初高中化学衔接17实验的设计与评价

初高中化学衔接17实验的设计与评价

1 初高中化学衔接——实验的设计与评价 ︱考点整合︱ 考点一 实验方案的设计 实验设计是指为达到一定的实验目的，利用现有的实验条件，为实验制定出合理的流程或方 案。实验设计，作为一类题型，常常是在限定实验仪器和药品的条件下，要求完成一个或几 个实验片段，或在已完成了部分实验的基础上，补足未尽步骤。 解答实验设计题时，必须遵循“四性”：科学性、可行性、规律性、创新性。即原理正确、 操作简便、现象明显、药品经济、结论可信、有创新意识。 在解题时，首先要对题目中给出的信息进行处理，弄清是对实验的那一方面进行探究，然后 深入分析实验，依据题目中提出的实验假设或自行提出的实验假设，合理运用化学知识，巧 妙设计实验方案，通过实验现象的客观事实对实验进行探究性验证。 1．化学实验设计的要求 （1）原理正确；（2）方法简单；（3）操作方便；（4）现象明显；（5）产率高；（6）误差小； （7）安全防污。 2．化学实验设计程序 （1）根据实验的目的，阐明实验原理，选择合适的仪器和药品； （2）根据实验的特点，设计实验装置，画出实验装置图； （3）根据实验的要求，设计可行的操作步骤和观察重点，分析实验中应注意的事项； （4）实验结束后应写出完整的实验报告。 考点二 实验方案的评价 对给出的实验方案作出选择、评价或找出最佳方案，包含的知识点很多，能考查学生的分析 问题和解决问题的能力。 （1）选择：包括仪器的选择、药品的选择、连接方式的选择等。仪器的选择包括发生装置 （几种基本类型）、净化装置（除杂质的试剂和顺序）、反应装置、收集装置、尾气处理装置 等；药品的选择，包括种类、浓度等；连接方式的选择，包括仪器的先后顺序、导管接口的 连接等。 （2）评价：要围绕题目提供的多种方案，从原理是否科学合理、操作是否简单可行、所用 试剂是否经济、实验现象是否明显、是否体现“绿色化学”等方面进行评价。 （3）最佳方案的选择：所谓最佳，无非是装置最简单、药品容易取得并价格低廉、现象明 显、无干扰物质以及无污染等。 2 ︱应用示例︱ 类型之一 实验方案的设计 例 1．在化学兴趣小组活动中，小山把一标有“生石灰 干燥剂”的小纸袋带到学校进行实 验。干燥剂是否变质？小山设计并进行了如下实验，请你帮他完成实验报告。 （1） （2）既然干燥剂中已有 Ca(OH)2 ，小山又猜想还可能有另一种物质生成，原因是 _______________________（用化学方程式表示）。请你设计实验证明小山的猜想（简要写出 实验步骤、现象及结论）_________________________________________。 （3）小西认为步骤○2 不严密，理由是________________________________________。 （4）愉快的小组活动结束了，除以上猜想及实验，你还想对该干燥剂的万分进行哪些方 面的探究___________________________（写出一条即可）。 [解析] 本题考查做出猜想、设计方案等科学探究能力。（1）步骤①中给出结论：干燥剂中 含有 CaO,根据 CaO 与水反应会放出大量的热，则的实验步骤为：取样于小试管中，加水， 用手触摸试管外壁，实验现象为：有热感，即可得出结论；步骤②中给出实验步骤及结论， 根据 CaO 与水反应生成 Ca(OH)2，Ca(OH)2 溶液能使酚酞试液变红，故实验现象为：溶液变红 色。（2）猜想要有科学依据，既然干燥剂中已有 Ca(OH)2，Ca(OH)2 能吸收空气中的 CO2 生成 碳酸钙，化学方程式为：CO2 +Ca(OH ) 2 ==CaCO3↓+ H2O；设计方案需根据猜想进行，实验 方案包括实验步骤、现象及结论。要验证干燥剂中有碳酸钙，根据碳酸钙能跟盐酸反应放出 二氧化碳这一性质设计实验：取样于小试管中，滴加稀盐酸，有气泡产生，证明干燥剂中含 有碳酸钙。（3）步骤②不严密的理由是：溶液变红色说明有 Ca (OH) 2 ，而 Ca (OH) 2 也可 能是未变质的 CaO 和水反应刚生成的。（4）还想对该干燥剂的成分进行的探究是：干燥剂中 是否含有氢氧化钙。 [答案] （1）如下表所示。 实验步骤 实验现象 结论 ○1 干燥剂中含有 CaO ○2 取少量用样品制得 的溶液于试管中， 滴入几滴酚酞试液 干燥剂中含有 Ca(OH)2 干燥剂部分变质 实验步骤 实验现象 结论 ○1 取样于小试管中，加水， 有热感 3 （2）CO2+Ca(OH)2=CaCO3+H2O 取样于小试管中，滴加稀盐酸，有气泡产生，证明干燥剂中含的碳酸钙 （3）Ca(OH)2 也可能是未变质的 CaO 和水反应刚生成的 （4）干燥剂中是否含有氢氧化钙 变式题：有三瓶无色透明的液体，分别是碳酸钠溶液、氢氧化钠溶液和水。请设计一个实验 方案把这三瓶液体区分开来，并将实验操作、预期现象和结论填写在下表中。 提示：碳酸钠俗称“纯碱”，其水溶液显碱性。 实验操作 预期现象和结论 1． 2． 类型之二 实验方案的评价 例 2．下列图( I )是部分常用化学仪器或装置，图(Ⅱ)是部分“微型”化学仪器或装置(用 “微型”仪器做实验，其试剂用量和废物排放量是通常用量的 l／10 或更少，符合绿色化学 的理念)。对比图(I)图(Ⅱ)回答以下问题： (1) 图( I )中 A、B 的名称分别是 、 ；若用 D 装置除去 O2 中 的水蒸气，则 D 中应装入的液体是 ，气体应从 口通入(填字母)。 (2)用图(Ⅱ)中的“微型”仪器做实验，固体只需极少量、液体用量也很少(或只需 1～2 小 滴)，相对用图(I)仪器做实验的优点是 (填序号)： ①节约药品用量 ②能完全消除实验污染 ③方便个人或家庭实验 ④若需加热也能节约燃料 (3)图( I )中的 C 装置的作用相当于图(II)中的装置 (填字母)，它们在实 用手触摸试管外壁 溶液变红色 4 验操作上的共同优点是通过控制 来控制反应速度。 (4)图( I )中的 C 装置和图(II)中的“多用途 U 型管”(是在 U 型管中套人一个底部有小孔 的具支试管)都可用做“固一液”反应制取气体。若在反应进行中分别将两装置的橡胶管中 部夹上铁夹，可能出现的现象是：C 装置 ； “多用途 U 型管” 。 [解析] 本题考查对化学实验装置的分析评价。图( I )中 A、B 的名称分别是胶头滴管和试 管；实验中常用的液体干燥剂是浓硫酸，气体应从盛浓硫酸洗气瓶的长导管通入；用图(Ⅱ) 中的“微型”仪器做实验，由于固体和液体药品的用量均较少，因而具有能够节约药品、方 便个人或家庭实验、即便反应需加热也能节约燃料等优点；图( I )中的 C 装置通过控制分 液漏斗的活塞来控制液体下滴的速度或液体的加入量来控制反应速度，图(II)中的 d 装置也 应用相似的原理；图(II)中的“多用途 U 型管”和一个底部有小孔的具支试管可以组合成一 个可随时控制反应发生和停止的简易“启普发生器”，当在其橡胶管中部夹上铁夹后，反应 产生的气体不能导出，使装置内的气压增大，从而将液体药品压至 U 型管的另一侧，由于固 体药品与液体药品脱离接触，反应自行停止。但 C 装置不具有这样的特点，若在 C 装置的橡 胶管中部夹上铁夹后，反应产生的气体不能导出，使装置内的气压增大，会将橡胶塞冲出。 [答案] (1) 胶头滴管(或滴管) 试管 浓硫酸 a (2 )①③④ (3) d 液体(溶 液)加人量 (4)橡胶塞冲出(或锥形瓶爆炸) 液体和固体分离，反应停止 [合理答案均 可] 变式题：下列实验方案不可行．．．的是 （ ） A.用肥皂水区分硬水和软水 B.用水区分硝酸铵固体和蔗糖固体 C.用 pH 试纸区分澄清石灰水和食盐水 D.用紫色石蕊试液区分稀盐酸和稀硫酸 ︱课时作业︱ 基础在线 1．某同学对下列 4 个实验都设计了两种方案，其中方案 1 合理、方案 2 不合理的是（ ） 选项 A B C D 实验目的 除去氢氧化钠中 少量的碳酸钠 清洗铁制品表面 的铁锈 鉴别氯化钠溶液 和稀盐酸 检验一氧化碳中 是否混有少量二 氧化碳 方案 1 加水溶解 加适量稀盐酸 加锌粒 点燃 5 方案 2 加稀硫酸 用水洗涤 加石蕊溶液 通入澄清石灰水 2．下列实验合理的是（ ） 项目 A、比较催化效果 B、铁丝在纯 氧中燃烧 C、检验铵态氮肥 D、检查装置气密性 实验 3．下列实验设计与对应的实验目的表述不一致．．．的是（ ） 4．在实验室里制取氧气，既可采用分解过氧化氢的方法，也可采用分解氯酸钾的方法。上 述两种方法的主要共同点有（ ） ①采用 MnO2 均可改变其反应速率 ②反应都不需加热 ③都利用含氧化合物分解来达到目的 ④两种方法所需仪器相同 A．①③ B．③④ C．①② D．②④ 5．某学生设计的下列四个实验方案中，理论上正确，操作上可行，经济上合理的是（ ） A.Cu 稀盐酸 CuCl2 NaOH溶液 Cu(OH)2 B.H2O 通电 O2 Mg MgO C.CaCO3 高温 CaO 2H O Ca(OH)2 溶液 2 3Na CO NaOH 溶液 D.MgCl2 NaOH溶液 Mg(OH)2 电解 Mg 6．下列实验方案错误．．的是（ ） A．从海水中获得少量饮用水，可采用蒸馏的方法 B．从氯化钠溶液中获得氯化钠晶体，可采用直接过滤的方法 化肥 NaOH 溶液 蓝色石蕊试 MnO2 3%H2O2 溶液 CuO 6%H2O2 溶液 6 C．除去氯化钠溶液中的少量碳酸钠，可加入适量稀盐酸 D．检验某井水是否为硬水，可使用肥皂水 7．下列叙述不符合实验事实的是（ ） A．将 CO2 气体通入 CaCl2 溶液中，没有白色沉淀产生 B．向滴有酚酞试液的蒸馏水中加入 Fe(OH)3，溶液显红色 C．在 Na2CO3、K2SO4、AgNO3 溶液中分别滴加 BaCl2 溶液，都有白色沉淀生成 D．久置于空气中的熟石灰，加入稀盐酸会有气体放出 8．以下家庭小实验不能．．成功的是（ ） A．闻气味鉴别酒和醋 B．用含氧化钙的干燥剂制取石灰水 C．用食醋鉴别蔗糖和食盐 D．用灼烧的方法鉴别蚕丝和化学纤维 9．下图是某兴趣小组设计的四个实验装置，其中实验操作设计正确的是（ ） A．稀释浓硫酸 B．探究可燃物燃烧的条件 C．称量氯化钠 D．验证质量守恒定律 10．文文的家庭化学实验室有如下物品：①试管 ②烧杯 ③煤气和煤气炉 ④托盘天平⑤筷 子 ⑥铁钉 ⑦食盐 ⑧食醋 ⑨石灰水 ⑩牵牛花汁 ⑾水 ⑿饮料吸管 ⒀胶头滴管⒁小勺。只 利用这些物品不能完成的实验是（ ） A．探究人体吸入的空气和呼出的气体中 CO2 含量的不同 B．探究牵牛花汁是否可作指示剂 C．探究加速食盐溶于水的有效方法 D．探究铁钉锈蚀的条件 11．下列做法，能达到预期目的的是（ ） A.用食盐水清除热水瓶中的水垢 B.用盐酸除去 KCl 溶液中混有的 K2CO3 C.用 NaOH 溶液除去 CO2 中混有的 CO D.用浓硫酸吸收 O2 中混有的 C02 12．利用下列原理制取氧气，具有反应快、操作简便、能耗少、无污染的是（ ） A．2 KClO3 2 KCl + 3 O2↑ B．2 KMnO4 K2MnO4 + MnO2 + O2↑ C．2 H2O2 2 H2O + O2↑ D．2 HgO 2 Hg + O2↑ 能力激活 △ MnO2 △ MnO2 △ 7 13．为了除去一氧化碳中混有的少量氧气，某同学设计了下图所示的这套装置（装置气密性 良好）。 (1)他想用这套装置除去氧气的化学方程式是： ； (2)老师认为他的实验设计不科学，请你指出存在的错误 （任写一点）： 。 14．某工厂产生的铜屑中含有少最铁屑．现要回收利用其中的铜，需除去其中的铁屑， 张山同学设计了甲、乙两个实验方案： （1）以上两个实验方案中，从回收利用率角度考虑，你愿意选择 。 （2）两个方案中都有过滤操作，该操作中必须用到的玻璃仪器有 （3）写出两个实验方案中有关反应的化学方程式： 方案甲 方案乙 （4）你能否再设计一个不同原理的方案？写出你的方案 15.我们在学习碳酸钠和碳酸氢钠的时候，做过如下图装置的实验。 向盛有 0.5g 碳酸钠的试管里加入 2mL 盐酸，迅速用带导管的胶塞塞紧试管口，并将导 管另一端通入盛有澄清石灰水的试管中，观察现象。 用碳酸氢钠代替碳酸钠进行上述实验，观察现象。 甲 乙 8 （1）通过比较试管甲中的两次反应，填写下表： 碳酸钠+盐酸 碳酸氢钠+盐酸 实验现象 反应迅速，生成大量气体。 反应 ，生成气体更多。 实验结论 写出乙中反应的化学方程式： 。 （2）某同学对碳酸钠和碳酸氢钠与盐酸反应的快慢进一步研究。在老师的指导下，设计 了 下面的实验探究方案。 实验用品：相同型号的 U 型管 2 支、橡皮塞 2 个、5mL 一次性注射器 2 支、气球个。 实验装置：如图。 实验操作：在 U 型管中分别加入一定量碳酸钠和碳酸氢钠固体，在两支注射器中分 别吸入 同溶质质量分数、同体积的足量稀盐酸。将注射器插入橡皮塞中，然后同时迅 速将盐酸分别注入 U 型管中。 请对上述实验方案分析评价。 ①若取用碳酸钠 0.53g，为控制实验中产生气体的量相同，应取用碳酸氢钠 g； ②该同学设计的实验方案是运用了 研究的方法； ③实验过程中需要观察的现象是 。 答案 例 1．变式题[答案] 1.分别取三种液体于试管中，滴加酚酞试液；其中溶液不变色的原 液体是水，变红色的原液体分别是氢氧化钠溶液和碳酸钠溶液。2.分别取碳酸钠和氢氧化钠 溶液与试管中，滴加稀盐酸；有气泡生成的原溶液是碳酸钠溶液，无现象的原溶液是氢氧化 钠溶液。 [解析] 该题答案不唯一只要能区分都可以。由于碳酸钠溶液和氢氧化钠溶液都显碱性，用 指示剂是无法将二者区分开的。我们可以检验碳酸根离子的存在来确定哪种液体是碳酸钠溶 9 液。 例 2．变式题 D 硬水中加入肥皂水不产生或很少产生泡沫，只会有浮渣出现，软水中加入 肥皂水后会产生大量的泡沫；硝酸铵溶于水时要吸收热量，溶液的温度要降低，而蔗糖溶于 水时溶液的温度基本不变；澄清的石灰水显碱性，食盐水显中性，稀盐酸和稀硫酸都显酸性。 很明显用紫色的石蕊试液是无法区分稀盐酸和稀硫酸的。故选 D。 ︱课时作业︱ 1．B A 中方案 1、2 都错误，应加入适量的 Ca（OH）2 过滤；B 中方案 2 中因水不以溶解铁 锈而用水不能洗去铁锈；C 中方案 1、2 都合理；D 中方案 1 不合理，因为 CO2 不能燃烧也不 支持燃烧，综上所述应选择 B。 2．D 检查装置气密性的方法就是用手紧握试管，观察水中的导管口有没有气泡冒出，如果 有气泡冒出，说明装置不漏气，D 为正确选项。A 选项中比较催化效果，应保证 H2O2 溶液的 溶质的质量分数相同，A 为错项；B 选项中铁丝在纯氧中燃烧实验，为了防止生成的熔融物 溅落下来炸裂瓶底，应预先在瓶底装少量水或铺一薄层细沙，B 为错项；C 选项中检验铵态 氮肥，生成的氨气能使湿润的石蕊试纸变蓝，蓝色石蕊试纸本身是蓝色的，看不到颜色变化， 应改为红色石蕊试纸，C 为错项。 3．D D 项中的实验是探究分子的性质，而不是探究空气的成分。 4．A 过氧化氢（H2O2）和氯酸钾（KClO3）均是含氧化合物，实验室中常利用二氧化锰催化 分解这两种物质制取氧气的，二氧化锰在以上两反应中充当催化剂，起到改变反应速率的作 用；由于利用氯酸钾制取氧气时需要加热而利用过氧化氢制取氧气时不需加热，因此用两种 方法制取氧气时所需仪器不相同。 5．C 从 A 可见铜不能与稀盐酸起反应；B 耗用电能大，反应不易操作；C 可以从廉价的石 灰石中得到生石灰，生石灰和水反应生成熟石灰，熟石灰与纯碱起反应生成火碱；D 反应不 易操作。故选择 C。 6．B 过滤分离的是混在液体中的不溶物，溶解在水中的氯化钠是无法用过滤的方法分离出。 7．B Fe(OH)3 是一种难溶于水的碱，由于其放入水中后解离不出氢氧根离子，因此不能使 无色酚酞试液变红。 8．C 酒有醇香味而醋有酸味；氧化钙与水反应能够生成氢氧化钙，氢氧化钙溶于水中即可 得石灰水；蚕丝灼烧后会产生烧焦羽毛的气味。A、B、D 项中的实验均能成功；蔗糖和食盐 匀不能与食醋发生化学反应，故用食醋无法鉴别蔗糖和食盐。 9．B 稀释浓硫酸时应将浓硫酸沿杯壁慢慢倒入烧杯内的水中，并用玻璃棒不断搅拌；用托 10 盘天平称量氯化钠等固体药品时，应遵循“左物右码”的称量规则；锌和稀硫酸反应会产生 氢气，因此若用以上化学反应验证质量守恒定律，应在密闭装置中进行实验。本题只有 B 项中的实验装置设计正确。 10．D 依据变量控制的思想，在探究铁钉锈蚀的条件时，应设计让铁与干燥空气、水（表 面需用矿物油密封）分别接触及与空气和水同时接触的三个实验。利用文文的家庭化学实验 室中提供的物品不能完成该实验。 11．B 热水瓶中水垢的主要成分是碳酸钙，不能与食盐水发生化学反应；氢氧化钠溶液能 与二氧化碳发生反应而不能与一氧化碳发生反应；浓硫酸与氧气和二氧化碳均不能发生化学 反应；A、C、D 项中的做法均不正确；盐酸能与碳酸钾发生如下反应：K2CO3+2HCl==2KCl+H2O+CO2 ↑，因此 B 项中的做法可行。 12．C 只有 C 中反应是在常温下进行，产物不污染环境，A、B、D 都需要加热，消耗能量， 还有副产品，不合题意。故选 C. 13．[答案] ⑴2Cu＋O2 2Cu0 ⑵除去氧气又生成了二氧化碳，不能净化一氧化碳（或 者一氧化碳和氧气混合受热可能发生爆炸）。 [解析] 利用铜与氧气反应产生氧化铜而除去氧气；一氧化碳具有可燃性，混有氧气点燃（加 热）可能发生爆炸。 14．[答案] ⑴甲 ⑵漏斗、烧杯、玻璃棒 ⑶方案甲：Fe+CuSO4==FeSO4+Cu 方案乙：Fe+H2SO4 ==FeSO4+H2↑ ⑷用磁铁吸引铜屑和铁屑混合物中的铁屑 [解析] ⑴甲方案增加了 Cu 的含量；⑵搅拌和过滤中都用到玻璃棒，过滤中还用到烧杯和 漏斗等玻璃仪器；⑷可选用酸，另一方案选用可溶性铜盐。 15．[答案] （1）更迅速 碳酸氢钠和盐酸反应比碳酸钠更快 CO2+Ca(OH) 2＝CaCO3↓+H2O （2）① 0.42 ② 比较 ③ 气球胀大的快慢 [解析] NaHCO3 与稀盐酸的反应要比 Na2CO3 与稀盐酸的反应剧烈的多。另外，由碳酸钠、碳 酸氢钠与盐酸反应的化学方程式（Na2CO3+2HCl==2NaCl+H2O+CO2↑、NaHCO3+HCl==NaCl+H2O+CO2 ↑）可以看出，碳酸氢钠与等量的盐酸反应产生的气体是碳酸钠的 2 倍，因而产生的气体也 较多；二氧化碳能使澄清石灰水变浑浊，发生反应的化学方程式为：CO2+Ca(OH)2＝CaCO3↓ +H2O；依据碳酸钠和碳酸氢钠与盐酸反应的化学方程式中碳酸钠、碳酸氢钠与二氧化碳的质 量关系可以计算出 0.42g 碳酸氢钠与 0.53g 碳酸钠产生二氧化碳的质量相同；该同学设计的 11 实验方案是运用了比较研究的方法；通过比较两个装置中气球胀大的快慢得出两个实验反应 快慢的结论。