鲁科版化学高考一轮复习第10章 第3节 化学实验方案的设计与评价.docx

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鲁科版化学高考一轮复习第10章第3节化学实验方案的设计与评价

第3节 化学实验方案的设计与评价

考纲定位

全国卷5年考情

1.了解化学实验是科学探究过程中的一种重要方法。

2.根据化学实验目的和要求能做到:

①设计实验方案;

②正确选用实验装置;

③分析或处理实验数据得出合理结论;

④掌握控制实验条件的方法;

⑤评价或改进实验方案。

2017年:

Ⅰ卷T26;Ⅱ卷T28;Ⅲ卷T26

2016年:

Ⅰ卷T13;Ⅱ卷T10、T26

(1);Ⅲ卷T9、T26(6)

2015年:

Ⅰ卷T26;Ⅱ卷T28

2014年:

Ⅰ卷T26;Ⅱ卷T28

2013年:

Ⅰ卷T26;Ⅱ卷T26

考点1|化学实验方案的设计

(对应学生用书第200页)

[考纲知识整合]

1.基本原则

2.基本思路

了解实验目的→明确实验原理→掌握实验条件→选择仪器药品→设计装置步骤→记录现象数据→分析得出结论。

3.基本内容

4.实验设计的注意事项

(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)加热顺序选择

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:

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)防止试剂变质

①实验中反应物或产物若易吸水、潮解、水解等,要采取措施防止其吸水;

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。

(4)画简单装置图

能够绘制和识别典型的实验仪器装置图,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。

(5)仪器连接问题

注意所选仪器是否恰当,安装顺序是否恰当,接口顺序是否恰当。

[高考命题点突破]

命题点1 物质制备为主体的方案设计

类型一 无机物的制备

[典例导航]

(2018·湖南岳阳模拟)三氯化硼是一种重要的化工原料,主要用作半导体硅的掺杂源或有机合成催化剂,还用于高纯硼或有机硼的制取。

已知:

BCl3的沸点为12.5_℃,熔点为-107.3_℃,易潮解①。

实验室制备三氯化硼的原理为:

B2O3+3C+3Cl2

2BCl3+3CO

【导学号:

95160365】

(1)甲组同学拟用下列装置制备干燥纯净的氯气②(不用收集):

①装置B的作用是________,装置C的作用是________。

②装置A中发生反应的离子方程式为____________________________

_________________________________________________________________。

(2)乙组同学选用甲组实验中的A、B、C和下列装置(装置可重复使用)制备BCl3并验证反应中有CO生成③。

①乙组同学的实验装置中,依次连接的合理顺序为A→B→C→________→________→________→________→________④→F→D→I;其中装置E的作用是_____________________________________________

____________________________________________。

②实验开始时,先通入干燥的N

的目的是____________________________。

③能证明反应中有CO生成的现象是____________________________

_____________________________________。

④三氯化硼接触潮湿空气时会形成腐蚀性浓厚白雾⑥,其与水反应的化学方程式为________________________________。

[审题指导] ①根据BCl3的熔、沸点可确定,易液化,可用冷却水冷凝;易潮解要注意BCl3制备时水蒸气的影响,气体要干燥。

②干燥纯净的Cl2制取时注意除杂[杂质HCl、H2O(g)],及除杂的先后顺序为先除HCl再干燥。

③验证CO生成,一般是利用CO的还原性与CuO反应生成CO2,根据CO2存在证明CO的生成,但要注意CO2干扰。

④剩余4个装置,题中留有5个装置空白,说明有一装置重复。

⑤装置中的O2要与C反应,干扰实验,N2排空气,防止O2干扰。

⑥HCl在空气中易形成白雾。

【答案】 

(1)①吸收Cl2中的HCl气体 干燥Cl2或吸收Cl2中的H2O(g)

②ClO

+5Cl-+6H+

3Cl2↑+3H2O

(2)①G、E、H、J、H 冷凝BCl3为液体

②排除装置中的空气,防止O2的干扰

③装置,装置F中黑色粉末变为红色中D澄清石灰水变浑浊

④BCl3+3H2O===H3BO3+3HCl

[题后归纳] 物质制备与提纯的思维流程

[对点训练]

1.(2017·广州一测)高纯MnCO3是广泛用于电子行业的强磁性材料。

MnCO3为白色粉末,不溶于水和乙醇,在潮湿环境下易被氧化,温度高于100℃开始分解。

Ⅰ.实验室以MnO2为原料制备MnCO3

(1)制备MnSO4溶液:

①主要反应装置如图所示,缓缓通入经N2稀释的SO2气体,发生反应H2SO3+MnO2===MnSO4+H2O。

下列措施中,目的是加快反应速率的是________(填标号)。

A.MnO2加入前先研磨

B.搅拌

C.提高混合气中N2比例

②已知实验室制取SO2的原理是Na2SO3+2H2SO4(浓)===2NaHSO4+SO2↑+H2O。

选择下图所示部分装置与上图装置相连制备MnSO4溶液,应选择的装置有________(填标号)。

③若用空气代替N2进行实验,缺点是_____________________________

________________________________________________________________(酸性环境下Mn2+不易被氧化)。

(2)制备MnCO3固体:

实验步骤:

①向MnSO4溶液中边搅拌边加入饱和NH4HCO3溶液生成MnCO3沉淀,反应结束后过滤;

②……

③在70~80℃下烘干得到纯净干燥的MnCO3固体。

步骤②需要用到的试剂有________。

Ⅱ.设计实验方案

(3)利用沉淀转化的方法证明Ksp(MnCO3)

______________________________________________________________

________________________________________________________________。

(已知NiCO3为难溶于水的浅绿色固体)

(4)证明H2SO4的第二步电离不完全:

_______________________________

_______________________________________________________________。

[已知Ka2(H2SO4)=1.1×10-2mol·L-1]

【解析】 

(1)①反应物是H2SO3、MnO2,MnO2加入前先研磨、搅拌均可加快反应速率,而提高混合气中N2比例会使SO2浓度降低,反应速率减慢,故A、B项正确,C项错误。

②制备SO2用装置b,装置a提供N2,用装置e将SO2和N2混合,用装置f吸收尾气。

③若用空气代替N2进行实验,则空气中的O2能氧化H2SO3,SO2的利用率降低。

(2)步骤②为过滤,用少量水洗涤2~3次;然后用盐酸酸化的BaCl2溶液检验SO

,从而判断沉淀是否洗涤干净;最后用少量C2H5OH洗涤。

(4)H2SO4的第二步电离不完全,则第二步电离产生的SO

能发生水解,Na2SO4溶液的pH大于7。

【答案】 

(1)①AB ②abef ③空气中的O2能氧化H2SO3,使SO2利用率下降

(2)水、盐酸酸化的BaCl2溶液、乙醇

(3)向Na2CO3溶液中滴加稍过量NiSO4溶液,生成浅绿色沉淀,再滴加几滴MnSO4溶液,沉淀变成白色

(4)用酸度计测量Na2SO4溶液的pH大于7

类型二 有机物的制备

[典例导航]

酯化反应是有机化学中一种重要的反应类型,某化学兴趣小组通过酯化反应,以苯甲酸和甲醇为原料合成苯甲酸甲酯,其原理与实验装置如图(部分夹持装置以及加热装置已省去):

【导学号:

95160366】

可能用到的数据如下:

物质

苯甲酸

甲醇

苯甲酸甲酯

熔点/°C

122.4

-97

-12.3②

沸点/°C

249

64.3

199.6

相对密度/

(g·cm-3)

1.2659

0.792

1.088_8③

水溶性

微溶

互溶

不溶③

(1)仪器B、C的名称分别是:

________、________。

(2)实验前仪器B中加入适量的碎瓷片,作用是__________________,冷水应从仪器C的________(填“a”或“b”)口进入,仪器C的作用是________。

(3)实验开始时,将15g苯甲酸和过量的甲醇加入仪器B中,通过仪器A加入一定量浓硫酸,浓硫酸的作用④为________,为了提高酯的产率⑤,可以采取的措施有________________________________________________(写两条)。

(4)利用下列步骤提纯产品:

Ⅰ.加适量水后分液;Ⅱ.加适量固体Na2CO3分液;Ⅲ.加无水CaCl2干燥;Ⅳ.蒸馏得产品10.9g。

分液过程中,目标产物离开相应仪器的方法是________________________,洗涤过程中加入碳酸钠的目的⑥是________________________________________________________

________________________________________________________________,

进行蒸馏提纯时,收集________°C时的馏分即为苯甲酸甲酯;实验制得的苯甲酸甲酯的质量低于理论产量,可能的原因是________(填序号)。

a.蒸馏时,从100°C开始收集产品

b.苯甲酸实际用量多了

c.制备粗品时苯甲酸甲酯蒸发

(5)本实验的产率⑦是________(保留一位小数)。

[审题指导] ①C为球形冷凝管,冷凝回流未反应的反应物和生成物;冷却水的流向是低口进水。

②常温为液态。

③密度大于水的密度且不溶于水。

④酯化反应中浓H2SO4作催化剂和吸水剂。

⑤产率提高的途径是平衡右移。

⑥Na2CO3可吸收醇中和酸进而除酯中杂质。

⑦产率=

×100%(根据化学方程式中比例算出理论产量)。

【答案】 

(1)三颈烧瓶 球形冷凝管

(2)防止液体暴沸 a 冷凝回流

(3)催化剂、吸水剂 增大甲醇的用量、将生成的苯甲酸甲酯及时蒸出

(4)从分液漏斗下口放出 除去硫酸和未反应完的苯甲酸和甲醇 199.6 c

(5)65.2%

[易错防范] 有机制备实验中几点注意

(1)温度计水银球的位置:

若要控制反应温度,应插入反应液中,若要选择收集某温度下的馏分,则应放在支管口附近。

(2)冷凝管的选择:

球形冷凝管只能用于冷凝回流,直形冷凝管既能用于冷凝回流,又能用于冷凝收集馏分。

冷却水的方向是低口进水。

(3)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、冷凝管等)。

(4)加热方法的选择

①酒精灯加热。

酒精灯的火焰温度一般在400~500℃,所以需要温度不太高的实验都可用酒精灯加热。

②水浴加热。

水浴加热的温度不超过100℃。

(5)防暴沸:

加碎瓷片,防止溶液暴沸,若开始忘加沸石,需冷却后补加。

[对点训练]

2.1,2二溴乙烷可作抗爆剂的添加剂。

如图为实验室制备1,2二溴乙烷的装置图,图中分液漏斗和烧瓶a中分别装有浓H2SO4和无水乙醇,d装置试管中装有液溴。

已知:

CH3CH2OH

CH2===CH2↑+H2O

2CH3CH2OH

CH3CH2OCH2CH3+H2O

相关数据列表如下:

乙醇

1,2二溴乙烷

乙醚

状态

无色液体

无色液体

无色液体

红棕色液体

密度/

g·cm-3

0.79

2.18

0.71

3.10

沸点/°C

78.5

131.4

34.6

58.8

熔点/°C

-114.3

9.79

-116.2

-7.2

水溶性

混溶

难溶

微溶

可溶

(1)实验中应迅速将温度升高到170℃左右的原因是__________________

________________________________________________________________________。

(2)安全瓶b在实验中有多重作用。

其一可以检查实验进行中d装置中导管是否发生堵塞,请写出发生堵塞时瓶b中的现象:

_____________________________;

如果实验时d装置中导管堵塞,你认为可能的原因是___________________

________________________________________________________________;

安全瓶b还可以起到的作用是_____________________________。

(3)容器c、e中都盛有NaOH溶液,c中NaOH溶液的作用是______________。

(4)某学生在做此实验时,使用一定量的液溴,当溴全部退色时,所消耗乙醇和浓硫酸混合液的量,比正确情况下超过许多,如果装置的气密性没有问题,试分析可能的原因:

_______________________________(写出两条即可)。

(5)除去产物中少量未反应的Br2后,还含有的主要杂质为________,要进一步提纯,下列操作中必需的是______(填字母)。

A.重结晶      B.过滤

C.萃取D.蒸馏

(6)实验中也可以撤去d装置中盛冰水的烧杯,改为将冷水直接加入到d装置的试管中,则此时冷水除了能起到冷却1,2二溴乙烷的作用外,还可以起到的作用是_________________________________________________________________。

【解析】 

(1)该实验需用乙烯作反应物,而当温度为140℃时乙醇在浓硫酸作用下会生成副产物乙醚,所以应迅速将温度升高到170℃。

(2)当d装置中导管发生堵塞时,气体流动不畅,安全瓶b中压强增大,导致安全瓶b中长直玻璃管内液柱上升。

由于1,2二溴乙烷的熔点为9.79℃,如果d装置烧杯中冰水温度过低,1,2二溴乙烷凝固,d装置导管中发生堵塞。

因此安全瓶b还可以起到防倒吸的作用。

(3)浓硫酸与乙醇能发生氧化还原反应,因而有SO2、CO2等酸性气体生成,容器c内NaOH溶液可将其除去。

(4)实验时所消耗乙醇和浓硫酸混合液的量比正常情况下多,可从浓硫酸与部分乙醇发生氧化还原反应、乙烯气流过快难以被液溴全部吸收、加热温度控制不当造成部分乙醇挥发、发生其他副反应等方面分析。

(5)除去产物中少量未反应的Br2后,还含有的主要杂质是乙醚,根据表中数据知1,2二溴乙烷的沸点与乙醚的沸点相差较大,可用蒸馏的方法进行分离。

(6)直接将冷水加入d装置的试管中,此时冷水会起到液封的作用。

【答案】 

(1)减少副产物乙醚生成

(2)b中长直玻璃管内液柱上升 过度冷却,产品1,2二溴乙烷在装置d中凝固 防止倒吸

(3)吸收乙烯气体中含有的CO2、SO2等酸性气体

(4)①浓硫酸将部分乙醇氧化;②发生副反应生成乙醚;③乙醇挥发;④乙烯流速过快,未完全发生加成反应(写出两条即可)

(5)乙醚 D

(6)液封Br2及1,2二溴乙烷

命题点2 实验性质探究为主体的方案设计

[典例导航]

(2017·全国Ⅲ卷)绿矾是含有一定量结晶水的硫酸亚铁,在工农业生产中具有重要的用途。

某化学兴趣小组对绿矾的一些性质进行探究。

回答下列问题:

【导学号:

95160367】

(1)在试管中加入少量绿矾样品,加水溶解,滴加KSCN①溶液,溶液颜色无明显变化。

再向试管中通入空气,溶液逐渐变红。

由此可知:

__________________、__________________。

(2)为测定绿矾中结晶水含量,将石英玻璃管(带两端开关K1和K2)(设为装置A)称重,记为m1_g②。

将样品装入石英玻璃管中,再次将装置A称重,记为m2_g②。

按下图连接好装置进行实验。

①仪器B的名称是________。

②将下列实验操作步骤正确排序③________(填标号);重复上述操作步骤,直至A恒重,记为m3_g。

a.点燃酒精灯,加热

b.熄灭酒精灯

c.关闭K1和K2

d.打开K1和K2,缓缓通入N2

e.称量A

f.冷却到室温

③根据实验记录,计算绿矾化学式中结晶水数目x=________(列式表示)。

若实验时按a、d次序操作⑤,则使x________(填“偏大”“偏小”或“无影响”)。

(3)为探究硫酸亚铁的分解产物,将

(2)中已恒重的装置A接入下图所示的装置中,打开K1和K2,缓缓通入N2,加热。

实验后反应管中残留固体为红色粉末。

①C、D中的溶液⑥依次为________(填标号)。

C、D中有气泡冒出,并可观察到的现象分别为________________________________________________________

______________________________________________________________。

a.品红溶液 b.NaOH溶液 c.BaCl2溶液

d.Ba(NO3)2溶液 e.浓H2SO4溶液

②写出硫酸亚铁高温分解反应的化学方程式⑦___________________________

________________________________________________________________。

[审题指导] ①KSCN溶液可检验Fe3+的存在。

②根据m1g和m2g可知绿矾质量为(m2-m1)g。

③排空→反应加热→停止加热→冷却→隔绝→称量

④绿矾失水的质量为(m2-m3)g

FeSO4的质量为(m3-m1)g

FeSO4·xH2O

FeSO4+xH2O

       152  18x

     (m3-m1)g (m2-m3)g

列比例得x=

⑤a、d次序操作,未排空,FeSO4被氧化,导致m3偏大,m2-m3偏小。

⑥FeSO4强热有可能生SO2或SO3,故C、D的作用检验SO2或SO3,但注意SO3与H2O极易反应生成H2SO4,故先检验SO3,再检验SO2。

⑦F

SO4→F

2O3;FeSO4一定分解生成SO2,根据电子守恒一定有SO3生成。

【答案】 

(1)样品中没有Fe3+ Fe2+易被氧气氧化为Fe3+

(2)①干燥管 ②dabfce ③

 偏小

(3)①c、a 生成白色沉淀、退色 ②2FeSO4

Fe2O3+SO2↑+SO3↑

[题后归纳] 实验性质探究型试题的解题方略

(1)解题的一般流程

第一步

明确实验干什么

审题干及设问,明确实验目的

第二步

题干信息有什么

审题干明确物质的特性及其他有效信息

第三步

思考实验原理是什么

根据实验目的、题干信息及已有知识,设想探究、验证物质性质的实验原理

第四步

问题问什么

细审试题设问,斟酌命题意图,确定答题方向

第五步

规范解答

结合第三步、第四步,用学科语言、化学用语有针对性地回答问题

(2)物质实验探究设计需要注意的问题

①有水蒸气生成时,先检验水蒸气再检验其他成分。

②对于需要进行转化才能检测的成分要注意排除干扰。

如CO的检验,要先检测CO中是否含有CO2,如果有CO2,先除去CO2后才能对CO实施转化,最后再检测转化生成的CO2。

③若试题只给出部分药品和装置,则应给出必要的补充;若给出多余的试剂品种,则应进行筛选。

④注重答题的规范性,有些题目要求指出试剂的名称。

如无水硫酸铜、澄清石灰水、酸性高锰酸钾溶液、饱和NaHCO3溶液等。

[对点训练]

(2016·四川高考)CuCl广泛应用于化工和印染等行业。

某研究性学习小组拟热分解CuCl2·2H2O制备CuCl,并进行相关探究。

【资料查阅】

【实验探究】 该小组用下图所示装置进行实验(夹持仪器略)。

请回答下列问题:

(1)仪器X的名称是________。

(2)实验操作的先后顺序是a→________→e(填操作的编号)。

a.检查装置的气密性后加入药品

b.熄灭酒精灯,冷却

c.在“气体入口”处通入干燥HCl

d.点燃酒精灯,加热

e.停止通入HCl,然后通入N2

(3)在实验过程中,观察到B中物质由白色变为蓝色,C中试纸的颜色变化是________。

(4)装置D中发生的氧化还原反应的离子方程式是______________________________________________________________________

_______________________________________________________________。

【探究反思】

(5)反应结束后,取出CuCl产品进行实验,发现其中含有少量的CuCl2或CuO杂质。

根据资料信息分析:

①若杂质是CuCl2,则产生的原因是_________________________

________________________________________________________________。

②若杂质是CuO,则产生的原因是__________________________________

________________________________________________________________。

【解析】 

(1)仪器X的名称为干燥管。

(2)热分解CuCl2·2H2O制备CuCl,应防止CuCl被氧化和Cu+水解,所以必须先赶走装置中的氧气和水蒸气后再加热,且要在HCl气流中加热制备,反应结束后先熄灭酒精灯,冷却,停止通入HCl,继续通入氮气,所以操作顺序为a→c→d→b→e。

(3)B中物质由白色变为蓝色,说明有水生成,产物中还有Cl2,所以C中湿润蓝色石蕊试纸先变红,后退色。

(4)D中发生的氧化还原反应是Cl2和NaOH的反应,反应的离子方程式为Cl2+2OH-===Cl-+ClO-+H2O。

(5)①若杂质是CuCl2,说明CuCl2没有反应完全,原因是加热时间不足或温度偏低;②CuCl2·2H2O在无HCl气体保护的氛围中受热,最终生成CuO,故最后产品中若出现CuO杂质,说明通入HCl的量不足。

【答案】 

(1)干燥管

(2)cdb

(3)先变红,后退色

(4)Cl2+2OH-===Cl-+ClO-+H2O

(5)①加热时间不足或温度偏低

②通入HCl的量不足

3.(2017·专家原创)某校化学兴趣小组为探究铁与浓硫酸反应,设计了如图所示装置进行实验。

【导学

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