第39讲 实验方案的设计与评价

第39讲实验方案的设计与评价基础考点梳理最新考纲1.能根据试题要求设计、评价或改进实验方案。2．了解控制实验条件的方法。3．能分析或处理实验数据，得出合理结论。4．能绘制和识别典型的实验仪器装置图。5．实验知识和技能的综合应用。自主复习化学实验方案的设计1．实验设计的原则(1)科学性；(2)安全性；(3)简约性；(4)可行性。2．实验设计的方法(1)明确实验目的、实验原理；(2)选择反应物；(3)设计装置步骤；(4)记录实验现象、实验数据；(5)分析得出结论。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。3．化学实验方案设计的类型实验设计制备实验方案的设计性质实验方案的设计实验设计方案的评价综合实验网络构建热点典例突破热点考向1.以科技、生产、生活中的新材料为载体，考查实验评价、误差分析和定量计算等方面能力。2．通过对课本实验的改进考查学生分析问题和解决问题的能力以及学生思维的灵活性。3．结合实验方案的设计与评价考查学生选择、组装仪器的能力以及绘制简单实验装置图的能力。热点探究热点1化学实验方案的设计1.化学实验方案设计的思路2．化学实验设计时遵循的原则(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。3．实验设计的步骤(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，能否腐蚀仪器和橡胶、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。4．实验设计的注意事项(1)药品和装置是部分或刚好给出还是有剩余若药品和装置只部分给出，则应需要作必要的补充，若有剩余，则应进行筛选和淘汰。(2)题目条件有无特殊要求如采用最简单或最合理的实验步骤，这些要求对我们考虑反应原理，选择药品和装置，确定操作步骤都作了限定，必须高度重视。(3)实验过程中的隐蔽性操作如某些必要的干燥、除杂、冷凝等，这些都是实验中必不可少的，但容易被忽略。(4)药品的规格有些题目要求指出药品的名称，这类问题学生最难答准确，如有些药品的准确描述为：硫酸铜粉末、澄清石灰水、酸性高锰酸钾溶液、浓硫酸、饱和NaHCO3溶液、NaOH溶液等。此外也应注意某些仪器的规格。(5)会画简单的实验装置图基于评分客观公正性难以把握，近年高考题很少出现此类题目，但复习时要有所重视。【例1】三草酸合铁酸钾晶体K3[Fe(C2O4)3]·3H2O可用于摄影和蓝色印刷。某小组将无水三草酸合铁酸钾在一定条件下加热分解，对所得气体产物和固体产物进行实验和探究。请利用实验室常用仪器、用品和以下限选试剂完成验证和探究过程。限选试剂：浓硫酸、1.0mol·L－1HNO3、1.0mol·L－1盐酸、1.0mol·L－1NaOH、3%H2O2、0.1mol·L－1KI、0.1mol·L－1CuSO4、20%KSCN、澄清石灰水、氧化铜、蒸馏水。(1)将气体产物依次通过澄清石灰水(A)、浓硫酸、灼热氧化铜(B)、澄清石灰水(C)，观察到A、C中澄清石灰水都变浑浊，B中有红色固体生成，则气体产物是________。(2)该小组同学查阅资料后推知，固体产物中，铁元素不可能以三价形式存在，而盐只有K2CO3。验证固体产物中钾元素存在的方法是______________，现象是__________________。(3)固体产物中铁元素存在形式的探究。①提出合理假设假设1：________；假设2：________；假设3：________。②设计实验方案证明你的假设③实验过程根据②中方案进行实验。按下表的格式写出实验步骤、预期现象与结论。实验步骤预期现象与结论步骤1：步骤2：步骤3：…[解析](1)将产生的气体产物先通过澄清石灰水，澄清石灰水变浑浊，说明产生的气体中含有CO2，然后再依次通过灼热氧化铜、澄清石灰水，观察到的现象：有红色固体生成，澄清石灰水变浑浊，说明产生的气体中含有CO；(2)碱金属元素的检验一般采用焰色反应；(3)依据信息，固体产物中，铁元素不可能以三价形式存在，而盐只有K2CO3，可推测铁元素只能以亚铁化合物及铁单质的形式存在，在设计实验时，应注意Fe与FeO的性质的不同点。[答案](1)CO2和CO(2)利用焰色反应透过蓝色钴玻璃观察到紫色的火焰(3)①全部为铁单质全部为FeO同时存在铁单质和FeO③实验步骤预期现象与结论步骤1：取适量固体产物于试管中，加入足量蒸馏水，充分振荡使K2CO3完全溶解。分离不溶固体与溶液，用蒸馏水充分洗涤不溶固体固体产物部分溶解步骤2：向试管中加入适量CuSO4溶液，再加入少量上述不溶固体，充分振荡(1)若蓝色溶液颜色及加入的不溶固体无明显变化，则假设2成立(2)若蓝色溶液颜色明显改变，且有暗红色固体物质生成，则证明有铁单质存在步骤3：继续步骤2中的(2)，进行固液结合步骤2中的(2)：(1)若溶液基本无分离，用蒸馏水洗涤固体至洗涤液无色。取少量固体于试管中，滴加过量HCl后，静置，取上层清液，滴加适量H2O2，充分振荡后滴加KSCN色，则假设1成立(2)若溶液呈血红色，则假设3成立变式1(2010·广东理综)某研究小组用MnO2和浓盐酸制备Cl2时，利用刚吸收过少量SO2的NaOH溶液对其尾气进行吸收处理。(1)请完成SO2与过量NaOH溶液反应的化学方程式：SO2＋2NaOH===________。(2)反应Cl2＋Na2SO3＋2NaOH===2NaCl＋Na2SO4＋H2O中的还原剂为________。(3)吸收尾气一段时间后，吸收液(强碱性)中肯定存在Cl－、OH－和SO2－4，请设计实验，探究该吸收液中可能存在的其他阴离子(不考虑空气中CO2的影响)。①提出合理假设。假设1：只存在SO2－3；假设2：既不存在SO2－3，也不存在ClO－；假设3：________________________________________________________________________。②设计实验方案，进行实验。请写出实验步骤以及预期现象和结论。限选实验试剂：3mol·L－1H2SO4、1mol·L－1NaOH、0.01mol·L－1KMnO4、淀粉－KI溶液、紫色石蕊试液。实验步骤预期现象和结论步骤1：取少量吸收液于试管中，滴加3mol·L－1H2SO4至溶液呈酸性，然后将所得溶液分置于A、B试管中步骤2：步骤3：解析：本题主要考查实验设计与评价能力，背景知识为氧化还原反应，意在考查考生的实验设计能力，分析与解决问题的能力，本题在对考生实验评价能力的考查上具有特别的价值，是一个既具有新颖性，又不失经典性的好题。(1)SO2与过量NaOH反应的产物为Na2SO3与H2O；(2)在反应中，硫元素的化合价升高，所以Na2SO3为还原剂；(3)SO2－3具有较强的还原性，而ClO－具有极强的氧化性，ClO－与SO2－3是不能共存的，所以假设3为：只存在ClO－，实验设计只要求证实酸化后的溶液是具有氧化性，还是具有还原性，还是既不具有氧化性，也不具有还原性，若加入淀粉－KI溶液会出现蓝色，证明存在ClO－，若加入KMnO4溶液时，KMnO4溶液褪色，证明存在SO2－3，若两种现象均无，则假设2成立。答案：(1)Na2SO3＋H2O(2)Na2SO3(3)①只存在ClO－②步骤2：向A试管中滴加1～2滴0.01mol·L－1KMnO4溶液(ⅰ)若溶液褪色，则假设1成立；(ⅱ)若溶液不褪色，则假设2或3成立步骤3：向B试管中滴加1～2滴淀粉－KI溶液(ⅰ)若溶液变蓝色，则假设3成立；(ⅱ)若溶液不变蓝色，结合步骤2中的(ⅱ)，则假设2成立热点2化学实验方案的评价对几个实验方案的正确与错误、严密与不严密、准确与不准确做出判断。要考虑是否完全合理、有无干扰现象、经济上是否合算和对环境有无污染等。1．从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。因此，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论要求，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”要求设计更安全的、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。根据“绿色化学”精神，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)原料利用率以及合成物质的产率是否较高；(4)合成过程是否造成环境污染。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、水解的物质宜采取必要措施，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)。【例2】为测试一铁片中铁元素的含量，某课外活动小组提出下面两种方案并进行了实验(以下数据为多次平行实验测定结果的平均值)：方案一：将ag铁片完全溶解于过量稀硫酸中，测得生成氢气的体积为580mL(标准状况)；方案二：将a10g铁片完全溶解于过量稀硫酸中，将反应后得到的溶液用0.02000mol·L－1的KMnO4溶液滴定，达到终点时消耗了25.00mLKMnO4溶液。请回答下列问题：(1)配平下面的化学方程式：KMnO4＋FeSO4＋H2SO4===Fe2(SO4)3＋MnSO4＋K2SO4＋H2O(2)在滴定实验中不能选择________式滴定管，理由是________________________________________________________________________；(3)根据方案一和方案二测定的结果计算，铁片中铁的质量分数依次为________和________；(铁的相对原子质量以55.9计)(4)若排除实验仪器和操作的影响因素，试对上述两种方案测定结果的准确性做出判断和分析。①方案一________(填“准确”“不准确”“不一定准确”)，理由是________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________；②方案二________(填“准确”“不准确”“不一定