1、1学案九 化学实验方案的设计与评价【教学目标】知识目标：1.运用化学实验知识，对实验方案作出分析和判断。了解实验设计的基本要求。2.通过对实验设计的分析和判断，了解实验设计的一般思路。能力目标：1.通过分析实验方案是否合理，实验现象和结论是否正确，培养分析评价能力和实践能力。2.培养学生观察、描述实验的能力，启发学生学习化学的兴趣，激发学生学习化学的自觉性和积极性。情感与价值观：以化学实验为载体，激发学生对化学的兴趣和对科学的探究欲望。【教学重点】 化学实验设计的一般思路以及对化学实验设计的评价。【教学难点】 化学实验设计的一般思路。【考情分析】近年的新课标高考中常考的有两类实验：一是探究类实
2、验，主要探究物质分解的产物和物质的性质；设计并完成实验报告，包括补充实验步骤或实验步骤的排序、选择试剂和现象的描述等。二是评价类实验，根据题目提供的实验方案，评价是否合理，并要求设计合理的方案。如 2017 年全国新课标卷 T26，2015 年全国新课标卷 T26，2014 年全国新课标卷 T28。1实验方案设计的基本原则2实验方案设计的基本内容23实验方案评价的基本原则(1)可行性原则分析实验方案是否科学可行；实验操作是否安全合理；实验步骤是否简单方便；实验效果是否明显。(2)绿色化学原则实验过程中是否造成环境污染；原料是否无毒、安全、易得；原料利用率是否较高；反应速率是否较快。(3)安全性
3、原则化学实验从安全角度常考虑的主要因素如下：净化、吸收气体及熄灭酒精灯时要防止液体倒吸；进行某些易燃易爆实验时要防爆炸；防氧化；污染性的气体要进行尾气处理；有粉末状态物质参加的反应，要注意防止导气管堵塞；防吸水。(4)规范性原则冷凝回流(有些反应中，为减少易挥发液体反应物的损耗和充分利用原料，需在反应装置上加装冷凝回流装置，如长玻璃管、竖装的干燥管及冷凝管等)；易挥发液体产物(导出时可为蒸气)的及时冷却；仪器拆卸与组装顺序相反，按照从右向左，从高到低的顺序；3其他(如实验操作顺序、试剂加入顺序、实验方法使用顺序等)。考点指导 1 “假设判断”型实验方案设计【典例 1】 漂白粉是生产生活中常用的
4、消毒剂和杀菌剂实验室有一瓶密封不严的漂白粉样品，其中肯定存在 CaCl2，请设计实验，探究该样品中可能存在的其他固体物质。(1)提出合理假设。假设 1：该漂白粉未变质，只含有_；假设 2：该漂白粉全部变质，只含有_；假设 3：该漂白粉部分变质，既含有 Ca(ClO)2，又含有 CaCO3。(2)设计实验方案，进行实验。请写出实验步骤、预期现象和结论。限选用的仪器和药品：试管、滴管、带导管的单孔塞、蒸馏水、自来水、1 molL 1 盐酸、品红溶液、新制澄清石灰水。(提示：不必检验 Ca2 和 Cl )实验步骤 预期现象和结论 取少量上述漂白粉于试管中，_ _ _ _【思维提示】第一步 明确目的原
5、理设计实验探究漂白粉变质后物质的成分，涉及反应：2Ca(OH) 22Cl 2=CaCl2Ca(ClO) 22H 2O。Ca(ClO) 2H 2OCO 2=CaCO32HClO。第二步 提出合理假设根据假设 3 提供的物质及反应原理判断样品中可能含有 Ca(ClO)2或 CaCO3或二者的混合物。第三步 寻求验证方法用 CaCO3与盐酸反应产生澄清石灰水变浑浊的 CO2来验证 CaCO3的存在。用 Ca(ClO)2与盐酸反应生成能使品红溶液褪色的 HClO 来验证 Ca(ClO)2的存在。第四步 设计操作步骤4固体样品中加入稀盐酸，将产生的气体通入澄清石灰水中(用于检验 CO2)。向步骤反应后的
6、溶液中滴入 12 滴品红溶液，振荡(用于检验 HClO)。第五步 分析得出结论若步骤中石灰水未变浑浊，则说明样品中无 CaCO3，即假设 1 成立。若步骤中石灰水变浑浊，且步骤中品红溶液不褪色，说明 CaCO3存在，不存在 Ca(ClO)2，即假设 2 成立。若步骤中石灰水变浑浊，且步骤中品红溶液褪色，说明有 CaCO3和 Ca(ClO)2存在，即假设 3 成立。答案 (1)假设 1：只含有 Ca(ClO)2；假设 2：只含有 CaCO3(2)实验步骤 预期现象和结论加入适量 1 molL1 盐酸溶解后，再将产生的气体通入澄清石灰水中若澄清石灰水未见浑浊，则假设 1 成立；若澄清石灰水变浑浊，
7、则假设 2 或假设 3 成立向步骤反应后的试管中滴入12 滴品红溶液，振荡(或另外取样操作)若品红溶液褪色，则假设 3 成立；若品红溶液不褪色，则假设 2 成立【课堂对点训练】1将含有水蒸气的氯气通入到干燥疏松的碳酸钠中可以得到一种固体物质 X，利用下图实验装置可以探究固体物质 X 的成分。(1)试剂甲的名称为_，试剂乙的名称为_。(2)经测定可知固体 X 中至少含有 NaHCO3和一种含氯的盐类物质，装置 D 中的物质为含氯氧化物。下面对固体 X 的成分进行猜想和探究。提出合理猜想。5猜想 1 固体 X 含有两种成分：NaHCO 3和_；猜想 2 固体 X 含有三种成分：NaHCO 3和_。
8、下面是针对固体 X 中的成分猜想进行的实验探究。请填写下表中的空格(可不填满)。实验步骤 预期现象和结论步骤 1：取少量固体 X 样品，加入适量蒸馏水，使固体完全溶解，将溶液分装到两支试管中步骤 2：_ _步骤 3：_ _限选试剂：酸性 KMnO4溶液、BaCl 2溶液、稀 HNO3、蒸馏水、AgNO 3溶液、澄清石灰水(3)上述装置 C 中，如果标准状况下的氯气 2.24 L 与 0.1 mol 碳酸钠正好完全反应，则湿润的氯气与碳酸钠反应的化学方程式为_。解析 (1)实验室制备氯气一般用浓盐酸与 MnO2反应，制得的氯气中含有 HCl 杂质，一般用饱和食盐水除去。(2)反应物为 Cl2、H
9、 2O、Na 2CO3，而 D 中物质为含氯氧化物，其中 Cl元素显正价，则 C 中含氯的盐中 Cl 元素必显负价，该盐为 NaCl。固体 X 的成分可能为NaHCO3、NaCl 或 NaHCO3、NaCl、Na 2CO3。(2)由于可以确定固体 X 中含有 NaHCO3，因此对固体 X 的成分的探究，实质是检验 NaCl、Na 2CO3的存在，即可以通过检验 Cl 、CO 来探23究固体 X 的组成，检验 CO 选择 BaCl2溶液，需要注意的是不能选择澄清石灰水，否则23NaHCO3会有干扰，检验 Cl 选择稀 HNO3和 AgNO3溶液。(3)设含氯氧化物的化学式为Cl2Ox，则该反应可
10、表示为 Cl2Na 2CO3 H2O=NaHCO3NaCl Cl2Ox，根据氧元素守恒，12 12得 x1，故该反应的化学方程式为 2Cl22Na 2CO3H 2O=2NaHCO32NaClCl 2O。答案 (1)浓盐酸 饱和食盐水(2)NaCl NaCl、Na 2CO3实验步骤 预期现象和结论步骤 2：向一支试管中滴加足量BaCl2溶液若无明显现象，则固体 X 中不含 Na2CO3；若溶液变浑浊，则固体 X 中含 Na2CO3步骤 3：向另一支试管中滴加足量稀硝酸，再加适量 AgNO3溶液若溶液未变浑浊，则固体 X 中不含 NaCl；若溶液变浑浊，则固体 X 中含 NaCl6(3)2Cl22
11、Na 2CO3H 2O=2NaHCO32NaClCl 2O【解题建模】假设判断型方案设计解题模板考点指导 2 “原理探究型”方案的设计【典例 2】 (北京理综)为探讨化学平衡移动原理与氧化还原反应规律的联系，某同学通过改变浓度研究“2Fe 3 2I 2Fe2 I 2”反应中 Fe3 和 Fe2 的相互转化。实验如下：(1)待实验溶液颜色不再改变时，再进行实验，目的是使实验的反应达到_。(2)是的对比实验，目的是排除中_造成的影响。(3)和的颜色变化表明平衡逆向移动，Fe 2 向 Fe3 转化。用化学平衡移动原理解释原因：_。7(4)根据氧化还原反应的规律，该同学推测中 Fe2 向 Fe3 转化
12、的原因：外加Ag 使 c(I )降低，导致 I 的还原性弱于 Fe2 ，用下图装置(a，b 均为石墨电极)进行实验验证。K 闭合时，指针向右偏转，b 作_极。当指针归零(反应达到平衡)后，向 U 形管左管中滴加 0.01 molL1 AgNO3溶液，产生的现象证实了其推测。该现象是_。(5)按照(4)的原理，该同学用上图装置进行实验，证实了中 Fe2 向 Fe3 转化的原因。转化的原因是_。与(4)实验对比，不同的操作是_。(6)实验中，还原性：I Fe 2 ；而实验中，还原性 Fe2 I 。将(3)和(4)、(5)作对比，得出结论是_。【解题指导】原理探究型实验答题过程中答题误区(1)原理探
13、究实验过程中忽视反应条件设置与控制；回答问题时遗漏某一限制条件；易造成想当然或默认某些条件等错误。(2)原理探究中易将待探究的原理当成已知内容进行设计，造成明确的探究指向。(3)原理探究过程中提出的探究点不够完整，遗漏某种情况；有时也会在方案设计中遗漏某一种可能，造成方案不完整，或非此即彼的情况。(4)原理探究实验设计思路中从已有知识与信息找不到合理的方法，无法将综合探究实验解答完整。8解析 (1) 待实验溶液颜色不再改变，说明其中的可逆反应已达平衡状态。(2) 实验中加入 1 mL 水，目的是排除中因加入 FeSO4溶液对原溶液稀释，造成溶液颜色变化。(3)中加入 AgNO3溶液，Ag 与
14、I 生成 AgI 黄色沉淀， c(I )减小，平衡2Fe3 2I 2Fe2 I 2逆向移动。中加入 FeSO4溶液， c(Fe2 )增大，平衡也是逆向移动， c(I2)减小，溶液颜色变浅。(4) U 形管左管中 I 具有强还原性，易发生氧化反应，a 极为原电池的负极。U 形管右管中 Fe3 具有强氧化性，易发生还原反应，b 极为原电池的正极。在 U 形管左管中滴加 AgNO3溶液后，Ag 与 I 生成 AgI 黄色沉淀，I 浓度降低，U 形管右管新生成的 Fe2 还原性比 I 的强，从而 U 形管右管易发生氧化反应，作负极，故电流表的指针向左偏转。(5)按照(4)的离子浓度大小影响离子的还原性
15、的原理，该同学利用原电池装置进行实验，证实了 中 Fe2 浓度增大，还原性增强，使 Fe2 还原性强于I 。实验与实验(4)相比较，实验(4)当指针归零后，可采取向 U 形管右管中滴加 1 molL1 FeSO4溶液，以增加 Fe2 的浓度，使 c(Fe2 )大于 c(I )。(6) 根据实验和实验中 c(Fe2 )和 c(I )的浓度不同知，在其他条件不变时，物质的氧化性和还原性与浓度有关，在平衡时，通过改变物质的浓度，可以改变物质的氧化、还原能力，导致平衡移动。答案 (1)化学平衡状态(2)因溶液稀释使溶液颜色变化(3)中加入 Ag 发生反应：Ag I =AgI， c(I )降低；中增大
16、c(Fe2 )，平衡均逆向移动(4)正 左管产生黄色沉淀，指针向左偏转(5)Fe 2 随浓度增大，还原性增强，使 Fe2 还原性强于 I 向右管中滴加 1 molL1 FeSO4溶液(6)该反应为可逆氧化还原反应，在平衡时，通过改变物质的浓度，可以改变物质的氧化、还原能力，并影响平衡移动方向【课堂对点训练】2某校化学兴趣小组探究 SO2与 FeCl3溶液的反应，所用装置如图所示(夹持装置已略去)。9(1)该小组同学预测 SO2与 FeCl3溶液反应的现象为溶液由棕黄色变为浅绿色，然后开始实验。步骤配制 1 molL1 FeCl3溶液(未用盐酸酸化)，测其 pH 约为 1，取少量装入试管 A 中
17、，通入 SO2气体FeCl3溶液显酸性的原因是_(用化学用语解释)。若用浓硫酸与 Cu 反应产生 SO2，则该反应的化学方程式为_。(2)当 SO2通入 FeCl3溶液至饱和时，该小组同学观察到的现象是溶液由棕黄色变为红棕色，没有观察到丁达尔现象。将混合液放置 12 小时，溶液才变成浅绿色。【查阅资料】Fe(HSO3)2 为红棕色，它可以将 Fe3 还原为 Fe2 ；生成 Fe(HSO3)2 的反应为可逆反应。解释 SO2与 FeCl3溶液反应生成红棕色 Fe(HSO3)2 的原因：_(用化学用语解释)。写出溶液中 Fe(HSO3)2 与 Fe3 反应的离子方程式：_。(3)为了探究如何缩短红
18、棕色变为浅绿色的时间，该小组同学进行了步骤和步骤的实验。步骤往 5 mL 1 molL1 FeCl3溶液中通入 SO2气体，溶液立即变为红棕色。微热 3 min，溶液颜色变为浅绿色步骤往 5 mL 重新配制的 1 molL1 FeCl3溶液(用浓盐酸酸化)中通入SO2气体，溶液立即变为红棕色。几分钟后，发现溶液颜色变成浅绿色用铁氰化钾溶液检验步骤和步骤所得溶液中的 Fe2 ，其现象为_。10(4)综合上述实验探究过程，可以获得如下实验结论：aSO 2与 FeCl3溶液反应生成红棕色中间产物 Fe(HSO3)2 ；b红棕色中间产物转变成浅绿色溶液是一个较慢的过程；c_。解析 (1)Fe 3 水解
19、使 FeCl3溶液显酸性。Cu 与浓硫酸在加热条件下反应，生成CuSO4、SO 2和 H2O。(2)SO 2与 H2O 反应生成 H2SO3，H 2SO3发生电离生成 H 和 HSO ，Fe 3 与 3HSO 结合生成红棕色的 Fe(HSO3)2 。Fe(HSO 3)2 中铁元素为3 价，Fe(HSO 3)2 与 Fe3 反 3应的实质是3 价铁将 HSO 氧化为 SO ，3 价铁被还原为 Fe2 。(3)用铁氰化钾溶液 3 24检验 Fe2 时，生成的 Fe3Fe(CN)62为蓝色沉淀。(4)根据步骤和步骤的实验探究过程，还可以得出的结论是加热、提高 FeCl3溶液的酸性会缩短浅绿色出现的时
20、间。答案 (1)Fe 3 3H 2O Fe(OH)33H Cu2H 2SO4(浓) CuSO4SO 22H 2O= = = = = (2)H2OSO 2 H2SO3、H 2SO3 H HSO 、Fe 3 HSO Fe(HSO3)2 3 3Fe3 H 2OFe(HSO 3)2 =2Fe2 SO 3H 24(3)生成蓝色沉淀(4)加热、提高 FeCl3溶液的酸性会缩短浅绿色出现的时间考点指导 3 实验方案的评价【典例 3】 铝镁合金是飞机制造、化工生产等行业的重要材料。研究性学习小组的同学，为测定某含镁 3%5%的铝镁合金(不含其他元素)中镁的质量分数，设计了下列两种不同实验方案进行探究。填写下列
21、空白：方案一实验方案 将铝镁合金与足量 NaOH 溶液反应，测定剩余固体质量。实验中发生反应的化学方程式是_。实验步骤(1)称取 10.8 g 铝镁合金粉末样品，溶于体积为 V、物质的量浓度为 4.0 molL1 的 NaOH溶液中，充分反应。则 NaOH 溶液的体积 V_mL。(2)过滤、洗涤、干燥、称量固体。该步骤中若未洗涤固体，测得镁的质量分数将11_(填“偏高” 、 “偏低”或“无影响”)。方案二实验方案 将铝镁合金与足量稀硫酸溶液反应，测定生成气体的体积。实验步骤(1)同学们拟选用下列实验装置完成实验：你认为最简易的装置其连接顺序是 A 接( )( )接( )( )接( )(填接口字
22、母，可不填满)。(2)仔细分析实验装置后，同学们经讨论认为以下两点会引起较大误差：稀硫酸滴入锥形瓶中，即使不生成氢气，也会将瓶内空气排出，使所测氢气体积偏大；实验结束时，连接广口瓶和量筒的导管中有少量水存在，使所测氢气体积偏小。于是他们设计了如图所示的实验装置。装置中导管 a 的作用是_。实验前后量气管中液面读数分别为 V1 mL、 V2 mL，则产生氢气的体积为_mL。若需确定产生氢气的量，还需测定的数据是_。【思维提示】12答案 方案一：2Al2NaOH2H 2O=2NaAlO23H 2(1)97 (2)偏高方案二：(1)E D G(2)使分液漏斗内气体压强与锥形瓶内气体压强相等，打开分液
23、漏斗活塞时稀硫酸能顺利滴下；滴入锥形瓶的稀硫酸的体积等于进入分液漏斗的气体体积，从而消除由于加入稀硫酸引起的氢气体积误差 ( V1 V2) 实验时的温度和压强【课堂对点训练】3某化学课外小组研究乙醇氧化的实验并验证其产物，设计了甲、乙、丙三套装置(图中的支撑仪器均未画出， “”表示酒精灯热源)，每套装置又划分为三部分。仪器中盛放的试剂：a.无水乙醇(沸点：78 )；b.铜丝；c.无水硫酸铜；d.新制氢氧化铜悬浊液。(1)简述三套方案各自的优点。13甲：_；乙：_；丙：_。(2)集中三套方案的优点，组成一套比较合理完善的实验装置，可按气流由左到右的顺序表示为_(例如：甲，乙，丙)。解析 (1)甲
24、的优点在于，水浴加热能较好地控制温度，使气流平稳、 反应充分。乙的优点在于两干燥管考虑了溶液中水蒸气对产物 H2O 检验的干扰。丙的优点在，无水生成，且装置简单。(2)将三套方案的优点组合：取丙、甲、乙可组成一套完善的装置。答案 (1)甲：中用热水浴加热，可形成较平稳的乙醇气流，使反应更充分；中的斜长导管起到冷凝回流乙醇的作用乙：与中的干燥管可防止溶液中的水与无水硫酸铜反应，避免干扰对生成物的检验丙：中氧气发生装置中无水生成，且装置简单(2)丙，甲，乙【课堂总结】实验方案设计与评价中的“答题规范”(1)规范书写试剂名称。(2)规范书写装置中试剂的用途。如14除杂装置：除去(或吸收)杂质，防止干扰(影响)；除去中的杂质，以免影响测量结果。尾气吸收装置：吸收气体，防止污染空气。(3)物质检验、鉴别题的描述：取样，加入试剂，若有现象，则有物质；否则，没有物质。(4)规范书写实验现象描述：如“颜色由变成” “液面上升或下降(形成液面差)”“溶液变浑浊”等。(5)规范书写实验方法。用试管取(收集)少量(适量)滴加(放、伸)，若则(或出现现象，证明)。(6)规范书写实验操作目的、原因、理由方法。答题思路：这样做有什么好处、不这样做有什么影响。好处：直接作用是根本目的是“坏处”：如果(不这样)那么会(怎样)。
