高考化學二輪復習 專題17 實驗方案的設計與評價（講）（含解析）

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專題17 實驗方案的設計與評價（講） （1） 考綱要求 1.能根據(jù)實驗試題要求，做到：①設計、評價或改進實驗方案；②了解控制實驗條件的方法；③分析和處理實驗數(shù)據(jù)，得出合理結論；④繪制和識別典型的實驗儀器裝置。 2.了解科學探究的基本過程，并運用以實驗和推理為基礎的科學探究方法解決有關問題。 （2） 命題規(guī)律 實驗設計和實驗評價是綜合實驗考題的呈現(xiàn)方式之一，高考試題中選擇題和非擇題實驗部分（制備實驗、理論運用實驗等）都有體現(xiàn)，一般多有實驗的評價，而近幾年年出現(xiàn)了實驗步驟的完整設計，預示著實驗部分難度的加大。展望2017年高考，將延續(xù)近幾年的模式，實驗設計和評價一定伴隨二卷實驗題的考查。特別需要關注以下各類背景的實驗：（1）以物質制備為背景的實驗題；（2）以實驗探究為背景的實驗題；（3）以實驗方案設計為背景的實驗題；（4）以定性、定量分析為背景的實驗題。 【例1】【2016年高考北京卷】（16分） 以Na2SO3溶液和不同金屬的硫酸鹽溶液作為實驗對象，探究鹽的性質和鹽溶液間反應的多樣性。 實驗 試劑 現(xiàn)象 滴管 試管 2 mL 0.2 molL?1 Na2SO3溶液 飽和Ag2SO4溶液 Ⅰ.產(chǎn)生白色沉淀 0.2 molL?1 CuSO4 Ⅱ.溶液變綠，繼續(xù)滴加產(chǎn)生棕黃色沉淀 0.1 molL?1 Al2（SO4）3溶液 Ⅲ.開始無明顯變化，繼續(xù)滴加產(chǎn)生白色沉淀 （1）經(jīng)檢驗，現(xiàn)象Ⅰ中的白色沉淀是Ag2SO3。用離子方程式解釋現(xiàn)象Ⅰ：____________。 （2）經(jīng)檢驗，現(xiàn)象Ⅱ的棕黃色沉淀中不含SO42?，含有Cu+、Cu2+和SO32?。 已知：Cu+Cu +Cu2+，Cu2+CuI↓（白色）+I2。 ①用稀硫酸證實沉淀中含有Cu+的實驗現(xiàn)象是_____________。 ②通過下列實驗證實，沉淀中含有Cu2+和SO32?。 a.白色沉淀A是BaSO4，試劑1是____________。 b.證實沉淀中含有Cu+和SO32?的理由是___________。 （3）已知：Al2（SO3）3在水溶液中不存在。經(jīng)檢驗，現(xiàn)象Ⅲ的白色沉淀中無SO42?，該白色沉淀既能溶于強酸，又能溶于強堿，還可使酸性KMnO4溶液褪色。 ①推測沉淀中含有亞硫酸根和________。 ②對于沉淀中亞硫酸根的存在形式提出兩種假設： i.被Al（OH）3所吸附； ii.存在于鋁的堿式鹽中。 對假設ii設計了對比實驗，證實了假設ii成立。 a.將對比實驗方案補充完整。 步驟二：_____________（按上圖形式呈現(xiàn)）。 （4）根據(jù)實驗，亞硫酸鹽的性質有___________。鹽溶液間反應的多樣性與__________有關。 【答案】（1）2Ag＋+SO32—＝Ag2SO4↓。（2）①加入稀硫酸后，有紅色固體生成；②a. HCl和BaCl2溶液。 b.在I-的作用下，Cu2+轉化為白色沉淀CuI，SO32-轉化為SO42-。 （3）①Al3+、OH-。 ②a、，b、V1明顯大于V2。 （4）還原性、水解溶液顯堿性；兩種鹽溶液中陰陽離子的性質和反應條件。 【考點定位】本題主要是考查化學實驗方案的分析、評價和設計等 【名師點晴】控制變量思想方法，探究實驗異常現(xiàn)象成為近幾年實驗探究命題的熱點，突出對實驗能力的考查。該題為實驗探究題，裝置圖、流程圖很簡單，但探究過程較復雜，準確全面獲取信息、通過控制變量思想進行邏輯分析是解題的關鍵，憑感覺做題，不容易準確獲取題中信息。該類試題的解題策略為：（1）確定變量：解答這類題目時首先要認真審題，理清影響實驗探究結果的因素有哪些。（2）定多變: 在探究時，應該先確定其他的因素不變，只變化一種因素，看這種因素與探究的問題存在怎樣的關系；這樣確定一種以后，再確定另一種，通過分析每種因素與所探究問題之間的關系，得出所有影響因素與所探究問題之間的關系。（3）數(shù)據(jù)有效；解答時注意選擇數(shù)據(jù)(或設置實驗)要有效，且變量統(tǒng)一，否則無法做出正確判斷。 【例2】【2016年高考海南卷】（11分）某廢催化劑含58.2%的SiO2、21.0%的ZnO、4.5%的ZnS和12.8%的CuS。某同學用15.0 g該廢催化劑為原料，回收其中的鋅和銅。采用的實驗方案如下： 回答下列問題： （1）在下列裝置中，第一次浸出必須用____________，第二次浸出應選用____________。（填標號） （2）第二次浸出時，向盛有濾液1的反應器中加入稀硫酸，后滴入過氧化氫溶液。若順序相反，會造成___________。濾渣2的主要成分是____________________。 （3）濃縮硫酸鋅、硫酸銅溶液使用的器皿名稱是________________。 （4）某同學在實驗完成之后，得到1.5gCuSO4﹒5H2O,則銅的回收率為__________________。 【答案】 （1）D A （每空1分，共2分） （2）H2O2與固體顆粒接觸分解 （每空2分，共4分） （3）蒸發(fā)皿 （2分） （4）30% （3分） 【解析】 一、化學探究性實驗題的模式為： 在解題時，首先要對題目中給出的信息進行處理，弄清是對實驗的那一方面進行探究，然后深入分析實驗，依據(jù)題目中提出的實驗假設或自行提出的實驗假設，合理運用化學知識，巧妙設計實驗方案，通過實驗現(xiàn)象的客觀事實對實驗進行探究性驗證。 1．化學實驗設計的要求 （1）原理正確；（2）方法簡單；（3）操作方便；（4）現(xiàn)象明顯；（5）產(chǎn)率高；（6）誤差?。唬?）安全防污。 2．化學實驗設計程序 （1）根據(jù)實驗的目的，闡明實驗原理，選擇合適的儀器和藥品； （2）根據(jù)實驗的特點，設計實驗裝置，畫出實驗裝置圖； （3）根據(jù)實驗的要求，設計可行的操作步驟和觀察重點，分析實驗中應注意的事項； （4）實驗結束后應寫出完整的實驗報告。 二、物質性質實驗方案的設計 1．完成性質實驗方案設計的基礎： （1）無機物質的性質：原子結構和物質的分類有關 （2）有機物質的性質：官能團的種類和基團之間的相互影響有關 2．性質實驗方案設計的一般思路： 分析結構 對比回顧相關知識 預測性質 擬定方案 三、實驗方案的評價 對給出的實驗方案作出選擇、評價或找出最佳方案，包含的知識點很多，能考查學生的分析問題和解決問題的能力。 1.實驗方案設計的基本思路 2．設計實驗方案時注意的問題 （1）實驗方案要可行。要盡量避免使用高壓和特殊催化劑等實驗室難以達到的條件，實驗方案要簡單易行。 （2）實驗順序要科學。要對各個實驗步驟進行統(tǒng)一的規(guī)劃和安排，保證實驗準確且高效。同時要減少副反應的發(fā)生和避免實驗步驟間的干擾。 （3）實驗現(xiàn)象要直觀。如“證明醋酸是弱電解質”的實驗，可配制一定濃度的CH3COONa溶液，用pH試紙測溶液的pH，通過測定的結果pH＞7從而得出結論，既操作簡便又現(xiàn)象明顯。 （4）實驗結論要可靠。要反復推敲實驗步驟和多方論證實驗結果，保證實驗結論準確可靠。 提煉2　實驗方案評價的基本思路 3．實驗方案評價的角度 （1）從試劑、儀器和裝置的合理性上評價。 （2）從實驗原理上評價，實驗方案要符合實驗原理，保證達到實驗目的。 （3）從操作步驟、實驗現(xiàn)象上評價，實驗方案要步驟簡單，現(xiàn)象明顯。 （4）從環(huán)境保護上評價，實驗方案的設計要充分體現(xiàn)環(huán)保意識。 （5）從節(jié)能、安全可靠上評價，實驗方案的設計要節(jié)約能源，節(jié)省原料且安全可靠。 【例1】【2016屆湖南六校聯(lián)考】下列實驗方案中，不能達到實驗目的的是 （ ） 選項 實驗目的 實驗方案 A 證明氧化性：H2O2比Fe3＋強 用硫酸酸化的H2O2溶液滴入Fe(NO3)2溶液中，溶液變黃色 B 鑒別溴蒸氣和NO2 分別通入硝酸銀溶液中，產(chǎn)生淡黃色沉淀的是溴蒸汽 C 證明鹽類水解是吸熱反應 在醋酸鈉溶液中滴入酚酞試液，加熱后紅色加深 D 證明難溶物存在沉淀溶解平衡 往黃色固體難溶物PbI2中加水，振蕩，靜置。取上層清液，然后加入NaI固體，產(chǎn)生黃色沉淀 【答案】A 考點：考查化學實驗方案的設計正誤判斷的知識。 【趁熱打鐵】【2016屆天津市河西區(qū)一?！肯铝袑嶒炦^程中的現(xiàn)象及結論均正確且存在因果關系的是（ ） 實驗 實驗現(xiàn)象 結論 A 無色溶液變藍 I-在酸性條件下被氧氣氧化為I2 B 溶液均呈紅色，且深淺一樣 相同濃度的CO32-與HCO3-水解能力相同 C 產(chǎn)生白色沉淀又逐漸變成紅褐色沉淀 KspMg(OH)2] > KspFe(OH)3] D 溴的四氯化碳溶液顏色褪去 石蠟催化加熱反應產(chǎn)物為乙烯 【答案】A 考點：考查實驗過程中的現(xiàn)象及結論關系正誤判斷的知識。 【例2】【2016屆北京朝陽一?！磕硨W習小組通過下列裝置探究MnO2與FeCl36H2O能否反應產(chǎn)生Cl2。 實驗操作和現(xiàn)象： （1） 現(xiàn)象i中的白霧是　　　，形成白霧的原因是　　　。 （2） 分析現(xiàn)象ii，該小組探究黃色氣體的成分，實驗如下： a．加熱FeCl36H2O，產(chǎn)生白霧和黃色氣體。 b．用KSCN溶液檢驗現(xiàn)象ii 和a中的黃色氣體，溶液均變紅。 通過該實驗說明現(xiàn)象ii 中黃色氣體含有　　　。 （3） 除了氯氣可使B 中溶液變藍外，推測還可能的原因是： ①實驗b檢出的氣體使之變藍，反應的離子方程式是　　　。實驗證實推測成立。 ②溶液變藍的另外一種原因是：在酸性條件下，裝置中的空氣使之變藍。通過進一步實驗確認了這種可能性，其實驗方案是　　　。 （4） 為進一步確認黃色氣體是否含有Cl2，小組提出兩種方案，無證實了Cl2的存在。 方案1：在A、B 間增加盛有某種試劑的洗氣瓶C。 方案2：將B中KI-淀粉溶液替換為NaBr溶液，檢驗Fe2+。 現(xiàn)象如下： 方案1 B 中溶液變?yōu)樗{色 方案2 B 中溶液呈淺橙紅色；未檢出Fe2+ ①方案1的C中盛放的試劑是　　　。 ②方案2中檢驗Fe 2+的原因是　　　。 ③綜合方案1、2 的現(xiàn)象，說明選擇NaBr溶液的依據(jù)是　　　。 （5） 將A 中產(chǎn)物分離得到Fe2O3和MnCl2，A 中產(chǎn)生Cl2的化學方程式是　　　　　　。 【答案】（1）HCl小液滴；FeCl36H2O受熱水解，生成HCl氣體，同時受熱失去結晶水，HCl和H2O結合形成鹽酸小液滴；（2）FeCl3；（3）①2Fe3++2I-=2Fe2++I2； ②另取一支試管，向其中加入KI-淀粉溶液，再滴入幾滴HCl 溶液，在空氣中放置。觀察一段時間后溶液是否變藍。（4）①飽和NaCl溶液；②排除Fe3+將Br-氧化成Br2的可能性； ③Br-可以被Cl2氧化成Br2，但不會被Fe3+氧化為Br2。 （5）3MnO2+4FeCl36H2O2 Fe2O3+3MnCl2+3Cl2↑+24H2O 考點：考查鹽類水解的應用、化學實驗方案的設計、評價、物質的氧化性強弱比較急化學方程式的書寫 【趁熱打鐵】 【2016屆唐山二?！縼喯跛徕c是一種工業(yè)鹽，外觀與食鹽非常相似，毒性較強。某化學興趣小組對食鹽與亞硝酸鈉進行多角度探究： （一）鑒別NaCl和NaNO2 甲同學用沉淀分析法 經(jīng)查：常溫下Ksp(AgNO2)=210-8， Ksp(AgCl)=1.810-10．分別向盛有5mL 0.0001 mol/L兩種鹽溶液的試合中同時逐滴滴加0.0001mol/L硝酸銀溶液，先生成沉淀的是裝有 溶液的試管。 乙同學側定溶液pH 用pH試紙分別測定0.1 mol/L兩種鹽溶液的pH，測得NaNO2溶液呈堿性。該溶液呈堿性的原因是 （用離子方程式解釋）。 （二）該小組用如下裝置（略去夾持儀器）制備亞硝酸鈉 已知：① 2NO+ Na2O2 = 2NaNO2 ； ② 酸性條件下，NO和NO2都能與MnO4一反應生成NO3一和Mn2+ （1）使用銅絲的優(yōu)點是 。 （2）裝置A中反應方程式為 。 裝置C 中盛放的藥品是 ；（填字母代號） A．濃硫酸 B．NaOH 溶液 C．水 D．四氯化碳 儀器F的作用 。 （3）該小組稱取5.000g制取的樣品溶于水配成250.0 mL溶液，取25.00mL溶液于錐形瓶中，用0.1000mol/L酸性KMnO4溶液進行滴定，實驗所得數(shù)據(jù)如下表所示： 滴定次數(shù) 1 2 3 4 消耗KMnO4溶液體積/mL 20.70 20.12 20.00 19.88 ① 第一次實驗數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常，造成這種異常的原因可能是 （填字母代號）。 A．錐形瓶洗凈后未干燥 B．酸式滴定管用蒸餾水洗凈后未用標準液潤洗 C．滴定終點時仰視讀數(shù) ②酸性KMnO4溶液滴定亞硝酸鈉溶液的離子方程式為 。 ③該樣品中亞硝酸鈉的質量分數(shù)為 。 【答案】（15分）?。ǔ龢俗⑼馄溆嗝靠?分）(其它合理答案也給分) （一）NaCl（1分）；NO2－+H2O HNO2+OH－ （2分） （二）（1）可以控制反應的發(fā)生與停止（1分） （2）Cu +4HNO3(濃)=Cu(NO3)2+2NO2↑+2H2O （2分） C（2分） 防止水蒸氣進入（1分） （3）① bc 2分）② 6H＋+2MnO4－+5NO2－=2Mn2＋+5NO3－+3H2O （2分）③ 69% （2分） 考點：考查沉淀溶解平衡常數(shù)的應用、鹽的水解、滴定方法的應用、物質含量的測定與計算的知識。 仔細分析近幾年來的高考化學實驗試題，不難看出許多綜合性實驗命題的素材直接來源于教材實驗的改進和整合，命題人要求考生能運用已學知識去理解實驗原理和實驗裝置的意圖，或者是設計新的實驗過程或實驗裝置來考查我們的實驗探究能力。我們對這類考題并不陌生，但要準確回答仍需要有積極思考的習慣、熟練的化學實驗操作技能和綜合考慮問題的能力。因此在備考復習過程中，要對教材上的實驗進行落實和鞏固，尤其是對一些物質的制備實驗和物質的性質實驗應進行深入的研究，對實驗中所涉及到的重要的化學方程式和重要的實驗現(xiàn)象均應做到熟練掌握。 【例】【2016屆北京延慶一?！磕郴瘜W實驗小組探究鎂與氯化銨溶液反應的氣體產(chǎn)物和劇烈反應的影響因素。 資料：① CH3COONH4溶液是中性的。 ② 1 mol/L NH4Cl 溶液的pH = 4.63 ,可以溶解Mg (OH)2沉淀。 探究一：鎂與氯化銨溶液反應的氣體產(chǎn)物 【實驗1】 探究二：鎂與氯化銨溶液劇烈反應的原因 設想1：鎂與氯化銨水解產(chǎn)生的H+反應生成氫氣 【實驗2-1】 【實驗2-2】 設想2 ：Cl-的影響 設想3：NH4+ 的影響 【實驗3】 【實驗4】 (1)實驗1在左邊試管出氣管口用濕潤的紅色石蕊試紙檢驗試管口產(chǎn)生的氣體，試紙變藍，說明有 生成；用排水法收集一小試管產(chǎn)生的氣體, 靠近酒精燈,點燃, 可以聽到爆鳴聲，說明有 生成。 （2）寫出實驗1右邊試管Mg與水反應的化學方程式 。 （3）實驗2-1中兩試管反應都很劇烈，說明NH4NO3 水解產(chǎn)生的H+ 對反應影響 （填“小”或“大”），NH4+ 對反應影響 （填“小”或“大”）。 （4）實驗2-2的兩支試管中實驗現(xiàn)象相同，其設計目的是 。 （5）實驗3中的實驗現(xiàn)象說明Cl- 對反應速率的影響很小，請在空白處補充完成實驗方案設計。 （6）實驗4中的結論說明NH4+對反應速率的影響很大，則兩支試管中實驗現(xiàn)象的不同之處是 。 （7）通過實驗1至實驗4的探究，得出的結論是 。 （8）寫出鎂與氯化銨溶液反應生成Mg2+的離子方程式 。 【答案】（1）氨氣，氫氣。 （2）Mg+2H2O=Mg(OH)2↓+H2↑ （3）小，大 （4）為了排除CH3COO- 的影響 （5）3.0 mL 1.0 mol/LNaCl溶液 ；3.0 mL 1.0 mol/LNaNO3溶液 （6）NH4NO3溶液（左試管）和KNO3溶液（右試管）分別與Mg粉反應，左試管反應劇烈，有大量氣泡生成，右試管反應很少，沒有氣泡生成。 （7）鎂和氯化銨溶液產(chǎn)生的氣體不全是氫氣，還有氨氣；并不是鎂與氯化銨水解產(chǎn)生的H+反應生成氫氣；H2 O和NH4+ 都是氧化劑,起氧化作用，Cl- 不起明顯的作用。 （8）Mg + 2 NH4+ = Mg2 + + 2NH3 ↑+ H2 ↑ 考點：考查化學探究實驗的設計與評價，鹽類水解的應用等知識。 誤區(qū)警示：1.巧審題，明確實驗的目的和原理。實驗原理是解答實驗題的核心，是實驗設計的依據(jù)和起點。實驗原理可從題給的化學情景(或題干所給實驗目的)，結合元素化合物等有關知識獲取。 2.想過程，理清實驗操作的先后順序。根據(jù)實驗原理所確定的實驗方案中的實驗過程，確定實驗操作的方法步驟，把握各步實驗操作的要點，理清實驗操作的先后順序。 3.看準圖，分析各項實驗裝置的作用。有許多綜合性實驗題圖文結合，思維容量大。在分析解答過程中，要認真細致地分析圖中所示的各項裝置，并結合實驗目的和原理，確定它們在實驗中的作用。 4.細分析，得出正確的實驗結論。實驗現(xiàn)象(或數(shù)據(jù))是化學原理的外在表現(xiàn)。在分析實驗現(xiàn)象(或數(shù)據(jù))的過程中，要善于找出影響實驗成敗的關鍵，以及產(chǎn)生誤差的原因；或從有關數(shù)據(jù)中歸納出規(guī)律，繪制一定的變化曲線等。