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1、第十一章第十一章化学实验基础化学实验基础第第 四四 节节 实验方案的实验方案的 设计与评价设计与评价知知 识识 研研 读读(对应学生用书对应学生用书P164)课程解读课程解读课课程程标标准准能根据实验试题要求，做到：能根据实验试题要求，做到：(1)(1)设计、评价或改进实验方案；设计、评价或改进实验方案；(2)(2)了解控制实验条件的方法；了解控制实验条件的方法；(3)(3)分析或处理实验数据，得出合理结论；分析或处理实验数据，得出合理结论；(4)(4)识别典型的实验仪器装置图。识别典型的实验仪器装置图。考考点点展展示示1.1.以科技、生产、生活中的新材料为载体，考查实验评以科技、生产、生活中
2、的新材料为载体，考查实验评价、误差分析和定量计算等方面的能力。价、误差分析和定量计算等方面的能力。2.2.通过对课本实验的改进，考查学生分析问题和解决问通过对课本实验的改进，考查学生分析问题和解决问题的能力以及学生思维的灵活性。题的能力以及学生思维的灵活性。3.3.结合实验方案的设计与评价，考查学生选择组装仪器结合实验方案的设计与评价，考查学生选择组装仪器的能力及识别简单实验装置图的能力。的能力及识别简单实验装置图的能力。考点一考点一化学实验方案的设计1化学实验方案设计的思路考点整合考点整合(即时巩固解析为教师用书独有即时巩固解析为教师用书独有)2化学实验设计时遵循的原则(1)科学性：实验原理
3、准确，实验流程合理。(2)安全性：保护人身、保护环境、保护仪器。(3)可行性：条件允许，效果明显，方便操作。(4)简约性：做到步骤少、时间短、节省药品、效果好等基本要求。3实验设计的步骤(1)明确目的原理：首先必须认真审题，明确实验的目的及要求，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，能否腐蚀仪器和其他物件，反应是否加热及温度是否控制在一定的范围内等，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
4、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。4化学实验方案设计的仪器选用及连接顺序5实验操作的顺序(1)连接仪器。按气体发生除杂质干燥主体实验尾气处理顺序连接好实验仪器。(2)检查气密性。在整套仪器连接完毕后，应先检查装置的气密性，然后装入药品。检查气密性的方法要依装置而定。(3)装药品，进行实验操作。6实验设计的注意事项(1)药品和装置是部分或刚好给出还是有剩余若
5、药品和装置只部分给出，则应需要作必要的补充，若有剩余，则应进行筛选和淘汰。(2)题目条件有无特殊要求如采用最简单或最合理的实验步骤，这些要求对我们考虑反应原理、选择药品和装置、确定操作步骤都作了限定，必须高度重视。(3)实验过程中的隐蔽性操作如某些必要的干燥、除杂、冷凝等，这些都是实验中必不可少的，但容易被忽略。(4)药品的规格有些题目要求指出药品的名称，这类问题学生最难答准确，如有些药品的准确描述为：硫酸铜粉末、澄清石灰水、酸性高锰酸钾溶液，浓硫酸、饱和NaHCO3溶液、NaOH溶液等。此外也应注意某些仪器的规格。(5)会画简单的实验装置图考纲要求能够绘制和识别典型的实验仪器装置图，可用“示
6、意装置图”表示。(6)其他应注意的问题冷凝回流的问题。有易挥发的液体反应物，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导管等。冷却问题。有的实验为防止气体冷凝不充分而受损失，需要用冷凝管，可以用冷水或冰水冷凝气体(物质蒸气)，使物质蒸气冷凝为液态便于收集。防止倒吸问题。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。具有特殊作用的实验改进装置。如为防止分液漏斗中的液体不能顺利流出，用橡皮管连接成连通装置；为防止气体从长颈漏斗中逸出，可在发生装置中的漏斗末端套一支小试管等。【案例1】(2010山东理综)聚合硫酸铁又称聚铁，化学式为Fe2(O
7、H)n(SO4)30.5nm，广泛用于污水处理。实验室利用硫酸厂烧渣(主要成分为铁的氧化物及少量FeS、SiO2)制备聚铁和绿矾(FeSO47H2O)，过程如下：(1)验证固体W焙烧后产生的气体含有SO2的方法是_。(2)实验室制备、收集干燥的SO2，所需仪器如下。装置A产生SO2，按气流方向连接各仪器接口，顺序为a f。装置D的作用是_，装置E中NaOH溶液的作用是_。(3)制备绿矾时，向溶液X中加入过量_，充分反应后，经_操作得到溶液Y，再经浓缩、结晶等步骤得到绿矾。(4)溶液Z的pH影响聚铁中铁的质量分数，用pH试纸测定溶液pH的操作方法为_。若溶液Z的pH偏小，将导致聚铁中铁的质量分数
8、偏_。【解析解析】本题是一道制备实验题。(1)检验SO2常用品红溶液。(2)发生装置中生成的SO2经干燥后用向上排空气法收集。在制备有毒气体时应连接尾气处理装置，SO2在NaOH溶液中的溶解量较大，故D为安全瓶，防止倒吸。(3)溶液X中主要成分是硫酸铁，加入过量铁粉转化成硫酸亚铁，然后过滤出多余铁粉，得硫酸亚铁溶液。(4)pH试纸使用时不能湿润，采用正确方法可测得较准确的pH；若溶液Z的pH偏小，则聚铁中铁的质量分数就会偏低。【答案答案】(1)将气体通入品红溶液，溶液褪色，加热恢复原色(2)decb防止倒吸吸收多余的SO2(3)铁屑过滤(4)将小片pH试纸放在点滴板(或表面皿)上，用玻璃棒蘸取
9、少量待测液点在试纸上，与标准比色卡对照低(小)【规律方法】(1)设计制备实验方案的思路是：列出可能的几种制备方法和途径，从方法是否可行、装置和操作是否简单、是否经济与安全等方面进行分析和比较，从中选取最佳的实验方法。(2)解答制备方案设计题应当具备的知识：化学实验仪器的使用，化学实验基本操作等实验基础知识。单质、氧化物、酸、碱、盐等物质的性质及相互转化关系。常见气体实验室制备原理。【即时巩固1】如图所示为常见气体制备、分离、干燥和性质验证的部分仪器装置(加热设备及夹持固定装置均略去)，请根据要求完成下列各题(仪器装置可任意选用，必要时可重复选择，a、b为活塞)。(1)若气体入口通入CO和CO2
10、的混合气体，E内放置CuO，选择装置获得纯净干燥的CO，并验证其还原性及氧化产物，所选装置的连接顺序为_(填代号)。能验证CO氧化产物的现象是_。(2)停止CO和CO2混合气体的通入，E内放置Na2O2，按AEDBH装置顺序制取纯净干燥的O2，并用O2氧化乙醇。此时，活塞a应_，活塞b应_，需要加热的仪器装置有_(填序号)，m中反应的化学方程式为_。(3)若气体入口改通空气，分液漏斗内改加浓氨水，圆底烧瓶内改加NaOH固体，E内放置铂铑合金网，按AGED装置顺序制取干燥的氨气，并验证氨的某些性质。装置A中能产生氨气的原因有_。实验中观察到E内有红棕色气体出现，证明氨气具有_性。【解析解析】解答
11、此类题目，首先要理解实验目的和原理，明确各实验装置的作用，然后根据实验要求连接实验装置。(1)先吸收CO中的CO2，待CO2被充分吸收后，再用干燥的CO还原CuO，检验CO具有还原性；然后利用澄清石灰水检验CO的氧化产物为CO2，最后多余CO要进行尾气处理。(2)关闭活塞a，停止通入CO和CO2混合气体，打开活塞b，使装置A发生反应Na2CO3H2SO4=Na2SO4CO2H2O，装置E内发生反应2CO22Na2O2=2Na2CO3O2，装置D内发生反应CO22NaOH=Na2CO3H2O，O2经干燥后与挥发的乙醇蒸气混合，并在Cu作催化剂的条件下，发生催化氧化反应2CH3CH2OHO2 2C
12、H3CHO2H2O。(3)浓氨水与NaOH固体混合可产生NH3，NH3和O2的混合气体经碱石灰干燥后，在铂铑合金的催化作用下可发生反应4NH35O24NO6H2O，之后发生反应2NOO2=2NO2，利用红棕色NO2气体的生成检验NH3被氧化为NO，从而证明NH3具有还原性。【答案答案】(1)A、C、B、E、C、FA、B之间的C装置中溶液保持澄清，E、F之间的C装置中溶液变浑浊(2)关闭打开k、m2CH3CH2OHO2 2CH3CHO2H2O(3)NaOH溶于水放出大量热，温度升高，使氨的溶解度减小而放出；NaOH吸水，促使氨放出；NaOH电离出的OH增大了氨水中的OH浓度，促使氨水电离平衡左移
13、，导致氨气放出还原考点二考点二化学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、准确与不准确做出判断。要考虑是否完全合理、有无干扰现象、经济上是否合算和对环境有无污染等。1从可行性方面对实验方案做出评价科学性和可行性是设计实验方案的两条重要原则，任何实验方案都必须科学可行。因此，在对实验方案进行评价时，要分析实验方案是否科学可行，实验方案是否遵循化学理论和实验方法论要求，在实际操作时能否做到可控易行。评价时，从以下4个方面分析：(1)实验原理是否正确、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)实验效果是否明显等。2从“绿色化学”视角对实验方案做出评价“绿
14、色化学”要求设计更安全的、对环境友好的合成线路，降低化学工业生产过程中对人类健康和环境的危害，减少废弃物的产生和排放。根据“绿色化学”精神，对化学实验过程或方案从以下4个方面进行综合评价：(1)反应原料是否易得、安全、无毒；(2)反应速率是否较快；(3)原料利用率以及合成物质的产率是否较高；(4)合成过程中是否造成环境污染。3从“安全性”方面对实验方案做出评价化学实验从安全角度常考虑的主要因素如下：(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
15、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、试剂加入顺序、实验方法使用顺序等)。【案例2】(2010福建理综)工业上常用铁质容器盛装冷浓硫酸。为研究铁质材料与热浓硫酸的反应，某学习小组进行了以下探究活动：【探究一】(1)将已去除表面氧化物的
16、铁钉(碳素钢)放入冷浓硫酸中，10分钟后移入硫酸铜溶液中，片刻后取出观察，铁钉表面无明显变化，其原因是_。(2)另取铁钉6.0 g放入15.0 mL浓硫酸中，加热，充分反应后得到溶液X并收集到气体Y。甲同学认为X中除Fe3外还可能含有Fe2。若要确认其中的Fe2，应选用_(选填序号)。aKSCN溶液和氯水b铁粉和KSCN溶液c浓氨水 d酸性KMnO4溶液乙同学取336 mL(标准状况)气体Y通入足量溴水中，发生反应：SO2Br22H2O=2HBrH2SO4然后加入足量BaCl2溶液，经适当操作后得干燥固体2.33g。由此推知气体Y中SO2的体积分数为_。【探究二】分析上述实验SO2体积分数的结
17、果，丙同学认为气体Y中还可能含有H2和Q气体。为此设计了下列探究实验装置(图中夹持仪器省略)。(3)装置B中试剂的作用是_。(4)认为气体Y中还含有Q的理由是_(用化学方程式表示)。(5)为确认Q的存在，需在装置中添加M于_(选填序号)。aA之前bAB间cBC间 dCD间(6)如果气体Y中含有H2，预计实验现象应是_。(7)若要测定限定体积气体Y中H2 的含量(标准状况下约有28 mL H2)，除可用测量H2体积的方法外，可否选用质量称量的方法？做出判断并说明理由_。【解析解析】本题考查化学实验，意在考查考生化学实验的设计和分析能力。【探究一】(1)铁钉遇冷的浓硫酸钝化，因此放入硫酸铜溶液中无
18、明显变化。(2)检验Fe3中含有Fe2，可以利用Fe2的还原性，其能使酸性高锰酸钾溶液褪色。根据SO2H2SO4BaSO4，则气体Y中SO2的物质的量n(SO2)n(BaSO4) 0.01 mol，则SO2的体积分数为 100%66.7%。【探究二】(3)装置A用于除去混合气体中的SO2，装置B用于检验SO2是否除尽。(4)因为铁钉由碳素钢制成，因此将其溶于浓硫酸中加热，必然发生C和浓硫酸的反应，因此气体Y中还含有CO2。(5)为确认CO2的存在，可以在除尽SO2后即BC间添加M(内盛装澄清石灰水)。(6)如果气体Y中含有H2，则通过D装置时，D中黑色CuO被还原为红色Cu，生成的H2O能使E
19、中白色的无水硫酸铜变为蓝色。【答案答案】(1)铁钉表面被钝化(2)d66.7%(3)检验SO2是否除尽(4)C2H2SO4(浓) CO22SO22H2O(5)c(6)D中固体由黑变红和E中固体由白变蓝(7)否，用托盘天平无法称量D或E的差量(或可，用分析天平称量D或E的差量)【即时巩固2】课题式课堂教学是研究性学习的一种方式，其基本教学模式为：如图是关于“一氧化碳的化学性质”的课题式课堂教学中解决问题阶段，甲同学设计的证明CO具有还原性的实验装置。(1)实验时应先点燃_处(填“A”或“B”)的酒精灯。(2)硬质试管中反应的化学方程式为_。(3)乙同学认为右图装置有待优化，如尾气可先储存在瓶内，
20、然后再处理。如图是他设计的贮气瓶，尾气应从_(填“a”或“b”)口通入(其他装置略)。(4)丙同学质疑：CO能否使澄清石灰水变浑浊？因此，他设计在CO通入CuO之前，应先通入澄清石灰水，以比较排除CO与澄清石灰水反应，试对此作出评价。你认为丙的设计是否有必要？_，理由是_。(5)如果开始时通入的是CO和CO2的混合气体，则应如何设计才能达到实验目的？_。【解析解析】综合考虑CO和CO2的性质，根据所给仪器来设计，既要防止CO的污染还要考虑混合物的除杂问题。(1)CO为污染性有毒气体，由于先通CO排空气，故应先点燃B处的酒精灯。(2)CO能还原CuO生成CO2。(3)贮气瓶应从a口进气，水从b中排出。(4)由于整个设计过程中CO开始通过了澄清石灰水，故没必要排除CO的干扰。(5)应先除去CO2再通入装置。【答案答案】(1)B(2)CuOCO CuCO2(3)a(4)不必要在酒精灯A点燃前，CO已通过了澄清石灰水(5)先通过碱石灰除去CO2后再通入装置
