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文档简介
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实验方案的设计资料信息:超氧化钾(KO2)固体与HCl、H2O、CO2都能发生反应,且都有O2产生。宇宙飞船中可用KO2固体与人呼出的CO2反应生成氧气:4KO2+2CO2=2K2CO3+3O2为了验证CO2与KO2固体能反应产生氧气,某小组同学以大理石和浓盐酸反应生成的CO2来与KO2反应制取O2,设计了如图实验装置:(1)C处应从A、B两种装置中选择作CO2发生装置;(2)已知CO2不溶于饱和碳酸氢钠溶液,D装置有足量碳酸氢钠溶液,其作用是;(3)据资料知,水与水蒸气也能与超氧化钾反应生成氧气。于是有同学提出,上述实验能生成氧气可能与CO2中混有的水蒸气有关。若要确认是CO2与超氧化钾反应生成氧气,你对上述实验装置的改进方法是;(4)为了除去O2中可能剩余的CO2,F中可盛放过量溶液。以CuSO4溶液和Na2CO3溶液为原料制备碱式碳酸铜【化学式表示为:aCuCO3•bCu(OH)2】的过程如下:由于药品用量等原因,产品中可能会混有碱式硫酸铜【化学式表示为:cCuSO4•dCu(OH)2】。【定性研究】(1)检验产品的成分:①取适量产品于试管中,加入足量的稀盐酸,固体全部溶解;若同时能观察到试管中有(填实验现象),可证明有碱式碳酸铜存在。②向反应后的试管中继续加入(填试剂的化学式),可用以检验碱式硫酸铜是否存在。【定量研究】(2)通过定性研究发现产品中只有碱式碳酸铜。为了进一步确定碱式碳酸铜的化学式,小乐设计了如图所示实验(夹持装置已略去,已知碱式碳酸铜受热分解为氧化铜、二氧化碳和水):③请写出N2在实验中的作用。④若装置B和装置C在反应前后的质量增加量分别为△mB,△mC;则△mB:△mC=时,碱式碳酸铜的化学式为Cu2(OH)2CO3。化学实验竞赛中,甲、乙两组抽到的题目是“从NaCl和Na2CO3的固体混合物中提纯NaCl,并测定碳酸钠的质量”。甲、乙两组同学的实验方案及相关数据如下。已知:Na2CO3+CaCl2=2NaCl+CaCO3↓加入试剂A测得数据甲组方案过量CaCl2溶液CaCO3沉淀5g乙组方案适量稀硫酸CO2气体2.2g(1)固体混合物中Na2CO3的质量为g。(2)老师指出甲、乙两组方案均不能得到纯净的NaCl,请选择一种方案回答下列问题。①该方案不能得到纯净的NaCl的原因是。②该方案的改进方法是。类型2实验方案的评价小乐为了测定某生锈的生铁片中铁元素的质量分数,设计并完成了如下实验:实验编号及装置实验步骤实验现象①天平称量生锈的生铁片的质量生锈的生铁片的质量为mg②装置甲先通入一段时间CO,然后加热;完全反应后,停止加热;继续通CO至室温生锈的生铁片变成光亮的银白色③装置乙将②中生成的光亮的银白色铁片放入稀盐酸中,完全反应试管中;测得室温下产生氢气的体积为VL(1)装置甲存在缺陷,其改进方法是。(2)装置乙试管中观察到的实验现象是。(3)若室温下氢气的密度为ρg/L,生锈的生铁片中铁元素的质量分数是(用字母表示)。(4)有人认为:“②中所得光亮的银白色铁片的质量,即为此生锈的生铁片中铁元素的质量,没有必要进行③的操作”。判断此观点是否正确,并说明理由。。听说墨鱼骨能治疗胃酸过多,小科和小敏想了解它的主要成分及含量,进行了如下活动:【查阅资料】墨鱼骨含碳酸钙80%~85%,还含有多种氨基酸。【活动过程】为测定墨鱼骨中碳酸钙含量,他们将墨鱼骨洗净晒干,并按各自设计实验方法进行研究。【方案一】小科称取10g洗净晒干的墨鱼骨,高温灼烧至质量不变,冷却后称得剩余固体质量为5.4g。计算:反应生成CO2质量:10g﹣5.4g=4.6g。设碳酸钙质量为mCaCO3高温¯CO210044m4.6g100:m=44:4.6g解得m=10.5gCaCO3%=10.5g/10g×100%=105%【方案二】小敏用如图所示的实验装置进行实验,小敏将30mL稀盐酸分3次加入到3g样品中,每次加入盐酸后充分反应,待量筒内的水的体积不再变化时,读出水的体积,结果见下表。(已知本实验条件下CO2的密度为2.0g/L)第一次第二次第三次加入稀盐酸的体积(mL)101010进入量筒内水的体积(mL)220220110(1)墨鱼骨能治疗胃酸过多的原因是(用化学方程式表示)。(2)小科的计算结果与事实不符,产生错误的原因是。(3)方案二中浓硫酸的作用是,该墨鱼骨粉样品中CaCO3的质量分数为。某市热电厂使用的燃料是含硫较多的煤.该厂附近一所中学的同学经常闻到空气有异味,且空气能见度差.学习化学后,同学们意识到这有可能是该厂排出的废气超标造成的,于是在老师的指导下做了探究实验,请你填写下列空白.【查阅资料】Ⅰ.我国关于SO2在风景区、居民区、工厂区的空气质量最高标准分别见表:级别ⅠⅡⅢSO2一小时测定平均含量(mg/m3)0.150.50.7Ⅱ.硫酸钡既不溶于水,也不溶于酸(如不与稀盐酸、稀硝酸等反应).【设计实验2】第二小组同学设计以下步骤来测定空气中SO2的含量.(1)用2L的空可乐瓶采集工厂附近的空气样品.(2)向取回的装有空气样品的可乐瓶中倒入NaOH溶液,盖紧瓶塞后充分振荡.(3)加入一定量氧化剂H2O2,使其中Na2SO3完全转化为Na2SO4.向可乐瓶中加入过量的BaCl2溶液.Na2SO4和BaCl2反应(4)经过过滤、洗涤、烘干,称量固体质量为1.165mg.请通过分析计算说明该工厂附近空气质量状况.【发现新问题】考虑到空气中的各种气体成分,第一组认为第二组同学求出的SO2的含量偏大,其依据是;你提出的实验改进方案是.
【针对训练】一.选择题(共3小题)1.下列依据实验目的所进行的操作,正确的是()选项实验目的操作A测定碳酸钠溶液的pH值的大小用镊子夹取pH试纸,蘸取待测液,待显色后与比色卡比较B用排水法收集氧气时,检验氧气是否收集满用带火星的木条伸入集气瓶中,观察木条是否复燃C比较锌和铝的化学活动性顺序将两种金属与等质量且同浓度的硫酸反应,观察是否产生气泡D鉴别氢氧化钠和氢氧化钡取样后滴加稀硫酸溶液,观察是否变浑浊2.下列实验不能达到实验目的是()A.甲图能探究温度高低对分子运动快慢的影响 B.乙图实验能测定空气中氧气的含量 C.丙图实验可以探究分子的运动 D.丁图是比较空气与呼出气体中二氧化碳的含量3.下列依据实验操作与现象所得到的结论正确的是()选项实验操作与现象实验结论A将红热的细铁丝仲进盛有氧气的集气瓶中,铁丝剧烈燃烧,火星四射,并放出大量的热铁可以在空气中燃烧B将镁条放入试管中,加入少量稀盐酸后,镁条表面产生大量气泡金属都能与酸反应产生氢气C将氢氧化钡粉末和氯化铵晶体放入小烧杯后搅拌,发现小烧杯变冷了氢氧化钡粉末和氯化铵晶体的反应属于吸热反应D向盛有少量氧化铁、氧化铜粉末的试管中加入约2毫升盐酸,加热后,固体粉末均消失所有难溶于水的金属氧化物都可以用盐酸溶解二.实验题(共7小题)4.某研究性学习小组查阅资料得知,宇宙飞船中可用超氧化钾(KO2)作为氧气再生剂,超氧化钾是一种黄色固体,它既能与二氧化碳反应生成氧气又能和水发生化学反应生成氧气,为了验证超氧化钾与人呼出的二氧化碳发生反应生成氧气,该小组同学用下列实验装置进行实验:(已知:4KO2+2CO2═2K2CO3+3O2:CO2在饱和碳酸氢钠溶液中几乎不溶)(1)若每种装置只能使用一次,则合理的装置连接顺序为。(2)为了除去O2中可能混有的CO2,B中可盛放过量溶液。(3)E装置的作用是。(4)根据现象可以判断超氧化钾已完全反应。5.氮化铝(AlN)是一种新型无机材料,广泛应用于集成电路生产领域.某氮化铝中含有碳或氧化铝杂质,现用图I中的一些装置来进行检验,使氮化铝样品和NaOH溶液反应:AlN+NaOH+H2O═NaAlO2+NH3↑(氨气极易溶于水)根据反应中所生成氨气的体积来测定样品中的氮化铝的质量分数,并根据实验现象来确定杂质的成分(实验中导管体积忽略不计)(1)实验有关操作如下:a.往烧瓶中放入适量的AlN样品;b.从分液漏斗往烧瓶中加入过量的浓NaOH;c.检验装置的气密性;d.测定收集到水的体积.正确的操作顺序为:.(2)广口瓶中的试剂X可选用(填选项的标号).A.汽油B.酒精C.植物油D.氯化钠(3)若广口瓶内的液体没有装满(上方留有少量空间),则实验测得NH3体积将(填“偏大”“偏小”或“无影响”)(4)有人改用图II装置进行同样实验,通过测定烧杯中硫酸的增重来确定样品中AlN的质量分数,你认为是否可行?并说明理由..6.实验室一般不用块状石灰石与硫酸反应制取二氧化碳,原因是碳酸钙与硫酸反应生成的硫酸钙微溶,覆盖在石灰石的表面而阻止与硫酸接触继续反应.小明想能否加入某种物质使其反应继续进行,他查阅资料后发现,在石灰石与硫酸反应停止后,加入少量氯化钠固体,能继续反应并产生气体.小明继而又想,加氯化钠后,石灰石与硫酸能继续发生反应,在反应中起促进作用的是什么微粒呢?提出猜想:①起促进作用的是Na+②起促进作用的是Cl﹣③于是设计了如下实验:向4支试管中各加入一块石灰石和5mL浓度为50%的硫酸溶液,待反应停止后,再分别加入约0.2克的KCl、NH4Cl、CaCl2…等固体轻轻振荡,观察到的现象如表:物质KClNH4ClCaCl2①现象继续发生反应生成二氧化碳气体,但反应较慢,反应一段时间后就趋于停止.CaCl2溶解并生成大量的白色固体,但不能继续发生反应没有明显可见的现象请根据实验信息,回答下列问题:(1)小明为了验证Na+在实验中的作用,在上表①处应加入的物质是.(2)通过实验可得出的结论是.7.某科学兴趣小组的同学,为探究过氧化钠(Na2O2)和CO2的化学反应设计了如图的实验.实验步骤:①按右图装配好装置,检查气密性;②装入相关药品;③推动注射器的活塞,把稀盐酸注入锥形瓶中,并固定活塞位置;④在一段时间后,在a处位置放置一根带火星的木条,观察现象.实验现象:①a处的木条复燃;②D装置中的饱和澄清石灰水变浑浊.根据上述实验,回答下列有关问题:(1)a处的木条复燃,说明了Na2O2和CO2的反应的产物中有.(2)查找资料可以知道过氧化钠能和水反应生成氢氧化钠和氧气.为了排除实验干扰装置C的作用是.(3)D装置烧杯内澄清石灰水变浑浊的原因是:.8.俗话说“碱去油污、酸除锈”,纯碱(Na2CO3)能做日常生活中的去油污剂。科学兴趣小组设计实验探究温度和浓度对Na2CO3溶液去油污效果的影响。资料:去油污效果的测定方法:把Na2CO3溶液与油污布一起放入烧杯浸泡一段时间,取出油污布后用测量仪测定油污残留量。实验器材:20%的碳酸钠溶液、蒸馏水、烧杯、油污布若干、恒温箱、油污残留量测量仪及其它实验所需的仪器。(1)选择合适器材,写出实验步骤。(2)碳酸钠溶液的pH值会影响去油污效果,用pH试纸测试碳酸钠溶液pH值的具体操作方法是。9.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)10.利用下图所示实验装置(气密性良好),验证浓硫酸、浓盐酸的挥发性。其中甲、乙、丙三个广口瓶中依次装有浓硫酸、浓氨水、浓盐酸。已知:2NH3+H2SO4=(NH4)2SO4;(NH4)2SO4为白色固体。实验步骤实验操作实验现象①打开K1,关闭K2,缓慢拉注射器A活塞甲中液面上方无明显现象②打开K2,关闭K1,缓慢拉注射器B活塞丙中液面上方出现大量白烟(1)丙中发生化合反应,生成大量白烟(NH4Cl)的化学方程式为。(2)该实验能够得出的结论是。(3)从微观角度解释甲中无白烟,而丙中出现白烟的原因是。三.解答题(共2小题)11.
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