化学实验方案的设计和评价(高三)

化学实验方案的设计和评价

1.化学实验方案设计的基本思路

（1）选择最佳反应途径

最佳途径原则：原理准确、方法可行、仪器简单、操作方便、经济安全、绿色环保。

（2）选择最佳原料和除杂试剂

（3）选择适宜操作方法

（4）选择适宜的反应装置和除杂装置

练习1..（2010年高考全国Ⅰ理综）请设计CO2在高温下与木炭反应生成CO的实验。（1）在下面方框中，A表示由长颈漏斗和锥形瓶组成的气体发生器，请完成A后该反应的实验装置示意图（夹持装置、连接胶管及尾气处理部分不必画出，需要加热的仪器下方用△标出），按气流方向在每件仪器下方标出字母B、C……；其他可选用的仪器（数量不限）

简易表示如下：

（2）根据方框中的装置图，填写该表：

（3）有人对气体发生器作如下改进：在锥形瓶中放入一小试管，将长颈漏斗下端插入小试管中。改进后的优点是_________；

（4）验证CO的方法是___________________。

练习2.某同学在学习【非金属单质及其化合物的性质和用途】时，实行下列探究； 【实验一】探究浓硫酸的氧化性

将实验室常用的药品加入如同所示的实验装置，夹持和加热装置省略。

1. 该装置设计上存有什么缺陷，请指出。

2. 写出装置甲中的反应的化学方程式。

3. 装置乙中的试剂是。

【实验二】探究某碳酸钠样品中是否含有碳酸氢铵。 实验操作 预期现象和结论

5. 探究方案；（可用简练的文字描述，也可用装置图描述）

二．化学实验方案的设计 原则

1.实验方案设计的基本要求

（1）科学性：实验原理、实验操作程序和方法必须准确。

（2）安全性：尽量避免使用有毒药品和实行有一定危险性的实验操作，保护人身安全，保护仪器。

（3）环保性：有毒的物质必须处理，以防污染环境。

（4）可行性：实验所选用的药品、仪器、设备和方法等在中学现有条件下能满足要求。 （5）简约性：方案简单易行，尽可能采用简单的实验装置，较少的实验步骤和药品。还应遵循完成实验所用时间较短，副反应少，效果好等基本要求。

浓硫酸

甲

乙

（6）经济性：综合考虑原料的用量和价格。

2.化学实验方案设计的步骤

（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水平，实验步骤应完整而简明。

（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，通过度析、计算、图表、推理等处理，得出准确的结论。

练习3.（2010年高考广东理综）某研究小组用MnO2和浓盐酸制备Cl2时，利用刚吸收过少量SO2的NaOH溶液对其尾气实行吸收处理。

（1）请完成SO2与过量NaOH溶液反应的化学方程式：

SO2＋2NaOH=== 。

（2）反应Cl2＋Na2SO3＋2NaOH===2NaCl＋Na2SO4＋H2O中的还原剂为。

（3）吸收尾气一段时间后，吸收液（强碱性）中肯定存有Cl－、OH－和SO2－4。请设计实验，

探究该吸收液中可能存有的其他阴离子（不考虑

．．．空气中CO2的影响）。

①提出合理假设。

假设1：只存有SO2－3；假设2：既不存有SO2－3，也不存有ClO－；假设3：。

②设计实验方案，实行实验。请写出实验步骤以及预期现象和结论。限选

．．实验试剂：3 mol·L －1 H2SO4、1 mol·L－1NaOH、0.01 mol·L－1KMnO4、淀粉－KI溶液、紫色石蕊试液。

三．化学实验方案的评价

1.从可行性方面对实验方案做出评价

2.从“绿色化学”视角对实验方案做出评价

（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止液体倒吸；

（2）实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（如实验取用或制取易吸水、潮解、水解的物质时宜采取必要措施，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）的即时冷却；

（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）。

练习4.（2010年湖北重点中学联考）实验室有NH4HCO3和NaHSO3的干燥粉状混合物，某兴趣小组为测定其中NH4HCO3的含量，设计了在混合物中加酸的实验方法来测定其质量分数。回答以下问题：

（1）化学小组主要选用了下列药品和仪器实行实验（图中每种仪器或装置只用一次，铁架台等固定用到的仪器未画出）。

请按气流由左向右的方向，仪器连接顺序是（填仪器的接口字母a、b...）a→→→→→f→g→→。

（2）实验开始，混合物加酸前，A装置需要鼓入空气，作用是

________；

加酸反应后A装置再次鼓入空气的作用是______________。

（3）E装置的作用是___________。

（4）实验中，若C瓶中溶液褪色，则测定结果可能会偏__________

（填“高”或“低”）。

（5）若混合物样品质量为13.1 g，充分作用后碱石灰增重4.4 g，则混合物中NH4HCO3的质量分数为。

（6）从定量测定的准确性考虑，该套装置还应作进一步的改进是________________。

巩固练习

1.Fe、Cu都是人类最早使用的金属。某校化学研究性学习小组的同学使用实验手段研究Fe、Cu的相关性质，请你参与研究并完成下列各题：

（1）甲同学取一束细铜丝用砂纸打磨后放在酒精灯上加热至红热，然后迅速伸入盛Cl2的集气瓶中。你认为甲同学在实验中应该观察到的现象是_________。

（2）乙同学为探究Fe在冷浓HNO3和热浓HNO3中的反应情况，设计了如图所示的实验装置：

①乙同学发现装置1中Fe未溶解，其原因是_____________；

②装置2生成的气体（假定为NO2和NO混合气体）全部通入100 mL 4 mol/L NaOH溶液，恰好被完全吸收，反应为：NO＋NO2＋2NaOH===2NaNO2＋H2O

2NO2＋2NaOH===NaNO2＋NaNO3＋H2O

若生成NaNO3和NaNO2物质的量之比为1∶3，则混合气体中NO2和NO的体积比为。（3）丙同学在Fe和浓HNO3反应后的溶液中加入一块Cu片，Cu片先逐渐溶解，反应一段时间后不再溶解。

①丙同学依据反应现象得出Cu片溶解的原因是和HNO3发生反应。他依据的反应现象是____________。

②丁同学认为丙同学的结论不完全准确，他的理由是___________。

（4）请你设计实验证明（3）反应后的溶液中只含Fe2＋而不含Fe3＋。说明具体实验操作和实验现象：__________。

2.草酸晶体（H2C2O4·2H2O）和浓硫酸共热时可生成二氧化碳、一氧化碳和水。某化学兴趣小组根据此信息在实验老师的指导下，用图示装置完成上述实验并验证产物。

据此回答下列问题。

填写表中空白。

（2）为了检验CO，E、F中应加入的试剂分别是__________、

；能证明本实验中有CO生成的实验现象是_____________；

为使CO不污染环境，应实行的操作是_________。

（3）本实验实行一段时间后，A中溶液逐渐变黑。为了培养学生实验水平，实验老师拆去B、C，将A与D直接相连，D中固体换装为无水氯化钙，F中液体换装为氯化钡溶液，并从G向F中通入NO2，其他试剂不变。则H管口有何现象：，F中出现的现象为；F中溶液里的反应为____________。

3.（2010年江西重点中学联考）我国化学家侯德榜改进国外的纯碱生产工艺，生产流程可简要表示如下：

（1）沉淀池中发生反应的方程式为___________；

（2）该实验得到的纯碱中含有氯化钠，甲同学设计装置Ⅰ，拟通过测定烧杯中氢氧化钠溶液的增重来测定样品中碳酸钠的含量，但该实验存有明显不足，试举出该装置引起误差的两个主要原因：

①__________；②__________。

（3）乙同学设计的测定样品中纯碱含量的方法如图Ⅱ，试回答：

①检查该装置气密性的方法为_____________。

②设滴定管的起始读数为V1 mL，终点读数为V2 mL，注射器测定排出的气体为V3 mL（标准状况），称得样品质量为m g，则原样品中碳酸钠的质量分数的表达式为________（用含V1、V2、V3、m的代数式表示）。

（4）丙同学设计的测定样品中纯碱含量的方法如图Ⅲ，并在广口瓶中的水面滴加少量植物油，试回答：

①你认为植物油的作用是________。

②为减小误差，读取量筒中水的体积时的注意事项有，

。

5

．甲酸(HCOOH)是一种有刺激性臭味的无色液体，有很强的腐蚀性。熔点8.4℃，沸点100.7℃，能与水、乙醇互溶，加热至160℃即分解成二氧化碳和氢气。

(1)实验室可用甲酸与浓硫酸共热制备一氧化碳：HCOOH===========

浓硫酸

80℃～90℃

H2O＋CO↑，实验的部分装置如下图所示。制备时先加热浓硫酸至80℃～90℃，再逐滴滴入甲酸。

①从下图挑选所需的仪器，在虚线框中画出Ⅰ中所缺的气体发生装置(添加必要的塞子、玻璃管、胶皮管，固定装置不用画)，并标明容器中的试剂。

②装置Ⅱ的作用是_______________________________________________________。

(2)实验室可用甲酸制备甲酸铜。其方法是先用硫酸铜和碳酸氢钠作用制得碱式碳酸铜，然后再与甲酸制得四水甲酸铜[Cu(HCOO)2·4H2O]晶体。相关的化学方程式是：2CuSO4＋4NaHCO3

===Cu(OH)2·CuCO3↓＋3CO2↑＋2Na2SO4＋H2O Cu(OH)2·CuCO3＋4HCOOH＋5H2O===2Cu(HCOO)2·4H2O＋CO2↑

实验步骤如下：

碱式碳酸铜的制备：

①步骤ⅰ是将一定量CuSO4·5H2O晶体和NaHCO3固体一起放到研钵中研磨，其目的是________________。

②步骤ⅱ是在搅拌下将固体混合物分多次缓慢加入热水中，反应温度控制在70℃～80℃，如果看到____________________(填写实验现象)，说明温度过高。

6.碳酸钠与工农业生产、日常生活紧密相关。工业碳酸钠大多采用侯氏制碱法制取，所得碳酸钠样品中往往含有少量NaCl，现欲测定样品中Na2CO3的质量分数，某探究性学习小组分别设计了如下实验方案。请回答下列相关问题：

方案一：沉淀分析法

(1)把一定质量的样品溶解后加入过量的CaCl2溶液，将所得沉淀________(填操作)、洗涤、烘干、称量，洗涤沉淀的操作是___________________________________________。

方案二：气体分析法

(2)把一定量的样品与足量盐酸反应后，用下图所示装置测定产生CO2的体积，为了确保测定结果的准确性，B中的溶液最好采用______________，但选用该溶液后实验结果仍然不够准确，其原因是____________________________。

方案三：质量差分析法

(3)把一定质量的样品和足量的稀硫酸反应，采用下图所示装置，通过称量反应前后盛有碱石灰的干燥管的质量，利用其质量差求算样品的纯度。

该实验的操作步骤有：①在干燥管内填满碱石灰，质量为m g；②取n g样品装入广口瓶中；③检验装置的气密性；④缓慢鼓入空气数分钟，再称量干燥管质量为w g；⑤关闭止水夹；⑥打开止水夹；⑦缓慢加入稀硫酸至不再产生气体为止；⑧缓慢鼓入空气数分钟。

Ⅰ.准确的操作顺序是(填序号)：

③―→________―→⑥―→________―→⑤―→________―→⑦―→________―→④。

Ⅱ.若去掉装置A，测定结果________；若去掉装置B，测定结果________(填“偏大”、“偏小”或“无影响”)。