实验方案的设计与评价3.docx
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实验方案的设计与评价3
实验方案的设计与评价
明考纲
1．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。
2．了解科学探究的基本过程，学习运用以实验和推理为基础的科学探究方法解决有关问题。
3．实验各部分知识与技能的综合应用。
析考情
本节内容在高考实验中处于核心位置，每年必考。
通过近几年的高考实验研究发现，以物质的制备、物质的性质探究为载体，考查气体物质的实验室制法、化学实验的设计及评价能力已成为高考实验的首选。
考点
化学实验方案的设计
1．化学实验方案设计的五项基本原则
2．化学实验方案设计的基本思路
根据实验目的和原理及所选用的药品和仪器，设计合理的装置，并且从几种方案中分析选择出最佳方案。
3．化学实验方案的设计步骤
（1）明确目的，弄清原理
（2）选择实验用品
（3）实施实验操作——注意严谨性、逻辑性、规范性、安全性。
（4）记录实验现象、数据——全面而准确。
（5）分析、归纳得出结论。
4．化学实验方案设计的注意事项
（1）实验操作顺序
装置选择与连接→气密性检查→加固体药品→加液体药品→开始实验（按程序）→拆卸仪器→其他处理等。
（2）加热操作先后顺序的选择
若气体制备实验需加热，应先加热气体发生装置，通入气体排出装置中的空气后，再给实验中需要加热的物质加热。
目的是：
①防止爆炸（如氢气还原氧化铜）；②保证产品纯度，防止反应物或生成物与空气中的物质反应。
熄灭酒精灯的顺序则相反。
（3）实验中试剂或产物防止变质或损失
①实验中反应物或产物若易吸水、潮解、水解等，要采取措施防止吸水；
②易挥发的液体产物要及时冷却；
③易挥发的液体反应物，需在反应装置中加装冷凝回流装置（如长导管、竖直的干燥管、冷凝管等）；
④注意防止倒吸的问题。
（4）选用仪器及连接顺序
（5）仪器药品的准确描述
①实验中所用试剂名称：
如无水硫酸铜（CuSO4），硫酸铜溶液，酸性高锰酸钾溶液，澄清石灰水，饱和碳酸氢钠溶液等。
②仪器名称：
如坩埚、研钵、100mL容量瓶。
（6）会画简单的实验装置图
考纲要求能够绘制和识别典型的实验仪器装置图，可用“示意装置图”表示。
一般能画出简单的装置图即可，但要符合要求，例如形状、比例等。
易错警示
（1）实验方案的设计对细节要求较高，往往在细节上失分，如实验原理、仪器选择、操作步骤、实验现象的描述、实验安全等方面，不全面、不准确是失分的重要方面。
（2）实验设计不完整，也是实验题失分的重要原因。
如制备一些在空气中易变质的物质时，在制备装置后还要连接一防变质装置。
（3）补画装置图的题目中，装置图画得不准确也会失分。
题组一物质制备实验方案的设计
1.[2014·浙江高考]葡萄糖酸钙是一种可促进骨骼生长的营养物质。
葡萄糖酸钙可通过以下反应制得：
C6H12O6（葡萄糖）＋Br2＋H2O―→C6H12O7（葡萄糖酸）＋2HBr
2C6H12O7＋CaCO3―→Ca（C6H11O7）2（葡萄糖酸钙）＋H2O＋CO2↑
相关物质的溶解性见下表：
实验流程如下：
C6H12O6溶液
悬浊液
Ca（C6H11O7）2
请回答下列问题：
（1）第①步中溴水氧化葡萄糖时，下列装置中最适合的是________。
制备葡萄糖酸钙的过程中，葡萄糖的氧化也可用其他试剂，下列物质中最适合的是________。
A．新制Cu（OH）2悬浊液 B．酸性KMnO4溶液
C．O2/葡萄糖氧化酶D．[Ag（NH3）2]OH溶液
（2）第②步充分反应后CaCO3固体需有剩余，其目的是__________________________________；本实验中不宜用CaCl2替代CaCO3，理由是________________________。
（3）第③步需趁热过滤，其原因是________________________________________________________________________________________________________________________________________________。
（4）第④步加入乙醇的作用是________________________________________________________________________。
（5）第⑥步中，下列洗涤剂最合适的是________。
A．冷水B．热水
C．乙醇D．乙醇 水混合溶液
答案
（1）B C
（2）提高葡萄糖酸的转化率；便于后续分离 氯化钙难以与葡萄糖酸直接反应得到葡萄糖酸钙
（3）葡萄糖酸钙冷却后会结晶析出，如不趁热过滤会损失产品
（4）可降低葡萄糖酸钙在溶剂中的溶解度，有利于葡萄糖酸钙析出
（5）D
解析
（1）水浴加热只要控制水的温度即可，所以温度计插入水中。
恒压漏斗使反应物容易流出，故选用B装置。
A、D的氧化性较弱，反应速率较慢；B的氧化能力很强，会将葡萄糖氧化成其他物质；因酶是一种高效的催化剂，所以O2/葡萄糖氧化酶是最合适的氧化剂。
（2）过量的CaCO3能将葡萄糖酸全部转化为葡萄糖酸钙，同时过量的CaCO3可通过过滤除去，不会进入葡萄糖酸钙溶液中。
（4）③过滤后的滤液中除葡萄糖酸钙外，还有溴化钙，加入乙醇后，溴化钙溶于乙醇，而葡萄糖酸钙在乙醇中的溶解度较小，然后通过抽滤将葡萄糖酸钙提取出来。
（5）用乙醇 水混合溶液作洗涤剂，既可除去溴化钙杂质又可减少葡萄糖酸钙的溶解损失。
题组二物质性质探索性实验方案的设计
2.[2013·四川高考]为了探究AgNO3的氧化性和热稳定性，某化学兴趣小组设计了如下实验。
Ⅰ.AgNO3的氧化性
将光亮的铁丝伸入AgNO3溶液中，一段时间后将铁丝取出。
为检验溶液中Fe的氧化产物，将溶液中的Ag＋除尽后，进行了如下实验。
可选用的试剂：
KSCN溶液、K3[Fe（CN）6]溶液、氯水。
（1）请完成下表：
操作
现象
结论
取少量除尽Ag＋后的溶液于试管中，加入KSCN溶液，振荡
①________
存在Fe3＋
取少量除尽Ag＋后的溶液于试管中，加入②________，振荡
③________
存在Fe2＋
【实验结论】Fe的氧化产物为Fe2＋和Fe3＋。
Ⅱ.AgNO3的热稳定性
用下图所示的实验装置A加热AgNO3固体，产生红棕色气体，在装置D中收集到无色气体。
当反应结束后，试管中残留固体为黑色。
（2）装置B的作用是________________________________________________________________________。
（3）经小组讨论并验证该无色气体为O2，其验证方法是
________________________________________________________________________。
（4）【查阅资料】Ag2O和粉末状的Ag均为黑色；Ag2O可溶于氨水。
【提出设想】试管中残留的黑色固体可能是：
ⅰ.Ag；
ⅱ.Ag2O；ⅲ.Ag和Ag2O。
【实验验证】该小组为验证上述设想，分别取少量黑色固体放入试管中，进行了如下实验。
实验编号
操作
现象
a
加入足量氨水，振荡
黑色固体不溶解
b
加入足量稀硝酸，振荡
黑色固体溶解，并有气体产生
【实验评价】根据上述实验，不能确定固体产物成分的实验是________（填实验编号）。
【实验结论】根据上述实验结果，该小组得出AgNO3固体热分解的产物有________。
答案
（1）①溶液呈红色 ②K3[Fe（CN）6]溶液 ③产生蓝色沉淀
（2）防倒吸 （3）将带火星的木条伸入集气瓶内，木条复燃，则证明无色气体为O2 （4）b Ag、NO2、O2
解析
（1）检验Fe3＋可用KSCN溶液，现象为溶液呈红色。
检验Fe2＋可用K3[Fe（CN）6]溶液，Fe2＋与K3[Fe（CN）6]反应可产生蓝色沉淀。
（2）装置B的作用为防止溶液倒吸进入试管中。
（3）O2的检验方法为用带火星的木条伸入集气瓶内，木条复燃。
（4）由题干信息可知，Ag2O可溶于氨水，实验a加入足量氨水，固体不溶解，所以固体成分为Ag；而Ag和Ag2O都溶于稀HNO3，所以实验b不能确定固体成分。
题组三物质性质验证性实验方案的设计
3.[2015·课标全国卷Ⅰ]草酸（乙二酸）存在于自然界的植物中，其K1＝5.4×10－2，K2＝5.4×10－5。
草酸的钠盐和钾盐易溶于水，而其钙盐难溶于水。
草酸晶体（H2C2O4·2H2O）无色，熔点为101℃，易溶于水，受热脱水、升华，170℃以上分解。
回答下列问题：
（1）甲组同学按照如图所示的装置，通过实验检验草酸晶体的分解产物。
装置C中可观察到的现象是________，由此可知草酸晶体分解的产物中有________。
装置B的主要作用是__________________。
（2）乙组同学认为草酸晶体分解产物中还有CO，为进行验证，选用甲组实验中的装置A、B和下图所示的部分装置（可以重复选用）进行实验。
①乙组同学的实验装置中，依次连接的合理顺序为A、B、________。
装置H反应管中盛有的物质是________。
②能证明草酸晶体分解产物中有CO的现象是________________________________________________________。
（3）设计实验证明：
①草酸的酸性比碳酸的强__________________________。
②草酸为二元酸________________________________________________________________________。
答案
（1）有气泡逸出、澄清石灰水变浑浊'CO2'冷凝（水蒸气、草酸等），防止草酸进入装置C反应生成沉淀，干扰CO2的检验
（2）①F、D、G、H、D、I'CuO'②H中黑色粉末变为红色，其后的D中澄清石灰水变浑浊
（3）①向盛有少量NaHCO3的试管里滴加草酸溶液，有气泡产生 ②用NaOH标准溶液滴定草酸溶液，消耗NaOH的物质的量为草酸的2倍
解析
（1）结合题给装置中装的药品知，草酸晶体的分解产物中有二氧化碳气体，所以装置C中观察到有气泡逸出，澄清石灰水变浑浊。
通入澄清石灰水前，气体进行了冷却，由题中信息知，草酸钙难溶于水，若气体不冷却，则挥发出的草酸蒸气也会进入装置C，与澄清石灰水反应生成沉淀，会干扰CO2的检验。
（2）由题给实验仪器和药品知，CO应与装置H中固体反应，可推测装置H中固体为CuO，CO还原氧化铜生成Cu和CO2气体，然后把CO2通入到D中，结合装置H和装置D中的现象可判断草酸晶体的分解产物中是否含有CO。
检验CO之前应先除去CO中混有的CO2，连接顺序为A、B、F、D、G、H、D、I。
（3）①向盛有碳酸氢钠的试管中加入草酸溶液，若有气泡产生，则证明草酸的酸性强于碳酸。
②证明草酸为二元酸可以用氢氧化钠标准溶液滴定草酸溶液，消耗NaOH的物质的量为草酸的2倍。
★总结提升
物质性质实验题的解题策略和答题规范
（1）解题策略
性质验证型实验题的关键是结合题目要求和所给的仪器、装置以及所给的试剂，了解命题的意图。
一般思路是：
①已给出试剂或装置（仪器）的实验
该类题目的关键是通读全题，结合题意或元素化合物的性质，弄清楚在某一仪器处发生的反应或该反应的现象，同时要理解设置的仪器或装置的目的。
这样问题就能迎刃而解。
②已知反应或反应现象及仪器操作要求
该类题目的关键是根据题目的现象或操作要求等，通过所学元素化合物性质或化学实验的仪器使用和基本操作，确定此处缺少的试剂或缺少的装置或仪器。
（2）答题规范
注意回答问题时，一定要锤炼语言，使自己的语言描述准确、规范，避免“心里知道却说不清”的现象。
如对实验的描述可按“操作、现象、结论”的顺序组织语言。
另外叙述要精确，表达要清楚。
考点
化学实验方案的评价
对化学实验方案进行评价，主要从正确与错误、严密与不严密、准确与不准确、可行与不可行等方面作出判断。
另外有无干扰、是否经济、是否安全、有无污染等也是要考虑的方面。
1．可行性方面
（1）分析实验方案是否科学可行；
（2）实验操作是否安全合理；
（3）实验步骤是否简单方便；
（4）实验效果是否明显。
2．绿色化学方面
（1）实验过程中是否造成环境污染；
（2）原料是否无毒、安全、易得；
（3）原料利用率及反应速率是否较高；
（4）反应速率是否较快。
3．安全性方面
化学实验从安全角度常考虑的主要因素如下：
（1）净化、吸收气体及熄灭酒精灯时要防止液体倒吸；
（2）进行某些易燃易爆实验时要防爆炸（如H2还原CuO应先通H2，气体点燃前先验纯等）；
（3）防氧化（如H2还原CuO后要“先灭灯再停氢”，白磷切割宜在水中进行等）；
（4）污染性的气体要进行尾气处理；有粉末状物质参加的反应，要注意防止导气管堵塞；
（5）防吸水（如实验取用、制取易吸水、潮解、水解的物质时宜采取必要措施，以保证达到实验目的）。
4．规范性方面
（1）冷凝回流（有些反应中，为减少易挥发液体反应物的损耗和充分利用原料，需在反应装置上加装冷凝回流装置，如长玻璃管、竖装的干燥管及冷凝管等）；
（2）易挥发液体产物（导出时可为蒸气）的及时冷却；
（3）仪器拆卸与组装顺序相反，按照从右向左，从高到低的顺序；
（4）其他（如实验操作顺序、试剂加入顺序、实验方法使用顺序等）。
1．[2015·福建高考]下列实验操作正确且能达到相应实验目的的是（ ）
答案 C
解析 NaOH易潮解，且有腐蚀性，不能放在滤纸上称量，A项错误；FeCl3易水解，配制FeCl3溶液时，将FeCl3固体溶于蒸馏水并加入少量稀盐酸，B项错误；检验NH
时，加入NaOH溶液并加热，用湿润的红色石蕊试纸检验生成的氨气，C项正确；验证铁的吸氧腐蚀，将铁钉放在试管中，用NaCl溶液浸没，若用盐酸浸没，则发生析氢腐蚀，D项错误。
2．[2015·福建高考]某化学兴趣小组制取氯酸钾和氯水并进行有关探究实验。
实验一 制取氯酸钾和氯水
利用如图所示的实验装置进行实验。
（1）制取实验结束后，取出B中试管冷却结晶，过滤，洗涤。
该实验操作过程需要的玻璃仪器有________。
（2）若对调B和C装置的位置，________（填“能”或“不能”）提高B中氯酸钾的产率。
实验二 氯酸钾与碘化钾反应的研究
（3）在不同条件下KClO3可将KI氧化为I2或KIO3。
该小组设计了系列实验研究反应条件对反应产物的影响，其中系列a实验的记录表如下（实验在室温下进行）：
试管编号
1
2
3
4
0.20mol·L－1KI/mL
1.0
1.0
1.0
1.0
KClO3（s）/g
0.10
0.10
0.10
0.10
6.0mol·L－1H2SO4/mL
0
3.0
6.0
9.0
蒸馏水/mL
9.0
6.0
3.0
0
实验现象
①系列a实验的实验目的是________________________________________________________________________。
②设计1号试管实验的作用是________________________________________________________________________。
③若2号试管实验现象为“黄色溶液”，取少量该溶液加入淀粉溶液显蓝色；假设氧化产物唯一，还原产物为KCl，则此反应的离子方程式为________________________________________________________________________。
实验三 测定饱和氯水中氯元素的总量
（4）该小组设计的实验方案为：
使用如图装置，加热15.0mL饱和氯水试样，测定产生气体的体积。
此方案不可行的主要原因是________________________________________________________________________________________________________________________________________________。
（不考虑实验装置及操作失误导致不可行的原因）
（5）根据下列资料，为该小组设计一个可行的实验方案（不必描述操作过程的细节）：
________________________________________________________________________。
资料：
ⅰ.次氯酸会破坏酸碱指示剂；
ⅱ.次氯酸或氯气可被SO2、H2O2和FeCl2等物质还原成Cl－。
答案
（1）烧杯、漏斗、玻璃棒、胶头滴管（不填“胶头滴管”也可）
（2）能
（3）①研究反应体系中硫酸浓度对反应产物的影响'②硫酸浓度为0的对照实验'③ClO
＋6I－＋6H＋===Cl－＋3I2＋3H2O
（4）因存在Cl2的重新溶解、HClO分解等，此方案无法测算试样含氯总量（或其他合理答案）
（5）量取一定量的试样，加入足量的H2O2溶液，加热除去过量的H2O2，冷却，再加入足量的硝酸银溶液，称量沉淀质量（或其他合理答案）
解析
（1）冷却结晶、过滤、洗涤等操作中用到的玻璃仪器有烧杯、漏斗、玻璃棒、胶头滴管等。
（2）若对调B和C装置的位置，则可以除去Cl2中的HCl，因此能提高B中氯酸钾的产率。
（3）①由表格数据可知，各试管中只有硫酸的浓度不同，因此实验目的是研究反应体系中硫酸浓度对反应产物的影响。
②1号试管没有加入硫酸，为对照实验。
③根据淀粉溶液显蓝色知氧化产物为I2，该反应的离子方程式为ClO
＋6I－＋6H＋===Cl－＋3I2＋3H2O。
（4）题中装置用于测定氯气的体积，但氯气会重新溶解且氯气与水反应生成的HClO分解会产生O2，测得氯气的体积不准确，因此实验方案不可行。
（5）量取一定量饱和氯水样品，加入足量的H2O2溶液，将饱和氯水中的Cl2和HClO全部还原为Cl－，加热除去过量的H2O2，冷却，加入足量AgNO3溶液，通过测定所得沉淀的质量计算氯元素的总量。
3．[2013·福建高考]固体硝酸盐加热易分解且产物较复杂。
某学习小组以Mg（NO3）2为研究对象，拟通过实验探究其热分解的产物，提出如下4种猜想：
甲：
Mg（NO2）2、NO2、O2 乙：
MgO、NO2、O2
丙：
Mg3N2、O2 丁：
MgO、NO2、N2
（1）实验前，小组成员经讨论认定猜想丁不成立，理由是________________________________________________________________________________________________________________________________________________。
查阅资料得知：
2NO2＋2NaOH===NaNO3＋NaNO2＋H2O
针对甲、乙、丙猜想，设计如下图所示的实验装置（图中加热、夹持仪器等均省略）：
（2）实验过程
①仪器连接后，放入固体试剂之前，关闭k，微热硬质玻璃管（A），观察到E中有气泡连续放出，表明_______________________________________________________________________________________________________________________________________________。
②称取Mg（NO3）2固体3.7g置于A中，加热前通入N2以驱尽装置内的空气，其目的是____________________；关闭k，用酒精灯加热时，正确操作是先________________，然后固定在管中固体部位下加热。
③观察到A中有红棕色气体出现，C、D中未见明显变化。
④待样品完全分解，A装置冷却至室温、称量，测得剩余固体的质量为1.0g。
⑤取少量剩余固体于试管中，加入适量水，未见明显现象。
（3）实验结果分析讨论
①根据实验现象和剩余固体的质量经分析可初步确认猜想________是正确的。
②根据D中无明显现象，一位同学认为不能确认分解产物中有O2，因为若有O2，D中将发生氧化还原反应：
____________________（填写化学方程式），溶液颜色会褪去；小组讨论认定分解产物中有O2存在，未检测到的原因是__________________________。
③小组讨论后达成的共识是上述实验设计仍不完善，需改进装置进一步研究。
答案
（1）不符合氧化还原反应原理（或其他合理答案）
（2）①装置气密性良好 ②避免对产物O2的检验产生干扰（或其他合理答案） 移动酒精灯预热硬质玻璃管 （3）①乙 ②2Na2SO3＋O2===2Na2SO4 O2在通过装置B时已参与反应（或其他合理答案）
解析
（1）氮元素化合价降低，无其他元素化合价升高。
（3）因为Mg（NO2）2能溶于水，Mg3N2与水反应生成Mg（OH）2和NH3，而题目信息是未见明显现象，所以固体应为MgO。
原固体n[Mg（NO3）2]＝
＝0.025mol；反应后固体如果为MgO，n（MgO）＝
＝0.025mol，若为Mg（NO2）2或Mg3N2，则Mg原子不守恒。
考点
探究型实验
1．探究性实验的常见类型
（1）物质成分的探究
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究竟含有哪些物质。
虽然探究性实验主要考查学生的探究能力，但在问题中常常包含了对实验基础知识的考查。
如：
①常见物质分离的提纯方法：
结晶法、蒸馏法、过滤法、升华法、萃取法、渗析法等。
②常见气体的制备、净化、干燥、收集等方法。
③熟悉重点的操作：
气密性检查、测量气体体积、防倒吸、防污染等。
（2）物质性质的探究
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知识的基础上，大胆猜想，细心论证。
脱离元素化合物知识，独立看待实验问题是不科学的，只有灵活运用已有的元素化合物知识，才能变探究型实验为验证型实验，使复杂问题简单化。
2．探究型实验的基本程序
解答探究性实验题的基本程序可用以下流程图表示：
提出问题→提出猜想→设计验证方案→观察实验现象发现特殊现象，提出新猜想→得出结论
（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。
题组一
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