高考化学二轮习题化学实验设计与评价.docx
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高考化学二轮习题化学实验设计与评价
第三讲 化学实验设计与评价
[考纲展示]
1．能设计、评价或改进实验方案。
2.了解控制实验条件的方法。
3.能分析或处理实验数据，得出合理结论。
4.能绘制和识别典型的实验仪器装置图。
考点一 化学实验方案的设计
一、实验方案设计的基本要求
二、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，设计合理的实验方案，并且从几种方案中分析选择出最佳方案。
三、实验设计示例
设计实验证明氯酸钾中含有氯元素。
1．实验原理（用化学或离子方程式表示）：
2KClO3
2KCl＋3O2↑，Ag＋＋Cl－===AgCl↓。
2．实验试剂：
氯酸钾固体、MnO2、AgNO3溶液、稀硝酸。
3．操作步骤
（1）将氯酸钾和MnO2混合共热。
（2）冷却至室温，加水充分溶解后，过滤。
（3）取少量滤液于洁净试管中，加入几滴硝酸酸化的AgNO3溶液，观察到有白色沉淀生成，证明氯酸钾中含有氯元素。
四、实验方案设计中的安全问题
1．防爆炸：
点燃可燃性气体（如H2、CO、CH4、C2H4）或用CO、H2还原Fe2O3、CuO之前，要检验气体的纯度。
2．防暴沸：
配制硫酸的水溶液或硫酸的酒精溶液时，要将密度大的浓硫酸缓慢倒入水中或酒精中；加热液体混合物时要加沸石或碎瓷片。
3．防中毒：
制取有毒气体（如Cl2、CO、SO2、H2S、NO2、NO）时，应在通风橱中进行，且进行尾气处理。
4．防倒吸：
加热法制取并用排水法收集气体或吸收溶解度较大的气体（如NH3、HCl）时，要注意熄灯顺序或加装安全瓶。
五、实验方案创新设计的几个方面
1．尾气处理装置的设计
在设计尾气处理装置时，要充分考虑装置是否符合以下几点：
能充分吸收气体、不能倒吸、尾气处理装置应与大气相通。
例如：
下列吸收氨气的装置（未标出的液体为水）A、C、E、F、G均能防止倒吸，B、D均不能。
2．防污染安全装置的设计
例如：
下列尾气处理装置中，A可吸收有毒的尾气（如Cl2、SO2等），B和C装置可吸收易溶的尾气（如HCl、NH3等），D可用于除去CO等可燃性气体，E可用于收集所有气体。
3．量气装置的设计
例如：
下列装置中，A是常规的量气装置，B、C、D是改进后的装置，而装置E则不能测量气体体积。
4．启普发生器具有随开随用、随关随停的特点，是气体制备的常用装置。
实验室中没有启普发生器时，可以根据启普发生器的原理设计出简易制气装置，如下图所示的装置。
名师点拨
?
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。
例如：
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个防变质装置。
?
3?
补画装置图的题目中，装置图画得不准确、不规范也会失分。
（2015·高考全国卷Ⅰ）草酸（乙二酸）存在于自然界的植物中，其K1＝×10－2，K2＝×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。
澄清石灰水
D
水
E
浓氢氧化钠溶液
F
无水氯化钙 排水集气装置
G H I
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________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
[解析]
（1）结合草酸晶体（H2C2O4·2H2O）的组成可知，澄清石灰水应是用来检验其分解产物CO2的存在。
因草酸晶体易升华，且草酸钙难溶于水，若草酸进入C装置，会干扰CO2的检验，故装置B中冰水的主要作用是冷凝挥发出来的草酸。
（2）①要验证草酸晶体分解产物中还有CO，只能通过检验CO与CuO反应的产物CO2的存在来达到这一目的。
因为草酸晶体的分解产物本身含有CO2，会对CO的检验造成干扰，所以在检验CO前应将分解产物中的CO2除尽，可选用F装置来除去CO2，D装置用来检验CO2是否除尽。
将除去CO2的气体通过盛有无水氯化钙的装置G干燥，然后通过盛有CuO的装置H，CuO将CO氧化为CO2，再将气体通过盛有澄清石灰水的D装置，用来检验CO2的存在。
因CO有毒，最后可将尾气通过排水法收集。
②若前一个装置D中澄清石灰水不变浑浊，说明草酸晶体分解的产物CO2已除尽；H中黑色CuO变红，同时其后的装置D中澄清石灰水变浑浊，说明草酸晶体分解产物中含有CO。
（3）①根据强酸制弱酸的反应原理，可选择NaHCO3加入草酸溶液的实验方法来证明草酸的酸性比碳酸的强。
②根据酸碱中和反应原理，可采用中和滴定的方法用NaOH标准溶液来滴定一定物质的量浓度的草酸溶液，根据反应的草酸与NaOH的物质的量的比值为1∶2，证明草酸是二元酸。
[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
—综合实验设计题的解题思路
（1）巧审题，明确实验的目的和原理。
实验原理是解答实验题的核心，是实验设计的依据和起点。
实验原理可从题给的化学情景（或题首所给实验目的）并结合元素化合物等有关知识获取。
在此基础上，遵循可靠性、简捷性、安全性的原则，确定符合实验目的、要求的方案。
（2）想过程，理清实验操作的先后顺序。
根据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步骤，把握各步实验操作的要点，理清实验操作的先后顺序。
（3）看准图，分析各项实验装置的作用。
有许多综合实验题图文结合，思考容量大。
在分析解答过程中，要认真细致地分析图中所示的各项装置，并结合实验目的和原理，确定它们在该实验中的作用。
（4）细分析，得出正确的实验结论。
实验现象（或数据）是化学原理的外在表现。
在分析实验现象（或数据）的过程中，要善于找出影响实验成败的关键以及产生误差的原因，或从有关数据中归纳出定量公式，绘制变化曲线等。
1.（2015·最新试题调研）工业上从废铅蓄电池的铅膏回收铅的过程中，可用碳酸盐溶液与处理后的铅膏（主要成分为PbSO4）发生反应：
PbSO4（s）＋CO
（aq）
PbCO3（s）＋SO
（aq）。
某课题组用PbSO4为原料模拟该过程，探究上述反应的实验条件及固体产物的成分。
（1）上述反应的平衡常数表达式：
K＝________________________________________________________________________。
（2）室温时，向两份相同的PbSO4样品中分别加入同体积、同浓度的Na2CO3和NaHCO3溶液均可实现上述转化，在________溶液中PbSO4转化率较大，理由是________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
（3）查阅文献：
上述反应还可能生成碱式碳酸铅[2PbCO3·Pb（OH）2]，它和PbCO3受热都易分解生成PbO。
该课题组对固体产物（不考虑PbSO4）的成分提出如下假设，请你完成假设二和假设三：
假设一：
全部为PbCO3；
假设二：
__________________；
假设三：
__________________。
（4）为验证假设一是否成立，课题组进行如下研究。
①定性研究：
请你完成下表中内容。
实验步骤（不要求写出具体操作过程）
预期的实验现象和结论
取一定量样品充分干燥，……
②定量研究：
取mg的干燥样品，加热，测得固体质量随温度的变化关系如下图。
某同学由图中信息得出结论：
假设一不成立。
你是否同意该同学的结论，并简述理由：
________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
解析：
突破本题的难点在于溶解平衡的应用和对数据的处理。
（1）反应的平衡常数是用各反应物和生成物的浓度来表示的，固体和纯液体的浓度是一定值，不出现在表达式中，故K＝
。
（2）在溶液中Na2CO3能完全电离生成CO
，而NaHCO3是弱酸的酸式盐，溶液中的HCO
微弱电离生成CO
，故两者同浓度时Na2CO3溶液中CO
浓度大，PbSO4转化率较大。
（3）根据原题的描述可知，PbSO4在转化时能生成PbCO3，也能生成碱式碳酸铅，故所得产物有三种可能情况：
一是全部为碳酸铅，二是全部为碱式碳酸铅，三是两者都有。
（4）①因为PbCO3分解生成PbO和CO2，碱式碳酸铅分解生成PbO、CO2和H2O，故只要分析产物中是否有H2O生成就可以判断假设一是否成立。
②同意，若全部为PbCO3时，mg样品完全分解后最终固体质量应为mg（或：
不同意，实验最终得到固体的质量与全部为PbCO3分解所得固体质量相差不大，可能是实验过程中产生的误差引起的）。
答案：
（1）
（2）Na2CO3 Na2CO3溶液中的c（CO
）大
（3）全部为2PbCO3·Pb（OH）2
为PbCO3和2PbCO3·Pb（OH）2的混合物
（4）①
实验步骤（不要求写出具体操作过程）
预期的实验现象和结论
充分加热样品，将产生的气体通入盛有无水硫酸铜的干燥管
若无水硫酸铜不变蓝，则假设一成立；若无水硫酸铜变蓝，则假设一不成立
②同意，若全部为PbCO3时，mg样品完全分解后最终固体质量应为mg（或：
不同意，实验最终得到固体的质量与全部为PbCO3分解所得固体质量不同，但相差不大，两者质量不同可能是实验过程中产生的误差引起的）（合理答案均可）
题组一 对未知产物的探究实验设计
1．硫代硫酸钠是一种常见的化工原料。
将SO2通入按一定比例配成的Na2S和Na2CO3混合溶液中，便可得到Na2S2O3，该反应的化学方程式为2Na2S＋Na2CO3＋4SO2===3Na2S2O3＋CO2。
（1）在配制混合溶液前先将蒸馏水加热煮沸一段时间后待用，其目的是________________________________________________________________________。
（2）用该方法获得的Na2S2O3·5H2O晶体中常混有一定量的杂质。
某兴趣小组欲对其中所含杂质的成分进行探究（不考虑副反应和杂质所带的结晶水）。
[提出假设]
假设1：
晶体中只含Na2CO3杂质；
假设2：
晶体中只含Na2S杂质；
假设3：
________________________________________________________________________。
[查阅资料]
①SO2＋2H2S===3S↓＋2H2O；
②Na2S2O3在中性、碱性溶液中较稳定，而在酸性溶液中能迅速发生反应：
Na2S2O3＋H2SO4===Na2SO4＋S↓＋SO2↑＋H2O。
[判断与思考]
某同学取少量制得的晶体溶于足量稀H2SO4中，并将产生的气体通入CuSO4溶液中，未见黑色沉淀，据此认为假设2不成立。
你认为其结论是否合理？
________（填“合理”或“不合理”）中，请说明理由：
________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
[设计方案进行实验]
基于假设1，完成下表中的实验方案、现象及结论（仪器自选）。
限选实验试剂：
3mol·L－1H2SO4溶液、1mol·L－1NaOH溶液、酸性KMnO4溶液、饱和NaHCO3溶液、品红溶液、澄清石灰水。
实验方案
现象及结论
（3）已知：
2Na2S2O3＋I2===2NaI＋Na2S4O6。
为测定所制得晶体的纯度，该小组以淀粉作指示剂，用mol·L－1的碘水进行多次取样滴定，测得Na2S2O3·5H2O的含量约为102%。
若所用试剂及操作均无不当，产生该结果最可能的原因是________________________________________________________________________
________________________。
解析：
Na2S2O3与稀H2SO4反应生成的SO2对H2S和CO2的检验都有干扰。
在检验时应充分考虑到：
晶体中可能含有的杂质（Na2S）在滴定时参与反应或晶体部分失去结晶水，是解答第（3）小题的关键。
答案：
（1）赶走水中的溶解氧（或空气）
（2）晶体中含Na2S和Na2CO3两种杂质 不合理 Na2S2O3与稀H2SO4反应生成的SO2与H2S发生反应，可能无H2S逸出
实验方案
现象及结论
取适量晶体于烧瓶中，加入足量3mol·L－1H2SO4溶液，塞上带导气管的橡胶塞，将产生的气体导出并依次通过盛有酸性KMnO4溶液、品红溶液、澄清石灰水的洗气瓶
若品红溶液不褪色、澄清石灰水变浑浊，说明晶体中含Na2CO3杂质
（其他合理答案也可）
（3）晶体中含有的杂质（如Na2S等）在滴定时参与反应或晶体部分失去结晶水（其他合理答案也可）
题组二 对物质性质的探究实验设计
2．（2015·山东济南质检）MnO2是中学化学中常见的一种试剂，可作氧化剂和催化剂。
某兴趣小组通过实验对MnO2的性质进行了一系列的研究。
（1）欲探究MnO2的催化效果，需要用30%的H2O2溶液（密度近似为1g·cm－3）配制浓度为3%的H2O2溶液（密度近似为1g·cm－3）100mL。
简述其配制方法：
________________________________________________________________________
________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
（2）该小组设计了如下4个方案以验证MnO2的氧化性，可行的是________。
A．把MnO2固体加入到FeSO4溶液中，再加入KSCN溶液，观察溶液是否变红
B．把MnO2固体加入到FeCl3溶液中，再加入KSCN溶液，观察溶液是否变红
C．把MnO2固体加入到Na2SO3溶液中，再加入BaCl2溶液，观察是否有白色沉淀生成
D．把MnO2固体加入到稀盐酸中，观察是否有黄绿色气体生成
（3）该小组为研究在不同酸碱性的溶液中MnO2的氧化能力，他们控制KI溶液的浓度和MnO2固体的质量相同，恒定实验温度在298K，设计如下对比实验：
实验
酸或碱
现象
A
1滴mol·L－1NaOH溶液
不变色
B
1滴水
缓慢变为浅棕褐色
C
1滴mol·L－1硫酸
迅速变为棕褐色
从上述对比实验中，可以得出的结论是________________________________________________________________________。
写出在酸性条件下，MnO2氧化I－的离子方程式：
________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
（4）利用二氧化锰的氧化性，让其与浓盐酸反应制取氯气，下列仪器可作为该反应的反应容器的是________（填序号）。
解析：
（1）需30%的H2O2溶液的体积为100mL×3%÷30%＝10mL，质量为10g，则需水90g，即90mL。
（2）B项MnO2固体不可能将FeCl3氧化，加入KSCN溶液也无实际意义；C项无论Na2SO3是否被氧化，都能生成白色沉淀；D项常温下MnO2不能将稀盐酸氧化。
（3）根据信息，棕褐色应该是I2溶液的颜色，因而MnO2将I－氧化为单质，本身被还原为Mn2＋，据此可写出相应的离子方程式。
（4）C为容量瓶，不能加热；B为烧杯，无法将制得的氯气导入集气瓶。
答案：
（1）用量筒量取10mL30%的H2O2溶液放入烧杯中，再加入90mL水，搅拌均匀
（2）A （3）酸性越强，MnO2的氧化性越强 MnO2＋2I－＋4H＋===Mn2＋＋I2＋2H2O （4）AD
3．（2015·广西南宁高三测试）某实验小组开展自主实验活动，学校实验室提供如下实验试剂和实验装置：
实验试剂：
A．浓盐酸 B．稀盐酸
C．浓硫酸D．稀硫酸
E．MnO2粉末F．Na2SO3晶体
G．Na2SO3稀溶液H．NaOH稀溶液
I．品红溶液
实验装置：
Ⅰ.该小组拟制备Cl2和SO2两种气体，请为其选择适当的试剂（用字母表示）和装置并填入下表：
气体
试剂
装置
Cl2
SO2
上述制备Cl2的反应的离子方程式是________________________________________________________________________
________________________。
Ⅱ.该小组进一步探究Cl2和SO2两种气体的化学性质，设计如图装置。
首先将C中少量SO2通入B中，请书写SO2与过量NaOH溶液反应的化学方程式：
________________________________________________________________________；
为验证此时溶液中大量存在的阴离子，该小组又设计了若干实验方案，其实验简要操作及结论是________________________________________________________________________
________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
待SO2与过量NaOH溶液反应完全后再将过量Cl2通入B中充分反应，此时溶液中一定大量存在的阴离子是________（不考虑空气中的CO2影响）。
解析：
Ⅰ.根据提供的实验试剂和装置，制Cl2只能用MnO2和浓盐酸，该反应需要加热，故选用丙装置；制SO2用浓硫酸和Na2SO3晶体，故选用乙装置。
Ⅱ.SO2与过量NaOH反应生成Na2SO3和H2O，要证明溶液中存在SO
，利用已提供的试剂只能选用稀H2SO4和品红溶液，在反应后的溶液中逐滴加入足量的稀H2SO4，开始无现象，后产生气体，并将产生的气体通入品红溶液中，若品红溶液褪色，证明产生气体是SO2，即证明含有SO
；上述反应完全后再通入过量Cl2即发生反应：
Na2SO3＋Cl2＋2NaOH===Na2SO4＋2NaCl＋H2O，故反应后的溶液中一定大量存在的阴离子是SO
和Cl－。
答案：
Ⅰ.
气体
试剂
装置
Cl2
A、E
丙
SO2
C、F
乙
MnO2＋4H＋＋2Cl－
Mn2＋＋Cl2↑＋2H2O
Ⅱ.SO2＋2NaOH===Na2SO3＋H2O 取少量B中溶液于试管中，逐滴加入过量稀硫酸，开始无现象，后有气泡产生，将产生的气体通入品红溶液中，能使品红溶液由红色变成无色，则证明存在SO
Cl－和SO
反思归纳
实验方案设计中几个易忽视的问题
（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，要防止爆炸。
例如：
H2还原CuO实验中应先通入H2，气体点燃前要先验纯。
（3）防止氧化。
例如：
H2还原CuO要“先灭灯再停氢”，白磷切割要在水中进行等。
（4）防止吸水。
例如：
实验、取用、制取易吸水、潮解、水解的物质要采取必要措施，以保证达到实验目的。
（5）易挥发液体产物（导出时可为蒸气）的及时冷却。
（6）仪器拆卸的科学性与安全性。
例如：
防污染、防氧化、防倒吸、防爆炸、防泄漏等。
考点二 化学实验方案的评价
一、实验方案的评价解题要点
1．理论上要科学。
2．操作上要简单可行。
3．原料用量要节约。
4．要环保，符合绿色化学原则。
二、实验评价题的常见考查角度
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
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