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1、第40讲化学实验方案的设计与评价,一、制备实验方案的设计与评价 1.一个相对完整的化学实验方案一般应包括的内容有:实验名称、实验目的、实验原理、实验用品和实验步骤、 实验现象记录及结果处理、问题和讨论等。 2.实验方案设计的基本要求 (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。,教材研读,(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
2、间内完成实验。 3.制备实验方案的设计 制备实验方案的设计,对巩固元素及其化合物知识和掌握好各类物质之间的相互转化关系,全面训练实验技能,培养分析问题和解决问题的能力是有益的。 制备实验方案的设计,应遵循以下原则: a.条件合适,操作方便; b.原理正确,步骤简单; c.原料丰富,价格低廉; d.产物纯净,污染物少。 即从多种路线中选出一种最佳的制备途径,合理地选择化学仪器与药品,设计合理的实验装置和实验操作步骤。,4.制备实验方案的评价 (1)从实验方案可行性角度评价 只有合理且切实可行的实验方案才有意义。可行性是方案的第一要素,评价方案时应注意从实验原理和操作两个方面分析:理论上要科学合理
3、;操作上要简单可行。 (2)从经济效益角度评价 评价一种实验方案,不仅要从科学性上判断是否可行,还要从经济效益上考虑是否切合实际。 (3)从环保角度评价 防止污染的根本途径在于控制“三废”的排放,在对实验方案进行评价时,不可忽视环境保护的重要性。,(4)从安全性方面对实验方案作出评价 化学实验安全通常要考虑气密性检查、气体纯度检验、加热的顺序、防倒吸、有毒气体的吸收处理等问题。 自测1纳米碳酸钙广泛应用于橡胶、塑料、造纸、化学建材、油墨、涂料、密封胶与胶黏剂等行业。在浓CaCl2溶液中通入NH3和CO2可以制得纳米级碳酸钙。某校学生实验小组设计如图所示装置制取该产品。D中装有蘸稀硫酸的脱脂棉,
4、图中夹持装置已略去。,(1)A中制备气体时,所需的药品是 ac (填字母)。 a.石灰石b.饱和氯化钙溶液c.6 molL-1盐酸 d.氯化铵固体e.氢氧化钙固体 (2)B中盛有饱和NaHCO3溶液,其作用是除去CO2中的HCl 。 (3)写出制取氨气的化学方程式: 2NH4Cl+Ca(OH)2 CaCl2+2H2O+2NH3 。 (4)在实验过程中,向C中通入气体是有先后顺序的,应先通入的气体是 NH3 (写化学式)。 (5)检验D出口处是否有氨气逸出的方法是将湿润的红色石蕊试纸放在D出口处,若试纸变蓝,则证明有氨气逸出;若试纸不变蓝,则证明没有氨气逸出(合理即可) 。,(6)写出制纳米级碳
5、酸钙的化学方程式: CaCl2+CO2+H2O+2NH3 = 2NH4Cl+CaCO3 。,解析(1)A中制备的气体为CO2,所需的药品为石灰石和6 molL-1盐酸; (2)制得的CO2中含有HCl,应该用饱和NaHCO3溶液除去; (4)NH3的溶解度大于CO2,所以先通入NH3使溶液呈碱性,CO2才能被充分吸收; (5)检验NH3时可将湿润的红色石蕊试纸放在D出口处,若试纸变蓝,则证明有氨气逸出;如果试纸不变蓝,则证明没有氨气逸出。,自测2硝基苯是重要的精细化工原料,是医药和染料的中间体,还可作有机溶剂。制备硝基苯的过程如下: 配制混酸,组装如图所示的反应装置。取100 mL烧杯,用20
6、 mL浓硫酸与 18 mL浓硝酸配制混合酸,加入恒压滴液漏斗中。把18 mL苯加入三颈烧瓶中。,向室温下的苯中逐滴加入混酸,边滴边搅拌,混合均匀。 在5060 下发生反应,直至反应结束。 除去混合酸后,粗产品依次用蒸馏水和10%Na2CO3溶液洗涤,最后再用蒸馏水洗涤得到粗产品。 已知:(1)+HNO3(浓)+H2O +HNO3(浓)+,(2)可能用到的有关数据列表如下:,请回答下列问题: (1)配制混酸应先在烧杯中加入浓硝酸。 (2)恒压滴液漏斗的优点是 可以保持漏斗内压强与发生器内压强相等,使漏斗内液体能顺利流下 。 (3)实验装置中长玻璃导管可用 冷凝管 代替(填仪器名称)。 (4)反应
7、温度控制在5060 的原因是 防止副反应发生(答案合理即可) 。 (5)反应结束后产品在液体的上层(填“上”或者“下”),分离混酸和产品的操作方法为分液。 (6)用10% Na2CO3溶液洗涤之后再用蒸馏水洗涤时,怎样验证液体已洗净?取最后一次洗涤液,加入氯化钙溶液,无沉淀生成,说明已洗净。 (7)为了得到更纯净的硝基苯,还须先向液体中加入氯化钙除去水,然后蒸馏。,解析(5)由表格中相关物质的密度可知,反应结束后产品在液体的上层;分离互不相溶的液体混合物采用的方法是分液。(6)粗产品依次用蒸馏水和 10%Na2CO3溶液洗涤,最后再用蒸馏水洗涤,如果洗涤干净,则洗涤液中不含有C,所以验证已经洗
8、干净的方法是取最后一次洗涤液,加入氯化钙溶液,若无沉淀生成,说明已经洗干净。(7)为了得到更纯净的硝基苯,须先向液体中加入无水CaCl2除去水,然后蒸馏。,二、探究实验方案的设计与评价 1.探究实验方案的设计程序 观察外观性质预测物质性质实验和观察解释及结论。图示如下:,(1)验证性实验方案的设计 物质性质推测实验验证结论。图示如下: (2)探究性实验方案的设计 探究性实验方案的设计,可以按照以下步骤进行:,2.探究实验方案的评价 (1)对实验用品选择的评价 包括仪器的选择、药品的选择、连接方式的选择等。仪器的选择包括发生装置(几种基本类型)、净化装置(除杂质的试剂与顺序)、反应装置、收集装置
9、、尾气处理装置等的选择;药品的选择包括种类、浓度、物质状态等的选择;连接方式的选择包括仪器的先后顺序、导管接口的连接方式等的选择。 (2)对不同实验方案的评价 对几个实验方案的正确与错误、严密与不严密、准确与不准确作出判断。要考虑是否合理、有无干扰现象、经济上是否合算和对环境有无污染等。,(3)最佳方案的选用 几个实验方案都能达到目的,应分析各方案的优劣并选出其中最佳的一个。所谓最佳,无非是装置最简单、药品容易取得且价格低廉、原料利用率高、现象明显、无干扰物质以及无污染等。,自测3漂白粉是生产生活中常用的消毒剂和杀菌剂。实验室有一瓶密封不严的漂白粉样品,其中肯定存在CaCl2,请设计实验,探究
10、该样品中可能存在的其他固体物质。 (1)提出合理假设。 假设1:该漂白粉未变质,只含有 Ca(ClO)2; 假设2:该漂白粉全部变质,只含有 CaCO3 ; 假设3:该漂白粉部分变质,既含有Ca(ClO)2,又含有CaCO3。 (2)设计实验方案,进行实验。请写出实验步骤、预期现象和结论。 限选用的仪器和药品:试管、胶头滴管、带导管的单孔塞、蒸馏水、自来水、1 mol/L盐酸、品红溶液、新制澄清石灰水。(提示:不必检验Ca2+和Cl-),自测4某化学兴趣小组的同学学习了同周期元素性质递变规律后,设计了一套实验方案进行实验探究,并记录了有关实验现象如下表:,请你帮助该同学整理并完成实验报告。,(
11、1)实验目的: 探究同周期元素性质的递变规律 。 (2)实验用品:仪器试管、烧杯、酒精灯、试管夹、镊子、小刀、玻璃片、砂纸、胶头滴管等。 药品:钠、镁带、铝条、2 molL-1的盐酸、新制的氯水、新制的H2S饱和溶液、AlCl3溶液、NaOH溶液等。 (3)请你写出上述的实验操作与对应的现象: B、F、A、D、C、E。 (用AF表示) 写出实验操作、的离子反应方程式: 实验操作 Cl2+H2S= 2H+2Cl-+S ; 实验操作 Al3+3OH- =Al(OH)3、Al(OH)3+OH- =Al- 2+2H2O 。 (4)实验结论: 金属性:NaMgAl,非金属性:ClS 。,考点突破,考点一
12、实验综合题的解题策略,考点二化学实验方案的设计思路及步骤,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验装置,按一定顺序操作,才能顺利完成。因此,对于一道综合实验题,我们总是可以把它分解成几个既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,再由各个小实验之间的关系确定操作的先后顺序。基本思路如下: 综合实验小实验确定基本操作及其先 后顺序,考点一实验综合题的解题策略,典例1以下实验设计能达到实验目的的是(),D,答案DNaHCO3固体受热易分解,A不正确;Al与稀盐酸反应生成AlCl3 和H2,蒸发AlCl3溶液最终得到Al(OH)3固体,B不正确;重
13、结晶法提纯苯甲酸是将粗品溶于少量热水中,然后趁热过滤,冷却结晶,C不正确; 2NaBr+Cl2 2NaCl+Br2,2KI+Cl2 2KCl+I2,用CCl4萃取后,CCl4层显 橙色的原溶液为NaBr溶液,CCl4层显紫色的原溶液为KI溶液,D正确。,1-1工业上,向500600 的铁屑中通入氯气生产无水氯化铁;向炽热铁屑中通入氯化氢生产无水氯化亚铁。现用如图所示的装置模拟上述过程进行实验。 回答下列问题:,(1)制取无水氯化铁的实验中,A中反应的化学方程式为 MnO2+4HCl(浓) MnCl2+Cl2+2H2O,装置B中加入的试剂是浓硫酸。 (2)制取无水氯化亚铁的实验中,装置A用来制取
14、 HCl 。尾气的成分是HCl和H2 。若仍用D装置进行尾气处理,存在的问题是发生倒吸、 没有处理氢气。 (3)若操作不当,制得的FeCl2中会含有少量FeCl3,检验FeCl3常用的试剂是 KSCN溶液。欲制得纯净的FeCl2,在实验操作中应先点燃A处的酒精灯(赶尽装置内的空气) ,再点燃C处的酒精灯。,解析(1)制取无水氯化铁的实验中,装置A为制取氯气的实验装置,反应的化学方程式为MnO2+4HCl(浓) MnCl2+Cl2+2H2O;装置B的作 用是除去混在氯气中的水蒸气,故B中加入的试剂为浓硫酸。 (2)在制取无水氯化亚铁的实验中,装置A用于制取HCl气体;经浓H2SO4干燥后,在硬质
15、玻璃管中发生反应:Fe+2HCl(g) FeCl2+H2,则尾气的 成分是氯化氢和氢气;若仍用D装置进行尾气处理,则因氯化氢易溶于水,会产生倒吸,同时氢气不能被吸收。 (3)检验氯化铁溶液常用的试剂是KSCN溶液;欲制得纯净的氯化亚铁,在实验过程中应先点燃A处的酒精灯,利用产生的氯化氢气体排出装置中的空气后,再点燃C处的酒精灯。,1-2某学生对SO2与漂粉精的反应进行实验探究:,(1)Cl2和Ca(OH)2制取漂粉精的化学方程式是 2Cl2+2Ca(OH)2=CaCl2+Ca(ClO)2+2H2O 。 (2)pH试纸颜色的变化说明漂粉精溶液具有的性质是 碱性、漂白性 。,(3)向水中持续通入S
16、O2,未观察到白雾。推测现象的白雾由HCl小液滴形成,进行如下实验: a.用湿润的碘化钾淀粉试纸检验白雾,无变化; b.用酸化的AgNO3溶液检验白雾,产生白色沉淀。 实验a的目的是检验白雾中是否含有Cl2,排除Cl2干扰。 由实验a、b不能判断白雾中含有HCl,理由是白雾中混有SO2,SO2可与酸化的AgNO3反应产生白色沉淀。 (4)现象中溶液变为黄绿色的可能原因:随溶液酸性的增强,漂粉精的有效成分和Cl-发生反应。通过进一步实验确认了这种可能性,其实验方案是向漂粉精溶液中逐滴加入硫酸,观察溶液是否变为黄绿色 。,(5)将A瓶中混合物过滤、洗涤,得到沉淀X。 向沉淀X中加入稀盐酸,无明显变
17、化。取上层清液,加入BaCl2溶液,产生白色沉淀。则沉淀X中含有的物质是 CaSO4 。 用离子方程式解释现象中黄绿色褪去的原因: SO2+Cl2+2H2O = SO2- 4+2Cl-+4H+ 。,解析(2)由pH试纸变蓝(pH约为12)可推知漂粉精溶液呈碱性,由pH试纸褪色可推知漂粉精溶液有漂白性。 (3)由实验a可确定白雾中没有Cl2,排除Cl2的干扰;酸化的AgNO3溶液可与HCl反应生成AgCl白色沉淀,也可与SO2反应生成Ag2SO4白色沉淀,故通过实验a、b无法判断白雾中含有HCl。 (4)由题干信息知可能会发生反应Cl-+ClO-+2H+=Cl2+H2O。要确认实验过程中发生了这
18、个反应,设计实验时可向漂粉精溶液中加入H2SO4,观察是否产生黄绿色气体(Cl2)。 (5)分析可知,沉淀X应为CaSO3、CaSO4中的一种或两种,因加入稀盐酸后无明显变化,所以沉淀X为CaSO4;实验过程中持续通入SO2,黄绿色褪去应该是SO2与Cl2发生了反应,依据氧化还原反应中得失电子守恒可正确写出 Cl2、SO2在水中反应的离子方程式。,考点二化学实验方案的设计思路及步骤,1.化学实验方案的设计思路,2.化学实验方案设计的基本步骤 (1)明确目的、原理,(2)选择仪器、药品 (3)设计装置、步骤:根据实验目的和原理,以及所选用的实验仪器和药品,设计出合理的实验装置和实验操作步骤。学生
19、应具备识别和绘制典型的实验仪器及装置图的能力,实验步骤应完整而又简明。,(4)记录现象、数据:根据观察全面、准确地记录实验过程中的现象和数据。 (5)分析得出结论:根据实验中观察到的现象和记录的数据,通过分析、计算、推理等,得出正确的结论。 3.实验方案的设计与评价的注意事项 (1)实验装置的组合顺序一般为:气体生成除杂质干燥主体实验尾气处理。 (2)接口的连接顺序:总体上遵循装置的排列顺序,但对于吸收装置应“长”进“短”出(或“深”入“浅”出);量气装置应“短”进“长”出;洗气装置应“长”进“短”出;干燥管应“粗”进“细”出。,(3)实验操作顺序 有气体参与的反应一般按:仪器选择与连接气密性
20、检验装固体药品加液体药品开始实验拆卸仪器其他处理等。 (4)加热操作注意事项 主体实验加热前一般应先通原料气赶走空气后再点燃酒精灯,其目的一是防止爆炸,如H2还原CuO、CO还原Fe2O3;二是保证产品纯度,如制备Mg3N2、CuCl2等。反应结束时,应先熄灭酒精灯,继续通原料气直到冷却为止。 (5)尾气处理:有毒气体常采用溶液(或固体)吸收或将其点燃,无毒气体直接排放。 (6)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。,(7)倒吸问题。实验过程用到加热操作的要防倒吸;气体易溶于水的要防倒吸。 (8)冷凝回流问题。有易挥发的液
21、体反应物时,为了避免反应物损耗和充分利用原料,要在发生装置中设计冷凝回流装置或在发生装置中安装长玻璃管等。 (9)拆卸时的安全性和科学性。实验仪器的拆卸要注意安全性和科学性,有些实验为防止“爆炸”或“氧化”,应考虑何时移走酒精灯。如有尾气吸收装置的实验,必须将导管提出液面后才能熄灭酒精灯,以免造成溶液倒吸;拆卸用排水法收集且需要加热制取气体的装置时,需先把导管从水槽中取出,再熄灭酒精灯,以防止水倒吸。拆下的仪器要清洗、干燥、归位。,典例2(2017北京朝阳一模,12)某学生探究0.25 mol/L Al2(SO4)3溶液与0.5 mol/L Na2CO3溶液的反应,实验如下。,下列分析不正确的
22、是() A.实验1中,白色沉淀a是Al(OH)3 B.实验2中,白色沉淀b中含有C C.实验1、2中,白色沉淀成分不同与混合后溶液的pH无关 D.检验白色沉淀a、b是否洗涤干净,均可用盐酸酸化的BaCl2溶液,答案CA项,白色沉淀a中加入稀H2SO4,沉淀溶解,无气泡产生,说明沉淀中不含碳酸根离子,故为氢氧化铝;B项,实验2中,加入稀H2SO4后有气泡产 生,说明沉淀b中含有碳酸根离子;C项,实验1混合后的溶液呈酸性,实验2混合后的溶液呈碱性,得到了不同的生成物,说明白色沉淀成分不同与混合后溶液pH有关;D项,实验1和2中得到的沉淀上都会吸附硫酸根离子,故可用盐酸酸化的氯化钡溶液检验沉淀是否洗
23、涤干净。,C,2-1某研究性学习小组用下列装置(铁架台等夹持仪器略)探究氧化铁与乙醇的反应,并检验反应产物。 (1)用2%的CuSO4溶液和10%的NaOH溶液配制Cu(OH)2悬浊液的注意事项是在过量NaOH溶液中滴加数滴CuSO4溶液(或NaOH过量) 。 (2)为快速得到乙醇气体,可采用的方法是在烧杯中加入热水(或对烧杯加热) 。,若实验时小试管中的溶液已经开始发生倒吸,可采取的措施是c(填字母)。 a.取下小试管 b.移去酒精灯 c.将导管从橡胶管中取下 d.以上都可以 (3)如图实验,观察到红色的Fe2O3全部变为黑色固体M,充分反应后停止加 热。取下试管加热,有红色沉淀生成。 为了
24、检验M的组成,进行下列实验。 M能被磁铁吸引;加入足量稀硫酸,振荡,固体全部溶解,未观察到有气体生成;,经检验溶液中有铁离子和亚铁离子,检验Fe3+的方法是取少量溶液于试管中,加入KSCN溶液,溶液变成红色,则有Fe3+ ;证明溶液中含有Fe2+的方法是取少量溶液滴入适量酸性高锰酸钾溶液中,高锰酸钾溶液褪色,则有Fe2+ 。 能得出的结论是 a (填字母)。 a.M中一定有+3价和+2价铁,不能确定是否有0价铁 b.M中一定有+3价和0价铁,无+2价铁 c.M中一定有+3价铁,0价和+2价铁至少有一种 d.M中一定有+3价、+2价和0价铁 (4)若M的成分可表示为FexOy,用CO还原法定量测
25、定其化学组成。称取m g M样品进行定量测定,实验装置(夹持装置略去)和步骤如下:,组装仪器;点燃酒精灯;加入试剂;打开分液漏斗活塞;检查气密性;停止加热;关闭分液漏斗活塞; 正确的操作顺序是 b (填字母)。 a.b. c.d. 若M完全被还原后碱石灰增重n g,则为 (用含m、n的代数式表示)。,2-2H2O2是一种绿色氧化还原试剂,在化学研究中应用广泛。 (1)某小组拟在同浓度Fe3+的催化下,探究H2O2溶液浓度对H2O2分解反应速率的影响。限选试剂与仪器:30%H2O2溶液、0.1 molL-1 Fe2(SO4)3溶液、蒸馏水、锥形瓶、双孔塞、水槽、橡胶管、玻璃导管、量筒、秒表、恒温水浴槽、注射器。 写出本实验中H2O2分解反应的化学方程式并标明电子转移的方向和数 目:。 设计实验方案:在不同H2O2浓度下,测定 单位时间内生成气体的体积 (要求所测得的数据能直接体现反应速率大小)。 设计实验装置,完成下图的装置示意图。,参照下表格式,拟定实验表格,完整体现实验方案(列出所选试剂体积、需记录的待测物理量和所拟定的数据;数据用字母表示)。,(2)利用图(a)和图(b)中的信息,按图(c)装置(连通的A、B瓶中已充有NO2气体)进行实验。可观察到B瓶中气体颜色比A瓶中的深(填“深”或“浅”),其原因是 H2O2分解放热,使B中2NO2 N2O4平衡逆向移动。,
（北京专用）2019版高考化学一轮复习 第40讲 化学实验方案的设计与评价课件.ppt
