2019高考化學(xué) 專題40 實驗設(shè)計與實驗方案評價（一）考點講解.doc

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專題40 實驗設(shè)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(yù)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(shè)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(xué)生分析問題和解決問題的能力以及學(xué)生思維的靈活性，同時結(jié)合實驗方案的設(shè)計與評價考查學(xué)生選擇、組裝儀器的能力以及繪制簡單實驗裝置圖等學(xué)科內(nèi)綜合知識的能力考查。 【考向預(yù)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(xué)實驗的設(shè)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(chǔ)上進行改進，創(chuàng)設(shè)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(yù)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(xué)實驗設(shè)計 化學(xué)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(xué)現(xiàn)象探究型、物質(zhì)制備和應(yīng)用探究型等， 化學(xué)實驗設(shè)計時遵循的原則：①科學(xué)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(shè)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(xué)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(yīng)物和生成物的性質(zhì)、反應(yīng)條件，如反應(yīng)物和生成物的狀態(tài)，能否腐蝕儀器、反應(yīng)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(xué)儀器和藥品。 (3)設(shè)計裝置、步驟 根據(jù)實驗?zāi)康暮驮?，以及所選用的儀器和藥品，設(shè)計出合理的實驗裝置和實驗操作步驟。學(xué)生應(yīng)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(yīng)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(xué)實驗方案設(shè)計的分類 (1)物質(zhì)制備實驗方案的設(shè)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(shè)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(shè)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(shè)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(shè)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(shè)計，對物質(zhì)具備的性質(zhì)進行求證，關(guān)鍵是設(shè)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(xué)習(xí)方法上強調(diào)的“探究學(xué)習(xí)”、“自主學(xué)習(xí)”，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(xué)反應(yīng)機理、探究化學(xué)實驗中的反常現(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(xué)反應(yīng)的條件以及探究化學(xué)反應(yīng)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(xué)生的探究能力，但在問題的設(shè)置上常常包含了對實驗基礎(chǔ)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(xué)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(xué)性和可行性是設(shè)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(xué)可行，實驗方案是否遵循化學(xué)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(xué)”視角對實驗方案做出評價 “綠色化學(xué)”要求設(shè)計安全的、對環(huán)境友好的合成線路，降低化學(xué)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(xué)實驗過程或方案從以下4個方面進行綜合評價： (1)反應(yīng)原料是否易得、安全、無毒； (2)反應(yīng)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(xué)實驗從安全角度?？紤]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(yīng)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?zāi)康?； (5)冷凝回流(有些反應(yīng)中，為減少易揮發(fā)液體反應(yīng)物的損耗和充分利用原料，需在反應(yīng)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(dǎo)出時可為蒸氣)的及時冷卻； (7)儀器拆卸的科學(xué)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(yīng)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(yīng)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(shè)SCN－被Cl2氧化，向溶液中加入KSCN溶液，若出現(xiàn)紅色，則假設(shè)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(xué)興趣小組設(shè)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(yīng)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(shè)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(fù)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(yīng)用廣泛。某化學(xué)研究性學(xué)習(xí)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(shè)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(yīng)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(yīng)的化學(xué)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(yīng)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(yīng)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(xué)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(yīng)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(yīng)為 。 （8）綜合分析實驗II的兩個反應(yīng)，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(xué)生設(shè)計的用氨催化氧化法制取少量HNO3溶液并收集反應(yīng)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(yīng)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(yīng)的化學(xué)方程式是______________________________________________。 D裝置中一步生成硝酸的兩個化合反應(yīng)為(用化學(xué)反應(yīng)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(yīng)除去 (4)7/8 【解題技巧】 大多數(shù)學(xué)生對化學(xué)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(lǐng)： （1）制備實驗方案的設(shè)計，應(yīng)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(xué)儀器與藥品，設(shè)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(shè)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(shè)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(shè)計的依據(jù)和起點。實驗原理可從題給的化學(xué)情景(或題首所給實驗?zāi)康?并結(jié)合元素化合物等有關(guān)知識獲取。在此基礎(chǔ)上，遵循可靠性、簡捷性、安全性的原則，確定符合實驗?zāi)康?、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?zāi)康暮驮?，確定它們在該實驗中的應(yīng)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(xué)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(shè)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(xué)們解題時應(yīng)注意以下幾點 (1)藥品和裝置的選擇：很多實驗設(shè)計題中已經(jīng)給出了藥品或裝置，我們應(yīng)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(yīng)進行篩選和淘汰，根據(jù)試劑特點合理設(shè)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(yīng)正確分析實驗中測定的數(shù)據(jù)能否達到實驗?zāi)康?，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?zāi)康摹? (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(yīng)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(yīng)制備FeCl3，由于FeCl3易潮解，很多同學(xué)能夠考慮到Cl2需要干燥，但很容易忽略在尾氣吸收中也應(yīng)防止水蒸氣進入反應(yīng)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(xué)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(xué)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(shè)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(yīng)需要作必要的補充，若有剩余，則應(yīng)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(yīng)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(yīng)注意某些儀器的規(guī)格。