化学实验方案设计的基本要求.docx

1、化学实验方案设计的基本要求化学实验方案设计的基本要求【同步教育信息】一. 本周教学内容：化学实验方案设计的基本要求二. 重点、难点：1. 了解化学实验方案设计的基本要求。2. 培养学生分析、概括、总结、综合和归纳的能力，提高学生的思维能力。三. 具体内容：所谓实验设计，是用多种装置和仪器按某种目的进行串联组合完成某项实验，其类型较多，考查形式多样。解答这类题目，要求学生对所学过的物质的性质、制备和净化，常用仪器和装置的作用及使用时应注意的问题等知识融会贯通，要善于吸收新信息并且能加以灵活运用。化学实验方案设计题具有较强的综合性，但一个化学实验，必须依据一定的实验原理，使用一定的仪器组装成一套实

2、验装置，按一定顺序进行实验操作，才能顺利完成。据此，一道综合实验方案设计题，可以把它化解成几个相互独立又相互关联的小实验、小操作来解答。由各个小实验确定各步操作方法，又由各个小实验之间的关联确定操作的先后顺序。（一）化学实验设计的类型根据不同的标准，可以将中学化学教学中的实验设计划分成不同的类型。（1）根据实验在化学教学认识过程中的作用来划分。 启发性（或探索性）实验设计。由于这类实验是在课堂教学中配合其他化学知识的教授进行的，采取的又多是边讲边做实验或演示实验的形式，因此，在设计这类实验时，要注意效果明显、易操作、时间短、安全可靠。 验证性实验设计。由于这类实验的目的主要是验证化学假说和理论

3、，又多采取学生实验课或边讲边做实验的形式，因此，在设计这类实验时，除了上述要求外，还要注意说服力要强。 运用性实验设计。这类实验的目的是综合运用所学的化学知识和技能，解决一些化学实验习题或实验问题。因此，在引导学生进行实验设计时，要注意灵活性和综合性，尽可能设计多种方案，并加以比较，进而进行优选。从课内、课外的角度来分，运用性实验设计又包括课内的实验习题设计和课外的生产、生活小实验设计。（2）根据化学实验的工具来划分。 化学实验仪器、装置和药品的改进或替代。 化学实验方法的改进。这主要是由于中学化学课本中的一些实验因装置过于繁杂、操作不太简便、方法不太合适、可见度较低而影响化学教学效果，因此需

4、要改进方案，重新设计。另一方面，由于中学受到种种条件的限制，常会发生缺少某些仪器、药品的情况，因而需要自制一些仪器和代用品，或采用微型实验，所以也需要对实验重新进行设计。（3）根据化学实验内容来划分。 物质的组成、结构和性质实验设计。 物质的制备实验设计。 物质的分离、提纯、鉴别实验设计。（二）化学实验设计的内容一个相对完整的化学实验方案一般包括下述内容：（1）实验目的。（2）实验原理。（3）实验用品（药品、仪器、装置、设备）及规格。（4）实验装置图、实验步骤和操作方法。（5）注意事项。（6）实验现象及结论记录表。（三）化学实验设计的要求1. 科学性科学性是化学实验方案设计的首要原则。所谓科学

5、性是指实验原理、实验操作程序和方法必须正确。例如，鉴别Na2SO3和NaI，在试剂的选择上就不宜选用硝酸等具有氧化性的酸，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。2. 安全性实验设计时应尽量避免使用有毒的药品和进行具有一定危险性的实验操作。如果必须使用，应在所设计的化学实验方案中详细写明注意事项，以防造成环境污染和人身伤害。3. 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。4. 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

6、药品，并能在较短的时间内完成实验。对同一个化学实验，可以设计出多种实验方案，并对它们进行选择。选择采用的实验设计方案，应具有效果明显、操作安全、装置简单、用药少、步骤少、时间短等优点。（四）化学实验设计的一般思路 接受信息。接受、分析、筛选信息，明确实验设计的课题、条件和要求。 实验设计原理。通过对新旧信息的加工，实现制定的实验设计。从设计的要求及解决问题的顺序分析，大致有以下两个层次：一是实验方案的选定。二是实验装置与实验操作的设计。 设计实验内容。见上。1. 设计思想、规律和方法（1）思考问题的顺序： 围绕主要问题思考。例如：选择适当的实验路线、方法；所用药品、仪器简单易得；实验过程快速、

7、安全；实验现象明显。 思考有关物质的制备、净化、吸收和存放等有关问题。例如：制取在空气中易水解的物质（如Al2S3、AlCl3、Mg3N2等）及易受潮的物质时，往往在装置末端再接一个干燥装置，以防止空气中水蒸气进入。 思考实验的种类及如何合理地组装仪器，并将实验与课本实验比较、联靠。例如涉及到气体的制取和处理，对这类实验的操作程序及装置的连接顺序大体可概括为：发生除杂质干燥主体实验尾气处理。（2）仪器连接的顺序： 所用仪器是否恰当，所给仪器是全用还是选用。 仪器是否齐全。例如制有毒气体及涉及有毒气体的实验应有尾气的吸收装置。 安装顺序是否合理。例如：是否遵循“自下而上，从左到右”；气体净化装置

8、中不应先经干燥，后又经过水溶液洗气。 仪器间连接顺序是否正确。例如：洗气时“进气管长，出气管短”；干燥管除杂质时“大进小出”等。（3）实验操作的顺序： 连接仪器。按气体发生除杂质干燥主体实验尾气处理顺序连接好实验仪器。 检查气密性。在整套仪器连接完毕后，应先检查装置的气密性，然后装入药品。检查气密性的方法要依装置而定。 装药品进行实验操作。2. 设计时，应全方位思考的问题（1）检查气体的纯度，点燃或加热通有可燃性气体（H2、CO、CH4、C2H4、C2H2等）的装置前，必须检查气体的纯度。例如用H2、CO等气体还原金属氧化物时，需要加热金属氧化物，在操作中，不能先加热，后通气，应当先通入气体，

9、将装置内的空气排干净后，检查气体是否纯净（验纯），待气体纯净后，再点燃酒精灯加热金属氧化物。（2）加热操作先后顺序的选择。若气体发生需加热，应先用酒精灯加热发生气体的装置，等产生气体后，再给实验需要加热的固体物质加热。目的是：一则防止爆炸（如氢气还原氧化铜）；二则保证产品纯度，防止反应物或生成物与空气中其它物质反应。例如用浓硫酸和甲酸共热产生CO，再用CO还原Fe2O3，实验时应首先点燃CO发生装置的酒精灯，生成的CO赶走空气后，再点燃加热Fe2O3的酒精灯，而熄灭酒精灯的顺序则相反，原因是：在还原性气体中冷却Fe可防止灼热的Fe再被空气中的O2氧化，并防止石灰水倒吸。（3）冷凝回流的问题。有

10、的易挥发的液体反应物，为了避免反应物损耗和充分利用原料，要在发生装置设计冷凝回流装置。如在发生装置安装长玻璃管等。（4）冷却问题。有的实验为防止气体冷凝不充分而受损失，需用冷凝管或用冷水或冰水冷凝气体（物质蒸气），使物质蒸气冷凝为液态便于收集。（5）防止倒吸问题。（前已述。）（6）具有特殊作用的实验改进装置。如为防止分液漏斗中的液体不能顺利流出，用橡皮管连接成连通装置；为防止气体从长颈漏斗中逸出，可在发生装置中的漏斗末端套住一只小试管等。（7）拆卸时的安全性和科学性。实验仪器的拆卸要注意安全和科学性，有些实验为防止“爆炸”或“氧化”，应考虑停止加热或停止通气的顺序，如对有尾气吸收装置的实验，必

11、须将尾气导管提出液面后才熄灭酒精灯，以免造成溶液倒吸；用氢气还原氧化铜的实验应先熄灭加热氧化铜的酒精灯，同时继续通氢气，待加热区冷却后才停止通氢气，这是为了避免空气倒吸入加热区使铜氧化，或形成可爆气；拆卸用排水法收集需加热制取气体的装置时，需先把导管从水槽中取出，才能熄灭酒精灯，以防止水倒吸；拆后的仪器要清洗、干燥、归位。【典型例题】例1 已知Ag2HPO4和Ag3PO4均为黄色沉淀（Ag2HPO4颜色略浅）。现将0.02molL1AgNO3溶液与0.01molL1K2HPO4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

12、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，故不能用生成物的颜色或Ag2HPO4Ag3PO4（调节溶液酸碱性）反应过程中颜色变化来判断。换个角度来思考，在反应中：K2HPO4+2AgNO3=Ag2HPO4+2KNO3K2HPO4+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2 3位同学设计了下

13、列3个实验方案以验证某无色气体中既含有SO2 ，又含有CO2 。方案1：将无色气体通入酸性KMnO4溶液，KMnO4溶液褪色，反应后气体通入石灰水，石灰水变浑浊。即可证明原无色气体中既含有SO2 ，又含有CO2 。方案2：将无色气体通入溴水，溴水褪色反应后气体通入石灰水，石灰水变浑浊，证明原无色气体中既含有SO2 ，又含有CO2。方案3：将无色气体通入品红试液后再依次通入酸化KMnO4溶液、品红溶液，最后通入澄清的石灰水。结果品红试液褪色、KMnO4溶液颜色变浅品红试液不褪色，石灰水变浑浊，证明原无色气体既含有SO2 ，又含有CO2。试回答上述3个方案中，能证明原无色气体中既有SO2 ，又含有

14、CO2的方案是：_简述其理由是：_。解析：对比、分析相关物质的共性及差异，进行实验方案可行性的评价。在进行实验方案的可行性评价时，选择的依据是相关物质的性质，对比其共性，寻找其差异，从而作出判断。分析时一要考虑SO2 与CO2的共性是均能使澄清石灰水变浑，二要考虑到二者的区别，SO2具有还原性，并能使品红褪色，CO2不具备这些性质。三要考虑能使酸性KMnO4溶液、溴水褪色的物质不仅有SO2，还有H2S、C2H4、C2H2 等。因此证明既有SO2又有CO2的实验程序一般应为：检验SO2存在除SO2证明SO2不存在证明CO2存在。答案：符合上述实验程序的应是方案3。例3 现有一定量含有Na2O杂质

15、的Na2O2试样，请从图中选用适当的实验装置，设计一个最简单的实验，测定Na2O2试样的纯度（可供选用的反应物只有CaCO3固体，6molL盐酸和蒸馏水）。请填写下列空白：（1）写出在实验中Na2O2和Na2O分别发生反应的化学方程式_。（2）应选用的装置是（只要求写出图中装置的标号）_。（3）所选用装置的连接顺序是（填各接口的字母，连接胶管省略）_。解析：考查有关实验装置的选用及连接的知识。明确实验目的测定Na2O2试样的纯度；从比较Na2O2与Na2O不同化学性质入手，选择测定Na2O2含量的方法，其中Na2O2能分别与H2O、CO2作用生成O2是一明显特点，能测出产生的O2就能测出Na2

16、O2的量；按实验要求，只能选择最简单的实验（同时考虑所供试剂），蒸馏水与试样反应符合题意。此外，需注意的是，因是排水测量O2的体积，所以制得的O2不需干燥，且接口时要短管进长管出，与洗气装置相区别。答案：（1）2Na2O2+2H2O=4NaOH+O2 Na2O+H2O=2NaOH（2）应选用的装置是（3）连接顺序应是GABF。例4 碱式碳酸镁有多种不同的组成，如、等。请你设计一个测定碱式碳酸镁组成的实验方案。包括（1）测定原理（2）测定实验的装置图（3）操作步骤。可使用的仪器、试剂和用品如下：仪器：天平（附砝码）、大试管（附带有短玻璃管的橡皮塞）、酒精灯、洗气瓶、球形干燥管（附带有短玻璃管的橡

17、皮塞）、铁架台、铁夹、角匙。试剂：碱式碳酸镁（粉状）、浓硫酸、石灰水、无水氯化钙、碱石灰。其他：火柴、棉花、短橡皮管、弹簧夹。注意：上述仪器和试剂只需应用其中的一部分。仪器、试剂、用品的数量不限。解析：考查测定碱式碳酸镁组成的实验方案设计。可加热碱式碳酸镁，通过测定生成的MgO、CO2、H2O的物质的量之比来确定碱式碳酸镁的组成。用浓硫酸吸收H2O，根据浓硫酸增重的量，求出水的物质的量；用碱石灰吸收CO2，根据碱石灰的增重，确定CO2物质的量。答案：（1）通过测定MgO、CO2、H2O的物质的量之比来测定碱式碳酸镁的组成。（2）测定实验的装置如下图所示： （3）操作步骤 将装置按上图连接好后，

18、检查装置的气密性 称取一定量（W1g）样品于大试管中 加热，至样品完全分解 实验结束后，称量洗气瓶和干燥管的增重（设为W2、W3） 计算MgO、CO2、H2O的物质的量之比为n（MgO）：n（CO2）：n（H2O）=:确定碱式碳酸镁的组成。例5 为了测定人体新陈代谢呼出气体中CO2的体积分数，某学生课外小组设计了如图的实验装置。实验中用过量NaOH溶液吸收气体中的CO2，准确测量瓶中溶液吸收CO2后的增重及剩余气体的体积（实验时只用嘴吸气和呼气），请填空：（1）图中瓶的作用是_。（2）对实验装置尚有如下A、B、C、D四种建议，你认为合理的是（填代号）_。A. 在E处增加CaCl2干燥管B. 在

19、F处增加CaCl2干燥管C. 在E和F两处增加CaCl2干燥管D. 不必增加干燥管（3）将插入溶液的管子下端改成具有多孔的球泡（图中的），有利于提高实验的准确度，其理由是_。（4）实验时先缓缓吸气，再缓缓呼气，反复若干次，得如下数据：瓶溶液增重ag，收集到的气体体积（标准状况）为bL，该呼出气体CO2的体积分数是（列出算式）：_。（5）实验中若猛吸猛呼，会造成不安全后果，猛吸时会_，猛呼时会_。解析：考查学生实验的综合能力。本题将人体作为一个特殊的“化学反应装置”或称“气体交换装置”，集制气、洗气于一体，且呼气和吸气都需要经过相应的处理。从题给装置分析可知，F是空气的进口，为排除空气中原有CO

20、2对实验结果的影响和干扰，应先将其除去，即图中瓶的作用是除去吸入空气中的CO2；而呼出的CO2则由图中瓶吸收，其溶液增加的质量即为呼出CO2的质量，故呼出气体中CO2的体积分数为：由此可见，在整个测定实验中，没有必要增加干燥管，因为事实上人体呼出的气体中亦混有水蒸气，在E处或F处安装干燥管没有明确的意义，不如忽略水蒸气的体积，或将其看作系统误差，对实验结果更为有利；当然，如果将插入溶液的管子下端改成具有多孔的球泡（图），则会因增大了气体与溶液的接触面，从而使气体中的CO2吸收更充分，有利于提高实验的精确度；如果在实验中猛吸，则可能将瓶中的NaOH溶液吸入口中；如果在实验中猛呼，则可能将瓶中的N

21、aOH溶液吹出瓶外，从而出现不必要的实验事故。因此在实验中不能猛呼猛吸，尤其不能猛吸。答案：（1）除去吸入空气中的CO2（2）D（3）增大了气体与溶液的接触面，从而使气体中的CO2吸收的更充分（4）（5）可能将瓶中的NaOH溶液吸入口中，可能将瓶中的NaOH溶液吹出瓶外例6 欲在室温和1.01105Pa条件下测定镁的原子量。请利用图给定的仪器（盛放镁条的隔板有小孔）组装成一套实验装置（每种仪器只允许用一次）。请回答下列问题：（1）假设气流方向为左右，则各仪器的接口连接的先后顺序为（用小写字母填写）_。（2）连接好仪器后，要进行的操作有以下几步： 待仪器B中的物质恢复至室温时，测量量简C中水的体

22、积（若假定将测定的体积换算成标准状况下为VmL）； 擦掉镁条表面的氧化膜，将其置于天平上称量（假定其质量为mg），并将其投入试管B中； 检查各装置的气密性； 旋开仪器A上分液漏斗的活塞，当镁条完全溶解时再关闭活塞。上述几步操作的先后顺序是_。（3）根据实验数据可算出镁的相对原子质量，其数字表达式为_。（4）若未将试管B冷却至室温就测量量筒C中水的体积，这将会使所测镁的相对原子质量数据（填偏高、偏低或无影响）_。（5）若未擦净镁条表面氧化膜就进行实验，这将会使所测镁的相对原子质量数据（填偏高、偏低或无影响）_。解析：本题考查为实现某定量测定目标设计、组装仪器和操作程序的能力，以及依据实验原理判断

23、实验误差的能力。本题测定镁的相对原子质量的实验原理是根据已称量的mg镁产生H2的体积，来计算镁的相对原子质量。根据题目给的装置，完成此实验必须做到以下两点：一是镁跟盐酸反应要充分；二是用排水法准确量得产生H2的体积。为此，仪器的连接顺序应为：a接h、g接b、c接f、e接d，最终使产生的H2将D中的水排入量筒中，可测得H2的体积。根据Mg与HCl反应不难确定（设镁的相对原子质量为A）：MgH2A 22400m VA=实验误差的讨论应依据上式：若B试管未冷却至室温，H2体积偏大，会造成计算结果镁原子量偏低；若镁条表面氧化膜未擦净，称量时将MgO的质量计在镁的质量上，实际收集到H2体积偏小，计算结果

24、的相对原子质量偏高。答案：（1）a接h、g接b、c接f、e接d（2）或（3）（4）偏低（5）偏高例7 含苯酚的工业废水处理的流程图如下：（1）上述流程里，设备1中进行的是_操作（填写操作名称）。实验室里这一步操作可以用_进行（填仪器名称）。（2）由设备2进入设备3的物质A是_，由设备3进入设备4的物质B是_。（3）在设备3中发生反应的化学方程式为_。（4）在设备4中，物质B的水溶液和CaO反应，产物是NaOH、H2O和_。通过_操作（填写操作名称），可以使产物相互分离。（5）上图中，能循环使用的物质是C6H6、CaO、_、_。解析：化学工业的三废直接污染周围环境，破坏生态环境，危及人类的生存。

25、工业废水中的苯酚，必须回收处理，达到规定的指标后，才能排放。在常温下，苯酚在水中的溶解度不大，在设备1中用苯萃取、分液，便于回收。向苯酚的苯溶液中，通入氢氧化钠溶液，苯酚与氢氧化钠反应生成熔、沸点较高且易溶于水的苯酚钠，将苯分离出去（蒸馏），苯酚钠由设备2进入设备3。在设备3中，二氧化碳与苯酚钠反应，生成苯酚从碳酸氢钠的水溶液析出而分离。由设备3进入设备4的物质是碳酸氢钠，加入生石灰后，发生如下反应：NaHCO3+CaO=CaCO3+NaOH；碳酸钙在设备5中煅烧又转化为生石灰和二氧化碳。由此可知在苯酚回收的过程中，苯、氢氧化钠、二氧化碳和生石灰皆可循环使用。本题的难度并不大，但给人一定的启示

26、，即生产中采用最简易的方法，便于操作进行；选择最佳流程，原料循环使用，成本最低。答案：（1）萃取、分液；分液漏斗（2）苯酚钠；碳酸氢钠（3）+CO2+H2O+NaHCO3（4）CaCO3；过滤（5）CO2；NaOH例8 用下列仪器、药品验证由铜和适量硝酸反应产生的气体中含NO（仪器可选择使用，N2和O2的用量可自由控制）。已知： 气体液化温度：NO2 21， NO -152试回答：（1）仪器的连接顺序（按左右连接，填各接口的编号）为_。（2）反应前先通入N2，目的是_。（3）确认气体中含NO的现象是_。（4）装置F的作用是_。（5）如果O2过量，则装置B中发生反应的化学方程式为_。 解析：本实

27、验的目的是验证Cu和浓HNO3反应产生的气体中的NO，即产物中一定有NO，而不是通过实验来确定是否有NO。而反应产物中NO2是一定存在的，所以要将NO2和NO分离后进行验证，如何分离？题目给出了两种气体相差甚远的液化温度，联系装置F，便知其意了。NO2和NO分离（NO2被液化）后的气体与O2作用，又出现红棕色，这个特征现象便确认了NO的存在。另外，制气前须将各装置内的空气排尽（否则会氧化NO），气体中混有的水气的吸收以及最后尾气的吸收，这些问题都要考虑。而盛酚酞的装置E便成了命题者用来干扰思维的多余装置。框图分析答案：（1）（10）（11）（或（11）（10）。（2）驱赶装置中的空气，防止产生

28、的NO被氧化；（3）通入O2后装置D中有红棕色气体生成；（4）使NO2液化（分离NO2和NO）；（5）4NO2+O2+4NaOH=4NaNO3+2H2O例9 实验室用氨气还原氧化铜的方法测定铜的近似相对原子质量，反应的化学方程式为试回答：（1）如果选用测定反应物CuO和生成物H2O的质量（m（CuO）、m（H2O）时，请用下列仪器设计一个简单的试验方案。 仪器连接的顺序（用字母编号表示，仪器可重复使用）_；d中浓硫酸的作用是_，_；实验完毕时观察到a中的现象是_； 列出计算Cu的相对原子质量的表达式_； 下列情况将使测定结果偏大的是_。（以下选择填空不限1个正确答案，均用字母编号填写）A. C

29、uO未全部还原为CuB. CuO受潮C. CuO中混有Cu（2）如果仍采用上述仪器装置，其它方案可选用测定的物理量有_A. m（Cu）和m（CuO） B. m（N2）和m（H2O） C. m（Cu）m（H2O） D. m（NH3）和m（H2O） 解析：这是一道综合性很强的实验题。仪器连接的关键处是：b装置产生的NH3气中混有的水蒸气应先用C（碱石灰）除去，通过a（CuO）后产生的水蒸气和过量的NH3气应先通过C（碱石灰）吸收水，然后再通过d吸收多余的氨气（如先通过d对结果有何影响？）。故正确的连接顺序应为：bcacd。d中浓硫酸的作用是吸收多余的NH3气，并防止空气中的水分进入c中影响测定结果。实验结束后a中黑色的CuO全部转变成红色的Cu。H2+CuOCu+H2O x+16 18 m（CuO） m（H2O）Cu的相对原子质量x=如CuO未被全部还原成Cu，则上式中比值比实际大，结果偏大。如CuO受潮，则m（CuO）偏大，m（H2O）也偏大，还是变小。如CuO中混有Cu，则m（CuO）偏大，m（H2O）不变，则偏大，结果偏大。如仍采用上述仪器装置，其它方案可选用测定的物理量必须有CuO或Cu，故只能选择a、m（Cu）和m（CuO）或c、m（Cu）和m（H2O）答案：（1）bcacd；吸收产生的多余NH3，防止空气中H2O进入C中影响结果。黑色的CuO全部转