（江苏专用版）2020版高考化学总复习 专题九 第3讲 实验方案的设计与评价课件

第3讲实验方案的设计与评价考点一实验方案的设计与评价考点二化学综合实验探究总纲目录高考演练考点一实验方案的设计与评价1.从科学性和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,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“绿色化学”要求设计安全的、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。据此,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)原料利用率以及生成物质的产率是否较高;(4)实验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,气体点燃前先验纯等);(3)防氧化(如H2还原CuO后要“先灭灯再停氢”);(4)防吸水(如实验取用、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、试剂加入顺序等。1.【易错辨析】判断正误,正确的画“√”,错误的画“✕”。(1)用浓盐酸酸化KMnO4溶液,增强KMnO4的强氧化性。 (✕)(2)用灼热的铜丝网除去N2中混有的少量O2。 (√)(3)测定同温同浓度的NaCl和NaF溶液的pH,确定F、Cl元素非金属性的强弱。 (✕)(4)用通入酸性高锰酸钾溶液的方法除去乙烯中混有的二氧化硫。 (✕)(5)可选用分液漏斗、烧杯分离四氯化碳和Br2。 (✕)(6)实验室可选用大理石与浓H2SO4反应制备CO2。 (✕)2.【多维思考】(1)设计实验方案证明H2SO3的酸性强于H2CO3。(2)制取CuSO4有以下两个方案,试评价哪个更好?①Cu CuSO4②Cu CuO CuSO4(3)用铁屑、稀H2SO4、CuO制取单质铜有以下两个方案,用相同的量的原料,哪种方案制得的Cu多?①Fe H2 Cu②CuO CuSO4 Cu答案(1)两种参考方案如下:方案一:配制相同物质的量浓度的NaHSO3和NaHCO3溶液,用pH计(或pH试纸)测量溶液的pH,前者的pH小于后者,证明H2SO3酸性强于H2CO3。方案二:将SO2气体依次通过NaHCO3(或Na2CO3)溶液、酸性KMnO4溶液、品红溶液、澄清石灰水,品红溶液不褪色,且澄清石灰水变浑浊,证明H2SO3酸性强于H2CO3。(2)方案②更好;原因是方案①产生污染环境的SO2,且制得相同量的Cu-SO4,消耗H2SO4多。(3)第②种方案制得的Cu多。原因是方案①H2还原CuO要先用H2排尽系统内的空气,反应完全要继续通H2至试管冷却,制取1molCu,消耗Fe和H2SO4的量远大于1mol。1.实验综合题解题流程(1)无机物的制备类实验(2)有机物的制备类实验(3)定量实验的解题流程2.实验方案评价的思维方法(1)从实验原理上评价,实验方案要符合原理,保证达到实验目的。(2)从操作步骤、实验现象上评价,实验方案要步骤简单,现象明显。(3)从环境保护上评价,实验方案的设计要充分体现出环保意识。(4)从节能、安全可靠上评价,实验方案的设计要节约能源,节约原料且安全可靠。3.化学实验装置的改进(1)气体实验装置的改进中学化学实验中,应掌握的气体制备实验有:三种单质(H2、O2、Cl2)的制备;两种氢化物(HCl、NH3)的制备;四种氧化物(CO2、SO2、NO2、NO)的制备。复习时,除了掌握好经典的制备方法外,还应对药品选择、反应原理进行拓展和创新。典型的气体实验装置改进设计有:依据启普发生器原理设计的反应器,尾气吸收、防倒吸装置的设计,液封装置的设计,恒压装置的设计等。(2)性质实验装置的改进改进后的实验应尽可能简单易行,用较少的实验步骤和实验药品,并能在较短的时间内完成,且效果明显。例如:用套管实验证明Na2CO3、NaHCO3的热稳定性(图甲);用培养皿通过向NaOH固体上滴浓氨水,探究氨气的性质(图乙)等。 (3)制备实验装置的改进制备一种物质,应根据目标产品的组成来确定原料及反应原理,设计反应路径,选择合适的仪器和装置。最后,根据生成物的性质将产品分离、提纯出来。整个过程如下所示:改进过程时应注意以下两点:①在设计物质制备的实验方案时,要优化上述流程中的每一个具体环节。遵循的优化原则是原料廉价,原理绿色,条件优化,仪器简单,分离方便。②一些物质的制备,由于其性质上的特殊性,需要设计一些特殊的装置来完成。如实验室制备Fe(OH)2固体,由于Fe(OH)2遇空气易被氧化而变质,故其制备实验装置必须严格防止制备的Fe(OH)2固体与O2接触。典例(2018金陵中学、海安中学、南京外国语学校联考)实验室回收利用废旧锂离子电池正极材料锰酸锂(LiMn2O4)的一种流程如下: (1)废旧电池可能残留有单质锂,拆解不当易爆炸、着火,为了安全,对拆解环境的要求是。(2)“酸浸”时采用HNO3和H2O2的混合液体,可将难溶的LiMn2O4转化为Mn(NO3)2、LiNO3等产物。请写出该反应的离子方程式:。如果采用盐酸溶解,从反应产物的角度分析,以盐酸代替HNO3和H2O2混合液体的缺点是。(3)“过滤2”时,洗涤Li2CO3沉淀的操作是。(4)把分析纯碳酸锂与二氧化锰两种粉末,按物质的量1∶4混合均匀加热可重新生成LiMn2O4,升温到515℃时,开始有CO2产生,同时生成固体A,比预计碳酸锂的分解温度(723℃)低很多,可能的原因是。(5)制备高纯MnCO3固体:已知MnCO3难溶于水、乙醇,潮湿时易被空气氧化,100℃开始分解;Mn(OH)2开始沉淀的pH=7.7。请补充由上述过程中,制得的Mn(OH)2制备高纯MnCO3的操作步骤:向Mn(OH)2中边搅拌边加入(实验中可选用的试剂:H2SO4溶液、Na2CO3、C2H5OH)。答案(1)隔绝空气和水分(2)2LiMn2O4+10H++3H2O2 4Mn2++2Li++3O2↑+8H2O反应生成Cl2,污染环境(3)沿着玻璃棒向过滤器中加入蒸馏水至浸没沉淀,待水自然流出,重复操作2~3次(4)二氧化锰作为催化剂,降低了碳酸锂分解温度(5)H2SO4溶液,固体溶解,加入Na2CO3,并控制溶液pH7.7,过滤,用少量的乙醇洗涤,再在低于100℃的真空中干燥解析(1)Li与H2O反应生成H2,遇到O2易爆炸,故要避免与空气和水接触。(2)LiMn2O4中Mn为+3.5价,生成的Mn(NO3)2中Mn为+2价,LiMn2O4作氧化剂,H2O2作还原剂,生成O2,根据Mn和O得失电子守恒配平反应。LiMn2O4可以氧化HCl生成Cl2而污染环境。(3)洗涤沉淀时,一定要让蒸馏水自然流出。(4)加入的MnO2可以作催化剂。(5)Mn(OH)2溶于H2SO4溶液生成MnSO4,加入Na2CO3生成MnCO3,控制溶液pH7.7,以防止生成Mn(OH)2,过滤后用乙醇洗涤MnCO3,最后在低于100℃的真空中干燥,以防被空气氧化。题组实验方案的设计与评价1.(2018苏锡常镇四市二模)CoCO3主要用作选矿剂、伪装涂料的颜料等。用钴矿石(含Co2O3·CoO及少量Fe2O3、Al2O3、MnO2等)生产CoCO3的流程如下:下表列出了几种离子生成氢氧化物沉淀的pH(“沉淀完全”是指溶液中离子浓度低于1.0×10-5mol·L-1)。离子Al3+Fe3+Fe2+Mn2+Co2+开始沉淀的pH4.02.77.67.77.6沉淀完全的pH5.23.79.69.89.2(1)写出“浸取”步骤Co2O3·CoO发生反应的离子方程式:。(2)“浸取”步骤中除Co2O3·CoO外,钴矿石中还能被Na2SO3还原的物质有。(3)加NaClO3的目的是氧化Fe2+,NaClO3的用量过多会造成的不良后果是。(4)“沉钴”步骤中向CoCl2溶液中加入NH4HCO3溶液需要在55~57℃条件下进行,适宜的加热方式为。温度控制在55~57℃的原因为。(5)已知金属萃取剂对金属离子的萃取率与pH的关系如图所示。请补充完整由“氧化”后的溶液制备CoCO3的实验方案:向“氧化”后的溶液中加入,加入NH4HCO3溶液沉钴得CoCO3(实验中须使用试剂:Na2CO3溶液、金属萃取剂、盐酸)。 答案(1)Co2O3·CoO+S +6H+ 3Co2++S +3H2O(2)Fe2O3、MnO2(3)与Cl-反应生成Cl2污染环境或将Co2+氧化成Co3+(4)水浴加热温度过高NH4HCO3易分解,温度过低反应速率缓慢(5)Na2CO3溶液,调节溶液的pH至5.2~7.6,过滤,向滤液中加入稀盐酸调pH至3.5左右(3.0~4.0均可),加入金属萃取剂萃取2~3次,静置后分液,得较纯CoCl2溶液23O24O解析(1)Co2O3中Co为+3价,氧化S 生成S ,自身被还原为Co2+,根据Co和S得失电子守恒,结合电荷守恒配平反应。(2)Fe2O3中Fe3+可被还原为Fe2+,MnO2可被还原为Mn2+。(3)NaClO3与HCl发生归中反应生成Cl2,还可能将Co2+氧化为Co3+,造成产品不纯。(4)温度在低于100℃时的加热一般采用水浴加热;在低温下反应速率慢,但是在高温下,NH4HCO3会分解。(5)Fe2+被氧化成Fe3+,在pH3.7时,完全沉淀,为除去Al3+,pH应大于5.2,但Co2+不能沉淀,故pH应小于7.6。此时溶液中还存在Mn2+和Co2+,由题图示知,在pH=3.5左右(3.0~4.0均可),Mn2+的萃取率较大,Co2+的损失率23O24O小,故可得较纯的CoCl2溶液。2.(2018南京、盐城一模)PbCrO4是一种黄色颜料,制备PbCrO4的一种实验方法如下:已知:①Cr(OH)3(两性氢氧化物)呈绿色且难溶于水。②Pb(NO3)2、Pb(CH3COO)2均易溶于水;常温下,Ksp(PbCrO4)=2.8×10-13,Ksp(PbCl2)=1.6×10-5;Pb(OH)2开始沉淀时pH为7.2,完全沉淀时pH为8.7。③六价铬在溶液中物种分布分数平衡时某物种的浓度占各物种浓度之和的分数与pH关系如图所示。④PbCrO4可由沸腾的铬酸盐溶液与铅盐溶液作用制得,含PbCrO4晶种时更易生成。(1)实验时需要配制100mL3mol·L-1CrCl3溶液,现有量筒、玻璃棒、烧杯,还需要的玻璃仪器是。(2)“制NaCrO2(aq)”时,控制NaOH溶液加入量的操作方法是。(3)“氧化”时H2O2溶液滴加速率不宜过快,其原因是;“氧化”时发生反应的离子方程式为。(4)“煮沸”的目的是。(5)请设计用“冷却液”制备PbCrO4的实验方案:[实验中须使用的试剂有6mol·L-1的醋酸溶液、0.5mol·L-1的Pb(NO3)2溶液、pH试纸]。答案(1)100mL容量瓶和胶头滴管(2)在不断搅拌下逐滴加入NaOH溶液,至产生的绿色沉淀恰好溶解(3)减少H2O2的自身分解损失2Cr +3H2O2+2OH- 2Cr +4H2O(4)除去过量的H2O2(5)在不断搅拌下,向“冷却液”中加入6mol·L-1的醋酸溶液至用pH试纸测溶液pH为7,将溶液加热至沸腾,先加入一滴0.5mol·LPb(NO3)2溶液,搅拌片刻产生少量沉淀,然后继续滴加