专题13 第4讲 方案的设计与评价

1第4讲实验方案的设计与评价基础盘点一、实验方案的设计与评价自我诊断1.某兴趣小组设计出右图所示装置来改进教材中“铜与硝酸的反应”实验，以探究化学实验的绿色化。（固定装置略去）2（1）实验前，关闭活塞b,试管d中加水至浸没长导管口，塞紧试管c和d的胶塞，加热c，其目的是。（2）在d中加适量NaOH溶液，c中放一小块铜片，由分液漏斗a向c中加入2mL浓硝酸，c中反应的化学方程式是。再由a向c中加2mL蒸馏水，c中的实验现象是。（3）下表是制取硝酸铜的三种方案，能体现绿色化学理念的最佳方案是，理由是。3方案反应物甲Cu、浓HNO3乙Cu、稀HNO3丙Cu、O2、稀HNO34（4）该小组还用上述装置进行实验，证明氧化性KMnO4＞Cl2＞Br2。操作步骤为，实验现象为。但此实验的不足之处是。5答案(1)检查装置气密性（2）Cu+4HNO3(浓)Cu(NO3)2+2NO2↑+2H2O反应变缓，气体颜色变淡（3）丙耗酸量最少，无污染（4）向d中加入KBr溶液，c中加入固体KMnO4，由a向c中加入浓盐酸c中有黄绿色气体产生，d中溶液变为黄棕色没有处理尾气6基础回归实验方案设计的基本要求1.科学性：实验原理、实验方法和操作程序必须科学合理。2.安全性：实验操作要尽量防止带有危险性的操作，尽量避免与有毒物质接触，若无法避免则应采取安全措施。3.环保性：有毒物质必须处理，以防污染环境。4.可行性：设计的实验方案要切实可行，所选用的药品、仪器、设备和方法在现有的条件下能得到满足。75.简约性：实验设计应尽可能简单易行，应采用简单的实验装置，用较少的实验步骤，能在较短的时间内完成实验，且效果明显。6.经济性：综合考虑原料的用量、价格。7.创新性：创新性是设计的灵魂。近几年的高考化学实验题，最显著的特点就是由基础知识、基本实验或常见题型创新而成的。通常化学实验设计方案的创新性可从以下两个方面考虑；一是反应原理的创新设计,凡是物质间满足“反应容易发生”、“速度快慢适当”、“产物较纯且易分离”的反应均可用于制备所需产物；二是实验装置的创新设计，8根据现有仪器，考虑题给药品的状态，是否需要加热等反应条件，所给仪器还有哪些灵活的用途等，可大胆改进制备装置、净化装置、收集装置、除杂装置，体现创新精神。指点迷津在设计实验时，应在各种所设计的方案中，通过对比和归纳选择出具有安全性好、药品易得、操作简便、装置简单而且现象明显的最佳方案。9二、设计实验的思路自我诊断2.设计简单实验说明下列物质的氧化性由强到弱：Cl2FeCl3I2，可选用的药品有：氯水、FeCl3溶液、碘水、KI溶液、NaOH溶液、稀硫酸、盐酸、KSCN溶液、淀粉碘化钾溶液、FeCl2溶液、H2O2、水等。所需仪器自由选择。简述实验步骤、现象、结论：。答案①取FeCl2溶液少许，加入KSCN溶液，无明显现象，加氯水少许，变为血红色溶液，说明氧化性Cl2FeCl3;②取少许淀粉碘化钾溶液，加入FeCl3溶液，变蓝色，说明氧化性FeCl3I2103.请设计一个简单的一次性完成的实验装置，验证醋酸溶液、二氧化碳水溶液、苯酚溶液的酸性强弱顺序是：CH3COOHH2CO3C6H5OH。（1）利用下图所示仪器可以组装实验装置，则仪器的连接顺序为:接，接，接。11答案（1）ADEBCF（2）连接好装置并检查气密性，在相应仪器内装入所需药品，打开分液漏斗活塞，使醋酸溶液滴入锥形瓶中，有气体生成：2CH3COOH+Na2CO32CH3COONa+H2O+CO2↑;试管中苯酚钠溶液变浑浊；CO2+H2O+C6H5ONaC6H5OH+NaHCO3（2）写出实验步骤、现象和有关的化学方程式：12基础回归1.设计思路：实验目的→实验原理→反应的仪器装置→操作步骤→数据处理方法→形成方案—2.实验操作的顺序（1）连接仪器。按气体发生→除杂质→干燥→主体实验→尾气处理顺序连接好实验仪器。（2）检查气密性。（3）装药品，进行实验操作。13要点精讲要点一实验方案设计应注意的几个问题1.药品和仪器是部分或刚好给出还是有剩余。若药品和仪器只部分给出，则应作必要的补充，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。144.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。156.其他应注意的问题（1）冷凝回流的问题。（2）冷却问题。（3）防止倒吸问题。（4）具有特殊作用的实验改进装置。如为防止分液漏斗中的液体不能顺利流出，用橡皮管连接成连通装置；为防止气体从长颈漏斗中逸出，可在发生装置中的漏斗末端套住一支小试管等。16特别提醒近年来许多高考试题都是通过对教材实验进行重新设计或改进创新而成，其创新主要体现在：（1）在仪器或装置上的创新，如多装置一用或一装置多用。（2）实验形式上的创新。（3）实验方案或反应原理设计上的创新，如仪器、用品的选择。17【典例导析1】课题式课堂教学是研究性学习的一种方式，其基本教学模式为：如图是甲同学设计的证明“CO具有还原性”的实验装置。18（1）实验时应先点燃处（填“A”或“B”）的酒精灯。（2）硬质玻璃管中反应的化学方程式为。（3）乙同学认为甲装置有待优化，如尾气可先储存在瓶内，然后再处理。如图乙是他设计的贮气瓶，尾气应从（填“a”或“b”）口通入（其他装置略）。（4）丙同学质疑：CO能否使澄清石灰水变浑浊？因此，他设计在CO通入CuO之前，应先通入澄清石灰水，以比较排除CO与澄清石灰水反应，试对此作出评价。你认为丙的设计是否有必要，理由是。19（5）如果开始时通入的是CO和CO2的混合气体，则应如何设计才能达到实验目的？。解析（1）CO为污染性有毒气体，由于先通CO排空气，故应先点燃B处的酒精灯。（2）CO能还原CuO生成CO2。（3）贮气瓶应从a口进气，水从b口排出。（4）由于整个设计过程中CO开始通过了澄清石灰水，故没必要排除CO的干扰。（5）应先除去CO2再通入装置。20答案（1）B（2）CuO+COCu+CO2（3）a（4）不必要在酒精灯A点燃前，CO已通过了澄清石灰水（5）先通过碱石灰除去CO2后再通入装置21迁移应用1二氯化二硫（S2Cl2）在工业上用于橡胶的硫化。为在实验室合成S2Cl2，某化学研究性学习小组查阅了有关资料,得到如下信息：①将干燥的氯气在110℃~140℃与硫反应，即可得S2Cl2粗品。②有关物质的部分性质如下表：物质熔点/℃沸点/℃化学性质S112.8444.6略S2Cl2-77137遇水生成HCl、SO2、S；300℃以上完全分解：S2Cl2+Cl22SCl222设计实验装置图如下：（1）上图中气体发生和尾气处理装置不够完善,请你提出改进意见。23利用改进后的正确装置进行实验,请回答下列问题：（2）B中反应的离子方程式:；E中反应的化学方程式:。（3）C、D中的试剂分别是、。（4）仪器A、B的名称分别是、，F的作用是。（5）如果在加热E时温度过高，对实验结果的影响是，在F中可能出现的现象是。（6）S2Cl2粗品中可能混有的杂质是（填写两种）、，为了提高S2Cl2的纯度，关键的操作是控制好温度和。24解析（1）A为带塞的分液漏斗，液体流入B中，导致A中上方压强小于B中上方压强，液体难以继续流入B中。若用橡皮管将A的上口和B相连，则可解决上述问题。制备S2Cl2温度在110℃~140℃,S2Cl2成为气体，在G中又冷却为液体，但S2Cl2易与水反应,故应在G、H间加一个干燥装置。（2）B中为实验室制Cl2的反应，E中为S和Cl2的反应。（3）C为除去Cl2中HCl的装置,D为干燥氯气的装置。（4）F为长导管，其作用为导气，冷凝S2Cl2。（5）若温度过高，一部分S2Cl2又分解,导致产率降低。F中若部分S2Cl2与水反应生成S,则有固体产生。25（6）S2Cl2在生成过程中，S与Cl2均过量；温度过高S2Cl2又与Cl2反应生成SCl2，所以为了提高S2Cl2的纯度,除控制好温度外,还要控制Cl2的产生速率。答案（1）用橡皮管将A的上口和B相连（或将A换成恒压滴液漏斗），在G和H之间增加干燥装置（2）MnO2+4H++2Cl-Mn2++Cl2↑+2H2O2S+Cl2S2Cl2（3）饱和食盐水（或水）浓硫酸（4）分液漏斗蒸馏烧瓶导气、冷凝（5）产率降低有固体产生（或其他正确描述）（6）SCl2Cl2S（任写其中两种即可）控制浓盐酸的滴速不要过快26要点二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。要考虑是否安全合理、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，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：27（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）原料利用率以及合成物质的产率是否较高；（4）合成过程中是否造成环境污染。283.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）；29（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、实验方法使用顺序等）。近几年高考中,有些省份对实验评价的考查涉及到定量评价，即通过对所给化学实验数据的分析处理，对实验进行评价。评价的关键是准确破译数据的含义，进行合理取舍，提炼出有效数据。一些数据隐含着化学规律及化学原理，要找出数据的具体含义，分析比较数据之间的内在联系，建立题中的隐含数据与题目解答之间的联系，继而得出正确结论。特别提醒30【典例导析2】某化学研究小组，通过网上查找资料发现，N2的制取有下列不同方案：a方案：加热条件下CuO氧化NH3制得纯净的N2和活性铜粉b方案：加热NaNO2和NH4Cl的浓溶液制得N2c方案：将空气缓慢地通过灼热的铜粉制得较纯的N2现实验室有供选择的如下几种仪器来制取N2:31(1)若按a方案制N2时需要的氨气用生石灰和浓氨水作原料制取，则宜采用上述仪器中的（填A、B、C……）作NH3的发生器，该发生装置中发生的化学反应方程式为，要制取并收集纯净的N2（允许含有少量水蒸气），还须使用到上述仪器中的（按气流从左到右的流向顺序列出）（填ABC……）。（2）若按c方案制N2，用E装置将空气缓慢通入（填A、B、C）反应器，反应器内可观察到的现象是该反应的化学方程式为。（3）上述制N2的