内容正文:
2025高考化学二轮复习
难点突破 实验方案的设计
课前学习任务
一、必备知识
1.实验方案的设计
(1)实验设计的基本原则
原则
内容
科学性
实验原理、实验操作程序和方法科学合理
安全性
实验方案、实验药品要做到人员、仪器、环境的安全
可行性
药品、仪器、设备和操作等在中学实验条件下能够得到满足
简约性
装置简单、步骤少、药品用量少、效果佳
经济性
在满足实验效果的前提下,尽量选用常见而价廉的仪器和药品
(2)实验设计流程
(3)三类常见实验的设计
实验设计
实验设计思路
物质制备
的设计
实验原料→实验原理→途径设计(途径Ⅰ、途径Ⅱ、途径Ⅲ……)→最佳途径→实验仪器→实验方案→制得物质
物质性质
实验的设计
根据物质的组成、分类,预测物质可能具有的性质,根据化学原理设计实验。
探究性实验方案设计:物质的组成特点→性质推测→实验验证→结论;
验证性实验方案设计:物质的化学性质→实验验证→科学理论→结论
物质检验
方案设计
首先通过试样的外在特征(颜色、气味、状态等)作出初步判断。
少量固体试样→溶于水配成溶液→检测溶液中存在的阴、阳离子→得出实验结论;
少量试样→加酸(或碱)溶液使其转化为气体→检测气体的成分→得出实验结论
2.方案设计类综合实验的解题策略
(1)重视“猜想”:“猜想”部分是基础,提出的猜想一定要全面、合理,即在牢固掌握元素及其化合物知识的基础上,提出合理的猜想。
(2)攻破“设计”:“设计”部分是核心,分值较大,也是区分度最大的部分。
①明确实验目的,利用已学知识分析如何达到该实验目的。
②根据实验原理,结合实验材料及已学知识,设计实验方案。
③根据题给信息控制实验条件,排除干扰因素,关注实验细节。
④注意实验的简约性和安全性。
3.方案设计类综合实验的解题模型
课堂学习任务
练真题
例 [2023·广东卷节选] 化学反应常伴随热效应。某些反应(如中和反应)的热量变化,其数值Q可通过量热装置测量反应前后体系温度变化,用公式Q=cρV总·ΔT计算获得。
(1)热量的测定:取上述NaOH溶液和盐酸各50 mL进行反应,测得反应前后体系的温度值(℃)分别为T0、T1,则该过程放出的热量为 J(c和ρ分别取4.18 J·g-1·℃-1和1.0 g·mL-1,忽略水以外各物质吸收的热量,下同)。
(2)借鉴(1)的方法,甲同学测量放热反应Fe(s)+CuSO4(aq)FeSO4(aq)+Cu(s)的焓变ΔH(忽略温度对焓变的影响,下同)。实验结果见下表。
序号
反应试剂
体系温度/℃
反应前
反应后
ⅰ
0.20 mol·L-1
CuSO4溶液100 mL
1.20 g Fe粉
a
b
ⅱ
0.56 g Fe粉
a
c
①温度:b c(填“>”“<”或“=”)。
②ΔH= (选择表中一组数据计算)。结果表明,该方法可行。
(3)乙同学也借鉴(1)的方法,测量反应A:Fe(s)+Fe2(SO4)3(aq)3FeSO4(aq)的焓变。
查阅资料:配制Fe2(SO4)3溶液时需加入酸。加酸的目的是 。
提出猜想:Fe粉与Fe2(SO4)3溶液混合,在反应A进行的过程中,可能存在Fe粉和酸的反应。
验证猜想:用pH试纸测得Fe2(SO4)3溶液的pH不大于1;向少量Fe2(SO4)3溶液中加入Fe粉,溶液颜色变浅的同时有气泡冒出,说明存在反应A和 (用离子方程式表示)。
实验小结:猜想成立,不能直接测反应A的焓变。
教师指导:鉴于以上问题,特别是气体生成带来的干扰,需要设计出实验过程中无气体生成的实验方案。
优化设计:乙同学根据相关原理,重新设计了优化的实验方案,获得了反应A的焓变。该方案为 。
练模拟
1.[2024·广东深圳外国语学校模拟] SO2和焦亚硫酸钠(Na2S2O5)可用作食品添加剂。回答下列问题:
焦亚硫酸钠易被氧化而变质,选用下列试剂设计实验方案,检验焦亚硫酸钠样品氧化变质的程度。
已知:2NaHSO3Na2S2O5+H2O。
试剂:稀盐酸、稀H2SO4、稀HNO3、BaCl2溶液、酸性KMnO4溶液、H2O2溶液。
实验编号
实验步骤
现象
结论
Ⅰ
取少量样品,加入除氧蒸馏水
固体完全溶解得到无色溶液
/
Ⅱ
取实验Ⅰ的溶液,
样品已氧化变质
Ⅲ
另取实验Ⅰ的溶液,
样品未完全氧化变质
2.[2024·广东二模] FeCl3在生产和生活中用途广泛。某化学兴趣小组探究FeCl3与Na2SO3的反应。
(1)预测现象1:向FeCl3溶液中加入Na2SO3溶液,溶液由黄色变为浅绿色。作出该预测的原因为 (用离子方程式表示)。
预测现象2:向FeCl3溶液中加入Na2SO3溶液,生成红褐色沉淀。
(2)实验验证:小组同学设计以下实验探究溶液中FeCl3浓度相同时Na2SO3的加入量对反应的影响,其中FeCl3溶液为Ⅰ中所配溶液,Na2SO3溶液浓度为0.04 mol·L-1。静置6小时观察现象,测定反应后溶液的pH,并记录数据:
序号
ⅰ
ⅱ
ⅲ
ⅳ
ⅴ
ⅵ
ⅶ
V(FeCl3)/mL
2.0
2.0
2.0
2.0
2.0
2.0
2.0
V(Na2SO3)/mL
0
1.0
2.0
5.0
a
20.0
26.0
V(H2O)/mL
38.0
37.0
36.0
33.0
23.0
18.0
12.0
现象
溶液接近无色透明
出现褐色沉淀
pH
1.7
1.7
1.7
1.8
2.8
5.4
6.2
①请补充表格中的数据:a= 。
②实验ⅱ~ⅳ中,反应后溶液的pH基本不变,其原因可能是 。
③实验ⅵ和ⅶ的实验现象说明溶液中FeCl3的水解与Na2SO3的水解相互促进(即发生了双水解反应),请写出反应的化学方程式: 。
④甲同学认为实验ⅵ和ⅶ中,FeCl3与Na2SO3除发生双水解反应外,还发生了氧化还原反应。请设计实验证明猜想:分别取实验ⅵ和ⅶ中上层清液于两支试管中,
(填实验操作与现象),则说明猜想成立。
课后学习任务
1.[2024·广东深圳龙岗模拟]某化学兴趣小组探究Fe2+和Fe3+的化学性质。
[实验探究]①取2mL0.05mol·L-1Fe2(SO4)3溶液于试管中,滴加3滴0.1mol·L-1KSCN溶液,溶液变红色;②取2mL0.1mol·L-1FeSO4溶液于试管中,先滴加3滴0.1mol·L-1KSCN溶液,振荡,溶液无现象,再滴加3滴饱和氯水,溶液变黄色。
[发现问题]小组成员针对实验②中溶液未变红色,而呈现黄色的现象展开了探究。
[查阅文献]
ⅰ.Cl2能将SCN-氧化成硫氰[(SCN)2],(SCN)2常温下为黄色液体,易挥发,可与水发生反应:
3(SCN)2+4H2OH2SO4+HCN+5HSCN;
ⅱ.Fe2++2SCN-Fe(SCN)2,Fe(SCN)2为无色配合物。
[提出猜想]猜想一:SCN-被氯水氧化成(SCN)2,使溶液呈黄色;
猜想二:加入氯水后部分Fe2+被氧化为Fe3+,Fe3++3SCN-Fe(SCN)3(红色),但由于存在反应:Fe2++2SCN-Fe(SCN)2,实验②生成的Fe(SCN)3浓度比实验①的小,Fe(SCN)3溶液在浓度较低时呈黄色。
[验证猜想]
(1)为验证猜想,小组成员设计了以下实验,请补充表格中的操作及现象。
实验序号
实验操作
现象
实验结论
③
取少量实验①的溶液于试管中,
猜想二正确
④
取少量实验②的溶液于试管中,滴加3滴饱和BaCl2溶液
溶液变浑浊
猜想一也正确
[提出质疑]
(2)甲同学提出,实验④并不能证明猜想一正确,理由是 。
[再次探究]
(3)小组成员进行进一步探究,请完成表格中的实验操作及现象。
→平均分成四份
实验序号
实验操作
现象
⑤
滴加3滴蒸馏水
无明显现象
⑥
无明显现象
⑦
滴加3滴饱和氯水
溶液变橙红色
⑧
滴加3滴0.1mol·L-1KSCN溶液
得出
结论
ⅰ.由实验⑥的现象可以判断:猜想一不正确
ⅱ.结合实验⑤⑦⑧的现象可以判断:猜想二正确
[得出结论]
(4)由实验结论可以判断:本实验条件下还原性强弱:Fe2+ SCN-(填“强于”“弱于”或“等于”)。
2.[2024·广东华南师大附中三模]氨气是重要的化工原料,其制备与热力学研究在化工生产中十分重要。
(1)某兴趣小组欲探究反应Ⅰ:NH3·H2O(aq)+HCl(aq)NH4Cl(aq)+H2O(l)的焓变ΔH1。
查阅资料:反应焓变可通过量热计对反应前后温度的变化进行测定,利用热量变化数值Q=cρV总ΔT的原理,经换算得到反应的焓变,溶液中的反应可以近似认为c=4.2J·g-1·℃-1、ρ=1.0g·mL-1。
反应热的测定:取25.0℃下1.6mol·L-1的氨水与1.40mol·L-1盐酸各50.0mL,在量热计中混合搅拌,重复三次实验测得温度最高点的平均值为33.8℃。
①反应Ⅰ的ΔH1= kJ·mol-1。
②参考上述流程用氢氧化钠溶液与盐酸进行实验,测得反应Ⅱ:NaOH(aq)+HCl(aq)NaCl(aq)+H2O(l)的焓变ΔH2与ΔH1有一定差异,其原因是 (从平衡移动角度作答)。
(2)甲同学欲借鉴(1)的方法测得反应Ⅲ:NH3(g)+HCl(g)NH4Cl(s)的焓变ΔH3,但发现气态反应过程中c、ρ变化大,难以测得准确数值。乙同学则提出在(1)所测数据的基础上,再测得3个过程的焓变即可。实验方案和结果如下:
实验序号
待测过程
焓变
a
HCl(g)HCl(aq)
ΔHa
b
ΔHb
c
NH4Cl(s)NH4Cl(aq)
ΔHc
①补全b的待测过程: 。
②计算反应Ⅲ的ΔH3= (列式表示)。
(3)丙同学查阅资料发现,气态反应可通过测定不同温度下的平衡常数,利用以下原理换算得到焓变:ln=
式中R为常数,数值为8.314;Kp1、Kp2表示在T1或T2温度下反应的压强平衡常数。
丙同学根据该原理设计了相关方案,测得了反应Ⅲ的焓变,该方案是 (要求:方案中须写明待测的物理量,可选用仪器、药品为气压计、恒温反应器、温度计、NH4Cl固体)。
3.[2024·广东佛山顺德质检]某实验小组根据以下装置制备84消毒液,并探究84消毒液的性质。
已知:Cl2(aq)+2OH-(aq)ClO-(aq)+Cl-(aq)+H2O(l)ΔH<0,若温度超过40℃,会生成NaClO3杂质。
回答下列问题:
(1)制备NaClO溶液时,为减少NaClO3杂质的产生,应采取的措施是 (写两条)。
(2)为探究Cl2性质,设计如图所示装置,在E处通入未经干燥的氯气。当关闭K时,G处干燥红布条看不到明显现象;当打开K后,G中干燥红布条逐渐褪色。则F瓶内液体可能是 。
A.饱和NaCl溶液B.NaOH溶液
C.H2OD.浓硫酸
Ⅱ.探究84消毒液的性质
84消毒液和医用酒精均为重要的消毒剂且二者不能混用,某小组对84消毒液与医用酒精的反应产物进行了探究。
[提出假设]医用酒精中的CH3CH2OH被氧化为CH3CHO
[实验方案]实验方案及现象如下:
实验操作
取样检测时间点
实验现象
常温下将9mL医用酒精和5mL84消毒液混合,在不同反应时间点,分别取1mL反应后的溶液滴加到新制氢氧化铜悬浊液中加热
5min
①
5.5h
橙黄色沉淀
7.5h
黑色沉淀
[实验结论1]
(3)产物中有乙醛,且乙醛会被转化为其他物质。补充①的实验现象: 。
[查阅资料]混合体系中可能发生以下反应:
CH3CH2OH+NaClOCH3CHO+NaCl+H2O
CH3CHO+3NaClOCHCl3+HCOONa+2NaOH(卤化反应)
[实验设计]取2份5mL84消毒液,缓慢滴加医用酒精或蒸馏水各9mL,通过测定过程中pH变化判断是否发生卤化反应(忽略过程中的热效应对pH的影响)。实验结果如图所示。
[实验结论2]数据表明,反应过程中pH增大,说明乙醛发生了卤化反应。
[查阅资料]某同学查阅资料后认为结论2不严谨,原因是工业上为了稳定ClO-,在84消毒液中添加了少量NaOH,且由于乙醇的“锁水”效应也会使pH增大(提示:乙醇与NaOH不反应)。
[数据分析]已知上述84消毒液中c(NaClO)=0.28mol·L-1,Ka(HClO)=2.8×10-8。
(4)通过计算证明84消毒液中添加了少量NaOH,写出计算过程: 。
[优化实验]该同学增加了对照实验,证明反应生成了NaOH。
(5)请简述方案和结果: 。
实验总结:医用酒精中的乙醇能被84消毒液氧化为乙醛,乙醛能进一步发生卤化反应。
答案解析
练真题·
例 (1)418(T1-T0)
(2)①> ②-20.9(b-a) kJ·mol-1或-41.8(c-a) kJ·mol-1
(3)抑制Fe3+水解 Fe+2H+Fe2++H2↑ 将一定量的Cu粉加入一定浓度的Fe2(SO4)3溶液中反应,测量反应热,计算得到反应Cu(s)+Fe2(SO4)3(aq)CuSO4(aq)+2FeSO4(aq)的焓变ΔH1;根据(3)中实验计算得到反应
Fe(s)+CuSO4(aq)Cu(s)+FeSO4(aq)的焓变ΔH2;根据盖斯定律计算得到反应Fe(s)+Fe2(SO4)3(aq)3FeSO4(aq)的焓变为ΔH1+ΔH2
[解析] (1)由Q=cρV总·ΔT可得Q=4.18 J·g-1·℃-1×1.0 g·mL-1×(50 mL+50 mL)×(T1-T0) ℃=418(T1-T0) J。(2)100 mL 0.20 mol·L-1 CuSO4溶液含有溶质的物质的量为0.02 mol,1.20 g Fe粉和0.56 g Fe粉的物质的量分别为0.021 mol、0.01 mol,实验ⅰ中有0.02 mol CuSO4发生反应,实验ⅱ中有0.01 mol CuSO4发生反应,实验ⅰ放出的热量多,则b>c;若按实验ⅰ进行计算,ΔH=
- kJ·mol-1=-20.9(b-a) kJ·mol-1;若按实验ⅱ进行计算,ΔH=- kJ·mol-1=-41.8(c-a) kJ·mol-1。(3)Fe3+易水解,为防止Fe3+水解,在配制Fe2(SO4)3溶液时需加入酸;用pH试纸测得Fe2(SO4)3溶液的pH不大于1说明溶液呈强酸性,向少量Fe2(SO4)3溶液中加入Fe粉,溶液颜色变浅的同时有气泡即氢气产生,说明溶液中还存在Fe与酸的反应,其离子方程式为Fe+2H+Fe2++H2↑;乙同学根据相关原理,重新设计优化的实验方案的重点为如何防止Fe与酸反应产生的影响,可以借助盖斯定律,设计分步反应来实现Fe2(SO4)3溶液与Fe的反应,故可将一定量的Cu粉加入一定浓度的Fe2(SO4)3溶液中反应,测量反应热,计算得到反应Cu(s)+Fe2(SO4)3(aq)CuSO4(aq)+2FeSO4(aq)的焓变ΔH1;根据(3)中实验计算得到反应Fe(s)+CuSO4(aq)Cu(s)+FeSO4(aq)的焓变ΔH2;根据盖斯定律计算得到反应Fe(s)+Fe2(SO4)3(aq)3FeSO4(aq)的焓变为ΔH1+ΔH2。
模拟练
1.向其中加入足量稀盐酸,振荡、静置,滴加BaCl2溶液 出现白色沉淀 加入酸性KMnO4溶液,充分振荡 溶液褪色
[解析] 证明焦亚硫酸钠样品已氧化变质实际上就是检验固体溶解得到的溶液中含有的硫酸根离子,具体操作为向其中加入足量稀盐酸,振荡、静置排除亚硫酸氢根离子或亚硫酸根离子的干扰,再滴加氯化钡溶液,溶液中会有硫酸钡白色沉淀生成说明样品已被氧化;证明样品未完全氧化变质实际上就是检验固体溶解得到的溶液中含有亚硫酸氢根离子,具体操作为加入酸性高锰酸钾溶液,充分振荡,溶液褪色说明溶液中含有亚硫酸氢根离子,样品未完全被氧化。
2.(1)2Fe3++S+H2OS+2Fe2++2H+
(2)①15.0 ②发生氧化还原反应2Fe3++S+H2OS+2Fe2++2H+,生成H+使溶液的pH下降,而Fe3+不断被消耗,Fe3+水解产生的H+减少,使溶液的pH升高,二者程度相当,最终溶液的pH基本不变 ③2FeCl3+3Na2SO3+3H2O2Fe(OH)3↓+3SO2↑+6NaCl ④分别加入少量的铁氰化钾溶液(或盐酸酸化的氯化钡溶液),产生蓝色沉淀(或白色沉淀)
[解析] (1)由实验现象可知,预测现象1发生的反应为氯化铁溶液与亚硫酸钠溶液反应生成氯化亚铁、硫酸钠和盐酸,反应的离子方程式为2Fe3++S+H2OS+2Fe2++2H+。
(2)①由探究实验变量唯一化原则可知,实验时溶液的总体积应保持不变,则由表格数据可知,a=40.0-25.0=15.0。
②由实验现象可知,实验ⅱ~ⅳ中发生的反应为氯化铁溶液与亚硫酸钠溶液反应生成氯化亚铁、硫酸钠和盐酸,反应生成的氢离子使溶液的pH下降,而溶液中铁离子不断被消耗,Fe3+水解产生的氢离子浓度减少,使溶液的pH升高,当二者程度相当时,溶液的pH基本不变。
③由实验ⅵ和ⅶ的实验现象可知,氯化铁溶液与亚硫酸钠溶液发生双水解反应生成氯化钠、氢氧化铁沉淀和二氧化硫气体,反应的化学方程式为2FeCl3+3Na2SO3+3H2O2Fe(OH)3↓+3SO2↑+6NaCl。
④若实验ⅵ和ⅶ中发生的反应除发生双水解反应外,还发生氧化还原反应,溶液中应该有能与铁氰化钾溶液反应生成蓝色沉淀的亚铁离子和能与盐酸酸化的氯化钡溶液生成白色沉淀的硫酸根离子,证明猜想的实验操作为分别取实验ⅵ和ⅶ中上层清液于试管中,加入少量的铁氰化钾溶液(或盐酸酸化的氯化钡溶液),产生蓝色沉淀(或白色沉淀)。
课后练
1.(1)加水稀释 溶液逐渐由红色变为黄色
(2)FeSO4溶液中已有S,因此无法通过S存在说明有(SCN)2生成
(3)向其中持续通入N2 溶液变橙红色
(4)强于
[解析] (1)猜想二认为Fe(SCN)3溶液在浓度较低时呈黄色,则取少量实验①的溶液于试管中,加水稀释,溶液逐渐由红色变为黄色,说明猜想二正确。
(2)甲同学提出,实验④并不能证明猜想一正确,理由是FeSO4溶液中已有S,因此无法通过S存在说明有(SCN)2生成。
(3)实验⑥,向其中持续通入N2,可将易挥发的(SCN)2带出,无明显现象,说明猜想一不正确;实验⑧中滴加3滴0.1 mol·L-1 KSCN溶液,增大了SCN-的浓度,说明Fe2++2SCN-Fe(SCN)2正向移动,溶液变橙红色。
(4)加入氯水后Fe2+被氧化为Fe3+,而SCN-没有被氧化,说明Fe2+的还原性强于SCN-。
2.(1)①-52.8 ②NH3·H2O电离吸热,中和过程中NH3·H2O电离平衡正向移动,导致ΔH2<ΔH1
(2)①NH3(g)+H2O(l)NH3·H2O(aq)
②ΔH1+ΔHa+ΔHb-ΔHc
(3)向恒温反应器中加入一定量的NH4Cl固体,在恒定温度T1下反应至压强不再改变,记录此时气压计的压强数据p1;在恒定温度T2下重复上述步骤测得压强为p2
[解析] (1)①由方程式可知,25.0 ℃下1.6 mol·L-1氨水与1.40 mol·L-1盐酸各50.0 mL发生反应Ⅰ时,盐酸不足量,反应生成水的物质的量为1.40 mol·L-1×0.05 L=0.07 mol,则反应放出的热量Q=cρV总ΔT=4.2×10-3kJ·g-1· ℃-1×1.0 g·mL-1×100 mL×(33.8 ℃-25 ℃)=3.696 kJ,反应的ΔH1=-=-52.8 kJ·mol-1。
②反应Ⅰ与反应Ⅱ的焓变存在差异是因为一水合氨是弱碱,在溶液中的电离过程为吸热过程,与盐酸发生中和反应的过程中,一水合氨的电离平衡正向移动,使得反应放出的热量小于反应Ⅱ,焓变大于反应Ⅱ。
(2)①由方程式可知,实验b的待测过程为NH3(g)+H2O(l)NH3·H2O(aq)。
②由盖斯定律可知,反应Ⅰ+a+b-c得到反应Ⅲ,则反应Ⅲ的ΔH3=ΔH1+ΔHa+ΔHb-ΔHc。
(3)由题给信息可知,测量反应Ⅲ焓变的实验方案为向恒温反应器中加入一定量的NH4Cl固体,在恒定温度T1下反应至压强不再改变,记录此时气压计的压强数据p1;在恒定温度T2下重复上述步骤测得压强为p2,Kp1=,Kp2=,利用ln =计算可得ΔH。
3.(1)减小浓盐酸的滴加速率、采用冰水浴给C装置降温、搅拌等
(2)BD (3)砖红色沉淀
(4)Kh(ClO-)==≈3.6×10-7
Kh(ClO-)=≈
c(OH-)≈ mol·L-1≈1×10-3.5 mol·L-1
c(H+)≈ mol·L-1=1×10-10.5 mol·L-1,pH≈10.5,由此推测,84消毒液的pH应约为10.5,而实验测得pH初始值为12.4,则应加入了NaOH
(5)配制pH=12.40的氢氧化钠溶液,取5 mL该氢氧化钠溶液,缓慢滴加医用酒精9 mL,测0~9 min内pH变化值小于0.4或测9 min时pH小于12.80
[解析] (1)由题给信息可知,温度超过40 ℃,氯气和氢氧化钠反应会生成NaClO3杂质。因此为减少NaClO3杂质的产生,应减小浓盐酸的滴加速率、采用冰水浴给C装置降温、搅拌等。
(2)在E处通入未经干燥的氯气。当关闭K时,G处干燥红布条看不到明显现象;当打开K后,G处干燥红布条逐渐褪色,说明存在两种情况:一种是F中为氢氧化钠溶液或还原性溶液,能将氯气消耗完;第二种是F中为浓硫酸,干燥后的氯气不能使干燥红布条褪色。
(3)由实验结论“产物中有乙醛”可知,取5 min时的反应液滴加到新制氢氧化铜悬浊液中加热,观察到有砖红色沉淀生成。
(5)该同学增加了对照实验,证明反应生成了NaOH,则需使起始pH相同,同时需保证后续不发生卤化反应,所以可设计实验方案:配制pH=12.40的氢氧化钠溶液,取5 mL该氢氧化钠溶液,缓慢滴加医用酒精9 mL。若测得0~9 min内pH变化值小于0.4或测得9 min时pH小于12.80,可说明84消毒液和医用酒精反应生成的乙醛能进一步发生卤化反应生成NaOH。
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