化学实验的探究.docx
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化学实验的探究
化学实验的探究
一个科学的实验探究通常包括提出问题，作出假设，设计实验，实施实验、提出问题得出结论、评价与反思。
近年来全国各地高考最常考查与区分学生综合素质常用的题型。
要从高考题中体会命题指导思想和学科能力要求；化学学科提出的三大学科能力应贯穿在整个高三复习训练过程中，要研究三大学科能力在试卷中的考查方式。
教材中的探究性实验主要是为了培养学生的创新素养，在设计时一定要遵守以下几项基本原则：
（1）科学性原则：
探究性实验的科学性非常强，实验原理、实验操作程序和方法与化学理论知识、科学的实验研究方法必相一致。
在整个探究过程中，要着重培养学生科学思维方法，观察和记录实验的方法，以提高学生的科学素质，这也正是增设探究性实验的宗旨。
（2）创造性原则：
教师所设计的探究性实验应有一定的新颖性、先进性和实验性，要充分体现出创造性原则运用创造性思维独立的去认识新知识，符合学生的认知结构，由易到难，循序渐进。
（3）可行性原则：
课题内容主要是书本知识的升华，通常也应与日常生活、生产实践和先进的科学技术紧密结合，但不能超越学生的年龄特征和知识范围，即设计实验必须切实可行，使学生能够顺利的完成探究任务。
既不低估也不高估学生的水平。
（4）安全性原则：
探究性实验一般难度较大，学生经验不足，应尽量避免使用有毒药品和具有一定危险性的实验操作。
（5）趣味性原则：
实验内容除课本外，也应该选用有关日常生活、环境、军事、能源、生产等实际中的问题，通过探究来解决与人类自身紧密联系的问题，从而有利于培养学生的兴趣，发展学生的特长，激发学生学习的动机，增长他们对新知识的探求。
基于此，探究性实验主要包括以下几个方面：
（1）对反应原理的探究
（2）对反应条件的探究；（3）对反应途径的探究；（4）对实验结果的探究；（5）对计算结果的探究；（6）对化学理论的探究；（7）对贴近生产、生活的问题探究。
1.对反应原理的探究。
对反应原理的探究：
主要包括氧化还原反应、离子反应、中和滴定反应、电化学反应、有机反应等。
造成学生得分差距的主要原因有：
学生储备的知识能否与概念、原理相互激活；能否在新情境下合理调用事实、概念、原理；常规的解题思路能否熟练运用。
【例1】设计实验比较Cl2和Br2的氧化性，操作与现象是：
取少量新制氯水于试管中，
。
【解析】是对氧化还原反应原理进行的探究。
氯气与水反应生成盐酸和次氯酸，次氯酸为弱酸部分电离，所以有氧化性的含氯粒子是Cl2、HClO和ClO―。
比较Cl2和Br2的氧化性，可以利用置换反应。
所以其具体操作是：
取少量新制氯水和CCl4于试管中，用胶头滴管向试管中滴加NaBr溶液，振荡静置，溶液下层呈橙色。
【答案】取少量新制氯水和CCl4于试管中，用胶头滴管向试管中滴加NaBr溶液，振荡静置，溶液下层呈橙色。
【例2】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（NO3）2、NO2、O2乙：
MgO、NO2、O2
丙：
Mg3N2、O2丁：
MgO、NO2、N2
（1）实验前，小组成员经讨论认定猜想丁不成立，理由是_____________。
【解析】
（1）Mg（NO3）2分解过程中发生了氧化还原反应（元素化合价既升高也降低），而丁组中，只有降低的N元素，而没有升高的元素，不符合氧化还原反应发生的原理；
在限定试剂与仪器设计简单实验时，首先要对实验目的和反应原理有清晰认识，结合反应原理展开设计。
【答案】
（1）不符合氧化还原反应原理（或其它合理答案）
【例3】现有酚酞试液、石蕊试液、0.1mol/L氨水、35%盐酸、0.1mol/L盐酸、氢氧化钙固体和蒸馏水，请应用化学平衡知识设计一个实验（只限于选用上述试剂），证明氨水为弱碱，简述方法。
【解析】是考查对弱电解质的电离平衡的原理的理解。
弱电解质的电离平衡存在，使得溶液中存在弱电解质的分子和电离产生的离子。
因此可通过与同浓度同体积的强酸或强碱反应后溶液是否显示酸碱性来判断。
【答案】取0.1mol/L的氨水和0.1mol/L的盐酸等体积混合并振荡，再滴入紫色石蕊试液，显红色，证明氨水是弱碱
【例4】根据实验室中测定硫酸铜晶体结晶水含量的实验，填写下列空白。
（1）从下列仪器选出所需仪器（用标号字母填写）
A.托盘天平（带砝码）B.研钵C.试管夹D.酒精灯
E.蒸发皿F.玻璃棒G.坩埚H.干燥器I.石棉网J.三脚器
除上述仪器外，还需要的仪器是_____________
（2）从下列分析中选出该学生产生实验误差的原因可能是（填写字母）
A.加热前称量时容器未完全干燥
B.最后两次加热后的质量相差较大
C.加热后容器未放人干燥器中冷却
D.加热过程中有少量溅失
【解析】该题是典型的学生实验题，包括实验原理，仪器选用，根据实验操作分析误差原因三个方面的要求，具有代表性和综合性。
解答此题的关键是懂得实验原理。
【答案】
（1）A、B、D、F、G、H、J，坩埚钳、泥三角、药匙。
（2）AD
2.对反应条件的探究。
对反应条件的探究主要包括无机与有机的各种反应条件，教材中比较典型的是淀粉水解在酸性、中性与碱性条件下的水解探究。
由于很多化学反应都需要一定的反应反件，因此对反应条件的探究往往在高考题中有所呈现。
例如“影响反应速率的因素“实验中注意几个实验中哪些量需要保持不变以及如何控制变量；”影响化学平衡移动的因素“实验中分析改变条件时主要作用于平衡反应中的哪个量从而导致平衡移动等都是教材中比较经典的对反应条件影响实验结果的实验。
【例5】某学生设计了三个实验方案，水解淀粉并检验水解情况。
（1）方案甲：
淀粉液水解液中和液溶液变蓝。
结论：
淀粉完全没有水解。
（2）方案乙：
淀粉液水解液无银镜现象。
结论：
淀粉完全没有水解。
（3）方案丙：
淀粉液水解液中和液有银镜现象。
结论：
淀粉已经水解。
根据上述操作、现象，请判断结论是否正确？
简要说明理由。
__________________。
【解析】淀粉水解后产物是葡萄糖。
部分水解与完全水解的差别是溶液中是否还剩余淀粉。
因此可利用淀粉和葡萄糖的相关性质进行判别。
【答案】
（1）结论不正确。
因为淀粉有可能部分水解，未水解的淀粉遇碘水也会变蓝色。
（2）结论不正确。
因为淀粉水解后的溶液呈酸性，而酸性条件下银氨溶液不能存在，也不能发生银镜反应。
（3）结论正确。
因为淀粉水解反应生成了葡萄糖，而在碱性条件下葡萄糖能与银氨溶液发生银镜反应。
3.对反应途径的探究。
对反应途径的探究：
主要是基于对反应原理的理解中可能出现不同的反应途径进行探究，通常原理的探究紧密联系。
【例6】已知Ag2HPO4和Ag3PO4均为黄色沉淀（Ag2HPO4颜色略浅）。
现将0.02mol?
L-1AgNO3溶液与0.01mol?
L-1K2HPO4溶液等体积混合，产生黄色沉淀，试设计一个最为简便的实验方法，用以证明生成物是Ag2HPO4还是Ag3PO4。
实验所用的试剂有：
NaOH溶液、氨水、盐酸、硝酸和pH试纸。
（不得选用其他试剂）
【解析】因为Ag2HPO4和Ag3PO4的颜色彼此相近，故不能用生成物Ag2HPO4或Ag3PO4在反应过程中颜色变化来判断。
换个角度来思考，在反应中：
①K2HPO4+2AgNO3=Ag2HPO4↓+2KNO3
②K2HPO4+3AgNO3=Ag3PO4↓+2KNO3+HNO3
若生成物是Ag2HPO4，则溶液呈中性；若生成物是Ag3PO4，则溶液呈酸性。
【答案】取少量等体积的K2HPO4和AgNO3溶液反应，用pH试纸检验，溶液呈中性，则沉淀为Ag2HPO4；若溶液呈酸性，则沉淀为Ag3PO4。
【例7】某学生将混有铜粉的氯化铁晶体（FeCl3?
6H2O）提纯，以得到纯净的氯化铁晶体，他提出了下列实验步骤：
a.把样品溶解；b.过滤除去铜粉；c.蒸干溶液即到氯化铁晶体。
（1）以上实验步骤是否可行？
____，其原因是什么？
（写出有关的化学方程式）____。
（2）请拟出合理的实验方案（只写简单步骤）：
①____、②____、③____、④____、⑤____、⑥____。
【答案】
（1）不可行；样品加水后发生反应2FeCl3+Cu=2FeCl2+CuCl2，过滤不能除去Cu，滤液中含有FeCl2、CuCl2。
蒸干滤液时发生反应FeCl3+3H2O=Fe（OH）3+3HCl↑，因此得不到纯FeCl3晶体。
（2）①溶解②加过量铁粉③过滤④向溶液中通足量Cl2⑤加少量盐酸⑥蒸发、浓缩、结晶
【例8】分别设计化学实验，用最佳方法证明明矾溶于水时发生的下列变化：
供选用的药品和仪器：
明矾溶液、甲基橙试液、石蕊试液、酚酞试液、pH试纸、氢氧化钠溶液、酒精灯、半透膜、电泳仪、聚光束仪。
（1）证明明矾发生了水解反应。
（2）证明其水解反应是一个吸热反应。
（3）证明生成了胶体溶液_________________________。
【解析】本题解决的途径是需要了解明矾的性质：
是一种复盐，易溶于水，且溶解后溶液中有K+、Al3+、SO42-。
同时，对Al3+在溶液中可发生水解反应且能形成胶体溶液等有了解才能设计要应实验。
【答案】
（1）用pH试纸测试明矾溶液，pH<7，证明明矾水解呈酸性。
（2）加热上述明矾溶液，再用pH试纸测试，pH减少，则水解吸热。
（3）利用丁达尔现象检验。
4.对实验结果的探究。
实验结束后，需要对实验记录的现象与数据进行整理，从而科学分析得出最终结论。
高考题通过考查实验现象与数据引导学生进行分析综合，得出相应结论”，是最符合高考化学科考查的能力的要求的（接受、吸收、整合化学信息的能力和分析问题和解决（解答）化学问题的能力）。
【例9】为了探究AgNO3的氧化性，某化学兴趣小组设计了如下实验。
将光亮的铁丝伸入AgNO3溶液中，一段时间后将铁丝取出。
为检验溶液中Fe的氧化产物，将溶液中的Ag+除尽后，进行了如下实验。
可选用的试剂KSCN溶液、K3[Fe（CN）6]溶液、氯水。
请完成下表：
【实验结论】Fe的氧化产物为存在Fe2+和Fe3+
【解析】⑴Fe3+与SCN-络合形成血红色溶液
Fe2+与CN-络合形成普鲁士蓝溶液
【答案】①变成血红色②K3[Fe（CN）6]③变成蓝色
【例10】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（NO3）2、NO2、O2乙：
MgO、NO2、O2
丙：
Mg3N2、O2丁：
MgO、NO2、N2
查阅资料得知：
2NO2+2NaOH=NaNO3+NaNO2+H2O 针对甲、乙、丙猜想，设计如图1所示的实验装置（图中加热、夹持仪器等均省略）：
（1）实验过程
①取器连接后，放人固体试剂之前，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3.79g置于A中，加热前通人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，加人适量水，未见明显现象。
（2）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），溶液颜色会退去；小组讨论认定分解产物中有O2存在，未检侧到的原因是_____________________。
③小组讨论后达成的共识是上述实验设计仍不完善，需改进装置进一步研究。
【解析】
（1）①此装置比较复杂，又是检验气体，所以实验之前必须检验装置的气密性。
加热试管A，如若E试管中持续出现气泡，则说明气密性良好。
②甲乙丙都有氧气生成，而空气中也存在氧气，所以必须把空气中的氧气除去，以防带来干扰。
③玻璃管（盛有固体）在加热前都要预热，预热的方法：
移动酒精灯对玻璃管进行加热。
（2）①红棕色气体是NO2，另外还应有金属氧化物MgO，所以乙的推论是正确的；
②D中盛放的溶液是Na2SO3溶液，Na2SO3具有还原性，能被氧气氧化生成Na2SO4，反应的方程式为2Na2SO3+O2=2Na2SO4。
【答案】
（1）①装置气密性良好
②避免对产物O2的检验产生干扰（或其它合理答案）
移动酒精灯预热硬质玻璃管
（2）①乙
②2Na2SO3+O2=2Na2SO4
O2在通过装置B时已参与反应（或其它合理答案）
5.对计算结果的探究。
由于涉及到化学计算，是高考对学生利用实验数据考查学生对原理的理解与计算能力的高低，通常用于区分学生的综合水平高低不可获缺的一种重要题型。
解决这些题目的背后包含：
如何在陌生的信息面前，通过观察、归纳信息特点，发现其本质并与学知识之间建立联系？
是否具备较强的数学工具转换能力，确保化学知识层面弄明白了以后，能够算出正确答案？
【例11】BaCl2?
xH2O中结晶水数目可通过重量法来确定：
①称取1.222g样品，置于小烧杯中，加入适量稀盐酸，加热溶解，边搅拌边滴加稀硫酸到沉淀完全，静置；
②过滤并洗涤沉淀；
③将盛有沉淀的滤纸包烘干并中温灼烧；转入高温炉中，反复灼烧到恒重，称得沉淀质量为1.165g。
回答下列问题（有删节）：
（1）在操作②中，需要先后用稀硫酸和洗涤沉淀；检验沉淀中氯离子是否洗净的方法是。
（2）计算BaCl2?
xH2O中的x=（要求写出计算过程）。
（3）操作③中，如果空气不充足和温度过高，可能会有部分沉淀被滤纸中的碳还原为BaS，这使x的测定结果（填“偏低”、“偏高”或“不变”）。
【解析】
（1）若沉淀洗涤后洗涤液中不含Cl-则已经洗净，这是沉淀洗涤的常用方法；
（2）计算氯化钡和水的物质的量比，即求出x；（3）题中已经表明硫酸钡被还原为BaS，则沉淀质量减小，相对水的质量比提高，x数据将偏高。
【答案】
（1）蒸馏水取水洗液于试管中，加入稀硝酸酸化，滴加AgNO3溶液，若无白色浑浊出现，则表明Cl-已经冼净。
（2）样品中BaCl2的物质的量为：
n（BaCI2）==5.000×10-3mol
质量m（BaCI2）=5.000×10-3mol×208g/mol=1.040g
n（H2O）∶n（BaCI2）=∶（5.000×10-3mol）=2.02≈2
（3）偏高
【例12】实验室二氧化硫尾气吸收与工业烟气脱硫的化学原理相通。
石灰-石膏法和碱法是常用的烟气脱硫法。
石灰-石膏法的吸收反应为SO2+Ca（OH）2→CaSO3↓+H2O。
吸收产物亚硫酸钙由管道输送至氧化塔氧化，反应为2CaSO3+O2+4H2O→2CaSO4?
2H2O。
其流程如图2：
碱法的吸收反应为SO2+2NaOH→Na2SO3+H2O。
碱法的特点是氢氧化钠碱性强、吸收快、效率高。
其流程如图3：
（1）石灰-石膏法和碱法吸收二氧化硫的化学原理相同之处是_________。
和碱法相比，石灰-石膏法的优点是_________，缺点是_________。
（2）在石灰-石膏法和碱法的基础上，设计一个改进的、能实现物料循环的烟气脱硫方案（用流程图表示）。
【解析】本题以二氧化硫烟气处理为情景考查装置选择、计算、成本核算、方案设计及分析问题解决问题的能力。
用硫酸和亚硫酸纳反应制取二氧化硫利用固液不加热制取气体装置，因此，选ae
H2SO2+Na2SO2=Na2SO2+SO2+H2O
126g22.4L m3.36L
m=18.9g，
设含40%的亚硫酸钠的样品质量为100g，则生成硫酸钠的质量为45.1g，则这时亚硫酸钠的质量分数为（100-40）/100-40+45.1=57.1%，则至少需称取该亚硫酸钠18.9/57.1%=33.1g。
由于石灰的碱性比氢氧化钠弱，吸收SO2的速率慢、效率低，但吸收成本比氢氧化钠低的多。
【答案】
（1）酸性氧化与碱的反应。
成本低；吸收慢，效率低。
（2）
6.对化学理论的探究。
主要包括元素周期律、化学反应速率与化学平衡原理（电离平衡、水解平衡、难溶电解质的溶解平衡等），与化学反应原理（本专题的第1点）可归结为同一类。
高考题在化学反应原理与化学理论的考查是非常充分的。
一轮复习的过程中，对于反应原理版块要从回归最基础的东西开始，合理解剖原理版块考核要求的能力，分阶段去突破，切忌一步到位，同时多多体会全国卷与广东卷的异同，复习中做出适当的调整。
【例13】能量之间可以相互转化：
点解食盐水制备Cl2是将电能转化为化学能，而原电池可将化学能转化为电能。
设计两种类型的原电池，探究其能量转化效率。
限选材料：
ZnSO4（aq），FeSO4（aq），CuSO4（aq）；铜片，铁片，锌片和导线。
（1）完成原电池的装置示意图（见图5），并作相应标注。
要求：
在同一烧杯中，电极与溶液含相同的金属元素。
（2）铜片为电极之一，CuSO4（aq）为电解质溶液，只在一个烧杯中组装原电池乙，工作一段时间后，可观察到负极______。
（3）甲乙两种原电池中可更有效地将化学能转化为电能的是______，其原因是____
【解析】本题主要考查化学实验、元素化合物与化学反应原理。
由题给试剂，结合原电池的形成条件可知可以组合的原电池可以是：
锌铜、锌铁、铁铜原电池。
由图示所给电子移动方向可知左边为负极（活泼金属）、右边为正极（不活泼金属），则组装的原电池可以如下：
由所给的电极材料可知，当铜片做电极时，铜片一定是正极，则负极是活泼的金属（失电子发生氧化反应），反应的现象是电极逐渐溶解。
以Zn和Cu做电极为例，如果不用盐桥则Zn与CuSO4反应，置换出的Cu附着在Zn表面，阻碍了Zn与CuSO4的接触，不能提供稳定电流。
（3）根据牺牲阳极的阴极保护法，可知被保护的金属作阴极，即Zn作为阳极。
【答案】
（1）（装置如右图）
（2）电极逐渐溶解；
（3）甲；可以避免活泼金属如Zn和CuSO4的接触，从而提供稳定电流
7.对贴近生产、生活的问题探究
化学离不开生活，在高考题中将贴近生产、生活实际的探究更多是突出化学的应用价值。
【例14】某酸性工业废水中含有K2Cr2O7。
光照下，草酸（H2C2O4）能将其中的Cr2O72-转化为Ce3+。
某课题组研究发现，少量铁明矾[Al2Fe（SO4）4?
24H2O]即可对该反应堆起催化作用。
为进一步研究有关因素对该反应速率的影响，探究如下：
（1）在25°C下，控制光照强度、废水样品初始浓度和催化剂用量相同，调节不同的初始pH和一定浓度草酸溶液用量，作对比实验，完成以下实验设计表（表中不要留空格）。
测得实验①和②溶液中的Cr2O72-浓度随时间变化关系如图9所示。
（2）上述反应后草酸被氧化为______________（填化学式）。
（3）实验①和②的结果表明______________；实验①中o～t1时间段反应速率？
自（Cr3+）=______________mol?
L-1?
min-1（用代数式表示）。
（4）该课题组队铁明矾Al2Fe（SO4）4?
24H2O中起催化作用的成分提出如下假设，请你完成假设二和假设三：
假设一：
Fe2+起催化作用；
假设二：
__________；
假设三：
__________；
............
（5）请你设计实验验证上述假设一，完成下表中内容。
（除了上述实验提供的试剂外，可供选择的药品有K2SO4、FeSO4、K2SO4、Al2（SO4）3、Al2Fe（SO4）4?
24H2O等。
溶液中Cr2O72-的浓度可用仪器测定）
【解析】结合化学与生产、生活实际考察化学实验探究基本能力和化学反应基本原理。
该反应为探究重铬酸根与草酸反应过程中的催化作用，该反应为一比较熟悉的反应，草酸被氧化后的产物为二氧化碳。
（3）考查了从图像中获取数据并分析的能力。
图像越陡，反应速率越快
（4）对于假设可以从加入的物质铁明矾中获取，故为Fe2+和Al3+，然后根据上面的过程，进行对比实验，即可以得到答案。
【答案】
（2）CO2
（3）pH越大，反应的速率越慢
（4）Al3+起催化作用；Fe2+和Al3+起催化作用
（5）取pH=5的废水60ml，加入10ml草酸和30ml蒸馏水，滴加几滴FeSO4，测定反应所需时间
预期现象与结论：
与②对比，如果速率明显加快，故起催化作用的为Fe2+
[创新训练]
1.滴定操作中，如果滴定前装有K2Cr2O7标准溶液的滴定管尖嘴部分有气泡，而滴定结束后气泡消失，则滴定结果将（填“偏大”、“偏小”或“不变”）。
2.为测定镀锌铁皮锌镀层的厚度，将镀锌皮与足量盐酸反应，待产生的气泡明显减少时取出，洗涤，烘干，称重。
关于该实验的操作对测定结果的影响判断正确的是 A.铁皮未及时取出，会导致测定结果偏小
B.铁皮未洗涤干净，会导致测定结果偏大
C.烘干时间过长，会导致测定结果偏小
D.若把盐酸换成硫酸，会导致测定结果偏大
3.某学生对SO2与漂粉精的反应进行实验探究：
（1）Cl2和Ca（OH）2制取漂粉精的化学方程是___________。
（2）pH试纸颜色的变化说明漂粉精溶液具有的性质是___________。
（3）向水中持续通入SO2，未观察到白雾。
推测现象Ⅰ的白雾由HCl小液滴形成，进行如下实验：
a.用湿润的碘化钾淀粉试纸检验白雾，无变化；
b.用酸化的AgNO3溶液检验白雾，产生白色沉淀。
①实验a目的是___________。
②由实验a、b不能判断白雾中含有HC1，理由是。
（4）现象Ⅱ中溶液变为黄绿色的可能原因：
随溶液酸性的增强，漂粉精的有效成分和C1-发生反应。
通过进一步实验确认了这种可能性，其实验方案是___________。
（5）将A瓶中混合物过滤、洗涤，得到沉淀X
①向沉淀X中加入稀HC1，无明显变化。
取上层清液，加入BaC12溶液，产生白色沉淀。
则
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