最新高三化学专题复习专题五科学探究与实验设计.docx

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最新高三化学专题复习专题五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。