【独家】2011年高考化学一轮讲练析精品学案第39讲 化学实验方案的设计与评价

2011年高考化学一轮讲练析精品学案第39讲化学实验方案的设计与评价1．能发现学习和生产、生活中有意义的化学问题，并进行实验探究。2．能根据具体情况设计解决化学问题的实验方案，并予以评价和优化。3．能通过化学实验收集有关数据，并科学地加以处理。4．能对实验现象做出合理的解释，运用比较、归纳、分析、综合等方法初步揭示化学变化的规律。第1课时实验设计与评价一、化学实验方案的设计1.化学实验设计时应遵循：①科学性，实验原理，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，操作正确。④简约性，做到步骤少，时间短、效果好等基本要求。2.如何迅速、准确地解答综合实验设计题呢?(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。考点解读基础过关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。(6)设计实验时还要考虑以下因素：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)。3.制备实验方案的设计制备实验方案的设计，对巩固元素化合物知识和掌握好各类有机物之间的相互转化关系，全面训练实验技能，培养分析问题和解决问题的能力是有益的。制备实验方案的设计，应遵循以下原则：①条件合适，操作方便；②原理正确，步骤简单；③原料丰富，价格低廉；④产物纯净，污染物少。即从多种路线中优选出一种最佳的制备途径，合理地选择化学食品与药品，设计合理的实验装置和实验操作步骤。由于大多数有机反应，副反应较多，且为可逆反应，因此设计有机物制备实验方案时，尽可能选择步骤少、副产物少的反应的有机反应。若两种有机物参加的可逆反应，应考虑多加一些价廉的有机物，以提高另一种有机物的转化率和产率，另外有机物的制备实验，控制反应条件尤为重要。如实验室欲制备苯甲酸甲酯，在设计实验方案时，可这样考虑：用甲醇与苯甲酸进行酯化反应，以浓H2SO4作催化剂。因为酯化反应是可逆的。根据化学平衡移动原理，增大反应物如甲醇的浓度，可以使平衡向有利苯甲酸甲酯生成的方向移动。4.探索性实验、性质实验方案的设计分析其结构特点或从所属类型的典型代表物去推测物质可能具有的一系列性质，而后据此分别设计出合理的实验方案，去探索它所可能具有的性质。5.验证性实验性质实验方案的设计对物质具备的性质去求证，关键设计出简捷的实验方案，操作简单，简便宜行，现象明显，且安全可行。二、特殊实验装置的创新设计1．气体反应装置：气～气气～液气～固2．实验装置的改进：常规实验装置改进后的实验装置启普发生器极易溶于水量气装置3．实验中的安全装置分类装置简图原理及使用实例防倒吸倒装置隔离式导气管末端不插入液体（水）中，导气管与液体呈隔离状态。可用来吸收易溶于水的气体。如课本中制溴苯实验中设计这一装置吸收HBr。倒置漏斗式由于漏斗容积较大，当水进行漏斗内时，烧杯内液面下降而低于漏斗下口，受重力作用，液体又固落到烧杯中。常用于吸收易溶于水的气体。如93高考实验题用此装置吸收HBr。容器接收式使用较大容积的容器接收可能倒吸过来的液体，防止进入气体发生装置或受热的反应容器。如96“引火铁”用此装置接收可能倒吸的水，以防进入灼热的硬质试管中。防堵塞装置液封平衡管式插入液面中的长玻璃管与大气连通，流动的气体若在前方受阻，增大的气压会随玻璃管中液面的上升而得到调节。如97高考设计此装置可用来检查堵塞，还可防倒吸。恒压式使分液漏斗与烧瓶内气压相同，保证漏斗中液体顺畅流出。如95上海高考题设置该装置。防污染吸收式容器中盛有与有毒气体反应的溶液，将未反应的有毒气体吸收，使其不扩散到空气中，造成污染。如Cl2、SO2、H2S等酸性有毒气体可用碱液吸收。安全装置灼烧式适当时候，点燃尖咀中的有毒可燃气体，充分燃烧后，转化为对环境无污染的产物。如CO等可燃性有毒气体。收集式利用气球或球胆将有毒气体收集后，另作处理，避免其逸散到空气中，污染环境。三、化学反应条件的控制化学反应总是在一定的条件下进行的，改变条件会对化学反应产生重要影响。例如，在硝酸的工业生产中，氨的催化过程需要严格控制反应条件(铂—钯—铑做催化剂，温度约为900℃，氧气与氨气的体积比为1.7:7)，否则会产生许多副反应，达不到生产要求；由于高温、光照等条件会加快双氧水的分解反应，因此双氧水常常保存在阴凉、避免阳光直射的地方；当溶液的酸碱性不同时，高锰酸钾溶液与还原剂反应的产物不同。那么，反应条件对化学反应的影响表现在哪些方面？它们是如何影响化学反应的？我们通过实验研究物质性质及反应规律时应注意什么问题？1.浓度对平衡的影响2.反应条件对化学反应速率的影响3.反应介质、浓度对化学反应结坚果的影响以上这三方面我们在以前的课本中都学习过，在此不再叙述。但是我们一定要知道研究反应条件对化学反应结果影响的核心思路是：只改变一种条件，观察实验结果，从而得出该条件对化学反应结果的影响，这种思路反映的是变量控制的思想。【例1】（2010全国卷1，29）（15分）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表示有长颈漏斗和锥形瓶组成的气体发生器，请在答题卡上的A后完成该反应的实验装置示意图(夹持装置,连接胶管及尾气处理不分不必画出，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，在答题卡上填写该表仪器符号仪器中所加物质作用典型例题(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。【解析】（1）这里与一般的物质制备思路是一致的，思路是先制备CO2，再净化除杂，干燥，接着再与C在高温下反应制CO，再除去未反应完的CO2，我们这里只需要画装置简图即可，这是自1998年高考科研测试首次出现，至今高考终于再现了！（见答案）（2）与2009年27题相似这在今年的训练题中比较流行，如湖北省部分重点中学联考，黄冈中学模拟题等均再现了，不难学生能够作答和得分（见答案）（3）这在以前题目中出现了多次，一般学生能答对（4）此问答案很多可以点燃，看火焰看产物；也可以E后面再接个灼热CuO的玻璃管后面再接个放澄清石灰水的洗气瓶,看玻璃管和石灰水的现象；也可应直接用PdCl2溶液等【答案】（1）可以通过控制加酸的量，来控制气体产生的快慢；同时小试管中充满盐酸，可以起到液封的作用，防止反应剧烈时气体经漏斗冲出（2）点燃气体，火焰呈蓝色，再用一个内壁附着有澄清石灰水的烧杯罩在火焰上，烧杯内壁的石灰水变浑浊【命题意图】实验综合能力考查，主要考查实验方案的设计，仪器的组装，装置图的绘制，试剂的合理选择，装置的改进及评价，物质的的检验等A石灰石、稀盐酸石灰石与盐酸生成CO2【点评】前面已经说过本题与2009年的27题思路一致，不过能力要求更高，学生最不会就是这种设计型的实验，去年的是个雏形，改革不彻底，实验原理早在前些年高考里面考过两次，并且学生都能动笔！今年提供的题目原理并不复杂，思路显然不唯一，因而提供的参考答案并不完美，例如（1）E后面再连接其他算不算错？（2）E中吸收CO2用澄清石灰石似乎不合理（考过多遍，浓度低，效果差，应用NaOH之类强碱），考生用用其他得不得分？（4）检验CO超纲，且答案不唯一，学生用其他合理答案能否得分？这些都是大家所关注的，希望能够引起命题人的注意，不要人为的制造不公平，一些优秀考生反而不能得分！【例2】（2010天津卷，9）（18分）纳米TiO2在涂料、光催化、化妆品等领域有着极其广泛的应用。制备纳米TiO2的方法之一是TiCl4水解生成TiO2·xH2O，经过滤、水洗除去其中的Cl，再烘干、焙烧除去水分得到粉体TiO2。用现代分析仪器测定TiO2粒子的大小。用氧化还原滴定法测定TiO2的质量分数：一定条件下，将TiO2溶解并还原为Ti3+，再以KSCN溶液作指示剂，用NH4Fe(SO4)2标准溶液滴定Ti3+至全部生成Ti4+。请回答下列问题：⑴TiCl4水解生成TiO2·xH2O的化学方程式为_______________________________。⑵检验TiO2·xH2O中Cl－是否被除净的方法是______________________________。⑶下列可用于测定TiO2粒子大小的方法是_____________________（填字母代号）。a．核磁共振法b．红外光谱法c．质谱法d．透射电子显微镜法⑷配制NH4Fe(SO4)2标准溶液时，加入一定量H2SO4的原因是_________________；使用的仪器除天平、药匙、玻璃棒、烧杯、量简外，还需要下图中的_____（填字母代号）。abcde⑸滴定终点的现象是___________________________________________________。⑹滴定分析时，称取TiO2（摩尔质量为Mg·mol－1）试样wg，消耗cmol·L－1NH4Fe(SO4)2标准溶液VmL，则TiO2质量分数表达式为_________________________。⑺判断下列操作对TiO2质量分数测定结果的影响（填“偏高”、“偏低”或“无影响”）①若在配制标准溶液过程中，烧杯中的NH4Fe(SO4)2溶液有少量溅出，使测定结果_________________________。②若在滴定终点读取滴定管刻度时，俯视标准液液面，使测定结果_________。解析：(1)设TiCl4的系数为1，根据元素守恒，TiO2·xH2O的系数为1，HCl的系数为4；再根据O元素守恒，可知H2O的系数为(2+x)。(2)检验沉淀是否洗净的方法是，取少量洗涤液，检验溶液中溶解的离子是否还存在。(3)核磁共振谱用于测有机物中含有多少种氢原子；红外光谱分析有机物含有何种化学键和官能团；质谱法常用于测有机物相对分子质量；透射电子显微镜可以观察到微粒的大小。(4)NH4Fe(SO4)2易水解，故需加入一定量的稀硫酸抑制水解；配制一定物质的量浓度的溶液，还需要容量瓶和胶头滴管。(5)因为是用KSCN作指示剂，终点时NH4Fe(SO4)2不再反应，生成血红色的Fe(SCN)3。(6)根据得失电子守恒，有：1Ti3+～1Fe3+,故n(Fe3+)=n(Ti3+)=n(TiO2)=cV×10-3mol，其质量分数为wcVM310。(7)NH4Fe(SO4)2溶液溅出，其物质的量浓度减小，消耗的体积增大，百分含量偏大；若终点俯视滴定管，读取的体积比实际消耗的体积偏小，质量分数偏小。答案：(1)TiCl4+(2+x)H