高考化学考点解读 命题热点突破专题13 实验方案的设计与评价.docx
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高考化学考点解读命题热点突破专题13实验方案的设计与评价
专题13实验方案的设计与评价
【考向解读】
1．了解化学实验是科学探究过程中的一种重要方法。
2．能根据实验试题要求，做到：
（1）设计、评价或改进实验方案；
（2）了解控制实验条件的方法；（3）分析或处理实验数据，得出合理结论；（4）绘制和识别典型的实验仪器装置图。
3．各部分实验基础知识与技能的综合应用。
【命题热点突破一】化学实验方案的设计与探究
1．实验方案的设计
（1）基本要求
（2）基本步骤
①认真审题，明确实验目的，确定实验原理。
②根据实验原理选择仪器和药品，并设计出合理的实验装置和操作步骤。
③准确地记录实验过程中的现象和数据，并运用分析、计算、图表、推理等方法处理有关实验现象和数据，得出正确的结论。
2．实验方案的评价
（1）评价原则
①实验原理科学合理；②操作和装置简单可行；
③符合绿色化学理念；④药品和操作安全可靠。
（2）评价类型
①评价实验原理；②评价实验方案；
③评价药品和仪器；④评价实验现象和结论。
3．探究型实验的基本程序
解答探究型实验题的基本程序可用以下流程图表示：
（1）提出问题
要提出问题，首先得发现问题，对题给信息进行对比、质疑，通过思考提出值得探究的问题。
此外，实验中出现的特殊现象也是发现问题、提出问题的重要契机。
（2）提出猜想
所谓猜想就是根据已有知识对问题的解决提出的几种可能的情况。
有一些问题，结论有多种可能（这就是猜想），只能通过实验进行验证。
（3）设计验证方案
提出猜想后，就要结合题给条件，设计出科学、合理、安全的实验方案，对可能的情况进行探究。
实验设计中，关键点是对试剂的选择和实验条件的调控。
（4）观察实验现象，得出结论
根据设计的实验方案，根据实验现象进行推理分析或计算分析得出结论。
例1．（2016·北京，27，12分）以废旧铅酸电池中的含铅废料（Pb、PbO、PbO2、PbSO4及炭黑等）和H2SO4为原料，制备高纯PbO，实现铅的再生利用。
其工作流程如下：
（1）过程Ⅰ中，在Fe2＋催化下，Pb和PbO2反应生成PbSO4的化学方程式是____________________________________________________________________。
（2）过程Ⅰ中，Fe2＋催化过程可表示为：
i：
2Fe2＋＋PbO2＋4H＋＋SO
===2Fe3＋＋PbSO4＋2H2O
ii:
……
①写出ii的离子方程式：
_______________________________________________。
②下列实验方案可证实上述催化过程。
将实验方案补充完整。
a．向酸化的FeSO4溶液中加入KSCN溶液，溶液几乎无色，再加入少量PbO2，溶液变红。
b．___________________________________________________________________。
（3）PbO溶解在NaOH溶液中，存在平衡：
PbO（s）＋NaOH（aq）
NaHPbO2（aq），其溶解度曲线如图所示。
①过程Ⅱ的目的是脱硫。
滤液1经处理后可在过程Ⅱ中重复使用，其目的是________（选填序号）。
A．减少PbO的损失，提高产品的产率
B．重复利用NaOH，提高原料的利用率
C．增加Na2SO4浓度，提高脱硫效率
②过程Ⅲ的目的是提纯。
结合上述溶解度曲线，简述过程Ⅲ的操作________________________________________________________________________。
【答案】
（1）Pb＋PbO2＋2H2SO4
2PbSO4＋2H2O
（2）①2Fe3＋＋Pb＋SO
===PbSO4＋2Fe2＋ ②b.取a中红色溶液，向其中加入铅粉后，红色褪去 （3）①AB ②向PbO粗品中加入一定量的35%NaOH溶液，加热至110℃，充分溶解后，趁热过滤，冷却结晶，过滤得到PbO固体
【变式探究】Fe2O3熔点为1565℃，其红棕色粉末为一种低级颜料，工业上称为“铁红”，用于油漆、油墨、橡胶等工业中，也可作催化剂和玻璃、宝石、金属的抛光剂等。
某同学以碳酸亚铁为原料，设计3种方案制备高纯度的Fe2O3。
方案1：
碳酸亚铁
Fe2O3；
方案2：
碳酸亚铁
溶液
沉淀
Fe2O3；
方案3：
碳酸亚铁
溶液
溶液
沉淀
Fe2O3。
根据上述方案，回答下列问题：
（1）为了验证方案1，甲同学设计了下列实验。
①请你完成下列实验设计：
实验步骤
实验操作及现象
Ⅰ
____________________
Ⅱ
取少量实验步骤Ⅰ所得固体置于一洁净的试管中，用足量的________溶解
Ⅲ
向实验步骤Ⅱ所得溶液中滴加KSCN溶液，溶液变红色
②由此甲同学得出结论：
4FeCO3＋O2
2Fe2O3＋4CO2，乙同学分析上述实验步骤，认为甲同学的实验结论不严密，他的理由是______________________________________
________________________________________________________________________。
请帮他选择试剂进行进一步探究：
取灼烧后的固体溶于稀硫酸，滴加________（填字母），观察现象。
A．氯水B．氯水和KSCN溶液
C．酸性高锰酸钾溶液D．K3[Fe（CN）6]溶液
（2）方案2中得到的沉淀的化学式为________和________；方案2得到的Fe2O3中可能含有的杂质是________________（填化学式）。
（3）用离子方程式表示方案3中加入双氧水的目的：
________________；还可以用NaClO、NaNO3或Cl2等替代双氧水，氧化等量的FeSO4，分别需要H2O2、NaClO、NaNO3和Cl2的物质的量之比为________________。
（4）综合分析上述方案可知，以碳酸亚铁为原料制备高纯度的Fe2O3，最佳方案是方案________________（填序号）。
（4）由上述分析可知，方案3制得的Fe2O3纯度最高。
【答案】
（1）①称取一定质量的碳酸亚铁固体置于坩埚中，高温灼烧至质量不再变化，冷却至室温 稀硫酸（或稀盐酸） ②若灼烧产物为Fe3O4，溶于稀硫酸（或稀盐酸）也能生成Fe3＋，滴入KSCN溶液，溶液也能变红色 CD
（2）Fe（OH）2 Fe（OH）3 FeO、Fe3O4 （3）2Fe2＋＋H2O2＋2H＋===2Fe3＋＋2H2O 3∶3∶2∶3 （4）3
【变式探究】
二氧化硫是重要的工业原料，探究其制备方法和性质具有非常重要的意义，请回答下列问题。
（1）某学习小组实验室中用图甲装置测定SO2被催化氧化为SO3的转化率。
（已知SO3熔点为16.8℃，假设气体进入装置时分别被完全吸收，且忽略空气中CO2的影响）
①实验过程中，需要通入氧气。
试写出一个用图乙所示装置制取氧气的化学方程式：
________________________________________________________________________。
②当停止通入SO2，熄灭酒精灯后，需要继续通一段时间的氧气，其目的是________________________________________________________________________。
③实验结束后，若装置D增加的质量为mg，装置E中产生白色沉淀的质量为ng，则此条件下SO2的转化率是________________（用含字母的代数式表示，不用化简）。
（2）该学习小组设计图丙所示装置验证二氧化硫的化学性质。
图丙
①能说明二氧化硫具有氧化性的实验现象为________________________。
②为验证二氧化硫的还原性，充分反应后取试管b中的溶液分成三份，分别进行如下实验：
方案Ⅰ：
向第一份溶液中加入AgNO3溶液，有白色沉淀生成；
方案Ⅱ：
向第二份溶液加入品红溶液，红色褪去；
方案Ⅲ：
向第三份溶液加入BaCl2溶液，产生白色沉淀。
上述方案中合理的是________（填“Ⅰ”、“Ⅱ”或“Ⅲ”）；试管b中发生反应的离子方程式是________________________________________________________________________。
【答案】
（1）①2KMnO4
K2MnO4＋MnO2＋O2↑（或2KClO3
2KCl＋3O2↑） ②使残留在装置中的二氧化硫和三氧化硫被充分吸收 ③
×100%
（2）①a试管中有淡黄色沉淀生成 ②Ⅲ Cl2＋SO2＋2H2O===4H＋＋2Cl－＋SO
【方法技巧】探究型实验题解题模板
一、弄清探究类实验题的模式
提出问题―→进行假设或猜想―→设计实验―→验证假设―→得出结论―→反思与拓展
二、找出实验探究的目的，是探究未知产物的成分还是探究物质的性质
通过化学反应原理猜测可能生成哪些物质，对这些物质逐一进行检验来确定反应产物：
（1）在探究过程中往往可以利用对比实验，即设置几组平行实验来进行对照和比较，从而研究和揭示某种规律，解释某种现象形成的原因或证明某种反应机理。
（2）无机物、有机物性质的探究，必须在牢牢掌握元素化合物及典型有机反应等知识的基础上，大胆猜想，细心论证
三、结合题目信息及物质的性质回答问题
首先要加工、分析题给信息（包括明确的和隐含的信息），搞清实验目的；在分析问题的基础上，有针对地提出尽可能多的合理的假设（假设是制定研究方案的基础）。
在假设的基础上，合理应用知识与技能制定探究方案、开展研究并进行观察与记录，最终得出结论。
设计探究方案时应注意干扰因素的排除，如用澄清石灰水检验CO2时应先排除SO2存在的干扰
【命题热点突破二】定量测定型实验题
1．测定实验中要有“数据”的采集处理意识
实验数据的采集是化学计算的基础，一般来讲，固体试剂称质量，而液体试剂和气体试剂则测量体积。
（1）称量固体质量时，中学一般用托盘天平，可估读到0.1g，精确度要求高的实验中可以用分析天平或电子天平，可精确到0.0001g。
（2）测量液体体积时，一般实验中选用适当规格的量筒，可估读到0.1mL，准确度要求高的定量实验如中和滴定中选用滴定管（酸式或碱式），可估读到0.01mL。
容量瓶作为精密的定容仪器，用于配制一定物质的量浓度的溶液，一般不用于量取液体的体积。
（3）气体除了量取外，还可以称量。
称气体的质量时一般有两种方法：
一种方法是称反应装置在放出气体前后的质量减小值；另一种方法是称吸收装置前后的质量增大值。
2．气体体积的测量
（1）量气装置的改进
（2）量气时应注意的问题
①量气时应保持装置处于室温状态。
②读数时要特别注意消除“压强差”，保持液面相平还要注意视线与液面最低处相平。
如上图（Ⅰ）（Ⅳ）应使左侧和右侧的液面高度保持相平。
例2．（2016·浙江，29，15分）无水MgBr2可用作催化剂，实验室采用镁屑与液溴为原料制备无水MgBr2，装置如图1，主要步骤如下：
步骤1 三颈瓶中装入10g镁屑和150mL无水乙醚；装置B中加入15mL液溴。
步骤2 缓慢通入干燥的氮气，直至溴完全导入三颈瓶中。
步骤3 反应完毕后恢复至常温，过滤，滤液转移至另一干燥的烧瓶中，冷却至0℃，析出晶体，再过滤得三乙醚合溴化镁粗品。
步骤4 室温下用苯溶解粗品，冷却至0℃，析出晶体，过滤、洗涤得三乙醚合溴化镁，加热至160℃分解得无水MgBr2产品。
已知：
①Mg与Br2反应剧烈放热；MgBr2具有强吸水性。
②MgBr2＋3C2H5OC2H5
MgBr2·3C2H5OC2H5
请回答：
（1）仪器A的名称是________。
实验中不能用干燥空气代替干燥N2，原因是_____________________________________________________________________。
（2）如将装置B改为装置C（图2），可能会导致的后果是_______________________。
（3）步骤3中，第一次过滤除去的物质是________。
（4）有关步骤4的说法，正确的是________。
A．可用95%的乙醇代替苯溶解粗品
B．洗涤晶体可选用0℃的苯
C．加热至160℃的主要目的是除去苯
D．该步骤的目的是除去乙醚和可能残留的溴
（5）为测定产品的纯度，可用EDTA（简写为Y4－）标准溶液滴定，反应的离子方程式：
Mg2＋＋Y4－===MgY2－。
①滴定前润洗滴定管的操作方法是____________________________________。
②测定时，先称取0.2500g无水MgBr2产品，溶解后，用0.0500mol·L－1的EDTA标准溶液滴定至终点，消耗EDTA标准溶液26.50mL，则测得无水MgBr2产品的纯度是________（以质量分数表示）。
【答案】
（1）干燥管 防止镁屑与氧气反应，生成的MgO阻碍Mg与Br2的反应
（2）会将液溴快速压入三颈瓶，反应过快大量放热而存在安全隐患 （3）镁屑 （4）BD （5）①从滴定管上口加入少量待装液，倾斜着转动滴定管，使液体润湿内壁，然后从下部放出，重复2～3次 ②97.5%
【变式探究】电石的主要成分为CaC2，易与水反应生成C2H2，故乙炔俗称电石气。
某同学设计如下方案，来测定电石中CaC2的纯度（杂质不参加反应）。
实验原理：
CaC2＋2H2O―→Ca（OH）2＋C2H2↑
通过测定生成的气体的体积（标准状况），可确定样品中CaC2的含量。
实验步骤：
①称取样品1.2g。
②把1.2g样品放入气密性良好的气体发生装置，如图所示；
③向样品中滴入水，至不再产生气泡，用量筒排水集气，量筒内液面在360mL处恰与水槽内液面相平；
④作为反应器的烧瓶中有24mL液体。
请回答下列问题：
（1）上述实验所用的玻璃仪器的名称为_________________________________________。
（2）若实验前有1000mL、500mL、250mL的量筒备用，则应选用________mL的量筒。
（3）生成气体体积是________mL，为保证生成气体体积的准确性，读取量筒刻度时应注意的问题是________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
（4）若将C2H2通入KMnO4溶液，KMnO4溶液的紫红色会变浅，化学反应方程式为KMnO4＋C2H2＋H2SO4―→K2SO4＋MnSO4＋CO2↑＋H2O（未配平）。
若上面实验生成的C2H2完全被KMnO4溶液吸收，请计算需0.1mo
l/L的KMnO4溶液________________mL。
（5）通过以上数据计算，可得样品中CaC2的纯度为________________。
【答案】
（1）分液漏斗、烧瓶、量筒、水槽
（2）500
（3）336 使量筒内外液面持平、视线与量筒内液面的最低处相切 （4）300 （5）80%
【变式探究】
资料显示：
镁与饱和碳酸氢钠溶液反应产生大量气体和白色不溶物。
某同学设计了如下实验方案并验证产物、探究反应原理。
（1）提出假设
实验Ⅰ：
用砂纸擦去镁条表面氧化膜，将其放入盛有适量滴有酚酞的饱和碳酸氢钠溶液的试管中，迅速反应，产生大量气泡和白色不溶物，溶液由浅红变红。
该同学对反应中产生的白色不溶物做出如下猜测：
猜测1：
白色不溶物可能为________。
猜测2：
白色不溶物可能为MgCO3。
猜测3：
白色不溶物可能为碱式碳酸镁[xMgCO3·yMg（OH）2]。
（2）设计定性实验确定产物并验证猜测：
实验序号
实验
实验现象
结论
实验Ⅱ
将实验Ⅰ中收集到的气体点燃
能安静燃烧、产生淡蓝色火焰
气体成分为①________
实验Ⅲ
取实验Ⅰ中的白色不溶物，洗涤，加入足量②____
③________
________
白色不溶物可能含有MgCO3
实验Ⅳ
取实验Ⅰ中的澄清液，向其中加入少量CaCl2稀溶液
产生白色沉淀
溶液中存在④________离子
（3）为进一步确定实验Ⅰ的产物，设计定量实验方案，如图所示：
称取实验Ⅰ中所得干燥、纯净的白色不溶物22.6g，充分加热至不再产生气体为止，并使分解产生的气体全部进入装置A和B中。
实验前后装置A增重1.8g，装置B增重8.8g，试确定白色不溶物的化学式___________________________________________________。
（4）请结合化学用语和化学平衡移动原理解释Mg和NaHCO3溶液反应产生大量气泡的原因________________________________________________________________________
________________________________________________________________________
________________________________________________________________________
________________________________________________________________________
________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
【答案】
（1）Mg（OH）2
（2）①氢气 ②稀盐酸（合理均可） ③产生气泡，沉淀全部溶解 ④CO
（3）2MgCO3·Mg（OH）2或Mg（OH）2·2MgCO3或Mg3（OH）2（CO3）2
（4）NaHCO3溶液中存在如下平衡：
HCO
H＋＋CO
、H2O
H＋＋OH－；Mg和H＋反应生成H2和Mg2＋，Mg2＋跟OH－、CO
生成难溶物Mg（OH）2·2MgCO3，则H＋、OH－、CO
的浓度均降低，促使上述两平衡均向右移动。
故Mg和饱和NaHCO3溶液反应产生大量气体H2
【方法技巧】定量型实验题的解题模板
一、巧审题，明确实验目的、原理
实验原理可从题给的化学情境（或题目所给的实验目的）并结合元素化合物的有关知识获取。
在此基础上，依据可靠性、简捷性、安全性的原则，确定符合实验目的、要求的实验方案
二、想过程，理清操作先后顺序
根据由实验原理所确定的实验方案中的实验过程，确定实验操作的方法和步骤，把握各实验步骤的要点，理清实验操作的先后顺序
三、看准图，分析装置或流程作用
若题目中给出装置图，在分析解答过程中，要认真细致地分析图中的各部分装置，并结合实验目的和原理，确定它们在实验中的作用
四、细分析，得出正确的实验结论
在定性实验的基础上研究量的关系，根据实验现象和记录的数据，对实验数据进行筛选，通过分析、计算、推理等确定有关样品含量及化学式
【命题热点突破三】有机化学综合实验
1．有机物的分离、提纯常用方法
（1）洗气法：
如除去气态烷烃中混有的气态烯烃，可通过盛有溴水的洗气瓶；
（2）分液法：
如除去乙酸乙酯中的乙酸和乙醇，用饱和碳酸钠溶液洗涤、静置、分液；
（3）蒸馏法：
乙酸和乙醇的分离，先加固体NaOH，蒸出乙醇，再加稀硫酸，再蒸馏出乙酸。
2．蒸馏装置
例3．环己酮是一种重要的化工原料，实验室常用下列反应和装置进行制备和精制（部分夹持仪器和加热装置未画出）：
环己醇、环己酮和水的部分物理性质如表所示（*括号中的数据表示该有机物与水形成的具有固定组成的共沸混合物的沸点）：
物质
相对分子质量
沸点（℃）
密度（g·cm－3，20℃）
水中溶解性
环己醇
100
161.1（97.8）
0.9624
微溶
环己酮
98
155.6（95）
0.9478
微溶
水
18
100.0
0.9982
－
请回答下列问题：
（1）已知合成环己酮的反应是放热反应，剧烈反应将导致体系温度迅速上升，副反应增多。
实验时，先向合成装置中加入5.2mL（5g）环己醇和几粒沸石，再用分液漏斗向三颈瓶中加入足量酸性Na2Cr2O7溶液。
酸性Na2Cr2O7溶液的加料方式为________（填字母）。
A．一次性加入 B．缓慢加入 C．怎样加入都可以
（2）若酸性Na2Cr2O7溶液的体积为35mL，则应选取________（填“100mL”或“250mL”）的三颈瓶。
（3）反应完成后，向三颈瓶中加入适量水，将合成装置改为蒸馏装置，蒸馏，收集95～100℃的馏分A，其主要成分是________。
（4）合成装置中冷凝管的作用是______________________________________________，
冷凝水从冷凝管的________（填“a”或“b”）口进入。
（5）向馏分A中加入氯化钠固体至饱和，静置、分液、得有机层B，加入氯化钠固体的作用是________________。
（6）向有机层B中加入无水硫酸镁固体，除去其中的少量水分。
过滤，将滤液置于精制装置中蒸馏，收集________（填字母）的馏分，得到纯净的环己酮。
A．100.0～102.0℃B．154.0～156.0℃
C．160.0～162.0℃
（7）请指出精制装置中的两处错误：
________、________。
（8）若最终得到环己酮的质量为3.43g，则环己酮的产率是________。
【答案】
（1）B
（2）100mL （3）环己酮和水 （4）冷凝回流反应物和产物，提高原料的利用率和产物的产率 a （5）增大水层的密度，有利于液体分层 （6）B （7）温度计的水银球未放在蒸馏烧瓶支管口处 冷凝水进、出口方向颠倒 （8）70%
【变式探究】
溴乙烷是有机合成的重要原料。
农业上用作仓储谷物的熏蒸杀虫剂。
实验室制备溴乙烷的反应、装置示意图及有关数据如下：
NaBr＋H2SO4―→HBr＋NaHSO4
CH3CH2OH＋HBr―→CH3CH2Br＋H2O
相对分子质量
沸点/℃
溶解性
CH3CH2OH
46
78.4
0
.789
混溶
NaBr
103
1390
3.203
易溶
CH3CH2Br
109
38.4
1.424
难溶
CH3CH2OCH2CH3
74
34.5
0.714
微溶
浓硫酸
98
338
1.84
易溶
实验步骤：
在图甲仪器A中加入10mL95%乙醇和几滴水，并缓缓加入19.0mL
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