2019高考化學 專題40 實驗設計與實驗方案評價（一）考點講解.doc

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專題40 實驗設計與實驗方案評價（一） 【考情報告】 考查角度 考查內(nèi)容 命題特點 根據(jù)題干給予的新信息，預測實驗現(xiàn)象，考查藥品使用創(chuàng)新、儀器功能拓展、實驗操作改變創(chuàng)新和實驗操作新途徑等技巧。面對新情境，能夠正確提取并處理信息(準確提煉規(guī)律、嚴密推理分析、做出合理解釋等)，準確做出深刻評價的能力 實驗設計流程與實驗方案評價 本部分考點通常以科技、生產(chǎn)、生活中的新材料為載體，考查實驗評價、誤差分析和定量計算等方面能力，通過對課本實驗的改進考查學生分析問題和解決問題的能力以及學生思維的靈活性，同時結(jié)合實驗方案的設計與評價考查學生選擇、組裝儀器的能力以及繪制簡單實驗裝置圖等學科內(nèi)綜合知識的能力考查。 【考向預測】 本節(jié)內(nèi)容在高考實驗中處于核心位置，每年必考。通過近幾年的高考實驗研究發(fā)現(xiàn)，以物質(zhì)的制備流程、物質(zhì)的性質(zhì)探究為載體，考查化學實驗的設計及評價能力已成為高考實驗的首選。近年高考綜合實驗試題往往是在教材實驗、演示實驗或考生已有實驗知識的基礎上進行改進，創(chuàng)設新情鏡，提出新問題，考查考生的創(chuàng)新意識和對實驗過程的評價能力。主要體現(xiàn)在以下幾個方面：(1)根據(jù)題干給予的新信息，預測實驗現(xiàn)象等。(2)藥品使用創(chuàng)新、儀器功能拓展、實驗操作改變創(chuàng)新和實驗操作新途徑開辟等。(3)面對新情境，能夠正確提取并處理信息(準確提煉規(guī)律、嚴密推理分析、做出合理解釋等)。(4)面對新問題，能夠全面深入思考，合理優(yōu)化結(jié)構(gòu)，準確深刻評價等。 【經(jīng)典在線】 1.知識梳理 一、化學實驗設計 化學實驗題包括的題型很多，其中比較典型的有物質(zhì)性質(zhì)探究型、化學現(xiàn)象探究型、物質(zhì)制備和應用探究型等， 化學實驗設計時遵循的原則：①科學性：實驗原理準確，實驗流程合理；②安全性：保護人身、保護環(huán)境、保護儀器；③可行性：條件允許，效果明顯，操作方便；④簡約性：做到步驟少、時間短、節(jié)省藥品、效果好等基本要求。通常有一下實驗設計步驟： (1)明確目的、原理 首先必須認真審題，明確實驗的目的及要求，弄清題目有哪些新的信息，綜合已學過的知識，通過類比、遷移、分析，從而明確實驗原理。 (2)選擇儀器、藥品 根據(jù)實驗的目的和原理，以及反應物和生成物的性質(zhì)、反應條件，如反應物和生成物的狀態(tài)，能否腐蝕儀器、反應是否加熱及溫度是否控制在一定的范圍等，從而選擇合理的化學儀器和藥品。 (3)設計裝置、步驟 根據(jù)實驗目的和原理，以及所選用的儀器和藥品，設計出合理的實驗裝置和實驗操作步驟。學生應具備識別和繪制典型的實驗儀器裝置圖的能力，實驗步驟應完整而又簡明。 (4)記錄現(xiàn)象、數(shù)據(jù) 根據(jù)觀察，全面而準確地記錄實驗過程中的現(xiàn)象和數(shù)據(jù)。 (5)分析得出結(jié)論 根據(jù)實驗觀察的現(xiàn)象和記錄的數(shù)據(jù)，通過分析、計算、圖表、推理等處理，得出正確的結(jié)論。 二、化學實驗方案設計的分類 (1)物質(zhì)制備實驗方案的設計 發(fā)生裝置→凈化裝置→干燥裝置→收集裝置→尾氣處理裝置 (2)物質(zhì)性質(zhì)實驗方案的設計是從物質(zhì)的結(jié)構(gòu)特點和所屬類型的典型代表物去推測物質(zhì)可能具有的一系列性質(zhì)，然后據(jù)此設計出合理的實驗方案，去探索它可能具有的性，質(zhì)。我們推測的物質(zhì)的性質(zhì)不一定準確，所以進行實驗時要注意分析實驗現(xiàn)象，從而得出正確結(jié)論?？煞譃椋禾剿餍孕再|(zhì)實驗方案的設計，分析物質(zhì)的結(jié)構(gòu)特點或從所屬類型的典型代表物去推測物質(zhì)可能具有的一系列性質(zhì)，而后據(jù)此設計合理實驗方案，探索可能具有的性質(zhì)；驗證性性質(zhì)實驗方案的設計，對物質(zhì)具備的性質(zhì)進行求證，關(guān)鍵是設計出簡捷的實驗，操作簡單安全，實驗現(xiàn)象明顯。 三、創(chuàng)新探究型實驗題 創(chuàng)新探究型實驗題在知識點的涵蓋上既可以考查基本概念、基本理論又可以考查元素化合物的相關(guān)知識，而且符合新課改在學習方法上強調(diào)的“探究學習”、“自主學習”，因此探究類實驗題將會是以后高考試題中的一個亮點(尤其是廣東、上海、江蘇考卷)。創(chuàng)新探究類試題一般有以下幾種命題形式：探究化學反應機理、探究化學實驗中的反?，F(xiàn)象、探究對經(jīng)典問題的質(zhì)疑、探究未知物的成分、探究物質(zhì)的性質(zhì)、探究化學反應的條件以及探究化學反應的現(xiàn)象等。 1．探究實驗的一般思路 ―→―→ 2．探究實驗的兩種類型 (1)未知物的探究 雖然探究型實驗主要考察學生的探究能力，但在問題的設置上常常包含了對實驗基礎知識的考查，如： ①常見物質(zhì)分離提純方法：結(jié)晶法、蒸餾法、過濾法、升華法、萃取、滲析法等。 ②常見氣體的制備、凈化、干燥、收集方法。 ③熟悉重點操作：a.氣密性檢查；b.量氣操作；c.防倒吸、防污染操作；d.蒸發(fā)、灼燒操作…… 四、化學實驗方案的評價 對幾個實驗方案的正確與錯誤、嚴密與不嚴密、準確與不準確做出判斷。要考慮是否完全合理、有無干擾現(xiàn)象、經(jīng)濟上是否合算和對環(huán)境有無污染等。 1．從可行性方面對實驗方案做出評價 科學性和可行性是設計實驗方案的兩條重要原則，在對實驗方案進行評價時，要分析實驗方案是否科學可行，實驗方案是否遵循化學理論和實驗方法要求，在實際操作時能否做到可控易行。評價時，從以下4個方面分析： (1)實驗原理是否正確、可行； (2)實驗操作是否安全、合理； (3)實驗步驟是否簡單、方便； (4)實驗效果是否明顯等。 2．從“綠色化學”視角對實驗方案做出評價 “綠色化學”要求設計安全的、對環(huán)境友好的合成線路，降低化學工業(yè)生產(chǎn)過程中對人類健康和環(huán)境的危害，減少廢棄物的產(chǎn)生和排放。據(jù)此，對化學實驗過程或方案從以下4個方面進行綜合評價： (1)反應原料是否易得、安全、無毒； (2)反應速率是否較快； (3)原料利用率以及生成物質(zhì)的產(chǎn)率是否較高； (4)實驗過程中是否造成環(huán)境污染 3．從“安全性”方面對實驗方案做出評價 化學實驗從安全角度常考慮的主要因素如下： (1)凈化、吸收氣體及熄滅酒精燈時要防液體倒吸； (2)進行某些易燃易爆實驗時要防爆炸(如H2還原CuO應先通H2，氣體點燃先驗純等)； (3)防氧化(如H2還原CuO后要“先滅燈再停氫”，白磷切割宜在水中等)； (4)防吸水(如實驗取用、制取易吸水、潮解、水解的物質(zhì)時宜采取必要措施，以保證達到實驗目的)； (5)冷凝回流(有些反應中，為減少易揮發(fā)液體反應物的損耗和充分利用原料，需在反應裝置上加裝冷凝回流裝置，如長玻璃管、豎裝的干燥管及冷凝管等)； (6)易揮發(fā)液體產(chǎn)物(導出時可為蒸氣)的及時冷卻； (7)儀器拆卸的科學性與安全性(也從防污染、防氧化、防倒吸、防爆炸、防泄漏等角度考慮)； (8)其他(如實驗操作順序、試劑加入順序、實驗方法使用順序等)。 2.經(jīng)典精講 例1.某研究小組利用下圖裝置探究溫度對CO還原Fe2O3的影響(固定裝置略) MgCO3 Zn粉 Fe2O3 無水CaCl2 澄清石灰水 足量NaOH溶液 A B C D E F ⑴MgCO3的分解產(chǎn)物為 ⑵裝置C的作用是 ， 處理尾氣的方法為 ⑶將研究小組分為兩組，按上圖裝置進行對比實驗，甲組用酒精燈、乙組用酒精噴燈對裝置D加熱，反應產(chǎn)物均為黑色粉末（純凈物），兩組分別用產(chǎn)物進行以下實驗。 步驟 操作 甲組現(xiàn)象 乙組現(xiàn)象 1 取黑色粉末加入稀鹽酸 溶解，無氣泡 溶解，有氣泡 2 取步驟1中溶液，滴加K3[Fe(CN)6]溶液 藍色沉淀 藍色沉淀 3 取步驟1中溶液，滴加KSCN溶液 變紅 無現(xiàn)象 4 向步驟3溶液中滴加新制氯水 紅色褪去 先變紅，后褪色 ①乙組得到的黑色粉末是 ②甲組步驟1中反應的離子方程式為 ③乙組步驟4中，溶液變紅的原因為 ；溶液褪色可能的原因及其驗證方法為 ④從實驗安全考慮，該裝置還可采取的改進措施是 【答案】 ⑴MgO、CO2 ⑵除CO2、點燃 ⑶①Fe ②Fe3O4＋8H＋=2Fe3＋＋Fe2＋＋4H2O ③Fe2＋被氧化成Fe3＋，F(xiàn)e3＋遇SCN－顯紅色；假設SCN－被Cl2氧化，向溶液中加入KSCN溶液，若出現(xiàn)紅色，則假設成立(其它合理答案均可) ④在裝置BC之間添加裝置E防倒吸(其它合理答案均可給分) 例2.為了探究AgNO3的氧化性和熱穩(wěn)定性，某化學興趣小組設計了如下實驗。 Ⅰ. AgNO3的氧化性 將光亮的鐵絲伸入AgNO3溶液中，一段時間后將鐵絲取出。為檢驗溶液中Fe的氧化產(chǎn)物，將溶液中的Ag+ 除盡后，進行了如下實驗?？蛇x用的試劑：KSCN溶液、K3[Fe(CN)6]溶液、氯水。 （1）請完成下表： 操作 現(xiàn)象 結(jié)論 取少量除盡Ag+后的溶液于試管中，加入KSCN溶液，振蕩 ① 存在Fe3+ 取少量除盡Ag+后的溶液于試管中，加入 ② ，振蕩 ③ 存在Fe2+ 【實驗結(jié)論】Fe的氧化產(chǎn)物為Fe2+和Fe2+。 Ⅱ.AgNO3的熱穩(wěn)定性 用下圖所示的實驗裝置A加熱AgNO3固體，產(chǎn)生紅棕色氣體，在裝置D中收集到無色氣體。當反應結(jié)束后，試管中殘留固體為黑色。 （2）裝置B的作用是 。 （3）經(jīng)小組討論并驗證該無色氣體為O2，其驗證方法是 。 （4）【查閱資料】Ag2O和粉末狀的Ag均為黑色； Ag2O可溶于氨水。 【提出設想】試管中殘留的黑色固體可能是：ⅰ.Ag；ⅱ.Ag2O；ⅲ.Ag和Ag2O。 【實驗驗證】該小組為驗證上述猜想，分別取少量黑色固體放入試管中，進行了如下實驗。 實驗編號 操作 現(xiàn)象 a 加入足量氨水，振蕩 黑色固體不溶解 b 加入足量稀硝酸，振蕩 黑色固體溶解，并有氣體產(chǎn)生 【實驗評價】根據(jù)上述實驗，不能確定固體產(chǎn)物成分的實驗是 ① （填實驗編號）。 【實驗結(jié)論】根據(jù)上述實驗結(jié)果，該小組得出AgNO3固體熱分解的產(chǎn)物有 ② 。 【答案】 （1）①溶液呈紅色 ②K2[Fe(CN)6]溶液 ③產(chǎn)生藍色沉淀 （2）防倒吸 （3）用帶火星的木條伸入集氣瓶內(nèi)，木條復燃，證明無色氣體為O2 （4）① b ②Ag、NO2、O2 【經(jīng)典考題3】FeCl3在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中應用廣泛。某化學研究性學習小組模擬工業(yè)生產(chǎn)流程制備無水FeCl3，再用副產(chǎn)品FeCl3溶液吸收有毒的H2S。 I.經(jīng)查閱資料得知：無水FeCl3在空氣中易潮解，加熱易升華。他們設計了制備無水FeCl3的實驗方案，裝置示意圖（加熱及夾持裝置略去）及操作步驟如下： ①檢查裝置的氣密性； ②通入干燥的Cl2，趕盡裝置中的空氣； ③用酒精燈在鐵屑下方加熱至反應完成 ④.。。。。。。。。 ⑤體系冷卻后，停止通入Cl2，并用干燥的N2趕盡Cl2，將收集器密封 請回答下列問題： （1）裝置A中反應的化學方程式為 （2）第③步加熱后，生成的煙狀FeCl3大部分進入收集器，少量沉積在反應管A的右端。要使沉積得FeCl3進入收集器，第④步操作是 ， （3）操作步驟中，為防止FeCl3潮解所采取的措施有 （填步驟序號） （4）裝置B中的冷水作用為 ；裝置C的名稱為 ；裝置D中FeCl2，全部反應完后，因為失去吸收Cl2的作用而失效，寫出檢驗FeCl2是否失效的試劑 ：（5）在虛線框內(nèi)畫出尾氣吸收裝置E并注明試劑 II.該組同學用裝置D中的副產(chǎn)品FeCl3溶液吸收H2S，得到單質(zhì)硫；過濾后，再以石墨為電極，在一定條件下電解濾液。 （6）FeCl3與H2S反應的離子方程式為 ， （7）電解池中H+再陰極放電產(chǎn)生H2，陽極的電極反應為 。 （8）綜合分析實驗II的兩個反應，可知該實驗有兩個顯著優(yōu)點： ①H2S的原子利用率100%；② 。 【答案】（1）2Fe+3Cl2 2FeCl3（2）在沉積的的FeCl3固體下方加熱 （3）②、⑤ （4）冷卻FeCl3使其沉積，便于收集產(chǎn)品 干燥管 K3［Fe（CN）6溶液或酸性高錳酸鉀溶液 （5）見解析 （6）2Fe3++H2S=== 2Fe2++S↓+ 2H+ （7）Fe2+-e-=== Fe3+ （8）FeCl3可以循環(huán)利用 【經(jīng)典考題4】今有某學生設計的用氨催化氧化法制取少量HNO3溶液并收集反應生成的純凈氮氣的實驗裝置，如下圖所示： 已知，氨在高溫下催化氧化時還有副反應發(fā)生：4NH3＋3O22N2＋6H2O。 (1)A裝置及氨水的作用是_______________________________________________________________ C裝置中濃硫酸的作用是__________________，氣球的作用是_____________________________。 (2)B裝置中發(fā)生的最主要的反應的化學方程式是______________________________________________。 D裝置中一步生成硝酸的兩個化合反應為(用化學反應方程式表示)：____________________；______ ______________。 (3)該套實驗裝置中有兩處明顯的缺陷，其一是_____________________________________________， 其二是__________________________________。 (4)若采用上述的不完善裝置進行實驗，同時不考慮氣體在裝置中的殘留，實驗結(jié)束時，實際測得D中有1.0molL－1的HNO3溶液150mL，氣球中收集的混合氣體體積為1 400mL(標準狀況)，其中NO2、O2與N2的體積比為2：2：1，則氧化成NO的氨與被氧化的氨的體積比為________。 【答案】 (1)使氨氣與氧氣混合均勻，控制氨氣和氧氣的氣流速率；氨水的作用是降低氨氣的溶解度，有利于氨氣的逸出，除混合氣體中氨氣和水蒸氣，收集生成的氮氣； (2)4NH3＋5O24NO＋6H2O　4NO＋3O2＋2H2O===4HNO3　4NO2＋O2＋2H2O===4HNO3 (3)氨氣和氧氣的混合氣體在進入裝置B之前沒有進行干燥　進入氣球的氣體中可能混有氧氣等雜質(zhì)，應除去 (4)7/8 【解題技巧】 大多數(shù)學生對化學實驗題有實驗思路，就是拿不到分，主要表現(xiàn)在解題思路上，或考慮不全，或書寫不準，最后答案是錯的，丟三拉四，或遺漏某一答案，或討論不夠完備，或是以偏概全或出現(xiàn)錯別字，答不到點子上等問題。因此我們在表達過程中一定要做到條理清晰，表述規(guī)范，這類探究實驗題一般有下的解題要領： （1）制備實驗方案的設計，應遵循以下原則：①條件合適，操作方便；②原理正確，步驟簡單；③原料豐富，價格低廉；④產(chǎn)物純凈，污染物少。即從多種路線中選出一種最佳的制備途徑，合理地選擇化學儀器與藥品，設計合理的實驗裝置和實驗操作步驟。 （2）從物質(zhì)的結(jié)構(gòu)特點或從所屬類型的典型代表物去推測物質(zhì)可能具有的一系列性質(zhì)，而后據(jù)此設計出合理的實驗方案，去探索它所可能具有的性質(zhì)。 （3）求證物質(zhì)具備的性質(zhì)，關(guān)鍵是設計出簡捷的實驗方案，要求操作簡單，簡便易行，現(xiàn)象明顯，且安全可行。 (4)巧審題，明確實驗的目的和原理。實驗原理是解答實驗題的核心，是實驗設計的依據(jù)和起點。實驗原理可從題給的化學情景(或題首所給實驗目的)并結(jié)合元素化合物等有關(guān)知識獲取。在此基礎上，遵循可靠性、簡捷性、安全性的原則，確定符合實驗目的、要求的方案。 (5)想過程，理清實驗操作的先后順序。根據(jù)實驗原理所確定的實驗方案中的實驗過程，確定實驗操作的方法步驟，把握各步實驗操作的要點，理清實驗操作的先后順序。 (6)看準圖，分析各項實驗裝置的作用。有許多綜合實驗題圖文結(jié)合，思考容量大。在分析解答過程中，要認真細致地分析圖中所示的各項裝置，并結(jié)合實驗目的和原理，確定它們在該實驗中的應用。 (7)細分析，得出正確的實驗結(jié)論。實驗現(xiàn)象(或數(shù)據(jù))是化學原理的外在表現(xiàn)。在分析實驗現(xiàn)象(或數(shù)據(jù))的過程中，要善于找出影響實驗成敗的關(guān)鍵以及產(chǎn)生誤差的原因，或從有關(guān)數(shù)據(jù)中歸納出定量公式，繪制變化曲線等。 【規(guī)律總結(jié)】誤點警示： 對實驗方案的設計和評價合理與否、嚴密與否作出評判要從“合理選擇，排除干擾，操作準確”等方面入手，同學們解題時應注意以下幾點 (1)藥品和裝置的選擇：很多實驗設計題中已經(jīng)給出了藥品或裝置，我們應正確分析藥品和裝置在原題中是部分給出，還是有剩余。若藥品和裝置只是部分給出，則需要作必要的補充；若有剩余，則應進行篩選和淘汰，根據(jù)試劑特點合理設計實驗方案。 (2)數(shù)據(jù)的分析：定量實驗中可能測定了多組數(shù)據(jù)，我們應正確分析實驗中測定的數(shù)據(jù)能否達到實驗目的，是否每個數(shù)據(jù)都有用。如果測出多種數(shù)據(jù)，則根據(jù)所測數(shù)據(jù)可以有哪些解答方法；如果數(shù)據(jù)不足，還需要補充什么數(shù)據(jù)才能達到實驗目的。 (3)題目條件有無特殊要求：如采用最簡單和最合理的實驗步驟，這些要求對我們考慮反應原理，選擇藥品和裝置，確定操作步驟都作了限定，必須高度重視。 (4)實驗中的隱蔽性操作：如某些必要的干燥、除雜、冷凝等，這些都是實驗中必不可少的，但很容易被忽略，如實驗室用Cl2與鐵反應制備FeCl3，由于FeCl3易潮解，很多同學能夠考慮到Cl2需要干燥，但很容易忽略在尾氣吸收中也應防止水蒸氣進入反應裝置。 (5)藥品名稱和某些儀器的規(guī)格的描述： ①藥品的名稱，這類問題學生最難解答準確，如有些藥品的準確描述為：無水硫酸銅粉末、澄清石灰水、酸性高錳酸鉀溶液、濃硫酸、飽和碳酸氫鈉溶液、飽和氫氧化鈉溶液、新制Cu(OH)2懸濁液等。 ②儀器規(guī)格的描述，如使用容量瓶必須注明其容積，譬如100 mL的容量瓶；正確書寫儀器名稱，如分液漏斗和長頸漏斗、圓底燒瓶和蒸餾燒瓶、坩堝和蒸發(fā)皿等不能混淆。 ③有些化學用語不太常用，注意不要把字寫錯，如坩堝(錯寫為“鉗鍋”)、三腳架(錯寫為“三角架”)、氣體逸出(錯寫為“氣體溢出”)、蘸取溶液的“蘸”不會寫等。 (6)實驗設計的注意事項 ①藥品和裝置是部分或剛好給出還是有剩余，若藥品和裝置只部分給出，則應需要作必要的補充，若有剩余，則應進行篩選和淘汰。 ②題目條件有無特殊要求：如采用最簡單或最合理的實驗步驟，這些要求對我們考慮反應原理、選擇藥品和裝置、確定操作步驟都作了限定，必須高度重視。 ③實驗過程中的隱蔽性操作：如某些必要的干燥、除雜、冷凝等，這些都是實驗中必不可少的，但容易忽略。 ④藥品的規(guī)格：有些題目要求指出藥品的名稱，如有些藥品的準確描述為：硫酸銅粉末、澄清石灰水、酸性高錳酸鉀溶液、濃硫酸、飽和NaHCO3、NaOH溶液等。此外也應注意某些儀器的規(guī)格。