高三化学人教版化学实验方案的设计与评价含答案.docx

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高三化学人教版化学实验方案的设计与评价含答案

教学资料范本

2021高三化学人教版：

化学实验方案的设计与评价含答案

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考纲定位

要点网络

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。

化学实验方案的设计

1．实验方案的设计原则与要求

（1）设计原则

①条件合适、操作方便；

②原理正确、步骤简单；

③原料丰富、价格低廉；

④产物纯净、污染物少。

（2）基本要求

①科学性：

科学性是指实验原理、实验操作程序和方法必须正确。

②安全性：

实验设计时应尽量避免使用有毒药品和进行具有一定危险性的实验操作。

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药品、并能在较短的时间内完成实验。

2．实验设计的关键热点

（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）仪器的连接顺序

①涉及气体的一般连接顺序

发生装置→除杂装置→干燥装置→性质探究或收集装置→尾气处理装置（注意防倒吸）。

②一般装置的进出气口

a．洗气瓶：

长进短出；b.U型管：

无前后；c.干燥管：

粗入细出；d.加热玻璃管：

无前后；e.排液量气：

短进长出。

注意：

仪器连接要注意的问题

①安装仪器时：

先下后上、先左后右。

②仪器拆卸的一般过程：

从右到左、自上而下、先拆主体、后拆部件。

③净化气体时、一般先除去有毒、有刺激性气味的气体、后除去无毒、无气味的气体、最后除去水蒸气。

④制备易潮解的物质时、制备装置前、后要连干燥装置。

命题点1　“仪器连接型”实验方案的设计

[典例导航1]

（20xx·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

（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___________________________________________________________

__________________________________________________________________。

[思路点拨]　①根据BCl3的熔、沸点可确定、BCl3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与CuO反应生成CO2、根据CO2的存在证明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、说明有一装置重复使用。

⑤装置中的O2要与C反应、干扰实验、先通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为液体收集

②排除装置中的空气、防止O2的干扰

③装置F中黑色粉末变为红色、装置D中澄清石灰水变浑浊

④BCl3＋3H2O===H3BO3＋3HCl

“仪器连接型”实验方案设计思路

[对点训练]

1．（20xx·安阳模拟）氨基锂（LiNH2）是一种白色有光泽的结晶或粉末、熔点是390℃、沸点是430℃、溶于冷水、遇热水则强烈水解。

在380～400℃时锂与氨气直接反应可制得LiNH2、下面是实验室制备LiNH2时可能用到的装置图、回答下列问题。

　A　　　　B　　　　　C　　　　D

（1）仅从试剂性质角度分析、下列各组试剂不宜用于实验室制备NH3的是________（填字母）。

A．浓氨水、CaO

B．NH4Cl固体、Ca（OH）2固体

C．浓氨水

D．NH4NO3固体、NaOH固体

（2）用

（1）中合适的试剂制取的NH3按气流方向自左向右、则图中装置的连接顺序为________________（填接口处字母）、装置A的作用是___________________________________________________________________________________。

（3）装置C中仪器的名称是________、盛装的试剂是________。

实验开始后、向X中通入NH3与加热仪器X的先后顺序为____________________。

（4）实验室还可用浓氨水与固体NaOH混合制备氨气、但多次实验表明、此方法收集到的NH3量总是比理论值低许多、其最可能的原因是______________________________________________________________________________________________________________________________________________________。

（5）氨基锂能与热水反应生成LiOH与一种气体、请推测该气体的成分并用实验验证你的结论：

____________________________________________________

_________________________________________________________________。

[解析]　

（1）因NH4NO3受热或撞击易发生爆炸、故不易用NH4NO3固体、NaOH固体制备NH3。

（2）因LiNH2能与水反应、故进入B中的氨气应该是干燥的、又因为氨气无法在B中消耗完且空气中水蒸气也可以逆向进入B、又氨气溶解时可能会产生倒吸现象、故相应的连接顺序为e→f→c→d→h→g→a；装置A中盛放浓硫酸、用于吸收氨气、及防止空气中的水蒸气进入B中。

（3）装置C用

于干燥氨气、可以使用碱性干燥剂；由于Li能与空气中氧气反应、故要先通入一段时间的氨气、排尽装置内的空气。

（4）因氨气属于易溶于水的气体、故它在溶液中生成时、溶液中会溶解有相当多的氨气、从而导致进入B中的氨气量比理论值小许多。

（5）由LiNH2＋H2O===LiOH＋NH3↑推测、气体产物是氨气、可用红色石蕊试纸检测该气体。

[答案]　

（1）D　

（2）e→f→c→d→h→g→a（h、g可互换）　盛放浓硫酸、用于吸收未反应的氨气、及防止空气中的水蒸气进入B中导致LiNH2水解　（3）干燥管　碱石灰　先通氨气再加热仪器X　（4）因氨气属于易溶于水的气体、故它在溶液中生成时、溶液中会溶解有相当多的氨气、故从而导致进入B中的氨气量比理论值小许多　（5）该气体为氨气、取少量试样放入试管中并加入适量热水、再将湿润的红色石蕊试纸靠近试管口、试纸变蓝

命题点2　“综合实验装置型”实验方案的分析

[典例导航2]

（20xx·郑州模拟）莫尔盐[（NH4）2Fe（SO4）2·6H2O、Mr＝392]是一种重要的还原剂、在空气中比一般的亚铁盐稳定。

某学习小组设计如图实验方案制备少量的莫尔盐。

回答下列问题：

（1）连接装置、检查装置气密性。

将0.1mol（NH4）2SO4晶体置于玻璃仪器_______中（填仪器名称）、将6.0g洁净铁屑加入锥形瓶中。

（2）①打开分液漏斗瓶塞、关闭活塞K3、打开K2、K1、加入55.0mL2

mol·L－1稀硫酸后关闭K1。

A装置中反应的离子方程式为_______________________________________________。

②待大部分铁粉溶解后、打开K3、关闭K2、此时可以看到的现象为__________________、原因是_________________________。

③关闭活塞K2、K3、采用100℃水浴蒸发B中水分、液面产生晶膜时、停止加热、冷却结晶、________、用无水乙醇洗涤晶体。

该反应中硫酸需过量、保持溶液的pH在1～2之间、其目的为________________________________。

④装置C的作用为______________________________________________、

装置C存在的缺点是_________________________________________________

_________________________________________________________________。

[思路点拨]　

（1）实验目的：

制备少量莫尔盐

[（NH4）2Fe（SO4）2·6H2O]。

（2）实验原理：

FeSO4＋（NH4）2SO4＋6H2O===（NH4）2Fe（SO4）2·6H2O。

（3）实验装置及其各部分装置的可能作用

A．制备FeSO4；

B．制备莫尔盐；

C．防止空气中的O2进入。

（4）问题回答

[答案]　

（1）三颈烧瓶（三颈瓶或三口瓶或三口烧瓶）　

（2）①Fe＋2H＋===H2↑＋Fe2＋　②A中的液体被压入B中　A中产生氢气、使A中压强增大　③过滤　抑制Fe2＋水解　④液封作用、防止空气进入三颈烧瓶氧化Fe2＋　不能除去尾气中的H2（或答可能会倒吸均可）

“综合实验装置型”试题的解答思维流程

[对点训练]

2．（20xx·衡阳二模）二氧化氯（ClO2）与亚氯酸钠（NaClO2）都具有强氧化性。

两者作漂白剂时、不伤害织物；作饮用水消毒剂时、不残留异味。

某研究性学习小组用二氧化氯制备亚氯酸钠、并探究其性质的实验如下。

【资料查阅】①SO2可将NaClO3还原为ClO2；②NaClO2酸化生成NaCl、并放出ClO2。

A　　　B　　　C　　　　　D　E

实验步骤如下：

Ⅰ.组装仪器并检查气密性。

仪器组装完毕（如图所示）、关闭①②③三个止水夹及b的活塞、打开a的活塞、向A的圆底烧瓶中注入水、检查装置的气密性。

Ⅱ.制备亚氯酸钠。

在各装置中分别加入相应的试剂、关闭止水夹①③和b的活塞、打开止水夹②及a的活塞、向A的圆底烧瓶中滴入75%的硫酸。

Ⅲ.探究亚氯酸钠的性质。

打开止水夹①和②、关闭止水夹③和a的活塞、通入一段时间空气；关闭止水夹①和②、打开止水夹③和b的活塞、向C的三颈烧瓶中滴入稀硫酸。

试回答下列问题：

（1）步骤Ⅰ中、装置气密性良好的现象是_________________；仪器a或b在使用前应______________。

（2）步骤Ⅱ中、B中反应的化学方程式为__________________、C中H2O2的作用为__________________________。

（3）步骤Ⅲ中、先通入一段时间空气的目的是______________、试管D中的现象为____________________________。

（4）步骤Ⅲ中、开始时C中反应缓慢、稍后产生气体的速率却迅速加快。

试解释可能的原因____________________________________________________

________________________________________________________。

（5）步骤Ⅱ、实验前若向C三颈烧瓶中加入25mL8.0mol·L－1H2O2溶液反应、分离提纯得到18.88gNaClO2晶体、则H2O2的有效利用率为________（保留两位有效数字）。

[解析]　

（1）若装置不漏气、因装置中气体压强增大、a中液体不能顺利流下、所以现象是一段时间后、仪器a中液面不再下降；仪器a、b是分液漏斗、使用前要检验是否漏水。

（2）步骤Ⅱ、B中SO2将NaClO3还原为ClO2、反应的化学方程式为SO2＋2NaClO3===2ClO2＋Na2SO4、C中用二氧化氯制备亚氯酸钠、ClO2发生还原反应、H2O2作还原剂。

（3）装置中残留的ClO2、SO2气体干扰NaClO2的检验、步骤Ⅲ中、先通入一段时间空气的目的是排出装置中残留的ClO2、SO2气体、避免干扰实验；C中加入硫酸生成的ClO2与D试管中的KI反应生成碘单质、所以试管D中的现象为溶液由无色变蓝色。

（4）NaClO2酸化生成NaCl、反应生成的Cl－起催化作用；NaClO2与硫酸的反应放热使温度升高、反应速率加快。

（5）设参加反应的H2O2的物质的量是xmol；

2ClO2＋2NaOH＋H2O2===2NaClO2＋O2＋2H2O、

　　　　　　1mol　　　181g

　　　　　　xmol　　18.88g

x≈0.104mol、H2O2的有效利用率为

×100%＝52%。

[答案]　

（1）一段时间后、仪器a中液面不再下降　检查是否漏水　

（2）SO2＋2NaClO3===2ClO2＋Na2SO4　作还原剂　（3）排出装置中残留的ClO2、SO2气体、避免干扰实验　溶液由无色变蓝色　（4）反应生成的Cl－起催化作用（或该反应放热使温度升高、反应速率加快）　（5）52%

命题点3　“猜测假设型”实验方案设计

[典例导航3]

某研究性学习小组对过量炭粉与氧化铁反应的气体产物成分进行研究。

（1）提出假设

①该反应的气体产物是CO2。

②该反应的气体产物是CO。

③该反应的气体产物是________。

（2）设计方案

如图所示、将一定量的氧化铁在隔绝空气的条件①下与过量炭粉完全反应②、测定参加反应的碳元素与氧元素的质量比③。

（3）查阅资料

氮气不与炭粉、氧化铁发生反应。

实验室可以用氯化铵饱和溶液和亚硝酸钠（NaNO2）饱和溶液混合加热反应制得氮气。

请写出该反应的离子方程式为_______________________________________

___________________________________________________________________。

（4）实验步骤

①按上图连接装置、　　　　　　　　　　　　　　④、

称取3.20g氧化铁、2.00g炭粉混合均匀、放入48.48g的硬质玻璃管中；

②加热前、先通一段时间纯净干燥的氮气⑤；

③停止通入N2后、夹紧弹簧夹、加热一段时间、澄清石灰水（足量）变浑浊；

④待反应结束、再缓缓通入一段时间的氮气⑥。

冷却至室温、称得硬质玻璃管和固体总质量为52.24g⑦；

⑤过滤出石灰水中的沉淀、洗涤、烘干后称得质量为2.00g⑧。

步骤②④中都分别通入N2、其作用分别为_____________________________

_______________________________________________________________。

（5）数据处理

试根据实验数据分析、写出该实验中氧化铁与炭粉发生反应的化学方程式为_________________________________________________________________

___________________________________________________________________。

（6）实验优化

学习小组有同学认为应对实验装置进一步完善。

①甲同学认为：

应将澄清石灰水换成Ba（OH）2溶液、其理由是_______________________________________________________________

______________________________________________________________。

②从环境保护的角度⑨、请你再提出一个优化方案：

______________

______________________________________________________________。

[思路点拨]　①避免空气中的O2与碳反应造成对实验的干扰、要先排空。

②计算时注意：

反应后炭粉有剩余、氧化铁全部反应。

③根据碳元素和氧元素的质量比可进一步求得碳元素和氧元素的物质的量之比、从而确定气体产物是CO还是CO2还是二者的混合物。

④连接好装置加入药品前、一般是检查装置的气密性。

⑤排尽装置中的空气、达到隔绝空气的目的。

⑥将残存在反应装置中的CO2赶入澄清石灰水中、确保实验结果的准确性。

⑦由此数据可求得剩余固体质量[m（Fe）＋m（C）剩]、进而可求得参加反应的碳元素的质量。

⑧此数据是CaCO3的质量、可据此求出反应中生成的CO2的物质的量。

⑨本实验中对环境造成污染的气体是CO、需进行处理。

[解析]　（5）由于炭粉过量、氧化铁完全反应、因此反应结束后所得固体是过量的炭粉和生成的Fe的混合物、其质量为m（Fe）＋m（C）剩＝52.24g－48.48g＝3.76g、其中m（Fe）＝

×3.20g＝2.24g、则m（C）剩＝3.76g－2.24g＝1.52g、m（C）反＝2.00g－1.52g＝0.48g、n（C）反＝0.04mol、由实验步骤⑤可知、反应中生成CO20.02mol、则还生成CO0.02mol、n（CO）∶n（CO2）＝1∶1、据此可写出Fe2O3与C反应的化学方程式为2C＋Fe2O3

2Fe＋CO↑＋CO2↑。

（6）①Ca（OH）2的溶解度很小、所以澄清石灰水中Ca（OH）2的浓度很小、一般不用作CO2的吸收剂、否则易导致吸收不完全造成实验误差；M（BaCO3）大于M（CaCO3）、可减小称量误差。

②本实验中能对环境造成污染的气体是CO、所以对方案的优化就是增加处理CO的装置。

[答案]　

（1）CO2、CO的混合物

（3）NH

＋NO

N2↑＋2H2O

（4）并检查装置的气密性

步骤②中是为了排尽空气；步骤④是为了赶出所有的CO2、确保完全吸收

（5）2C＋Fe2O3

2Fe＋CO↑＋CO2↑

（6）①Ba（OH）2溶解度大、浓度大、使CO2被吸收的更完全、M（BaCO3）＞M（CaCO3）、称量时相对误差小

②在尾气出口处加一点燃的酒精灯（或增加一尾气处理装置）

猜测假设型实验方案设计的一般思路

[对点训练]

3．（20xx·试题调研）某课题组同学受葡萄糖与新制氢氧化铜悬浊液反应实验的启发、拟设计实验利用氧化铜探究乙醛的还原性。

[提出猜想]

猜想1：

______________________________（写出化学方程式）；

猜想2：

CH3CHO＋2CuO△,CH3COOH＋Cu2O。

[定性实验]

（1）甲同学设计如图1所示实验方案（部分夹持装置已略去）：

图1

已知、有机物的部分物理性质如表所示：

有机物

乙酸

乙醛

溶解性

易溶于乙醇和乙醛

易溶于乙醇和乙酸

沸点/℃

117.9

20.8

按上述实验方案进行实验、当装置B中氧化铜完全反应后停止实验。

①补充“猜想1”：

_____________________________________________

___________________________________________________（写化学方程式）。

②装置C中冷水浴的作用是_____________________________________。

分离、提纯产品的方法是______________________________________。

实验中、先通入乙醛蒸气、后点燃装置B处酒精灯、这样操作的目的是_______________________________________________。

（2）已知：

Cu2O呈红色、在酸性条件下发生反应为Cu2O＋2H＋===Cu＋Cu2＋＋H2O。

乙同学设计下列实验方案：

方案

实验操作

实验现象

Ⅰ

取少量装置B中红色粉末于试管中、加入适量稀硫酸、振荡

溶液变蓝色

Ⅱ

取少量装置B中红色粉末于试管中、加入适量稀硝酸、振荡

溶液变蓝色

Ⅲ

取少量装置B中红色粉末于试管中、加入适量稀盐酸、振荡

溶液中有

红色固体

上述方案能证明猜想2成立的是________（填“Ⅰ”“Ⅱ”或“Ⅲ”）。

[定量实验]

（3）丙同学认为乙同学设计的实验方案不能证明猜想1是否成立、该同学设计了如图2所示实验方案定量探究红色固体的成分：

图2

已知：

醋酸亚铬[Cr（CH3COO）2]溶液可以吸收少量的O2。

①下列有关说法正确的是________（填标号）。

a．装置D可以控制反应的发生与停止

b．装置F中盛装醋酸亚铬溶液

c．向装置D中滴几滴硫酸铜溶液可加快反应

d．实验中观察到装置G中有明显现象

②装置G中红色粉末完全反应后、称得固体粉末质量为19.2g；装置H净增质量为2.0g。

选择合理数据计算、确定红色粉末的成分及物质的量：

________________________________________。

[解析]　

（2）取少量装置B中红色粉末于试管中、加入稀硫酸、振荡、溶液变蓝色、可确定有Cu2O；Cu、Cu2O都能与稀硝酸反应产生Cu2＋、方案Ⅱ不能