约100mL空间。④将长颈漏斗（或答玻璃棒）插入烧杯并接近烧杯底部，通过它慢慢加入浓盐酸，至有气体产生。（2）使样品在反应时能保持在烧杯底适当的位置（或答避免反应时样品漂浮）[例2]在Na2O2中常混有Na2O，为测定Na2O2纯度，请以下图中选择适当装置，并有CaCO3、6mol﹒L-1盐酸，蒸馏水可供选择，试设计最简单的实验。[解题思路]设计简单实验方案的能力是近年来高考化学试卷中对实验能力测试的焦点和热点之一。这一题型，要求学生根据反应原理、实验条件、实验装置，设计出可以安全、顺利、有效地实现实验目的的操作过程，侧重于对操作过程的设计。设计实验操作过程时，必须注意整个操作过程的有序性、逻辑性、严密性、安全性和可操作性。要设计出有序、完整、严密、安全、可操作的操作步骤，要求学生在平时学习中，要多做实验、做好实验，要求教师注重对学生操作能力的培养。所以，更本质地说，这一题型，在考查学生设计能力的同时，强化了对动手操作能力的考查。

实验中涉及的几个化学反应：2Na2O2＋4HCl＝4NaCl＋2H2O＋O2↑2Na2O2＋2CO2＝2Na2CO3＋O2↑2Na2O2＋2H2O＝4NaOH＋O2↑要测定Na2O2的纯度，应该有两个途径，一是测定杂质的含量，一是测定Na2O2的含量。测定杂质Na2O的含量是困难的，因为能与之反应的物质（如水、酸等）以及反应后生成的物质，都很难找到一种简便的方法测定其量值，测Na2O2的含量则是可行的，Na2O2与水反应有O2放出，测定放出O2的体积是比较容易的。根据O2的体积就可以求得Na2O2的质量。有了实验原理的初步设计，就可以查看给出的仪器装置。看看能否找到相关的仪器装置。只要实验原理的设计是正确的，在一般情况下，是可以找到相关仪器装置的，否则，就得根据仪器再重新确定实验原理。本题中，装置⑤可作为反应器,反应中产生的O2直接通入装置①，O2将广口瓶中的水排出，用装置④接收并测量水的体积，水的体积即O2的体积。所以，要找到思维的落脚点，就需要以“我”为主，主动地去思索，如果乞求从题目中找到某种启示，而不是主动地去思考，那么，往往是漫无边际的。即如本题，给出的装置很多，给出的药品CaCO3、HCl等实际用不上，只会搅乱你的思维。[答案]仅需选用⑤、④、①三件仪器串连，是符合题意的最佳方案。[例3]用实验确定某酸HA是弱电解质。两同学的方案是：甲：①称取一定质量的HA配制0.lmol/L的溶液100mL；②用pH试纸测出该溶液的pH值，即可证明HA是弱电解质。乙：①用已知物质的量浓度的HA溶液、盐酸，分别配制pH＝l的两种酸溶液各100mL；②分别取这两种溶液各10mL，加水稀释为100mL；③各取相同体积的两种稀释液装入两个试管，同时加入纯度相同的锌粒，观察现象，即可证明HA是弱电解质。（1）在两个方案的第①步中，都要用到的定量仪器是________________。（2）甲方案中，说明HA是弱电解质的理由是测得溶液的pH_____1（选填＞、＜、＝）乙方案中，说明HA是弱电解质的现象是________（a）装HCl溶液的试管中放出H2的速率快；（b）装HA溶液的试管中放出H2的速率快；（c）两个试管中产生气体速率一样快。（3）请你评价：乙方案中难以实现之处和不妥之处________、________________。（4）请你再提出一个合理而比较容易进行的方案（药品可任取），作简明扼要表述。[答案]（1）100mL容量瓶（2）＞b（3）配制pH＝l的HA溶液难以实现，不妥之处在于加入的锌粒难以做到表面积相同（4）配制NaA溶液，测其pH值＞7即证明HA是弱电解质（注：本题解答若操作简单、现象明显、不是化学教材中讲过的常规方法）[例4]实验室利用乙醇脱水制备乙烯的步骤如下；①在一蒸馏烧瓶中加人95%的乙醇和浓硫酸（体积比为l：3），再加入少量干净的河沙；②瓶口插上带塞的温度计；③加热并迅速使反应温度上升到170℃；④气体通过稀NaOH溶液进行洗气后，用酸性KMnO4溶液检验乙烯的还原性。据此回答下列问题：（1）步骤①中混合乙醇和浓硫酸时应注意的问题是。（2）在反应液中加入河沙的原因是。（3）步骤②中温度计水银球的正确位置是。（4）加热时，使反应液温度迅速升高到I7O℃的原因是。（5）步骤④中．用稀NaOH溶液洗涤气体，能除去可能伴随乙烯生成的气体。[解题思路]乙烯的制法是一个重要的中学实验，涉及以下问题:1、实验室制乙烯用什么试剂？通过什么类型的反应制得乙烯？2、实验室用制氯气的装置改为制乙烯气，有什么变动？为什么制乙烯气不需用分液漏斗而改用温度计？为什么反应器内要放一些碎瓷片或玻璃片？3、为什么反应要迅速升至１７０℃左右？加热一定时间后，反应液为何会变黑？4、将产生的气体经过装有氢氧化钠溶液的洗气瓶洗涤，除去什么杂质气？这些杂质气是如何产生的？5、将乙烯分别通过高锰酸钾溶液和溴水都会褪色，两者原理有何不同?6、如果原料气产生乙烯通入溴水是为了制得二溴乙烷，结果发现所消耗原料试剂的用量大大超过所得产物，可能是哪些原因造成的?在学习中,只有明确了上述问题,才能解决相关实验问题.[答案]：（1）将浓硫酸缓慢加入乙醇中并不断搅拌，必要时冷却。（2）河砂对乙烯的生成有催化作用，且能防止反应中形成大量的泡沫。（3）温度计水银球应浸没于反应液中。（4）若温度在140℃，生成的主要物质是乙醚并非乙烯。（5）硫酸与乙醇发生氧化还原反应生成的CO2及SO2[例5]将氯气用导管通入较浓的NaOH和H2O2的混和液中，在导管口与混和液的接触处有闪烁的红光出现。这是因为通气后混和液中产生的ClO-被H2O2还原，发生激烈反应，产生能量较高的氧分子，它立即转变为普通氧分子，将多余的能量以红光放出。进行此实验，所用的仪器及导管如图。根据要求填写下列空白:(1)组装氯气发生器时，应选用的仪器及导管(填写图中编号)是____________。(2)实验进行中，按气流方向从左到右的顺序，气体流经的各仪器及导管的编号依次是__________。(3)仪器①的橡皮塞上应有_____个孔，原因是_____________________________。(4)实验时，仪器①中除观察到红光外还有_____________________________现象。(5)实验需用约10%H2O2溶液100毫升，现用市售30%(密度近似为1克/厘米3)H2O2来配制，其具体配制方法是______________________________________。(6)实验时仪器①中ClO-与H2O2反应的离子方程式是______________________。[解题思路]实验课题：实现Cl2与较浓NaOH和H2O2混合液的反应。实验条件：题目限定使用编号①～⑥的仪器和导管，且④、⑤只限用1次。具体要求：设计实验装置——确定组装Cl2发生器的仪器和吸收Cl2装置的橡皮塞上打孔的数目，以及整套仪器的连接顺序。基本思路：先要区别实验设计问题与其它问题。本大题中的（4）题考查根据化学反应叙述实验现象，第（5）题考查百分比浓度溶液稀释的计算和基本操作，第（6）题写出离子方程式，不属于实验设计问题。从题目提供的实验事实和给定的条件判断，本套装置实质是制Cl2装置跟用溶液吸收Cl2装置的组合。实验室制Cl2和吸收Cl2都是已掌握的旧知识，关键是结合给定的条件选择、改造和应用。由于吸收Cl2时玻璃管要插到液面下，要求玻璃管的一端要长，必须用④。④、⑤两管各只有1个，制Cl2装置只能用⑤作气体导管。由于Cl2跟较浓NaOH和H2O2混合液反应产生气体，且吸收Cl2很难保证完全，一定有大量气体逸出，设计装置①时必须留有气体出口。[答案]（1）3、2、5（2）2、5、6、4、1（3）2，使瓶内外压强相同（4）冒气泡（5）用量筒取33ml（或34ml）30%H2O2溶液加入烧杯中，再加入67ml（或加水至100ml）搅拌均匀。（6）ClO-＋H2O2＝Cl-＋O2↑＋H2O四、化学与社会［例1］材料一：酸雨是英国化学家R•A•Smith1872年最先提出的，一般是指PH值小于5.6的雨、雪、雾等大气降水，是大气污染的表现。酸雨被称作“空中死神”。据某市区1998年环境状况公报载，市区酸雨频率为41.3%，比上年上升了5.5个百分点。降水年平均值为4.87，降水酸性污染较严重，表现为煤烟型污染特征。材料二：①某地一场较大范围的酸雨，植物叶面遭腐蚀，产生大量斑点和坏死，导致西瓜大面积绝产，损失惨重。②酸雨使植物阳离子从叶面析出。使钙、镁、铁等离子迅速从土壤中损失，土壤营养状况降低。还使光合作用抑制，影响植物生长。③铝对生物来说是有害元素，土壤中以氧化铝存在，PH=5.6时几乎不溶解，当PH值为4.6时，铝的溶解度增加100倍，并转化成硫酸铝，造成树木死亡。四川某林场，华山松死亡率达96%，就是酸雨使土壤中硫酸铝浓度增高，危及于华山松。材料三：某校科技小组同学采集酸雨样品，每隔一段时间测定PH，得到下列数据：时间开始8小时16小时24小时32小时40小时48小时PH5.04.84.54.34.24.04.0请依据材料回答：（1）酸雨的形成是工业生产过程中大量矿物燃料使用，使空气中气体较多，与降水结合产生，请写出酸雨形成的化学反应方程式。（2）酸雨对高等植物的影响，表现在哪几方面？A、，B、，C、。（3）大气污染，一方面影响动、植物生长，另一方面对人类系统危害最大，影响呼吸过程的，常见疾病有。（4）解释酸雨放置时，PH变化的主要原因。（5）写出PH变化的离子方程式。（6）请根据所学的生物、化学知识，对该市的酸雨防治提出合理化建议（至少三条）。［答案］（1）SO2氮氧化物2SO2+O22SO3NO+SO2=NO2+SO3SO3+H2O=H2SO43NO2+H2O=2HNO3+NO（2）A、抑制植物光合作用，影响植物生长。（或影响植物光合作用）B、影响植物的矿质代谢C、有害元素毒害，导致植物死亡（3）呼吸系统外呼吸咳嗽哮喘肺水肿（或呼吸系统疾病）（4）雨水样品中H2SO3和SO2不断被空气中氧气氧化生成强酸H2SO4，所以PH随时间延长，H+浓度增大，PH下降，至全部氧化后，溶液中形成H2SO4，不会氧化和挥发，PH值不再变化。（5）2SO2+2H2O+O2=4H++2SO42-或2H2SO3+O2=4H++2SO42-（6）A、控制污染源（或治理污染源，达标排放）B、寻找洁净能源C、改革工艺流程。（如烟气脱硫）D、大力开展绿化，如适当栽种柳杉E、使用无铅汽油，逐步淘汰燃油助力车F、微生物脱硫（源头治理）G、加强环境管理五、3+X实验大综合［例1］阅读下列材料，然后回答1、2题：材料一：很久以前，在一个美丽的小山村，有一天几个放牛娃赶着牛满山遍野地疯跑，突然发现几块石头闪着黄色的光，大家惊叫起来“金子，金子”。捡起这几块金黄色的石头奔回了村。不一会儿，山上发现金子的消息传遍了整个山村，很多人拿起锄头就上山挖了起来，没想到这一挖可不得了，满山遍野都是金子。消息传得很快，几天时间方圆十几里地的人都往这山村赶，大家看到这么多金子都狂欢起来了。但是从人群中走出一位外地人拿起金子在手中抛了抛对大家说：“这不是金子，这是愚人金，外表像金子，如果不信，丢一块到火里试试。”说着丢了一块到火里即刻变了颜色。后来科学家研究清楚了，它是硫铁矿，其主要成分是ＦｅＳ2。材料二：黄金是在自然界中游离状态存在而不能人工合成的天然产物。按其来源的不同和提炼后的含量不同可分为生金和熟金等。生金亦称天然金、原金，是从矿山或河底冲积层开采出，没有经过熔化提炼的黄金。熟金是生金经过冶炼、提纯后的黄金，一般纯度较高，密度较细，有的可以直接用于工业生金分矿金和砂金两种生产。常见的有金条、块、锭和各种不同的饰品、器皿、金币以及工业用的金丝、片、板等。根据成色的高低，黄金可分为纯金、赤金、色金3种。黄金经过提纯后达到相当高纯度的金称为纯金，一般指达到99.6%以上成色的黄金。赤金和纯金的意思相接近，但因时间和地方的不同，赤金的标准有所不同，国际市场出售的黄金，成色达99.65%的称为赤金。而境内的赤金一般在99.2%～99.6%之间。色金，也称次金、潮金，这种黄金成色高的达99%，低的只有30%。按含其他金属的不同划分，黄金又分为清色金、混色金、K金等。清色金指黄金中只掺有白银成分，不论成色高低统称清色金。混色金指黄金内除含有白银外，还含有铜、锌、铅、铁等其他金属。K金是指银、铜按一定的比例，按照足金为24K的公式配制成的黄金。一般来说，K金含银比例越大，色泽越青；含铜比例越大，则色泽为紫红。1、阅读上述两则材料后回答(1)下列说法正确的是()A.黄金、生金、赤金都是纯金B.愚人金不含金C.K金饰品也像金饰品一样不易生锈D.金的延展性最好(2)外地人拿着“金块”抛了抛说不是金子的依据是丢到火里试试的依据是(用六个字概括)［例2］结合中学物理和化学知识，写出选用下列仪器中的可用物理方法测定鉴别黄金和愚人金。(设两种物质的大小都约为一厘米见方)供选择的仪器是：写出该方法的简要步骤及计算公式。［答案］1、(1)BD(2)金的密度比常见金属和化合物大得多真金不怕火炼。2、AE①各取一小块金和愚人金用托盘天平称得其质量分别为Ｍ1、Ｍ2②用两只50mL量筒分别取能浸没小金块和愚人金的少量水，记下水的体积分别为Ｖ1、Ｖ2。③把称量好的金块和愚人金块分别放入量筒中，记下体积分别为Ｖ3、Ｖ4④分别求出金块、愚人金块的体积(Ｖ3－Ｖ1，Ｖ4－Ｖ2)计算公式为密度ρ＝Ｍ／Ｖ六、2002高考实验透视［例1］（上海高考试卷）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。乙同学发现在甲同学的实验中，褪色后的溶液里有少许淡黄色浑浊，推测在制得的乙炔中还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。请你回答下列问题：（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。（a）使溴水褪色的反应，未必是加成反应（b）使溴水褪色的反应，就是加成反应（c）使溴水褪色的物质，未必是乙炔（d）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；在验证过程中必须全部除去。（4）请你选用下列四个装置（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。（a）（b）（c）（d）→b→→d（电石、水）（）（）（溴水）（5）