2014高考化學(xué) 考點(diǎn)復(fù)習(xí)講析（55）研究型實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與評(píng)價(jià)

2014高考化學(xué)考點(diǎn)復(fù)習(xí)講析考點(diǎn)55研究型實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與評(píng)價(jià)考點(diǎn)聚焦1.制備實(shí)驗(yàn)裝置的選擇與儀器連接、裝置氣密性的檢驗(yàn)、實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象描述、尾氣處理。2.給定實(shí)驗(yàn)情景或性質(zhì)實(shí)驗(yàn)?zāi)康?，要求選擇實(shí)驗(yàn)儀器裝置、藥品、確定實(shí)驗(yàn)程序，評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)方案。3.對(duì)教材演示實(shí)驗(yàn)進(jìn)行重組、優(yōu)化和創(chuàng)新。知識(shí)梳理綜合實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和評(píng)價(jià)是綜合應(yīng)用實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)知識(shí)、基本操作，結(jié)合化學(xué)基本理論，元素化合物知識(shí)和化學(xué)計(jì)算等相關(guān)知識(shí)，進(jìn)行整合，解決有關(guān)實(shí)驗(yàn)問(wèn)題。一、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和評(píng)價(jià)的題型² 利用給出的一些裝好藥品的單個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置，要求根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)康倪B接儀器，敘述現(xiàn)象說(shuō)明理由。² 利用給出的實(shí)驗(yàn)的裝置和反應(yīng)條件，要求根據(jù)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和物質(zhì)的性質(zhì)判斷物質(zhì)和化學(xué)反應(yīng)。² 利用限定的儀器、藥品、融氣體制備、除雜、集氣及設(shè)計(jì)操作程度、儀器連接、定量計(jì)算于一體?？疾閷W(xué)生設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、基本操作和數(shù)據(jù)處理的能力。² 給出部分實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求設(shè)計(jì)完整的實(shí)驗(yàn)或補(bǔ)充部分實(shí)驗(yàn)步驟。² 據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)康?，?shí)驗(yàn)進(jìn)行的條件，選取適當(dāng)藥品、儀器（或應(yīng)用所指定的藥品、儀器）完全某次指定的實(shí)驗(yàn)操作。² 對(duì)給出的實(shí)驗(yàn)方案，做出科學(xué)的評(píng)估，依據(jù)“儀器簡(jiǎn)單、操作方便、藥品易得、節(jié)省試劑、現(xiàn)象明顯、安全防污”選擇出最佳方案。² 新情境實(shí)驗(yàn)題，運(yùn)用已有知識(shí)解決新情境中的新問(wèn)題，考查學(xué)生靈活運(yùn)用知識(shí)的遷移能力、自學(xué)能力、觀察能力、實(shí)驗(yàn)?zāi)芰退季S能力。二、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的一般規(guī)律1、 實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)的一般原則。一個(gè)相對(duì)完整的化學(xué)實(shí)驗(yàn)方案一般包括下述內(nèi)容：（1）實(shí)驗(yàn)名稱；（2）實(shí)驗(yàn)?zāi)康?；?）實(shí)驗(yàn)原理；（4）實(shí)驗(yàn)用品（儀器、藥品及規(guī)格）；（5）實(shí)驗(yàn)步驟（包括實(shí)驗(yàn)儀器的裝配和操作）；（6）實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和記錄及結(jié)果處理；（7）問(wèn)題和討論。實(shí)驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)原則是方法簡(jiǎn)便、現(xiàn)象明顯、操作易行，對(duì)于定量實(shí)驗(yàn)還要考慮系統(tǒng)誤差要求。確定了實(shí)驗(yàn)所選用的方法和原理后，就要考慮選擇用什么實(shí)驗(yàn)裝置來(lái)完成此實(shí)驗(yàn)，即進(jìn)行實(shí)驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)，一套完整的實(shí)驗(yàn)裝置往往是由多個(gè)基本實(shí)驗(yàn)裝置相互連接而成的，如有關(guān)氣體的制取和性質(zhì)實(shí)驗(yàn)一般分為氣體的發(fā)生裝置（或氣體反應(yīng)裝置）、氣體的洗滌裝置、氣體的收集裝置、尾氣的吸收裝置等部分，要熟悉各基本裝置的功能，并注意各基本裝置連接順序的合理性。2、 設(shè)計(jì)方案時(shí)思考實(shí)驗(yàn)順序的選擇。（1）思考問(wèn)題的順序：圍繞主要問(wèn)題思考，例如：選擇適當(dāng)?shù)膶?shí)驗(yàn)路線、方法；所用藥品、儀器簡(jiǎn)單易得；實(shí)驗(yàn)過(guò)程快速、安全；實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象明顯。思考有關(guān)物質(zhì)的制備、凈化、吸收和存放等有關(guān)問(wèn)題。例如：制取在空氣中易水解的物質(zhì)（如AL2S3、ALCl3、Mg3N2等）及易受潮的物質(zhì)時(shí)，往往在裝置末端再接一個(gè)干燥裝置，以防止空氣中水蒸氣進(jìn)入。思考實(shí)驗(yàn)的種類及如何合理地組裝儀器，并將實(shí)驗(yàn)與課本實(shí)驗(yàn)比較、聯(lián)系。例如涉及到氣體的制取和處理，對(duì)這類實(shí)驗(yàn)的操作程序及裝置的連接順序大體可概括為：發(fā)生除雜質(zhì)干燥主體實(shí)驗(yàn)尾氣處理。（2）儀器連接的順序： 所用儀器是否恰當(dāng)，所給儀器是全用還是選用。 儀器是否齊全。例如制有毒氣體及涉及有毒氣體的實(shí)驗(yàn)是否有尾氣的吸收裝置。 安裝順序是否合理。例如：是否遵循“自下而上，從左到右”的原則；氣體凈化裝置中不應(yīng)先干燥，后又經(jīng)過(guò)水溶液洗氣。 儀器間連接順序是否正確。例如：洗氣時(shí)“進(jìn)氣管長(zhǎng)，出所氣管短“；干燥管除雜質(zhì)時(shí)”大進(jìn)小出“等。（3）實(shí)驗(yàn)操作的順序： 連接儀器。按氣體發(fā)生除雜質(zhì)干燥主體實(shí)驗(yàn)尾氣處理順序連接好實(shí)驗(yàn)儀器。 檢查氣密性，在整套儀器連接完畢后，應(yīng)先檢查裝置的氣密性，然后裝入藥品。檢查氣密性的方法要依裝置而定。 裝藥品，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作。3、 設(shè)計(jì)方案時(shí)需注意的問(wèn)題。（1）檢查氣體的純度，點(diǎn)燃或加熱通有可燃性（H2、CO、CH4、C2H4、C2H2等）的裝置前，必須檢查氣體的純度。例如用H2、CO等氣體還原金屬氧化物時(shí)，需要加熱金屬氧化物，在操作中，不能先加熱，后通氣，應(yīng)當(dāng)先通入氣體，將裝置內(nèi)的空氣排凈后，檢查氣體是否純凈（驗(yàn)純），待氣體純凈后，再點(diǎn)燃酒精燈加熱金屬氧化物。（2）加熱操作先后順序的選擇。若氣體發(fā)生需加熱，應(yīng)先用酒精燈加熱發(fā)生氣體的裝置，等產(chǎn)生氣體后，再給實(shí)驗(yàn)需要加熱的固體物質(zhì)加熱，目的是：一則防止爆炸（如氫氣還原氧化銅）；二則保證產(chǎn)品純度，防止反應(yīng)物或生成物與空氣中其他物質(zhì)反應(yīng)。例如用濃硫酸和甲酸共熱產(chǎn)生CO，再用CO還原Fe2O3，實(shí)驗(yàn)時(shí)應(yīng)首先點(diǎn)燃CO發(fā)生裝置的酒精燈，生成的CO趕走空氣后，再點(diǎn)加熱Fe2O3的酒精燈，而熄滅酒精燈的順序則相反，原因是：在還原性氣體中冷卻Fe可防止灼熱的Fe再被空氣中的O2的氧化，并防止石灰水倒吸。（3）冷凝回流的問(wèn)題。有的易揮發(fā)的液體反應(yīng)物，為了避免反應(yīng)物質(zhì)損耗和充分利用原料，要在發(fā)生裝置中設(shè)計(jì)冷凝回流裝置。發(fā)在發(fā)生裝置中安裝長(zhǎng)玻璃管等。（4）冷卻問(wèn)題。有的實(shí)驗(yàn)為防止氣體冷凝不充分而受損失，需要冷凝管可用冷水或冷水冷凝氣體（物質(zhì)蒸氣），使物質(zhì)蒸氣冷凝為液態(tài)便于收集。（5）防止倒吸問(wèn)題。實(shí)驗(yàn)過(guò)程用到加熱操作的，要防倒吸；氣體易溶于水的要防倒吸。（6）具有特殊作用的實(shí)驗(yàn)改進(jìn)裝置。如為防止分液漏斗中的液體不能順利流出，用橡皮管連接成連通裝置；為防止氣體從長(zhǎng)頸漏斗中逸出，可在發(fā)生裝置中的漏斗末端套住一支小試管等。（7）拆卸時(shí)的安全性和科學(xué)性。實(shí)驗(yàn)儀器的拆卸要注意安全性和科學(xué)性，有些實(shí)驗(yàn)為防止“爆炸”或“氧化”，應(yīng)考慮停止加熱或停止通氣，如對(duì)有尾氣吸收裝置的實(shí)驗(yàn)，必須將尾氣導(dǎo)管提出液面后才能熄滅酒精燈，以免造成溶液倒吸；用氫氣還原氧化銅的實(shí)驗(yàn)應(yīng)先熄滅加熱氧化銅的酒精燈，同時(shí)繼續(xù)通氫氣，待加熱區(qū)冷卻后才停止通氫，這是為了避免空氣倒吸入加熱區(qū)使銅氧化，或形成易爆氣體；拆卸用排水法收集需要的加熱制取氣體的裝置時(shí)，需先把導(dǎo)管從水槽中取出，才能熄滅酒精燈，以防止水倒吸；拆下的儀器要清洗、干燥、歸位。試題枚舉【例1】實(shí)驗(yàn)室可用氯氣與金屬鐵反應(yīng)制備無(wú)水三氯化鐵，該化合物是棕紅色，易潮解，100左右時(shí)升華。下圖是兩個(gè)學(xué)生設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)裝置，左邊的反應(yīng)裝置相同，而右邊的產(chǎn)品收集裝置則不同，分別如()和()所示。試回答：(1)B中反應(yīng)的化學(xué)方程式為：_。(2)D中的反應(yīng)開(kāi)始前，需排除裝置中的空氣，應(yīng)采取的方法是： _。(3)D中反應(yīng)化學(xué)方程式是： _ 。(4)裝置()的主要缺點(diǎn)是： _。(5)裝置()的主要缺點(diǎn)是：_。如果選用此裝置來(lái)完成實(shí)驗(yàn)，則必須采取的改進(jìn)措施是：_。解析 由題設(shè)“制備三氯化鐵”可知D管中是鐵絲或鐵粉，并推知A、B、C應(yīng)該是發(fā)生氯氣的裝置，A中加入濃鹽酸，B中應(yīng)該讓濃鹽酸跟氧化劑作用(常用的是MnO2或KMnO4)。要使D管中空氣排出，最方便的方法就是首先讓剛發(fā)生的氯氣去驅(qū)除它，此時(shí)D管中不要加熱。等到空氣驅(qū)凈、氯氣充滿D管時(shí)才在D管下加熱，以保證鐵和純氯氣反應(yīng)。由于氯化鐵易升華，因此D管中FeCL3容易升華而出，卻又特別容易重新冷凝，在裝置中D管出口可能被堵塞，多余的氯氣并不能被濃H2SO4吸收，排放尾氣時(shí)將導(dǎo)致污染。而裝置的D管出口是廣口瓶，可免受堵塞，尾氣排放前有堿液吸收，這都是好的。但FeCL3容易被潮解，堿液不足以抵擋濕氣，應(yīng)在E、F之間加入干燥裝置。答案 (1)4HCl+MnO2=MnCl2+2H2O+Cl2或16HCl+2KMnO4=2KCl+2MnCl2+8H2O+5Cl2(2)B中的反應(yīng)進(jìn)行一段時(shí)間后，看到黃綠色的氣體充滿裝置，再開(kāi)始加熱D；(3)2Fe+3Cl2=2FeCl3；(4)導(dǎo)管易被產(chǎn)品堵塞，尾氣排入空氣，易造成環(huán)境污染；(5) 產(chǎn)品易受潮解；在瓶E和F之間連接裝有干燥劑的裝置。【例2】航天飛行器座艙內(nèi)空氣更新過(guò)程如圖所示： 空氣、CO2、H2O座艙 CO2 C 空氣 H2 H2O O2 H2O (1)是CO2和H2的反應(yīng)裝置，該反應(yīng)的化學(xué)方程式_。(2)從裝置、可看出，O2的來(lái)源是CO2和H2O，宇航中每天消耗28molO2，呼出23molCO2，則宇航員生天呼出的氣體中含H2O_mol。（3）以下是另一種將CO2轉(zhuǎn)化為O2的實(shí)驗(yàn)設(shè)想： 其中，由MgCl2·6H2O制取無(wú)水MgCL2的部分裝置(鐵架臺(tái)、酒精燈已略)如下： 上圖中，裝置a由_、_、雙孔塞和導(dǎo)管組成。 循環(huán)物質(zhì)的名稱是_ 制取無(wú)水氯化鎂必須在氯化氫存在的條件下進(jìn)行，原因是_ 裝置b是填充的物質(zhì)可能是_(填入編號(hào))e硅膠f、堿石灰 g、無(wú)水氯化鈣 h、濃硫酸 設(shè)計(jì)d中裝置要注意防止倒吸，請(qǐng)?jiān)诜娇蛑挟?huà)出d裝置的簡(jiǎn)略圖，并要求與裝置c的出口處相連(鐵架臺(tái)不必畫(huà)出)。解析 (1)中反應(yīng)物是CO2和H2，生成物是C和H2O，配平后得：2H2O+CO2 2H2O+C (2)消耗28molO2呼出23molCO2，依質(zhì)量守恒定律，呼出的氣體中含H2O10mol時(shí)，氧原子守恒。(3)由MgCL2·6H2O制取無(wú)水MgCL2時(shí)需在酸性條件下進(jìn)行，在b處干燥時(shí)用中性或酸性固體干燥劑，硅膠或無(wú)水氯化鈣，由于氯化氫極易溶于水，在d處為防止倒吸，用一倒扣的漏斗。答案 (1)2H2+CO2 2H2O+C (2)10 (3)防止水解 (4)e、g(5) - 5 -