68化学实验方案的设计与评价

第四单元化学实验方案的设计与评价考点一探究性实验题【典题技法归纳】考向1:物质性质探究(2015·全国卷Ⅰ)草酸(乙二酸)①存在于自然界的植物中，其K1=5.4×10－2，K2=5.4×10－5。草酸的钠盐和钾盐易溶于水，而其钙盐难溶于水。草酸晶体(H2C2O4·2H2O)无色，熔点为101℃，易溶于水，受热脱水、升华，170℃以上分解②。回答下列问题：(1)甲组同学按照如图所示的装置，通过实验检验草酸晶体的分解产物。装置C中可观察到的现象是______，由此可知草酸晶体分解的产物中有________。装置B③的主要作用是_________________________________。(2)乙组同学认为草酸晶体分解产物中还有CO④，为进行验证，选用甲组实验中的装置A、B和下图所示的部分装置(可以重复选用)进行实验。①乙组同学的实验装置中，依次连接的合理顺序为A、B、_______。装置H⑤反应管中盛有的物质是_______。②能证明草酸晶体分解产物中有CO的现象⑥是______。(3)设计实验证明：①草酸的酸性⑦比碳酸的强_____________________。②草酸为二元酸______________________________。【典题剖析】关键信息信息分析与迁移信息①乙二酸的分子式为C2H2O4信息②乙二酸受热易升华变成气体信息③B装置中含有冰水具有冷凝的作用信息④检验一氧化碳时应先除去二氧化碳并检验是否除净关键信息信息分析与迁移信息⑤受热来检验气体,依据CO的性质是利用其还原性信息⑥CO的氧化产物为CO2,即检验CO2的性质信息⑦验证酸性的强弱可依据强酸制弱酸等【解析】(1)草酸中只有碳、氢、氧三种元素,生成的可能产物中能用澄清石灰水检验的只能是二氧化碳,现象是有气泡产生,石灰水变浑浊,添加冷凝装置是防止草酸进入石灰水和其反应生成沉淀。(2)检验一氧化碳时应先除去二氧化碳并检验是否除净,所以先通入氢氧化钠和石灰水溶液,再除去水蒸气(通过无水氯化钙),最后通过灼热氧化铜和石灰水溶液并检验产物,如果前面二氧化碳除净,后面有二氧化碳生成,则证明有一氧化碳。(3)①证明草酸的酸性比碳酸强,只要验证草酸和碳酸氢钠或碳酸钠反应生成二氧化碳即可,即向盛有少量NaHCO3(或Na2CO3)的试管中滴加草酸溶液,有气泡产生。②验证草酸是二元酸,只要证明1mol草酸需要2mol氢氧化钠即可,即用氢氧化钠标准溶液滴定草酸溶液,消耗氢氧化钠的物质的量为草酸的两倍。答案:(1)有气泡产生,澄清石灰水变浑浊CO2冷凝(水蒸气、草酸等),防止草酸进入装置C反应生成沉淀,干扰二氧化碳的检验(2)①F、D、G、H、D、ICuO(或氧化铜)②H中黑色粉末变为红色,其后的D中澄清石灰水变浑浊(3)①向盛有少量NaHCO3(或Na2CO3)的试管中滴加草酸溶液,有气泡产生②用氢氧化钠标准溶液滴定草酸溶液,消耗氢氧化钠的物质的量为草酸的两倍考向2:规律探究与变量控制(2016·唐山模拟)影响化学反应速率的因素很多,某课外兴趣小组用实验的方法探究影响化学反应速率的因素。实验一：利用Cu、Fe、Mg①和不同浓度的硫酸(0.5mol·L－1、2mol·L－1、18.4mol·L－1)②，设计实验方案，研究影响反应速率的因素。(1)甲同学的实验报告如表所示:实验步骤实验现象实验结论①取三份等体积的2mol·L－1硫酸于试管中②同压下，分别投入大小、形状相同的Cu、Fe、Mg③反应产生气泡的速率大小:MgFeCu反应物的性质越活泼,反应速率越大该同学的实验目的是______________________,要想得出正确的实验结论,还需要控制的实验条件是_______。(2)乙同学为了能精确地研究浓度对反应速率的影响,在相同温度下利用如图所示装置进行定量实验。完成该实验应选用的实验药品是________,应该测定的实验数据是____________________。实验二：已知2KMnO4＋5H2C2O4＋3H2SO4====K2SO4＋2MnSO4＋8H2O＋10CO2↑④，在开始一段时间内反应速率较小，溶液褪色不明显，但反应一段时间后，溶液突然褪色⑤，反应速率明显增大。(3)针对上述实验现象,某同学认为该反应放热,导致溶液的温度升高,从而使反应速率增大。从影响化学反应速率的因素看,你认为还可能是____________________的影响。(4)若要用实验证明你的猜想,除酸性高锰酸钾溶液、草酸溶液外,还可以在反应开始时加入________(填字母)。A.硫酸钾B.硫酸锰C.氯化锰D.水【典题剖析】关键信息信息分析与迁移信息①研究的是几种不同金属信息②提供试剂浓度有差异,可能会研究浓度因素的影响信息③浓度相同、压强相同、没有使用催化剂信息④Mn2+随着反应的进行,浓度变化较大信息⑤影响反应速率的因素除了浓度、温度外,催化剂也会影响反应速率【解析】(1)甲同学研究的是几种不同金属与同浓度的硫酸反应的速率大小,因此可确定研究的是反应物本身的性质对反应速率的影响。研究时必须保证外界条件相同,现有条件是浓度相同、压强相同、没有使用催化剂,故只要再控制温度相同即可。(2)乙同学可以选择两种不同浓度的酸与金属反应。Cu与硫酸不反应,Mg与硫酸反应太快,故选择Fe。而常温下Fe遇18.4mol·L-1的硫酸时会发生钝化,故只能选择0.5mol·L-1和2mol·L-1的硫酸。该反应产生的是氢气,反应速率又与时间有关,故需要测定的数据是产生相同体积氢气所需的时间或相同时间内产生氢气的体积。(3)随着反应进行,反应物的浓度越来越小,反应在敞口容器中进行,故可排除压强的影响,因此可猜想是由于催化剂的影响,此催化剂只能来源于生成物,故为Mn2+。(4)C中Cl-易与KMnO4发生氧化还原反应,故只能选B。答案:(1)比较反应物本身的性质对反应速率的影响温度相同(2)Fe、0.5mol·L-1和2mol·L-1的硫酸产生相同体积氢气所需的时间(或相同时间内产生氢气的体积)(3)Mn2+的催化作用(或催化剂)(4)B【归纳总结】1.对物质性质探究的基本思路如下:2.变量探究实验题的解题策略:3.探究实验题的解题策略:物质性质实验探究是中学化学实验探究的重要内容。设计实验探究时,要求原理准确、步骤简捷、现象明显、结论易得,且不对环境造成污染,中学化学性质实验探究的主要角度有:(1)物质氧化性、还原性的判断。如探究SO2具有还原性的方法是将气体通入酸性KMnO4溶液中,通过KMnO4溶液是否褪色来说明。(2)物质氧化性强弱、还原性强弱的判断。如探究Fe3+的氧化性强于I2时,可利用FeCl3与KI淀粉溶液反应,通过溶液是否变蓝色来说明Fe3+的氧化性大于I2。(3)同周期、同主族元素性质的递度规律一般通过设计元素金属性、非金属性的强弱实验来完成,如通过Mg、Al与同浓度盐酸反应产生H2的快慢来说明Mg的活泼性强于Al。(4)电解质强弱的判断。如探究一元酸HA是弱酸的方法是常温下配制NaA的溶液,测pH,若pH7,则说明HA为弱酸。(5)物质酸性强弱的判断。如探究碳酸和硅酸的酸性强弱,可利用相对强的酸制备相对弱的酸的反应原理,将CO2气体通入Na2SiO3溶液,看是否有白色沉淀生成来判断。(6)钢铁发生电化学腐蚀的规律探究。可以通过控制所含的杂质是否与空气接触、所接触的电解质溶液的酸碱度、钢铁在腐蚀过程中体系内的气压变化等角度设计实验,找出规律。【高考模拟精练】1.(2015·北京高考)为探讨化学平衡移动原理与氧化还原反应规律的联系,某同学通过改变浓度研究“2Fe3++2I-2Fe2++I2”反应中Fe3+和Fe2+的相互转化。实验如下:(1)待实验Ⅰ溶液颜色不再改变时,再进行实验Ⅱ,目的是使实验Ⅰ的反应达到_________。(2)ⅲ是ⅱ的对比实验,目的是排除ⅱ中________造成的影响。(3)ⅰ和ⅱ的颜色变化表明平衡逆向移动,Fe2+向Fe3+转化。用化学平衡移动原理解释原因:_______________。(4)根据氧化还原反应的规律,该同学推测ⅰ中Fe2+向Fe3+转化的原因:外加Ag+使c(I-)降低,导致I-的还原性弱于Fe2+,用如图装置(a、b均为石墨电极)进行实验验证。①K闭合时,指针向右偏转,b作________极。②当指针归零(反应达到平衡)后,向U形管左管中滴加0.01mol·L-1AgNO3溶液,产生的现象证实了其推测,该现象是_____________________________________________________________________________________。(5)按照(4)的原理,该同学用上图装置进行实验,证实了ⅱ中Fe2+向Fe3+转化的原因。①转化原因是_________________________________。②与(4)实验对比,不同的操作是_________________。(6)实验Ⅰ中,还原性:I-Fe2+;而实验Ⅱ中,还原性:Fe2+I-,将(3)和(4)、(5)作对比,得出的结论是___________________________________________________。【解析】(1)待实验Ⅰ溶液颜色不再改变时,再进行实验Ⅱ,目的是使实验Ⅰ的反应达到化学平衡状态。(2)实验ⅲ加入了水,是实验ⅱ的对比实验,因此目的是排除因加入FeSO4溶液而将溶液稀释引起溶液颜色的变化。(3)ⅰ中加入AgNO3,Ag+与I-生成AgI黄色沉淀,I-浓度降低,2Fe3++2I-2Fe2++I2平衡逆向移动,溶液褪色;ⅱ中加入FeSO4,Fe2+浓度增大,平衡逆向移动,溶液颜色变浅。(4)①K闭合时,指针向右偏转,表明b极为正极,Fe3+得电子;②当指针归零(反应达到平衡)后,向U形管左管滴加0.01mol·L-1AgNO3溶液,产生黄色沉淀,I-浓度减小,2Fe3++2I-2Fe2++I2平衡左移,指针向左偏转。(5)①Fe2+向Fe3+转化的原因是Fe2+浓度增大,还原性增强。②与(4)实验对比,不同的操作是当指针归零后,向U形管右管中滴加1mol·L-1FeSO4溶液。(6)将(3)和(4)、(5)作对比,得出的结论是在其他条件不变时,物质的氧化性和还原性与浓度有关,浓度的改变可影响物质的氧化性和还原性,导致平衡移动。答案:(1)化学平衡状态(2)溶液稀释对颜色变化(3)ⅰ中加入Ag+发生反应:Ag++I-====AgI↓,c(I-)降低;ⅱ中加入FeSO4,c(Fe2+)增大,平衡均逆向移动(4)①正②左管产生黄色沉淀,指针向左偏转(5)①Fe2+浓度增大,还原性增强,使Fe2+还原性强于I-②向U形管右管中滴加1mol·L-1FeSO4溶液(6)该反应为可逆氧化还原反应,在平衡时,通过改变物质的浓度,可以改变物质的氧化性和还原性,并影响平衡移动方向2.(2016·湛江模拟)已知亚硫酸钠在空气中能被氧气氧化生成硫酸盐。Ⅰ.甲同学设计两种方案来检验Na2SO3溶液是否发生变质。方案一:取样,加入稀盐酸有气泡生成,认为亚硫酸钠溶液没有变质。方案二:取样,加入氯化钡溶液有白色沉淀生成,认为亚硫酸钠溶液完全变质。请你对两方案作出评价:方案一:________(填“合理”或“不合理”),理由是_____________________________________________。方案二:________(填“合理”或“不合理”),理由是_____________________________________________。Ⅱ.乙同学探究Na2SO3溶液是否发生变质,设计如下实验测定1.0mol·L-1Na2SO3溶液的实际浓度。(1)分液漏斗中应加入足量的下列哪种试剂?________(填字母)。a.浓硝酸b.65%硫酸c.浓盐酸(2)实验前后测得C装置增重3.2g,则Na2SO3溶液实际的物质的量浓度为________。(3)该实验装置还存在一个明显的缺陷是________