2020届一轮复习人教版原理实验设计与评价学案 9页

原理实验设计与评价 ‎【高考展望】‎ 一、考纲要求 ‎１．能根据实验试题要求，做到：‎ ‎(1)设计、评价或改进实验方案；‎ ‎(2)采取适当方法控制实验条件；‎ ‎(3)描述实验现象和收集有关数据；‎ ‎(4)分析或处理实验数据，得出合理结论；‎ ‎(5)能绘制和识别典型的实验仪器装置图。‎ ‎2．实验知识和技能的综合应用。‎ 二、高考动向 化学反应原理实验设计此类题主要是对化学反应基本原理的结论（如化学反应速率和化学平衡、电化学等）进行验证或探究，如探究浓度化学反应速率的影响，其方案设计的基本思路是控制其他条件一定，改变某一反应物的浓度从定性和定量的角度说明浓度对化学反应速率的影响。‎ ‎【方法点拨】‎ 一、实验方案的设计思路和要求 ‎1、化学实验方案设计的基本要求 ‎①科学性（即实验原理、操作程序和方法必须正确、合理）；‎ ‎②安全性（即用药及操作要注意安全，注意环境保护等问题）；‎ ‎③可行性（条件允许，效果明显，操作正确）；‎ ‎④简约性（装置简单、步骤少、药品用量少、时间短）。‎ ‎⑤经济性：原料利用率用高，所用原料易得，价廉物美。‎ ‎2、化学实验方案设计的基本思路和一般步骤：‎ 实验目的→实验原理（反应途径）→反应的仪器的选择→设计实验装置和操作步骤→记录实验现象，数据处理方法→形成方案。‎ ‎①明确目的原理：首先必须认真审题，明确实验的目的要求，弄清题目有哪些新的信息，综合已学过的知识，通过类比、迁移、分析，从而明确实验原理。‎ ‎②选择仪器药品：根据实验的目的和原理，以及反应物和生成物的性质、反应条件，如反应物和生成物的状态，能否腐蚀仪器和橡皮、反应是否加热及温度是否控制在一定的范围等，从而选择合理的化学仪器和药品。‎ ‎③设计装置步骤：根据上述实验目的和原理，以及所选用的仪器和药品，设计出合理的实验装置和实验操作步骤。学生应具备识别和绘制典型的实验仪器装置图的能力，实验步骤应完整而又简明。‎ ‎ ④记录现象数据：根据观察，全面而准确地记录实验过程中的现象和数据。‎ ‎ ⑤分析得出结论：根据实验观察的现象和记录的数据，通过分析、计算、图表、推理等处理，得出正确的结论。‎ ‎ 以上只是解答综合实验设计题的一般思考方法。在解答过程中，应根据实验设计题的具体情况和要求，作出正确的回答。‎ ‎(3)化学实验方案设计的注意事项 ‎ ①净化、吸收气体及熄灭酒精灯时要防液体倒吸；‎ ‎②进行某些易燃易爆实验时要防爆炸 (如H2还原CuO应先通H2，气体点燃先验纯等)；‎ ‎③防氧化(如H2还原CuO后要“先灭灯再停氢”，白磷切割宜在水中等)；‎ ‎④防吸水(如实验、取用、制取易吸水、潮解、水解宜采取必要措施，以保证达到实验目的)；‎ ‎⑤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、竖装的干燥管及冷凝管等)；‎ ‎⑥易挥发液体产物(导出时可为蒸气)的及时冷却；‎ ‎⑦仪器拆卸的科学性与安全性(也从防污染、防氧化、防倒吸、防爆炸、防泄漏等角度考虑)；‎ ‎⑧其他(如实验操作顺序、试剂加人顺序、实验方法使用顺序等)。‎ 综合性实验方案的设计，主要以教材内容为主考查学生的基本操作、基本技能或考查学生对典型实验有关而又易忽略和重要细节的掌握情况。解答此类题必须依据反应原理、基本实验操作和亲自动手实验的经验来解答。‎ 二、化学实验方案的评价 对给出的实验方案作出选择、评价或找出最佳方案，包含的知识点很多，能考查学生的分析问题和解决问题的能力。‎ ‎1.选择：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（除杂质的试剂和顺序）、反应装置、收集装置、尾气处理装置等；药品的选择，包括种类、浓度、物质聚集状态等；连接方式的选择，包括仪器的先后顺序、导管接口的连接等。‎ ‎2.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无污染等。‎ ‎3.最佳方案的选择：所谓最佳，无非是装置最简单、药品容易取得并价格低廉、现象明显、无干扰物质以及无污染等。‎ 解题警示：‎ 实验评价问题是高考题经常考查的一类综合性实验试题，可以很好的考查学生分析问题和解决问题的能力。‎ 在比较几个实验方案及选择合理装置时，首先要明确实验原理和实验目的，体会各方案设计是否合理，确定不合理方案的原应。认真对比各方案、各装置的异同，重点分析其中的不同之处，体会在不同之处哪个方案、装置更合理有效。经过对不同之处逐一分析，选择各方案中的优点，重新组合可以得到最佳方案。‎ ‎【典型例题】‎ 类型一、化学理论验证性实验 例1、下列实验操作与预期实验目的或所得实验结论一致的是（ ）‎ 选项 实验操作及现象 实验目的或结论 A 向1，2两试管中分别加入等浓度H2O2溶液10 mL、1 mL，再向H2O2溶液中分别滴入等浓度等体积CuSO4、FeCl3溶液；试管2中产生气体较快 证明FeCl3溶液的催化效率 更高 B 将洁净的铁钉在饱和食盐水中浸泡一段时间；铁钉上有气泡产生 证明铁发生析氢腐蚀 C 测定物质的量浓度相同的盐酸和醋酸溶液的pH；盐酸pH小于醋酸pH 证明盐酸酸性比醋酸强 D 硅酸钠溶液中滴入酚酞，溶液变红，再滴加稀盐酸，溶液红色变浅直至消失 证明非金属性：Cl>Si ‎【思路点拨】A项，要证明催化剂的催化效率高低，必须使混合后H2O2浓度相同才可。D项，非金属性越强，最高价氧化物的水化物酸性越强。‎ ‎【答案】.C ‎【解析】A项，H2O2溶液体积各为10 mL、1 mL，加入等浓度等体积CuSO4、FeCl3溶液后，H2O2浓度不相同。B项，饱和食盐水显中性，主要发生吸氧腐蚀。D项，滴加高氯酸才能证明非金属性：Cl>Si。‎ ‎【总结升华】审题要细心，注意关键字词及一些定量数据。‎ 举一反三：‎ ‎【变式1】下列实验“操作和现象”与“结论”对应关系正确的是（ ）‎ 操作和现象 结论 A 处理锅炉水垢中的CaSO4时，依次加入饱和Na2CO3溶液和盐酸，水垢溶解 溶解度：‎ ‎ S(CaCO3)＜S(CaSO4)‎ B 用石墨作电极电解MgSO4溶液，某电极附近有白色沉淀生成 该电极为阳极 C 向FeCl3和CuCl2混合溶液中加入铁粉，有红色固体析出 氧化性：Cu2+＞Fe3+‎ D 向某溶液中先滴加硝酸酸化无沉淀，再滴加BaCl2溶液，有白色沉淀生成 该溶液中一定含有Ag+‎ ‎【答案】A ‎【变式2】下列各项中“操作或现象”能达到预期“实验目的”的是（ ）‎ 选项 实验目的 操作或现象 A 检验碳与浓硫酸反应后的气体产物 将产生的气体依次通过无水CuSO4、澄清石灰水和品红溶液 B 证明蛋白质在某些无机盐溶液作用下发生变性 向鸡蛋清溶液中加入饱和硫酸钠溶液，有沉淀析出；再把沉淀加入蒸馏水中 C 检验溴乙烷中的溴元素 将少量溴乙烷与NaOH溶液混合共热，充分反应并冷却后,向上层清液中加稀HNO3酸化，再滴加AgNO3溶液 D 证明溶液中存在平衡：‎ Fe3+ + 3SCN-Fe(SCN)3‎ 将1 mL KSCN溶液与1 mL 同浓度 FeCl3溶液充分混合；再继续加入KSCN溶液，溶液颜色加深 ‎【答案】C ‎【解析】D项，将1 mL KSCN溶液与1 mL 同浓度 FeCl3溶液充分混合好后FeCl3过量，再继续加入KSCN溶液，KSCN与过量FeCl3的溶液反应使溶液颜色加深，与平衡无关。‎ 例2、下列实验方案不能达到实验目的的是（ ）‎ 实验目的 实验方案 A 证明溴乙烷发生消去反应有乙烯生成 向试管中加入适量的溴乙烷和NaOH的乙醇溶液，加热，将反应产生的气体通入溴的四氯化碳溶液 B 证明Mg(OH)2沉淀可以转化为Fe(OH)3沉淀 向2 mL 1 mol/L NaOH溶液中先加入3滴1 mol/L MgCl2溶液，再加入3滴1 mol/L FeCl3溶液 ‎ C 检验蔗糖水解产物具有还原性 向蔗糖溶液中加入几滴稀硫酸，水浴加热几分钟，然后加入适量稀NaOH溶液，再向其中加入新制的银氨溶液，并水浴加热 D 测定铝箔中氧化铝的含量 取a g铝箔与足量稀盐酸充分反应，逸出的气体通过碱石灰后，测其体积为b L（已转化为标准状况下）‎ ‎【思路点拨】B项，要注意根据实验数据判断反应物的相对量。‎ ‎【答案】B ‎【解析】A选项，溴乙烷消去后，生成乙烯，可以使溴水褪色。B选项，注意NaOH是过量的，再加入3滴1 mol/L FeCl3溶液必然与NaOH反应生成红褐色沉淀，不能证明Mg(OH)2沉淀可以转化为Fe(OH)3沉淀。C选项，蔗糖水解是酸性环境，水解后加入了碱化的步骤，故正确。D选项，Al和NaOH反应后生成氢气，碱石灰吸收水蒸气，氢气体积为b L，故D正确。 【总结升华】本题考查简单的定性和定量实验设计方案的评价。‎ 举一反三：‎ ‎【变式1】利用如图所示装置进行下列实验，能得出相应实验结论是（ ）‎ 选项 ‎①‎ ‎②‎ ‎③‎ 实验结论 A 稀硫酸 Na2S AgNO3与AgCl的浊液 Ksp（AgCl）＞Ksp（Ag2S）‎ B 浓硫酸 蔗糖 溴水 浓硫酸具有脱水性、氧化性 C 稀盐酸 Na2SO3‎ Ba（NO3）2溶液 SO2与可溶性钡盐均可生成白色沉淀 D 浓硝酸 Na2CO3‎ Na2SiO3溶液 酸性：硝酸＞碳酸＞硅酸 ‎【答案】B ‎【解析】A．稀硫酸与Na2S反应生成H2S气体，H2S与AgNO3反应生成Ag2S黑色沉淀，AgCl的溶解平衡未受影响，不能比较溶度积大小，故A错误； ‎ B．浓硫酸使蔗糖变黑生成碳单质，说明浓硫酸具有脱水性。然后碳与浓硫酸发生氧化还原反应生成的气体使溴水褪色，说明生成了二氧化硫和二氧化碳，体现浓硫酸的强氧化性，故B正确；‎ C．盐酸与亚硫酸钠生成二氧化硫，与Ba（NO3）2溶液发生氧化还原反应生成硫酸钡沉淀，但SO2与可溶性钡盐不一定生成白色沉淀，如SO2与氯化钡不反应，故C错误；‎ D．浓硝酸与碳酸钠反应生成二氧化碳，但浓硝酸易挥发，硝酸、碳酸均可与硅酸钠溶液反应生成硅酸沉淀，则不能比较碳酸与硅酸的酸性，应排除硝酸的干扰，故D错误。‎ ‎【变式2】下述实验能达到预期目的的是（ ）‎ 编号 实验内容 实验目的 A 将SO2通入酸性KMnO4 溶液中，紫色褪去 证明SO2具有漂白性 B 在滴有酚酞的Na2CO3溶液中，加入BaC12溶液后红色褪去 证明Na2CO3溶液中存在水解平衡 C 向1mL0.2 mol/L NaOH溶液中滴入2滴0.1 mol/L的MgCl2溶液产生白色沉淀后，再滴加2滴0.1 mol/L的FeCl3溶液，又生成红棕色沉淀 证明在相同温度下，氢氧化镁的溶解度大于氢氧化铁的溶解度 D 测定等物质的量浓度的Na2SO3与Na2CO3溶液的pH，后者较大 证明非金属性S＞C ‎【答案】B 类型二、反应原理综合实验设计 例3、NH3及其盐都是重要的化工原料。‎ ‎（1）用NH4Cl和Ca(OH)2制备NH3，反应发生、气体收集和尾气处理装置依次为 ‎ ‎（2）按图装置进行NH3性质实验。‎ ‎①先打开旋塞1，B瓶中的现象是 ，原因是 ，稳定后，关闭旋塞1。‎ ‎②再打开旋塞2，B瓶中的现象是 。‎ ‎（3）设计实验，探究某一种因素对溶液中NH4Cl水解程度的影响。‎ 限制试剂与仪器：固体NH4Cl、蒸馏水、100mL容量瓶、烧杯、胶头滴管、玻璃棒、药匙、天平、PH计、温度计、恒温水浴槽（可控制温度）‎ ‎①实验目的：探究 对溶液中NH4Cl水解程度的影响。‎ ‎②设计实验方案，拟定实验表格，完整体现实验方案（列出能直接读取数据的相关物理量及需拟定的数据，数据用字母表示；表中V(溶液)表示所配制溶液的体积）。‎ ② 实验序号I所拟数据进行实验，若读取的待测物理量的数值为Y，则NH4Cl水解反应的平衡转化率为 （只列出算式，忽略水自身电离的影响）。‎ ‎【答案】（1）ACG（2）①产生白色的烟；氯化氢与氨气反应生成了氯化铵小颗粒，氯化铵小颗粒形成白烟。②烧杯中的石蕊溶液会倒流进入到B瓶中。（3）①温度 ‎②‎ ③ ‎(10-Y×5.35)/m ‎【解析】（1）固固加热反应，生成密度小于空气且极易溶于水的气体，故选A、C、G。‎ ‎（2）①A中压强大于B中气体压强，开启旋塞1后，A中HCl进入B中发生反应：HCl+NH3=NH4Cl产生白烟。‎ ‎②反应后，A、B的总压强小于大气压，石蕊溶液倒吸并且NH4Cl与残余HCl水溶液均呈酸性，溶液呈红色。‎ ‎③NH4Cl水解平衡转化率为C(H+)/C(NH4Cl),其中C(H+)=10-ymol/L, C(NH4Cl)= m1/5.35 mol/L,代入即可。‎ 举一反三：‎ ‎【变式1】(1) 已知Na2S2O3 + H2SO4 = Na2SO4 + S↓+ SO2 + H2O 。甲同学通过测定该反应发生时溶液变浑浊的时间，研究外界条件对化学反应速率的影响。设计实验如下（所取溶液体积均为10mL）：‎ 实验编号 实验温度/℃‎ c(Na2S2O3)/mol·L-1‎ c(H2SO4)/mol·L-1‎ ‎①‎ ‎25‎ ‎0.1‎ ‎0.1‎ ‎②‎ ‎25‎ ‎0.2‎ ‎0.1‎ ‎③‎ ‎25‎ ‎0.1‎ ‎0.2‎ ‎④‎ ‎50‎ ‎0.2‎ ‎0.1‎ ‎⑤‎ ‎50‎ ‎0.1‎ ‎0.1‎ 其他条件不变时：探究温度对化学反应速率的影响，应选择 （填实验编号）；‎ 探究浓度对化学反应速率的影响，应选择 （填实验编号）。‎ 若同时选择①②③溶液变浑浊的时间，探究 ‎ ‎ 对化学反应速率的影响。‎ ‎ (2)已知Na2S2O3溶液与Cl2反应时， 1mol Na2S2O3转移8 mol电子。该反应的离子方程式是 。‎ 甲同学设计如下实验流程探究Na2S2O3的化学性质。‎ ‎（Ⅰ）甲同学设计实验流程的目的是证明Na2S2O3溶液具有碱性和 性。‎ ‎（Ⅱ）生成白色沉淀B的离子方程式是 。‎ ‎（Ⅲ）乙同学认为应将上述流程中②③所加试剂顺序颠倒，你认为甲、乙两同学的设计更合理的是 （填“甲”或“乙”），理由是 。‎ ‎【答案】（1）①⑤或②④；①②或①③或④⑤；比较改变不同反应物的浓度对反应速率的影响。‎ ‎（2）S2O32- + 4Cl2 + 5H2O = 2SO42- + 8Cl- + 10H+‎ ‎（Ⅰ）还原 （Ⅱ）SO42- + Ba2+ = BaSO4 ↓（Ⅲ）乙，可以排除BaS2O3的干扰 ‎【变式2】某同学欲在实验室中对Fe3+与I-的反应进行探究，实现Fe2+与Fe3+的相互转化。‎ ‎（1）该同学最初的实验操作和现象如下：‎ 编号 操作 现象 I 先向2 mL 0.1 mol/L FeCl2溶液中滴加KSCN溶液，再滴加新制氯水 II 先向2 mL 0.1 mol/L FeCl3溶液中滴加KSCN溶液，再滴加0.1 mol/L KI溶液 滴加KSCN溶液后，溶液变成红色；滴加KI溶液后，红色无明显变化 ‎①实验I的现象为 。‎ ‎ ②FeCl2溶液与新制氯水反应的离子方程式为 。‎ ‎（2）该同学分析了导致实验II现象的可能原因，并对实验方案进行了改进。改进后的 实验操作和现象如下：‎ 编号 操作 现象 III 向2 mL 0.1 mol/L KI溶液中滴加1 mL ‎ ‎0.1 mol/L FeCl3溶液，再滴加KSCN溶液 滴加FeCl3溶液后，溶液变成黄色；滴加KSCN溶液后，溶液变成红色 根据实验III，甲同学认为Fe3+有可能与I-发生氧化还原反应，请结合实验现象用简 明的文字说明他得出上述结论的理由 。‎ ‎（3）该同学认为需要进一步设计实验证明根据实验III中现象得出的结论。请补全下表中 的实验方案。‎ 编号 操作 预期现象及结论 IV 向2 mL 0.1 mol/L KI溶液中滴加1 mL ‎0.1 mol/L FeCl3溶液， ‎ ‎ ‎ ‎ ‎ ‎ ‎ ‎（4）上述实验结果表明，Fe3+有可能与I-发生氧化还原反应。进一步查阅资料知，参加反 应的Fe3+与I-的物质的量相同。该同学结合上述实验结论，分析了实验III中加入 KSCN后溶液变红的原因，认为Fe3+与I-反应的离子方程式应写为 ‎ 。‎ ‎【答案】（1）① 滴加KSCN后溶液无明显变化，加入氯水后溶液变成红色 ‎② 2Fe2+ + Cl2 === 2Fe3+ + 2Cl-‎ ‎（2）溶液变成黄色，推测生成了I2‎ ‎（3）‎ 编号 操作 预期现象及结论 IV 再滴加淀粉溶液（或CCl4；或铁氰化钾溶液）‎ 预期现象：溶液变蓝（或溶液分层，下层溶液为紫色；或生成蓝色沉淀），结论：Fe3+能与I-发生氧化还原反应，生成I2（或Fe2+）‎ ‎ （其他合理答案均可）‎ ‎（4）2Fe3+ + 2I- 2Fe2+ + I2 ‎ ‎【变式3】某小组利用H2C2O4溶液和酸性KMnO4‎ 溶液反应来探究“条件对化学反应速率的影响”。实验时，先分别量取两种溶液，然后倒入试管中迅速振荡混合均匀，开始计时，通过测定褪色所需时间来判断反应的快慢。该小组设计了如下的方案。‎ 编号 H2C2O4溶液 酸性KMnO4溶液 温度/℃‎ 浓度/ mol·L－1‎ 体积/mL 浓度/ mol·L－1‎ 体积/mL ‎①‎ ‎0.10‎ ‎2.0‎ ‎0.010‎ ‎4.0‎ ‎25‎ ‎②‎ ‎0.20‎ ‎2.0‎ ‎0.010‎ ‎4.0‎ ‎25‎ ‎③‎ ‎0.20‎ ‎2.0‎ ‎0.010‎ ‎4.0‎ ‎50‎ ‎（1）已知反应后H2C2O4转化为CO2逸出，KMnO4转化为MnSO4，每消耗1mol H2C2O4转移_____mol 电子。为了观察到紫色褪去，H2C2O4与KMnO4初始的物质的量需要满足的关系为：c(H2C2O4)：c(KMnO4) ≥______________。‎ ‎（2）探究温度对化学反应速率影响的实验编号是___________（填编号，下同），可探究反应物浓度对化学反应速率影响的实验编号是_____________。‎ ‎（3）实验①测得KMnO4溶液的褪色时间为40s，忽略混合前后溶液体积的微小变化，这段时间内平均反应速率v（KMnO4）＝_______________ mol·L－1·min－1。‎ ‎（4）已知50℃时c(MnO4—)～反应时间t的变化曲线如图。若保持其他条件不变，请在答题卡坐标图中，画出25℃时c(MnO4—)～t的变化曲线示意图。‎ c (MnO4—)‎ t ‎0‎ ‎50℃‎ c (MnO4—)‎ ‎0‎ ‎50℃‎ ‎25℃‎ ‎【答案】（1）2 ； 2.5 ‎ ‎（2）②和③ ； ①和② ‎ ‎（3）0.010或1.0 ×10-2 ‎ ‎（4）如右图