科学探究与实验设计.docx
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科学探究与实验设计
专题五:
科学探究与实验设计
【例题】2010年广东卷33
某科研小组用MnO2和浓盐酸制备Cl2时,利用刚吸收过少量SO2的NaOH溶液对其尾气进行吸收处理。
(1)请完成SO2与过量NaOH溶液反应的化学方程式:
SO2+2NaOH=________________.
(2)反应Cl2+Na2SO3+2NaOH==2NaCl+Na2SO4+H2O中的还原剂为。
(3)吸收尾气一段时间后,吸收液(强碱性)中肯定存在Cl
、OH
和SO
。
请设计实验,探究该吸收液中可能存在的其他阴离子(不考虑空气的CO2的影响)。
①提出合理假设
假设1:
只存在SO32-;
假设2:
既不存在SO32-也不存在ClO
;假设3:
___________。
②设计实验方案,进行实验。
请在答题卡上写出实验步骤以及预期现象和结论。
限选实验试剂:
3moL
L-1H2SO4、1moL
L-1NaOH、0.01mol
L-1KMnO4、淀粉-KI溶液、紫色石蕊试液。
实验步骤
预期现象和结论
步骤1:
取少量吸收液于试管中,滴加3moL
L-1H2SO4至溶液呈酸性,然后将所得溶液分置于A、B试管中。
步骤2:
步骤3:
【分析】
题目的意思是用吸收了少量SO2的NaOH溶液再与Cl2反应,这里需要对溶液的成分有清晰的认识,在与Cl2反应前,溶液中先发生的反应是SO2+2NaOH=Na2SO3+H2O,所以溶液的溶质可认为是较少的Na2SO3和大量的NaOH。
再向其中通入Cl2,题目给出了一个反应Cl2+Na2SO3+2NaOH==2NaCl+Na2SO4+H2O(反应Ⅰ),但Cl2本身也可与NaOH发生反应Cl2+2NaOH==NaCl+NaClO+H2O(反应Ⅱ),考虑到NaClO仍然会氧化Na2SO3,所以可以认为先发生反应Ⅰ,若Na2SO3消耗完,剩余的Cl2再发生反应Ⅱ。
当我们关注Cl2、Na2SO3、NaOH这三种物质的量的时候,就很容易分析出这么几种可能:
①Cl2很少,只发生了反应Ⅰ且Na2SO3未消耗完,溶液的溶质为NaOH、NaCl、Na2SO4、Na2SO3;②Cl2适量,只发生了反应Ⅰ且Na2SO3恰好消耗完,溶液的溶质为NaOH、NaCl、Na2SO4;③Cl2较多,发生了反应Ⅰ后还发生了反应Ⅱ,但题目提示溶液仍然保持强碱性即NaOH不会被Cl2消耗完,故溶液的溶质为NaOH、NaCl、Na2SO4、NaClO。
第(3)小题,提出合理假设时要依据探究目的“该吸收液中可能存在的其他阴离子”,所以假设的对象就只是SO32-和ClO-。
且经过分析不会出现两者共存的情况。
实验设计第一步中已将溶液酸化,可认为要检验的对象是H2SO3或HClO。
H2SO3的检验可以考虑利用其还原性(溶液中并无其他还原性离子干扰),可选用KMnO4溶液作试剂;HClO的检验可以考虑利用其氧化性(溶液中并无其他氧化性离子干扰),可选用淀粉-KI溶液作试剂;HClO的检验还可以考虑利用其漂白性,题目中提供了紫色石蕊溶液可用。
由于两者的检验互不干扰,都是简单的试管实验,所以先检验谁都可以。
答案:
⑴Na2SO3+H2O⑵Na2SO3⑶①只存在ClO-
②
实验步骤
预期现象和结论
步骤2:
向A试管中滴加1~2滴0.01mol·L-1KMnO4溶液。
⑴若溶液褪色,则假设1成立;
⑵若溶液不褪色,则假设2或3成立。
步骤3:
向B试管中滴加1~2滴淀粉-KI溶液。
⑴若溶液变蓝色,则假设3成立;
⑵若溶液不变蓝色,结合步骤2中的⑵,则假设2成立。
或
实验步骤
预期现象和结论
步骤2:
向A试管中滴加1~2滴0.01mol·L-1KMnO4溶液。
⑴若溶液褪色,则假设1成立;
⑵若溶液不褪色,则假设2或3成立。
步骤3:
向B试管中滴加1~2滴紫色石蕊溶液。
⑴若溶液先变红后褪色,则假设3成立;
⑵若溶液变红后不褪色,结合步骤2中的⑵,则假设2成立。
【拓展】
(一)试题考点的定位
2007~2010年实验探究题涉及的元素化合物知识载体有:
Fe、Al、Cu、铁的氧化物与酸溶液的反应,Fe置换Cu的反应,Al与碱溶液的反应,Fe3+与KSCN溶液的反应,Fe2+、SO32-与硝酸、KMnO4溶液的反应,SO2、Cl2与NaOH溶液的反应,ClO-氧化I-的反应,HClO漂白紫色石蕊的反应。
以上述例题为例,涉及的SO32-和ClO-的检验方法并没有在教材中明确提出过,而且能使KMnO4溶液褪色的物质不只是SO32-,能使淀粉-KI溶液变蓝或使石蕊溶液褪色的也不只是HClO。
从物质检验角度看,其中只有Fe3+与KSCN溶液的反应是严格的离子检验方法,所以这类试题的知识落点并不是一般意义上说的离子检验,而是常见无机物的性质在具体情境下的灵活运用。
但仅仅熟悉了物质的性质也不一定能答好,该题型还重点考查思维的逻辑性和严密性以及书面表达能力。
解答此类试题时,首先要对科学合理的假设引起足够关注,这关系到整个探究的方向是否正确;其次是局部问题的解决方案;然后是各个局部方案的规划和整合;最后才是实验报告的书写。
答案应逻辑清晰、层次分明。
(二)常见无机物性质的梳理
考纲中列举出要求掌握的元素有Na、Al、Fe、Cu、H、C、N、O、Si、S、Cl等,则相关的物质或离子如下,请从溶解性、复分解反应、氧化还原反应、特殊现象反应几个角度对它们的常见性质进行梳理,并能指出常用哪些试剂来体现这些性质。
单质:
Na、Al、Fe、Cu、H2、C、N2、O2、O3、Si、S、Cl2;
氧化物:
Na2O、Al2O3、Fe2O3、FeO、Fe3O4、CuO、CO、CO2、NO、NO2、SiO2、SO2、SO3;
酸:
H2CO3、HNO3、H2SiO3、H2SO3、H2SO4、HCl、HClO;
碱:
NaOH、Al(OH)3、Fe(OH)3、Fe(OH)2、Cu(OH)2、NH3•H2O;
离子:
Na+、Al3+、Fe3+、Fe2+、Cu2+、NH4+、H+、CO32-、NO3-、SiO32-、SO32-、SO42-、S2-、Cl-、ClO-。
(三)通过评分标准反思答题策略
2011年广州市“一模”33题答案和评分标准如下:
(1)NaClO和FeSO4均无剩余;(3分)
评分说明:
①意思相同即可得分。
但只写“均无剩余”而无指明物质,扣2分。
②答“NaClO和FeSO4可能均无剩余”得0分。
(2)Na+、Fe3+(4分)
评分说明:
①漏写得2分。
②多写H+、SO42-或Cl-合扣2分。
③多写Fe2+或ClO-,得0分。
(3)(9分)
实验步骤
预期现象和结论
步骤2:
向A试管中滴加1~2滴0.01mol·L-1KMnO4溶液。
(1)若溶液紫红色褪去,则假设1成立;
(2)若溶液呈紫红色,则假设2或3成立。
步骤3:
向B试管中滴加1~2滴紫色石蕊溶液。
(1)若石蕊先变红后褪色,则假设2成立;
(2)若石蕊变红后不褪色,结合步骤2中的
(2),则假设3成立。
评分说明:
①验证第一个假设成立占4分,验证第二和第三个假设占5分。
②方案方面的扣分点:
假设1的验证用KSCN和H2O2为试剂,用颜色加深的方法来判断,得3分。
假设2的验证用淀粉-KI溶液为试剂,用溶液变蓝色的方法来判断,得0分。
③步骤方面的扣分点:
试剂用量用“少量”代替“1~2滴”,不扣分。
试剂用量未说明或用“足量”“适量”“1~2mL”等不当词语,扣1分。
④现象方面的扣分点:
用“溶液无色”“溶液颜色无变化”“否则…”“反之则…”等不当表述,扣1分。
⑤结论方面的扣分点:
“假设?
成立”描述成“溶液中含有××离子”,扣1分。
“假设?
成立”描述成“××有剩余”,不扣分。
⑥错别字方面的扣分点:
“滴加”“褪色”“紫红色”等关键词有错别字,扣1分。
思考:
①为什么不能用用淀粉-KI溶液检验ClO-?
应如何对待干扰?
②为什么不能用“足量”“适量”“1~2mL”等代替“少量”?
试剂的用量如何选择?
在实际问题的解决中,某反应是否适合用于物质的鉴定是依具体情况而定的,主要思考的问题是现象是否明显、是否有干扰、操作是否简便,而不是首先考虑是否为常用方法。
利用沉淀反应时应防止其他离子也生成沉淀;利用氧化性(还原性)时防止有其他氧化性(还原性)物质干扰;预处理时防止新引入物质造成干扰,防止破坏待测物质造成干扰。
有干扰而又无法通过变换方法来排除,则必须进行干扰物质的分离。
试剂的用量和浓度也会影响检验的成败。
试剂的用量和浓度本质上决定于操作的目的。
若为分离则应过量;若为检验,考虑到待检验物质的含量可能较少,一般使用少量或几滴;若需要观察褪色的,则试剂应稀一些确保能反应完;若需要观察产生颜色或沉淀的,试剂应浓一些确保现象明显;若目的是调节pH等,试剂应稀一些;若不希望溶液被明显稀释,试剂应浓一些。
(四)变式训练
(2008年广东卷改)某种催化剂为铁的氧化物。
请完成对该催化剂中铁元素的价态的探究。
限选实验仪器与试剂:
烧杯、试管、玻璃棒、药匙、滴管、酒精灯、试管夹、3mol·L-1H2SO4、3%H2O2、6mol·L-1HNO3、0.01mol·L-1KMnO4、NaOH稀溶液、0.1mol·L-1Kl、20%KSCN、蒸馏水。
(1)提出合理假设
假设1:
;
假设2:
;
假设3:
。
(2)设计实验方案证明你的假设,在下表中写出实验操作步骤、预期现象与结论。
实验操作
预期现象与结论
步骤1:
步骤2:
步骤3:
…
思路点拨:
①探究的准确目的是什么?
②根据题意的限定,预期结论有哪几种可能?
(注意结论与目的的直接对应关系)
③铁的氧化物是固体,有没有直接的检验方法?
④如果要转化为溶液用什么试剂?
形态的转化会不会影响检验的科学性(或者误差)?
⑤Fe3+如何检验?
Fe2+如何检验?
⑥怎样的检验顺序更合理简洁?
⑦实验报告分为几个大的步骤?
【练习】
1.
(1)向FeSO4溶液中滴加氯水,溶液由浅绿色变成黄色,反应的离子方程式为________________________________________;向KI溶液中滴加氯水,溶液由无色变成黄色,反应的离子方程式为_____________________________________。
(2)请以FeSO4溶液、KI溶液、氯水为试剂探究Fe2+和I-的还原性强弱。
①提出假设:
假设1:
Fe2+还原性强于I-;假设2:
______________________________
②设计实验方案,写出实验步骤、预期现象和结论。
其他限选试剂:
3mol·L-1H2SO4、0.01mol·L-1KMnO4、20%KSCN、3%H2O2、淀粉溶液、紫色石蕊溶液。
实验步骤
预期现象与结论
2.正三价铁元素有一定的氧化性,FeCl3溶液吸收一定量SO2后溶液颜色变浅。
(1)反应的离子方程式为_________________________________________。
(2)除H+、OH-外,溶液中一定含有的离子有___________________________,还可能含有的粒子是________________________。
(填编号)
A.Fe2+B.Fe3+C.Cl-D.SO42-E.H2SO3
(3)对还不能确定的粒子存在情况提出合理的假设:
假设1:
;
假设2:
;
假设3:
。
(4)设计实验方案,进行实验。
写出实验步骤以及预期现象和结论。
限选实验试剂:
3mol·L-1H2SO4、1mol·L-1NaOH、0.01mol·L-1KMnO4、20%KSCN、3%H2O2、淀粉-KI溶液、紫色石蕊试液、品红溶液。
实验步骤
预期现象和结论
步骤1:
步骤2:
3.(2009广东卷改)三草酸合铁酸钾晶体K3[Fe(C2O4)3]·3H2O可有于摄影和蓝色印刷,其受热分解的固体产物可以确定含有K2CO3,其它可能成分有Fe、FeO。
现有少量该固体产物的样品,请设计实验探究其成分。
限选试剂:
浓硫酸、1.0mol·L-1HNO3、1.0mol·L-1盐酸、1.0mol·L-1NaOH、3%H2O2、0.1mol·L-1KI、0.1mol·L-1CuSO4、20%KSCN、澄清石灰水、氧化铜、蒸馏水。
(1)提出合理假设
假设1:
固体产物的成分为K2CO3和Fe;
假设2:
;
假设3:
。
(2)为了防止干扰,需要将K2CO3先分离除去,操作过程是_______________________
______________________________________________________________________
_____________________________________________________________________。
(3)在
(2)的基础上设计后续的实验方案,写出实验操作步骤、预期现象与结论
实验步骤
预期现象与结论
4.硫代硫酸钠(Na2S2O3)俗称大苏打,主要用于照相业作定影剂。
Na2S2O3易溶于水,在酸性溶液中会迅速分解。
(1)完成Na2S2O3溶液与稀硫酸混合反应的化学方程式:
H2SO4+Na2S2O3=Na2SO4+H2O+SO2+________(除空缺外已配平)
该反应可用于探究外界条件对反应速率的影响,完成有关的实验设计表(已知各溶液体积均为5mL):
实验
编号
T/K
c(Na2S2O3)/mol·L-1
c(H2SO4)
/mol·L-1
实验目的
①
298
0.1
0.1
实验①和②探究温度对该反应速率的影响;实验①、③和④探究反应物浓度对该反应速率的影响。
②
308
③
0.2
④
0.1
(2)Na2S2O3还具有很强的还原性,Na2S2O3溶液与足量氯水反应的化学方程式为
_____________________________________________。
(S元素被氧化为SO42-)
(3)现有一瓶Na2S2O3固体,可能混有Na2SO4固体。
设计实验验证该假设,写出实验步骤、预期现象和结论。
限选试剂:
1mol·L-1H2SO4、1mol·L-1HNO3、1mol·L-1HCl、1mol·L-1NaOH、0.1mol·L-1BaCl2、0.01mol·L-1KMnO4、蒸馏水。
实验步骤
预期现象和结论
步骤1:
取少量固体于试管中,加蒸馏水溶解。
【答案】
1.
(1)2Fe2++Cl2=2Fe3++2Cl-2I-+Cl2=I2+2Cl-
(2)①假设2:
I-还原性强于Fe2+
实验步骤
预期现象与结论
步骤1:
取2mLFeSO4溶液和2mLKI溶液混合于试管中,再滴加几滴氯水。
溶液变成黄色,推测有Fe3+或I2生成。
步骤2:
向试管中继续滴加几滴20%KSCN溶液。
若溶液变血红色,则假设1成立;
若溶液不变血红色,则假设2成立。
或:
实验步骤
预期现象与结论
步骤1:
取2mLFeSO4溶液和2mLKI溶液混合于试管中,再滴加几滴氯水。
溶液变成黄色,推测有Fe3+或I2生成。
步骤2:
向试管中继续滴加几滴淀粉溶液。
若溶液变蓝色,则假设2成立;
若溶液不变蓝色,则假设1成立。
2.
(1)2Fe3++SO2+2H2O=2Fe2++4H++SO42-
(2)ACD;BE
(3)假设1:
只存在Fe3+;
假设2:
即不存在Fe3+,也不存在H2SO3;
假设3:
只存在H2SO3。
(4)
实验步骤
预期现象和结论
步骤1:
取少量溶液于试管A中,滴加1~2滴20%KSCN溶液。
(1)若溶液变血红色,则假设1成立;
(2)若溶液不变血红色,则假设2或3成立。
步骤2:
另取少量溶液于试管B中,滴加1~2滴品红溶液。
(1)若溶液红色褪去,则假设3成立;
(2)若溶液呈红色,结合步骤2中的
(2),则假设2成立。
3.
(1)假设2:
固体产物的成分为K2CO3和FeO;
假设3:
固体产物的成分为K2CO3、Fe和FeO。
(2)取适量固体产物于试管中,加入足量蒸馏水,充分振荡使K2CO3溶解。
过滤,用蒸馏水充分洗涤不溶固体。
(3)
实验步骤
预期现象与结论
步骤1:
向试管中加入适量硫酸铜溶液,再加入少量不溶固体,充分振荡。
(1)若蓝色溶液颜色及加入的不溶固体无明显变化,则假设2成立。
(2)若蓝色溶液颜色明显改变,且有暗红色固体生成,假设1或3成立。
步骤2:
过滤,用蒸馏水充分洗涤固体至洗涤液无色。
取少量固体于试管中,滴加过量1.0mol·L-1HCl溶液,静置,取上层清液,滴加适量3%H2O2溶液,充分振荡后滴加几滴20%KSCN溶液。
结合步骤1中的
(2):
(1)若溶液呈血红色,则假设3成立。
(2)若溶液不呈血红色,则假设1成立。
4.
(1)S↓
实验编号
T/K
c(Na2S2O3)/mol·L-1
c(H2SO4)
/mol·L-1
实验目的
①
298
0.1
0.1
实验①和②探究温度对该反应速率的影响;实验①、③和④探究反应物浓度对该反应速率的影响。
②
308
0.1
0.1
③
298
0.2
0.1
④
298
0.1
0.2
(2)Na2S2O3+4Cl2+5H2O=Na2SO4+8HCl+H2SO4
(3)
实验步骤
预期现象和结论
步骤1:
取少量固体于试管中,加蒸馏水溶解。
步骤2:
向试管中加入过量1mol·L-1HCl溶液。
充分振荡,静置。
有淡黄色沉淀生成。
步骤3:
取上层清液于另一试管中,滴加少量0.1mol·L-1HClBaCl2溶液。
有白色沉淀生成,证明固体中混有Na2SO4。