广东省高考化学二轮复习专题学案专题17 实验方案设计实验探究原理分析.docx

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广东省高考化学二轮复习专题学案专题17实验方案设计实验探究原理分析

化学实验方案设计、实验探究原理分析

【考纲要求】考试大纲提到“化学实验是科学探究过程中的一种重要方法；能对常见的物质进行检验、分离和提纯；能根据实验试题要求设计、评价或改进实验方案；了解控制实验条件的方法…”。

2015年（广东卷）理科综合考试大纲说明中5道实验综合题中有2题示例涉及实验方案设计和探究：

28题选择是2014年广东高考理综化学33题，探究的是H2O2浓度对H2O2分解反应速率的影响，要求设计合理方案并拟定实验表格完整体现实验方案；29题对反应所得气体和固体产物进行实验和探究。

历年高考表明实验方案设计部分得分率普遍偏低，反映出学生审题不清，心态混乱，基础知识应用能力不足，没有透彻理解实验设计和控制变量的思想，思维混乱，方案设计不严谨，表述能力欠缺等。

【知识点拨】一、化学实验设计的基本要求

⑴科学性：

所谓科学性是指实验原理、实验操作程序和方法必须正确。

例如，在操作程序的设计上，应取少量固体先溶解，然后再取少量配成的溶液并再加入试剂，而不能将样品全部溶解或在溶解后的全部溶液中加入试剂。

⑵安全性：

实验设计时应尽量避免使用有毒药品和进行具有一定危险性的实验操作。

⑶可行性：

实验设计应切实可行，所选用的化学药品、仪器、设备和方法等在中学现有的实验条件下能够得到满足。

⑷简约性：

实验设计应尽可能简单易行，应采用简单的实验装置，用较少的实验步骤和实验药品，并能在较短的时间内完成实验。

⑸经济性：

在能达到实验目的的前提下尽量选用常见、容易得到的、低价格的仪器和药品。

二、化学实验方案设计的基本思路

⑴明确目的原理：

首先必须认真审题，明确实验的目的要求，弄清题目有哪些新的信息，综合已学过的知识，通过类比、迁移、分析，从而明确实验原理。

⑵选择仪器药品：

根据实验的目的和原理以及反应物和生成物的性质、反应条件，如反应物和生成物的状态、能否腐蚀仪器和橡皮、反应是否加热及温度是否控制在一定范围等，从而选择合理的化学仪器和药品。

试题一般限定实验仪器药品，审题一定要细心。

⑶设计装置步骤：

根据上述实验目的和原理，以及所选用的实验仪器和药品，设计出合理的实验装置和实验操作步骤，学生应具备识别和绘制典型的实验仪器装置图的能力，实验步骤应完整而又简明。

⑷记录现象数据：

认真观察实验现象，全面准确地记录实验过程中的现象和数据。

⑸分析得出结论：

根据实验中观察到的现象和记录的数据，通过分析、计算、图表、推理，得出正确的结论。

此外，如有必要还要设计对照实验组：

空白对照：

对照组不作任何处理。

条件对照：

给对照组所作的处理与实验组相同，但不是所要研究的处理。

相互对照：

不单设对照组，而是几个实验组相互对照。

前后对照：

观察记录实验材料在实验前后的变化情况。

化学实验方案设计试题主要的类型如下：

一、化学反应原理方案设计

【例1】（2015广东理综33.）H2O2是一种绿色氧化还原试剂，在化学研究中应用广泛。

（1）某小组拟在同浓度Fe3+的催化下，探究H2O2浓度对H2O2分解反应速率的影响。

限选试剂与仪器：

30%H2O2、0.1mol∙L-1Fe2（SO4）3、蒸馏水、锥形瓶、双孔塞、水槽、胶管、玻璃导管、量筒、秒表、恒温水浴槽、注射器

②设计实验方案：

在不同H2O2浓度下，测定____________________________________（要求所测得的数据能直接体现反应速率大小）。

④参照下表格式，拟定实验表格，完整体现实验方案（列出所选试剂体积、需记录的待测物理量和所拟定的数据；数据用字母表示）。

实验序号

物理量

V[0.1mol∙L-1Fe2（SO4）3]/mL

……

1

a

……

2

a

……

【解析】本题首先要求学生完成相应的反应原理即H2O2的分解反应，根据所涉及的物质设计合理的测定方案。

②不少同学刻板理解反应速率，认为只有单位时间物质浓度变化才能体现反应速率或审题不清，没有看到“所测得的数据能直接体现反应速率大小”，缺乏控制变量的思想，直接测定H2O2浓度变化或测量气体体积或H2O2分解所需的时间…④由于方案设计错误，导致连带错误，表格物理量和设计数据不符和变量控制的要求。

根据实验要求，应该控制硫酸铁浓度和混合总体积不变（通过蒸馏水体积调节），时间（或O2体积）相同，变量为H2O2浓度，应变量为O2体积（或时间），据此可知另需补充四个变量：

H2O2浓度、蒸馏水体积、时间、O2体积，设计合理数据即可。

（1）②收集相同体积的氧气所需时间或者相同时间所收集氧气的体积

④

物理量

实验序号

V[0.1mol·L-1

Fe2（SO4）3]/mL

V[H2O2]

/mL

V[H2O]

/mL

V[O2]/mL

时间/s

1

a

b

c

e

d

2

a

c

b

e

f

或

物理量

实验序号

V[0.1mol·L-1

Fe2（SO4）3]/mL

V[H2O2]

/mL

V[H2O]

/mL

时间/s

V[O2]/mL

1

a

b

c

e

d

2

a

c

b

e

f

此外如2014年广州模拟《学习与评价》P216，4—3

【强化训练1】某探究小组两位同学用KMnO4酸性溶液与H2C2O4溶液反应过程中溶液紫色消失的方法，分别进行实验研究影响反应速率的因素。

Ⅰ．甲同学探究温度和浓度对化学反应速率的影响。

（1）该反应的离子方程式为（提示：

H2C2O4的一级电离常数为5.4×10－2）

__________________________________________________________________。

（2）拟定实验表格，完整体现实验方案。

（表格列数自定；列出所用试剂的用量、待测物理量和拟定的数据；数据可用字母a、b、c、d等表示）

限选试剂与用品：

0.05mol/LKMnO4溶液、3mol/L稀硫酸、0.6mol/LH2C2O4溶液、蒸馏水、量筒、烧杯、试管、酒精灯、水浴装置、秒表

物理量

实验序号

V（0.05mol/LKMnO4溶液）/mL

……

实验目的：

实验1和2探究温度对反应速率的影响；实验1和3探究反应物浓度增大到原来的2倍后对反应速率的影响

实验1

a

……

实验2

a

……

实验3

a

……

【例2】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0.1mol·L－1的溶液100mL；

②用pH试纸测出该溶液的pH，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=1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。

（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。

。

【解析】本题是证明某酸HA是否是弱电解质的实验设计方案的评价。

证明HA是否弱电解质，关键在于要了解弱电解质存在电离平衡。

弱电解质加水稀释后pH变化程度小、与Zn反应的速率快［因为稀释过程中弱电解质的电离平衡发生了移动，c（H+）减小程度反而比相同情况下强电解质小］。

对照此，就可对甲、乙两个方案加以评价。

甲方案直接测定HA溶液的pH，若测定溶液的pH大于1，则可证明HA是弱电解质。

乙方案是用间接的比较法，用相同浓度（0.1mol·L－1）相同体积（10mL）分别稀释相同的倍数（都稀释到100mL），分别与纯度相同的锌粒反应，观察放出H2速率的快慢：

若装HA溶液的试管中放出H2的速率快，则可证明HA为弱电解质。

要评价乙方案中难以实现之处和不妥之处，关键要对HA的溶解性有所了解，pH=1的溶液能否配制？

题述中锌粒仅是纯度相同，实际上反应速率与固体表面积的大小也有关。

想到此，难实现之处和不妥之处就明朗了。

第（4）小问要再提出一个合理而比较容易进行的方案，实际上是一个开放性的命题。

证明一种物质是否是弱电解质，当然可根据上述两同学的思路进行，还可以用测定其强碱盐溶液的pH和比较溶液的导电能力等加以说明。

答案

（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的溶液，测其pH值＞7，即证明HA是弱电解质。

【强化训练2】（2014安徽理综）某研究小组为探究弱酸性条件下铁发生电化学腐蚀类型的影响因素，将混合均匀的新制铁粉和碳粉置于锥形瓶底部，塞上瓶塞（如图1）。

从胶头滴管中滴入几滴醋酸溶液，同时测量容器中的压强变化。

（1）请完成以下实验设计表（表中不要留空格）:

编号

实验目的

碳粉/g

铁粉/g

醋酸/%

①

为以下实验作参照

0.5

2.0

90.0

②

醋酸浓度的影响

0.5

36.0

③

0.2

2.0

90.0

（2）编号①实验测得容器中压强随时间变化如图2。

t2时，容器中压强明显小于起始压强，其原因是铁发生了腐蚀。

请在图3中用箭头标出发生该腐蚀时电子流动方向；此时,碳粉表面发生了　　（“氧化”或“还原”）反应，其电极反应式是　。

（3）该小组对图2中0~t1时压强变大的原因提出了如下假设,请你完成假设二:

假设一:

发生析氢腐蚀产生了气体；

假设二:

　　　　　　　　　　　；……

（4）为验证假设一,某同学设计了检验收集的气体中是否含有H2的方案。

请你再设计一个实验方案验证假设一,写出实验步骤和结论。

实验步骤和结论（不要求写具体操作过程）:

二、物质性质检验实验设计

例3、为了检验Pb（NO3）2热分解的产物，有人用示意图中的装置进行实验。

（图中铁架台、铁夹和加热设备均略去）

实验时在试管中放入研细的Pb（NO3）2晶体；实验结束后，试管中得到黄色粉末（PbO），U型管下部有少量液体X，集气瓶中收集到无色气体Y。

（如图）

（1）液体X可能是；气体Y可能是；

（2）请设计实验证实

（1）中的判断：

①对X的判断；

②对Y的判断。

【解析】解此题的两个关键知识点是：

①硝酸盐分解规律，活泼金属硝酸盐分解生成亚硝酸盐和氧气，较活泼金属如Pb（NO3）2等，一般分解为金属氧化物、NO2、O2，硝酸银等不活泼金属硝酸盐受热分解为金属单质、NO2、O2；②2NO2

N2O4。

由此可知X为N2O4，Y为O2。

（2）设计应该包括如何取样、实验方法、现象、结论等。

①在通风橱中取下U型管放置，观察到U型管中液体迅速消失，管中充满红棕色气体，证明X是液态N2O4。

（其他合理答案同样给分）

②在水槽中，用玻璃片盖住集气瓶口，按住玻璃片，小心把集气瓶移出水面，正放在桌上，用带火星的木条插入瓶口，木条迅速燃烧，证明Y是O2。

【强化训练3】氢化钙固体登山运动员常用的能源提供剂。

某兴趣小组制备氢化钙后，同学取少量产物，小心加入水中，观察到有气泡冒出，溶液中加入酚酞后显红色，该同学据此断，上述实验确有CaH2生成。

①写出CaH2与水反应的化学方程式_________________________________；

②该同学的判断是否正确，原因是___________________________；

③请你设计一个实验，用化学方法区分钙与氢化钙，写出实验简要步骤及观察到的现象______________________________________；

④登山运动员常用氢化钙作为能源提供剂，与氢气相比，其优点是______________________________________________。

【强化训练4】（2011·北京卷）甲、乙两同学为探究SO2与可溶性钡的强酸盐能否反应生成白色BaSO3沉淀，用下图所示装置进行实验（夹持装置和A中加热装置已略，气密性已检验）。

实验操作和现象：

操作

现象

关闭弹簧夹，滴加一定量浓硫酸，加热

A中有白雾生成，铜片表面产生气泡

B中有气泡冒出，产生大量白色沉淀

C中产生白色沉淀，液面上方略显浅棕色并逐渐消失

打开弹簧夹，通入N2，停止加热，一段时间后关闭

从B、C中分别取少量白色沉淀，加稀盐酸

均未发现白色沉淀溶解

（1）A中反应的化学方程式是_____________________________________________。

（2）C中白色沉淀是__________，该沉淀的生成表明SO2具有__________性。

（3）C中液面上方生成浅棕色气体的化学方程式是________________________。

（4）分析B中不溶于稀盐酸的沉淀产生的原因，甲认为是空气参与反应，乙认为是白雾参与反应。

①为证实各自的观点，在原实验基础上：

甲在原有操作之前增加一步操作，该操作是_______________；

乙在A、B间增加洗气瓶D，D中盛放的试剂是__________。

②进行实验，B中现象：

甲

大量白色沉淀

乙

少量白色沉淀

检验白色沉淀，发现均不溶于稀盐酸。

结合离子方程式解释实验现象异同的原因：

__________________________________________________________________________。

（5）合并（4）中两同学的方案进行实验。

B中无沉淀生成，而C中产生白色沉淀，由此得出的结论是____________________________________________________________。

三、物质成分检验实验设计

例4（2011·广东卷）某同学进行实验研究时，欲配制1.0mol·L－1Ba（OH）2溶液，但只找到在空气中暴露已久的Ba（OH）2·8H2O试剂（化学式量：

315）。

在室温下配制溶液时发现所取试剂在水中仅部分溶解，烧杯中存在大量未溶物。

为探究其原因，该同学查得Ba（OH）2·8H2O在283K、293K和303K时的溶解度（g/100gH2O）分别为2.5、3.9和5.6。

（1）烧杯中未溶物可能仅为BaCO3，理由是______________________________________。

（2）假设试剂由大量Ba（OH）2·8H2O和少量BaCO3组成。

设计实验方案，进行成分检验。

写出实验步骤、预期现象和结论。

（不考虑结晶水的检验；室温时BaCO3饱和溶液pH＝9.6）

限选试剂及仪器：

稀盐酸、稀硫酸、NaOH溶液、澄清石灰水、pH计、烧杯、试管、带塞导气管、滴管。

实验步骤

预期现象和结论

步骤1：

取适量试剂于洁净烧杯中，加入足量蒸馏水，充分搅拌，静置，过滤，得滤液和沉淀。

步骤2：

取适量滤液于试管中，滴加稀硫酸。

步骤3：

取适量步骤1中的沉淀于试管中，。

步骤4：

【解析】

（1）Ba（OH）2属于强碱，易吸收空气中的水蒸气和CO2形成难溶的BaCO3沉淀，因此长时间暴露在空气中时Ba（OH）2就有可能转化为BaCO3。

（2）Ba（OH）2易溶于水，所以滤液中含有Ba2+，因此滴加稀硫酸使会产生白色沉淀BaSO4；要想验证沉淀为BaCO3，可以利用其能与酸反应产生能使澄清石灰水变浑浊的CO2气体；为进一步证明试剂是是否还有Ba（OH）2·8H2O，可以取步骤1中的滤液，用pH计测其pH值，若pH＞9.6，即证明滤液不是纯BaCO3溶液，即证明是由大量Ba（OH）2·8H2O和少量BaCO3组成，假设成立。

又如学习与评价》4—2，7，8，12，13，14，15

例5．某同学对课本实验结论：

“葡萄糖与新制氢氧化铜共热生成红色的Cu2O沉淀”提出质疑，认为红色沉淀不一定就是氧化亚铜。

为了确定红色沉淀的成分，开展了研究。

第一步提出猜想：

红色物质可能是Cu或Cu2O

第二步查阅资料：

①Cu2O属于碱性氧化物；②Cu+在酸性条件下能发生自身氧化还原反应，产生Cu和Cu2＋；③在空气中灼烧Cu2O能生成CuO。

第三步制备红色沉淀：

①制备氢氧化铜悬浊液②氢氧化铜悬浊液与葡萄糖共热。

③过滤、洗涤、低温烘干得红色粉末。

第四步红色沉淀探究：

该同学设计了三种方案如下。

方案Ⅰ：

取该红色粉末溶于足量稀硝酸中，观察溶液颜色变化。

方案Ⅱ：

取该红色粉末溶于足量稀硫酸中，观察是否有残渣。

方案Ⅲ：

称得干燥坩埚ag，取红色粉末置于坩埚中再称得质量为bg，在空气中充分灼烧至完全变黑，并在干燥器中冷却，再称量，反复多次直到质量不变，称得最后质量为cg，比较a、b、c的关系。

试回答下列问题：

（1）请你评价方案Ⅰ和方案Ⅱ。

如果你认为该方案合理，请简述其原理，如果你认为该方案不合理，请简述原因。

                                                    。

（2）方案Ⅲ中，如果a、b、c的关系符合c=             可确认红色粉末是Cu2O。

【解析】资料中提供的信息，Cu2O+2H＋＝Cu+Cu2＋+H2O  2Cu2O+O2

4CuO。

方案Ⅰ：

稀硝酸有氧化性，Cu与硝酸反应的产物是硝酸铜，溶液呈蓝色；Cu2O在稀硝酸中，首先

发生反应Cu2O+2H＋===Cu+Cu2＋+H2O，产物中的铜还要被硝酸溶解，最终产物也是硝酸铜，

溶液也呈蓝色；无法确定红色固体是Cu还是Cu2O。

方案Ⅱ：

Cu与稀硫酸不反应，Cu2O与

稀硫酸反应Cu2O+2H＋==Cu+Cu2＋+H2O，但产物中仍有固体铜，都有残渣，也无法确定红

色固体是Cu还是Cu2O。

物质的成分探究方案，应充分考虑到不同物质的性质差异，通过反应中质量的变化来确定物质的存在，这是一种通过定量分析法确定是何种物质的重要手段。

方案Ⅲ：

若红色固体为氧化亚铜，则有

c=（10b－a）g 这就是说，当c=（10b－a）g，可确认红色粉末是Cu2O。

答案：

（1）方案Ⅰ不合理，铜和氧化亚铜都能和硝酸生成Cu2+；方案Ⅱ不合理，Cu+在酸性条件下能发生自身氧化还原反应，也生成了铜单质。

（2）c=（10b-a）

【强化训练5】（2014江苏）（4）已知：

5SO

＋2IO

＋2H＋===I2＋5SO

＋H2O

某含碘废水（pH约为8）中一定存在I2，可能存在I－、IO

中的一种或两种。

请补充完整检验含碘废水中是否含有I－、IO

的实验方案：

取适量含碘废水用CCl4多次萃取、分液，直到水层用淀粉溶液检验不出有碘单质存在；___________________________________________

________________________________________________________________________。

实验中可供选择的试剂：

稀盐酸、淀粉溶液、FeCl3溶液、Na2SO3溶液。

【强化训练6】（2014·山东卷）工业上常利用含硫废水生产Na2S2O3·5H2O，实验室制得的Na2S2O3·5H2O可能含有Na2SO3、Na2SO4等杂质。

利用所给试剂设计实验，检测产品中是否存在Na2SO4，简要说明实验操作、现象和结论：

_______________________________。

已知Na2S2O3·5H2O遇酸易分解：

S2O

＋2H＋===S↓＋SO2↑＋H2O

供选择的试剂：

稀盐酸、稀硫酸、稀硝酸、BaCl2溶液、AgNO3溶液。

【强化训练7】（2011·浙江卷）（4）对含Fe2+较多的食盐（假设不含Fe3+），可选用KI作为加碘剂。

请设计实验方案，检验该加碘盐中的Fe2+：

________________。

【强化训练8】[2014·福建卷]焦亚硫酸钠（Na2S2O5）是常用的食品抗氧化剂之一。

实验室制取反应为：

Na2SO3＋SO2===Na2S2O5。

已知Na2S2O5溶于水即生成NaHSO3。

（5）检测Na2S2O5晶体在空气中已被氧化的实验方案是

________________________________________________________________________。

四、探究型实验方案设计

例6．（2011·安徽卷）地下水中硝酸盐造成的氮污染已成为一个世界性的环境问题。

文献报道某课题组模拟地下水脱氮过程，利用Fe粉和KNO3溶液反应，探究脱氮原理及相关因素对脱氮速率的影响。

（1）实验前：

①先用0.1mol·L－1H2SO4洗涤Fe粉，其目的是_______，然后用蒸馏水洗涤至中性；②将KNO3溶液的pH调至2.5；③为防止空气中的O2对脱氮的影响，应向KNO3溶液中通入______（写化学式）。

（2）下图表示足量Fe粉还原上述KNO3溶液过程中，测出的溶液中相关离子浓度、pH随时间的变化关系（部分副反应产物曲线略去）。

请根据图中信息写出t1时刻前该反应的离子方程式。

t1时刻后，该反应仍在进行，溶液中NH4+的浓度在增大，Fe2+的浓度却没有增大，可能的原因是。

（3）该课题组对影响脱氮速率的因素提出了如下假设，请你完成假设二和假设三：

假设一：

溶液的pH；假设二：

____________；假设二：

____________；……

（4）请你设计实验验证上述假设一，写出实验步骤及结论。

（已知：

溶液中的NO浓度可用离子色谱仪测定）

实验步骤及结论：

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　。

【解析】

（1）因为铁易生锈，即铁表面会有铁的氧化物等杂质，所以要用硫酸除去铁表面的氧化物等杂质；氧气具有强氧化性，会氧化生成的Fe2+，为防止该反应的发生必需通入一种保护原性气体且不能引入杂质，因此可以选用氮气；

（2）由图像可知反应的产物有Fe2+、NH4+和NO气体，所以该反应的离子方程式是：

4Fe＋10H+＋NO3－═4Fe2+＋NH4+＋3H2O；t1时刻后，随着反应的进行，溶液中pH逐渐增大，当pH达到一定程度时就会和反应产生的Fe2+结合，因此其浓度没有增大；

（3）影响反应速率的外界因素比较多，例如温度、浓度、溶液多酸碱性、固体多表面积等等；

（4）要验证假设一，需要固定其他条件不变，例如硝酸的浓度、反应的温度、铁的表面积都必须保持一致，然后在相同时间内测量溶液中NO3－的浓度（依据提示：

溶液中的NO3－浓度可用离子色谱仪测定）来判断pH不同时对脱氮对反应速率有没有影响。

答案：

（1）除去铁粉表面的氧化物等杂质　N2

（2）4Fe＋10H+＋NO3－＝4Fe2+＋NH4+＋3H2O；生成的Fe2+水解（或和OH－的结合）

（3）温度　铁粉颗粒大小

（4）实验步骤及结论：

①分别取等体积、等浓度的KNO3溶液于不同的试管中；②调节溶液呈酸性且pH各不相同，并通入氮气；③分别向上述溶液中加入足量等质量的同种铁粉；④用离子色谱仪测定相同反应时间时各溶液中NO3－的浓度。

若pH不同KNO3溶液中，测出的NO3－浓度不