第10章 第33讲 实验方案的设计与评价 -【名师大课堂】2025年新高考化学艺术生总复习必备

第33讲 实验方案的设计与评价 考点一 物质的组成、性质实验探究 1.有关物质组成的探究性实验 题 型 分 析 在实验设计与评价试题中,有关检测物质组成 的实验设计是最常见的一类考题。需要注意的 是,在离子或气体成分检验的过程中,要严格遵 循检验的先后顺序,防止各成分在检验过程中 相互干扰 解 题 策 略 ①取少量固体试样→溶于水→溶解性、溶液颜 色→检验固体中的阴、阳离子→得出实验结论。 ②取少量固体试样→在某气流中反应→检验所 产生的物质(如气体)→得出实验结论。 ③取少量固体试样→溶于水配成溶液→加酸 (或碱、盐)溶液后产生气体(或沉淀)→检验气 体的成分(或沉淀性质)→得出实验结论 注 意 事 项 ①有水蒸气生成时,先检验水蒸气,再检验其他 成分。如C和浓 H2SO4 的反应,产物有SO2、 CO2和H2O(g),通过实验可检验三种气体物 质的存在,但要注意检验SO2、CO2 时都要通 过水溶液,对检验H2O(g)有干扰。 ②对于需要进行转化才能检测的成分,如CO 的检验,要注意分析CO中是否含有CO2,如果 有CO2,先除去CO2,接着对CO进行转化,最 后再检验转化产物CO2 2.有关物质性质的探究性实验 题 型 分 析 一是已知物质的性质,设计实验验证物质的某 些性质;二是已知某类物质的结构(或含有的官 能团),设计实验来验证这类物质的结构;三是 根据性质设计定量实验;四是根据物质性质验 证化学原理(理论)或根据化学原理来验证物质 的某些性质 续表 解 题 策 略 明确实验目的,结合所给实验装置或实验步骤 分析反应原理,分析出可能具有哪些性质、能用 哪些方法来验证、方案是否完整合理、有无干扰 现象、是否经济和是否存在环境污染等问题,最 后整理出解题思路 设 计 方 案 ①根据物质性质设计性质实验方案 物质的 性质 → 实验中的仪器、 试剂、反应的条件 → 实验步骤和 操作方法 → 结论 ②根据物质的结构(官能团)设计性质实验 已知结 构(官 能团) → 推测物 质具有 的性质 → 要验 证的 性质 → 实验中的 仪器、试 剂、反应 的条件 → 实验步 骤和操 作方法 → 结 论 注 意 事 项 ①实验方案要可行。要尽量避免选择高压和特 殊催化剂等实验室难以达到的条件,实验方案 要简单易行。 ②实验顺序要科学。要对各个实验步骤进行统 一的规划和安排,保证实验的准确和高效。同时 要减少副反应的发生,避免实验步骤间的干扰。 ③实验现象要直观。如“证明醋酸是弱电解质” 的实验,可配制一定浓度的CH3COONa溶液, 用pH试纸测溶液的pH,通过测定常温下pH >7从而得出结论,操作简便,现象明显。 ④实验结论要可靠。要反复推敲实验步骤和多 方论证实验结果,做到实验结论准确可靠 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 物质性质实验探究常见命题角度 (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SO2 气体通入酸性 KMnO4 溶液中,通过 KMnO4 溶液褪色来说 明SO2 具有还原性。 (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,通过溶液变蓝色来说明 Fe3+的氧化性强于I2。 (3)同周期、同主族元素性质的递变规律一般 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 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 722 弱酸的方法是在常温下配制 NaA的溶液,测 该溶液的pH,若pH>7,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,有白色沉淀生成说明碳酸酸性比硅酸强。 (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。 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 例 Na2O2 具有强氧化性,H2 具有还原性,某 同学根据氧化还原反应的知识推测 Na2O2 与 H2 能发生反应。为了验证此推测结果, 该同学设计并进行如下实验。 步骤1:按如图所示的装置组装仪器(图中 夹持仪器已省略)并检查装置的气密性,然 后装入药品。 步骤2:打开 K1、K2,在产生的氢气流经装 有Na2O2 的硬质玻璃管的过程中,未观察 到明显现象。 步骤3:进行必要的实验操作,淡黄色的粉 末慢 慢 变 成 白 色 固 体,无 水 硫 酸 铜 未 变 蓝色。 (1)组装好仪器后,要检查装置的气密性。 简述检查虚线框内装置气密性的方法: 。 (2)B装置中所盛放的试剂是 ,其 作用是 。 (3)步骤3中的必要操作为打开 K1、K2, (请按正确的顺序填入下列步骤的 字母)。 A.加热至Na2O2 逐渐熔化,反应一段时间 B.用小试管收集气体并检验其纯度 C.关闭K1 D.停止加热,充分冷却 (4)由上述实验可推出Na2O2 与 H2 反应的 化学方程式为 。 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 考点二 实验的设计与评价 1.化学实验方案设计 (1)实验设计的基本原则 基 本 原 则 科学性 实验原理、实验流程科学合理 安全性 保护人身、仪器、环境安全 可行性 仪器、条件、试剂在中学现有条 件下能满足要求 简约性 步骤少、仪器装置简单、节省 药品、效果好 (2)实验设计的一般思路 ①反 应 物 廉 价 易 得,无 毒、无 腐 蚀 性,用 量少; ②反应条件易于控制,操作安全,装置简单, 耗能低,反应物转化率高; ③生成物要尽可能纯净,无毒、无污染。 (3)实验设计的一般步骤 ①明确目的和原理。 认真 审题 明确目的要求→ 知识迁移 分析类比 → 实验 原理 →提取有用信息→ ②选择药品、仪器。 选择 → 药品、 仪器 组装 → 实验 装置 实验目的和原理 反应物、产物的性质特点 药品对实验仪器是否有 影响 反应条件 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 822 ③排除干扰因素:a.定性实验———影响现象 清晰度;b.定量实验———影响数据准确度; c.制备实验———影响纯度、产率。 ④实施实验操作:注意安全性、严谨性、规范 性等。 ⑤记录现象、数据。多组平行实验的数据, 偏差大的数据在计算时应舍去。 ⑥分析归纳结论。 (4)实验设计的注意事项 ①实验操作顺序:装置选择与连接→气密性 检查→加固体药品→加液体药品→开始实 验(按程序)→拆卸仪器→其他处理等。 ②加热顺序选择:若气体制备实验需加热, 应先加热气体发生装置,通入气体排出装置 中的空气后,再给实验中需要加热的物质加 热。目的:a.防止爆炸(如氢气还原氧化 铜);b.保证产品纯度,防止反应物或生成物 与空气中的物质反应。熄灭酒精灯的顺序 则相反。 ③防止试剂变质:a.实验中反应物或产物若 易吸水、潮解、水解等,要采取措施防止其吸 水;b.易挥发的液体产物要及时冷却;c.易 挥发的液体反应物需在反应装置中加装冷 凝回流装置(如长导管、竖直的干燥管、冷凝 管等);d.注意防止倒吸。 ④画简单装置图:高考考纲要求能够绘制和 识别典型的实验仪器装置图,可用“示意装 置图”表示。一般能画出简单的装置图即 可,但要符合要求,例如形状、比例等。 ⑤仪器连接问题:注意所选仪器是否恰当, 安装顺序是否恰当,接口顺序是否恰当。 2.控制实验条件的常见方法 (1)控制反应的试剂。①所用试剂不同,发 生反应不同;②试剂相同,条件不同,反应 不同。 (2)控制试剂的用量。试剂的纯度、状态、质 量、体积和浓度等对化学反应都有一定的 影响。 (3)控制加入试剂的顺序。 (4)控制溶液的pH(酸碱性)。 (5)控制反应的温度。常见方法有冰浴、水 浴、油浴、酒精灯加热等。 (6)催化剂的选择。不同催化剂对同一反应 的催化效果不同。 3.化学实验方案评价 (1)化学实验评价的内容 ①评价实验原理———是否明确合理; ②评价实验方案———是否安全可行; ③评价药品、仪器———是否方便易得; ④评价实验现象和结论———是否明显清晰。 (2)化学实验评价的四大视角 ①绿色化视角:a.是否尽可能提高原子利用 率或实现物质、能源的循环利用;b.是否尽 可能减少有毒有害物质的生成。 ②安全性视角 a.避免炸裂:受热不均匀,液体倒吸,气流不 畅,易燃气体中混有助燃气体等。 b.防污染:有毒尾气未经处理,剩余药品随 意丢弃,实验产生的废液任意倾倒等。 c.防失火:点燃或熄灭酒精灯的方法不正 确,易燃试剂与明火接触等。 d.防吸水:极易水解、吸水性强(易潮解)的 物质未密封保存或与潮湿空气接触,大量吸 水导致液体溢出或反应变质等。 ③规范性视角:a.仪器的安装与拆卸;b.试 剂添加的顺序与用量;c.加热的方式、方法 和时机;d.仪器的查漏、气密性检查;e.温度 计的规范使用、水银球的位置;f.实验数据 的读取;g.冷却、冷凝的方法等。 ④最佳性视角:a.反应物尽可能价廉易得、 无毒、无腐蚀性;b.反应易于控制,操作简 单,耗能少;c.产物单一,原子利用率高。 4.控制变量探究实验题的解题策略 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 922 化学实验方案的评价 (1)实验评价的主要形式。 从评价的主要针对点来看,实验综合题可分 为装置评价型和原理评价型两类。 ①实验装置的评价。 对比各方案装置,从装置的合理性、操作的 简便可行性等方面进行全面分析,选出最佳 装置。 ②实验原理的评价。 紧扣实验目的,对各方案的原理综合考虑, 从原理是否科学、原料是否节约、误差是否 较小等方面进行全面分析,选出最佳方案。 (2)实验方案评价的解题思路。 一个实验方案的优劣主要从实验原理是否 科学合理,操作与装置是否简单可行,以及 绿色化学和安全性的角度去评价。 ①从“科学性”和“可行性”方面对实验方案 作出评价。 评价时可从以下4个方面分析:实验原理是 否科学;实验操作是否合理;实验步骤是否 简单、方便;实验效果是否明显。 ②从“绿色化学”视角对实验方案作出评价。 反应原料是否易得、安全、无毒;原料利用率 以及生成物的产率是否较高;实验过程中是 否造成环境污染。 ③从“安全性”方面对实验方案作出评价。 化学实验从安全角度常考虑的因素主要有 防倒吸、防爆炸、防吸水、防泄漏、防着火、防 溅液、防破损等。 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 例 (2023·浙江卷)探究卤族元素单质及其 化合物的性质,下列方案设计、现象和结论 都正确的是 ( ) 实验方案 现象 结论 A 往碘的CCl4 溶液 中加入等体积浓 KI溶液,振荡 分 层,下 层由紫红 色变为浅 粉 红 色, 上层呈棕 黄色 碘 在 浓 KI 溶液中的溶 解能力大于 在 CCl4 中 的溶解能力 B 用玻璃棒蘸取次 氯酸钠溶液点在 pH试纸上 试纸变白 次氯酸钠溶 液呈中性 续表 C 向2mL0.1mol ·L-1AgNO3 溶 液中先滴加4滴 0.1 mol· L-1 KCl溶液,再滴加 4滴0.1mol·L-1 KI溶液 先产生白 色 沉 淀, 再产生黄 色沉淀 AgCl 转 化 为 AgI,AgI 溶解度小于 AgCl 溶 解度 D 取两份新制氯水, 分别滴加AgNO3 溶 液 和 淀 粉 KI 溶液 前者有白 色 沉 淀, 后者溶液 变蓝色 氯气与水的 反 应 存 在 限度 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 032 素提取出来,也可以利用不同溶质在色谱柱上的保留时 间不同将青蒿素固定在色谱柱上,然后利用极性溶剂将 青蒿素洗脱下来,C正确;利用苯甲酸在水中的溶解度随 温度变化较大的特点,采用重结晶法进行提纯,D正确。 例2 D 粗盐提纯涉及的操作及使用的仪器有溶解(⑥烧 杯和玻璃棒)、除杂、过滤(漏斗、玻璃棒、⑥烧杯)、蒸发结 晶(蒸发皿、⑧酒精灯、玻璃棒)。配制0.1000mol·L-1 的NaCl溶液的操作步骤及使用的仪器是称量(①天平) →溶解(⑥烧杯和玻璃棒)→移液(⑥烧杯、玻璃棒、⑤容 量瓶)→定容(胶头滴管),故本题选D。 考点二 经典例题剖析 例1 D 过氧化钠与水反应生成O2,可观察到固体溶解且 有气泡产生,硫黄与水不反应且难溶于水,可用水鉴别二 者,A不符合题意;水晶为晶体,玻璃为非晶体,晶体的X 射线衍射图谱中有明锐的衍射峰,而非晶体的X射线衍 射图谱中没有明锐的衍射峰,故可用X射线衍射实验鉴 别二者,B不符合题意;钠元素的焰色为黄色,钾元素的焰 色为紫色(透过蓝色钴玻璃),可用焰色试验鉴别二者,C 不符合题意;苯和甲苯均不与溴水反应,都能萃取溴水中 的溴单质,密度均比水小,故萃取后有色液体都处于上 层,两者现象一样,无法鉴别,D符合题意。 例2 C 若试液中含有SO2-3 ,加入硝酸会将SO2-3 氧化为 SO2-4 ,SO2-4 和氯化钡反应生成白色沉淀,A错误;试液 中加入浓盐酸,产生的气体能使品红溶液褪色,该气体可 能是氯气,B错误;试液中加入过氧化氢氧化碘离子为单 质碘,加入淀粉溶液后呈蓝色,C正确;试液中加入氯化 钡溶液生成白色沉淀,加入稀盐酸沉淀溶解,试液中可能 含有CO2-3 或SO2-3 ,D错误。 微专题10 沉淀洗涤的过程分析与 规范解答 专题精练 答案:(1)加快酸溶速率 (2)c (3)Na2SO4 (4)沿玻璃棒向过滤器(漏斗)中加入蒸馏水至浸没沉淀, 待水慢慢流出,重复2~3次 (5)将粗PbO溶解在一定量35%NaOH 溶液中,加热至 110℃,充分溶解后,趁热过滤,冷却结晶,过滤、洗涤并干 燥得到高纯PbO固体 解析:(3)脱硫时的化学方程式为;PbSO4(s)+2NaOH 􀪅􀪅PbO(s)+Na2SO4+H2O,因而主要溶质是Na2SO4。 (5)根据PbO的溶解度曲线,提纯粗PbO的方法为将粗 PbO溶解在35%NaOH溶液中,结合溶解度曲线特点可 知在浓度高的NaOH溶液中和较高的温度下,PbO的溶 解度高,因此加热至较高温度,充分溶解,然后高温下趁 热过滤除去杂质,冷却后PbO又析出结晶,再次过滤可得 到PbO固体。 第33讲 实验方案的设计与评价 考点一 经典例题剖析 例 答案:(1)关闭K1,向A装置中的漏斗中加水至漏斗内 液面高于漏斗外液面,并形成一段水柱,一段时间后水柱 稳定不下降,说明虚线框内的装置气密性良好 (2)碱石灰 吸收氢气中的水和氯化氢 (3)BADC (4)Na2O2+H2 △ 􀪅􀪅2NaOH 解析:(1)关闭K1,向A装置中的漏斗中加水至漏斗内液 面高于漏斗外液面,并形成一段水柱,一段时间后水柱稳 定不下降,说明启普发生器的气密性良好;(2)A中生成 的H2中混有水蒸气和挥发出的HCl,应利用B装置中所 盛放的碱石灰 吸收氢气中的水和氯化氢;(3)步骤3中 的必要操作为打开 K1、K2,应先通一会儿氢气并用小试 管收集气体并检验其纯度,当装置内空气完全除去后,加 热C装置至Na2O2逐渐熔化,反应一段时间,然后停止加 热,充 分 冷 却,最 后 关 闭 K1,故 操 作 顺 序 为 BADC; (4)Na2O2与 H2反应无水生成,说明产物为 HaOH,产生 反应的化学方程式为Na2O2+H2 △ 􀪅􀪅2NaOH。 考点二 经典例题剖析 例 A 向碘的四氯化碳溶液中加入等体积浓碘化钾溶液, 振荡,静置,溶液分层,下层由紫红色变为浅粉红色,上层 呈棕黄色说明碘的四氯化碳溶液中的碘与碘化钾溶液中 碘离子反应生成碘三离子使上层溶液呈棕黄色,证明碘 在浓碘化钾溶液中的溶解能力大于在四氯化碳中的溶解 能力,故A正确;次氯酸钠溶液具有强氧化性,会能使有 机色质漂白褪色,无法用pH 试纸测定次氯酸钠溶液的 pH,故B错误;由题意可知,向硝酸银溶液中加入氯化钾 溶液时,硝酸银溶液过量,再加入碘化钾溶液时,只存在 沉淀的生成,不存在沉淀的转化,无法比较氯化银和碘化 银的溶度积大小,故C错误;新制氯水中的氯气和次氯酸 都能与碘化钾溶液反应生成使淀粉变蓝色的碘,则溶液 变蓝色不能说明溶液中存在氯气分子,无法证明氯气与 水的反应存在限度,故D错误;故选A。 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 —523—