中考化学总复习（人教版）精讲精练：专题6实验方案设计与评价

中考化学总复习（人教版）精讲精练：专题6实验方案设计与评价

1 专题六 实验方案设计与评价 一、实验设计 1．特点及类型 实验设计题考查的方向是以化学实验为基础，联系科学研究、生产、生活、环境保护的 实际去发现并提出问题、设计实验去探讨和解决实际问题并得出科学的结论。它包括物质的 制备、物质的鉴别、物质的分离、物质的组成分析、气体的净化与转化等实验方案的设计。 2．设计要求 实验设计要科学，安全可靠，操作简便，药品经济，现象明显。 3．一般流程 (1)根据某一主题，“发现问题”“提出猜想”“确定假设”； (2)根据假设设计实验方案； (3)通过实验收集证据或实验现象； (4)做出假设是否成立的结论； (5)对结论进行反思与评价。 4．解题策略 (1)分析题给条件，明确实验目的； (2)根据反应原理，选择恰当的仪器和药品； (3)对仪器装置进行科学的连接； (4)制定操作步骤； (5)结合物质性质，根据实验现象，得出正确的结论。 温馨提示 在进行实验方案设计时要特别注意水的处理。 (1)水作为杂质要除去：要先除去其他杂质，后干燥。 (2)水作为产物的检验：先检验水，再检验其他产物。 (3)水的定量测量：前后都要排除外来水的干扰。 二、实验评价 1．评价内容 实验方案的评价包括实验原理的评价、方案的评价、实验装置的评价、实验操作的评价、 实验现象的描述与结论分析的评价等。 2．评价方法 (1)化学反应原理是否正确，是否与实验目的相符； (2)实验装置是否科学、优化、安全； (3)操作方法是否可行，简捷； (4)绿色化学的理念是否符合，对环境是否会造成污染； (5)推理过程是否严密。 考向一 探究物质成分的实验设计 【例 1】水田或池塘里常常冒出一些气泡，几位同学决心弄清这种气泡的成分。请你与 他们一起完成如下探究： 2 【收集气体】他们设计了如上图所示的取气方法：将空的塑料瓶装满水，倒放在池塘中， 瓶口对准水底冒出的气泡进行收集，由于瓶口太小不便于收集，在不换瓶的情况下，你的改 进方法是____________________________________________________________________。 【查阅资料】收集的气体可能是 CH4、CO2、CO 中的一种或几种，其中 CH4、CO 是难 溶于水的可燃性气体。 【实验探究】如图 1，将塑料瓶 A 中收集到的气体依次通入 B、C 中，在 D 处点燃。 图 1 图 2：注水装置 (1)要将 A 中的气体通入后面的装置中，应选图 2 中的________(填序号)。 (2)若 B 中石灰水变浑浊，则说明 A 中含有________气体。 (3)装置 C 作用是________________________________________________________。 (4)若 D 处倒扣的是干冷的大烧杯，杯壁有水雾出现，有同学认为此现象不能证明收集 到的气体中一定含有 CH4，理由是____________________，要排除这 种干扰可采取的措施 是______________________________________________________。 (5)采取(4)中的排除干扰措施后，在 D 处倒扣涂有澄清石灰水的烧杯，出现浑浊，再在 D 处倒扣干冷的烧杯，若杯壁有水雾，则证明 A 中肯定含有________，若杯壁无水雾，则 证明 A 中肯定含有________。 (6)经进一步探究得知，收集的气体是 CH4、CO2、CO 的混合物，这几位同学拟用下图 装置，粗略测定取样气体中 CO2 的含量。装置 E 中发生的反应方程式是_________________； 若取样气体为 100 mL，装置 G 读数为 65.0 mL，则取样气体中 CO2 体积含量约为________%。 3 解析：在不换瓶的情况下，可在瓶口插一个倒扣的漏斗，增大收集气体的速率；(1)注 水时不能让 A 中气体逸出，应选②；(2)CO2 能使石灰水变浑浊；(3)氢氧化钠可用来吸收气 体中的 CO2；(4)气体通过溶液时会带走部分水分，为了实验的严谨，应加入干燥装置，除 去水对实验的影响；(5)D 处石灰水变浑浊和杯壁有水雾，说明 A 中肯定含有 CH4，若 D 处 石灰水变浑浊，杯壁无水雾，说明 A 中肯定含有 CO；(6)CO2 和 NaOH 反应生成碳酸钠和水； CO2 的体积为 100 mL－65.0 mL＝35.0 mL，气体中 CO2 的体积含量＝35.0 mL 100 mL ×100%＝35%。 答案：在瓶口插一个倒扣的漏斗(或其他合理的答案) (1)② (2)CO2 (3)除去气体中没反应的二氧化碳 (4)水雾有可能是从 B、C 溶液中带出的 在 C 装置后加一个(浓硫酸)干燥装置 (5)甲烷(CH4) 一氧化碳(CO) (6)CO2＋2NaOH===Na2CO3＋H2O 35 方法归纳 解答此类题目的关键是明确各装置的作用和特征物质的相关反应；通过对实 验数据进行分析，得出结论。 考向二 仪器组合装置的实验设计 【例 2】 如下图所示，老师在演示用过氧化氢和二 氧化锰制取氧气的实验中，收集完 氧气后 ，反应还在继续进行。小明同学认为，这个装置的缺点是不能控制反应随时发生、 随时停止，造成了药品的浪费。 为了解决小明提出的问题，请你对原实验装置加以改进，或设计新的简易实验装置，以 便有效地控制过氧化氢的分解反应。 友情提示：你可从下列用品中选取，也可自行选用其他仪器。 4 请你至少写出两种方案： 方案一：_________________________________________________________________； 方案二：_________________________________________________________________。 解析：要想控制 过氧化氢分解反应，就要控制过氧化氢与二氧化锰的接触，方法有很 多，如将长颈漏斗改用注射器或分液漏斗，逐滴加入过氧化氢，或将二氧化锰装入布袋中， 通过抽动连在小袋子上的铁丝来控制二氧化锰与过氧化氢的接触，方法合理即可。 答案：(1)将长颈漏斗改用分液漏斗 (2)将长颈漏斗改用注射器 (3)将长颈漏斗改用胶头滴管 (4)选用盛装二氧化锰的小布袋，将连在小袋子上的铁丝穿过橡皮塞并上下抽动 (5)仿启普发生器原理的简易实验装置(答案合理即可) 方法归纳 解答此类试题时，一般应考虑以下几点：(1)根据实验目的选择合适的药品； (2)根据药品的性质设计合理的装置、选择所需的仪器；(3)检验评价实验设计的装置是否操 作简便、安全可控等。 考向三 对不同实验方案的评价 【例 3】 下列实验设计能达到实验目的的是( )。 选项 A B C D 实验 设计 实验 目的 验证二氧化碳与 水反应生成碳酸 确定石蜡成分中 含有碳元素 探究可燃物燃烧 需要氧气和温度 达到着火点 证明铁生锈是水 和氧气共同作用 的结果 解析：本题是对实验设计做出评价。二氧化碳与水反应无明显现象，故 A 设计不 能达到目的；冷碟子罩在石蜡的火焰上，底部会出现黑色的碳，由此可确定石蜡的成分中含 有碳元素，故 B 设计正确；C 设计只能验证可燃物燃烧需要温度达到着火点，要验证需要 5 氧气，还需在烧杯内放一块白磷，故达不到目的；D 设计只能证明铁生锈与氧气有关，无法 证明与水有关，故达不到目的。 答案：B 方法归纳 进行方案评价时一般从以下几个方面入手：(1)方案在理论上是否科学合理， 具有严密性；(2)在满足安全性的前提下，操作上是否简单易行；(3)从经济角度评价，是否 节约试剂、降低成本和提高产量；(4)从环境角度考虑，是否会造成环境污染等。 1．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澄清石灰水 ⑩牵牛花汁 ⑪水 ⑫饮料吸管 ⑬胶头滴管 ⑭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 2．鉴别下列各组物质，所用试剂不正确的是( )。 待鉴别的物质 鉴别试剂 A 稀盐酸和稀硫酸 BaCl2 溶液 B 硝酸铵固体和氢氧化钠固体 水 C 氯化钠溶液和碳酸钠溶液 酚酞试液 D 氧气、二氧化碳、氮气 燃着的木条 3.某气体可能含有水蒸气、CO、H2 中的一种或几种。为了确定其成分，最佳的方案是 将气体依次通过装置( )。 A．甲、乙、丙 B．丙、乙、甲 C．丙、甲、乙、丙 D．丙、甲、丙、乙 4．在实验室里进行物质制备，下列用原料及有关试剂分别制取相应的最终产物的设计 中，理论上正确、操作上可行、经济上合理的是( )。 6 5．小明为了鉴别氢氧化钠溶液和澄清石灰水，设计了 A、B、C 三种方法(如图所示)， 其中可行的是________。小华同学用图 D 所示方法也能达到鉴别目的，则 R 物质是________。 6．现有如下图所示的实验装置： 现有稀硫酸、CuO、Fe 粉三种物质，请设计两种制取铜的实验方案。填写下表。 实验方案 有关反应的化学方程式 选用装置(填字母代号) 方案一 方案二 在以上两个设计方案中，你认为__________操作更合理，更简便。 7．请根据下图回答问题： 7 (1)仪器 A 的名称是________，仪器 B 的名称是________。 (2)用 KClO3 与 MnO2 混合制取和收集纯净 O2，应选用上图中的________(填序号)，反 应的化学方程式________________________________________________________________。 (3)实验室制取和收集 CO2，应选用上图中的________(填序号)，反应的化学方程式 ________________；如何检验已集满一瓶 CO2 气体_________________________________。 (4) 下图为某同学组装的制取 H2 并还原 CuO 的实验装置，请你指出其中的错误 ① ；② ；③ 。 8．一次性塑料包装袋造成的环境污染已经引起社会的高度关注，许多城市已经开始推 广使用纸制食品袋。同学们经查阅资料得知，纸袋的组成成分中一定含有碳元素和氢元素， 可能含有氧元素。于是他们利用以下装置进行实验测定。请回答下列问题： 8 (1)实验中 C 装置内发生反应的化学方程式为_________________________________。 (2)实验中选择纯净的氧气而不用空气的原因是_____________________________。 (3)为分别吸收纸袋充分燃烧的产物，并通过清晰可见的现象检验吸收是否完全，以上 实验装置正确的连接顺序是：A→( )→( )→( )→( )(填写装置的字母代号)。 (4)将实验装置正确连接之后，确认气密性良好。充分燃烧 16.2 g 纸袋样品，测得相关 实验数据见下表(假定燃烧产物被完全吸收，灰烬质量忽略不计)。 装置 实验前装置的质量 实验后装置的质量 B 200.0 g 200.0 g C 210.0 g 234.2 g D 220.0 g 229.0 g E 210.0 g 212.2 g 通过分析和计算可推断得出，纸袋样品中________(填“含”或“不含”)氧元素，其碳、 氢两种元素的原子个数的最简整数比为________。 9．实验室有一保管不当的试剂瓶，其残缺的标签中只剩下“Na”字样。已知它是无色 液体，是初中化学常用的无机试剂。小宏同学为探究其成分进行了猜想，并设计实验进行验 证，有关内容见下表： 猜想 设计的实验步骤 可能的现象与结论 猜想一：可能是 氢氧化钠溶液 用试管取少量样品，向其中 滴入两滴酚酞溶液 若酚酞溶液变为红色，则猜 想成立。若酚酞溶液无明显 变化，则猜想不成立 猜想二：？ 用试管取少量样品，向其中 先滴入适量的用硝酸酸化的 硝酸钡溶液，然后滴入硝酸 银溶液 若溶液先没有明显变化，后 出现白色沉淀，则猜想成立。 若与上述现象不同，则猜想 不成立 猜想三：？ 用试管取少量样品，向其中 先加入适量盐酸酸化，然后 滴入氯化钡溶液 若溶液先没有明显变化，后 出现白色沉淀，则猜想成立。 若与上述现象不同，则猜想 9 不成立 请你参与这一探究活动，根据上表回答下列问题： (1)小宏的猜想二是____________________________________。如果猜想成立，则产生 沉淀的化学反应方程式为__________________。 (2)小宏的猜想三是____________________________________。如果猜想成立，则产生 沉淀的化学反应方程式为______________________。 (3)小宏同学对猜想一所描述的实验现象和得出的结论是否正确？请判断并说明理由。 ____________________________________。 (4)除了小宏的三种猜想，请你再补充一种猜想，模仿上述过程，设计简单的实验方案 并验证你的猜想，将有关内容填入下表。 你补充的猜想 设计的实验步骤 可能的现象与结论 10.某兴趣小组的同学探究浓硫酸与铁钉(碳素钢)反应后产生气体的成分。 【查阅资料】①Fe 与浓硫酸反应，加热，有 SO2 生成 ②C 与浓硫酸反应，加热，有 CO2 和 SO 2 生成 ③SO2 可使澄清石灰水变浑浊 ④SO2 可使品红溶液的红色褪去，而 CO2 不能 ⑤SO2 可与酸性 KMnO4 溶液反应使其褪色，而 CO2 不能 ⑥碱石灰的主要成分为 NaOH 和 CaO 【实验探究】 (1)称取 24.0 g 铁钉放入 60.0 mL 浓硫酸中，加热，充分反应后得到溶液 X 并收集到气 体 Y。甲同学通过实验测定并推知气体 Y 中 SO2 气体的体积分数为 66.7%。 同学们认为气体 Y 中还可能含有 H2 和 Z 气体，则 Z 气体可能是________。探究实验的 主要装置如图所示。 (2)装置 A 中试剂的作用是________________________________________________。 (3)为确认 Z 的存在，需要将装置甲（如图所示）接入上述装置的（填编号） 之间。 装置甲中的液体名称是 。 甲 10 (4)实验中，如果观察到装置 D 中________，且装置 E 中________，则可确认 Y 中含有 H2 气体。 (5)如果需要测定限定体积气体 Y 中 H2 的含量(H2 约为 0.01 g)。除可用测量 H2 体积的方 法外，________(选填“能”或“不能”)用称量图中装置 D、装置 E 的质量变化的方法，通 过计算说明你判断的理由。 参考答案 专题提升演练 1．D 探究铁钉锈蚀的条件需要做三个对比实验：①是铁钉在干燥的空气中；②是铁 钉在水中；③是铁钉既与水又与空气或氧气接触；物品中缺少 干燥剂，无法做对比实验， 故 D 不能。 2．D 用燃着的木条鉴别 O2、CO2 和 N2 无法鉴别出 CO2 和 N2。 3．D 丙（检验原混合气中的水蒸气）―→甲（CO、H2与CuO反应转化为H2O或CO2）―→ 丙（检验是否有 H2O 生成）―→乙（检验是否有 CO2 生成）。 4．D A 选项，C――――→点燃 在空气中 CO――→CuO △ CO2 的转化在操作上不方便，经济上不划算；B 选项，Cu Cu（NO3）2 溶液的转化在经济上不划算；C 选项，Fe Fe2O3 在理论上不合理；D 选项，以生石灰和水为原料制得熟石灰，再与纯碱反应制得烧碱 NaOH， 理论上合理，操作上方便，经济上也划算。 5．答案：B 二氧化碳（或 CO2） 解析：A 中加入盐酸都没有明显现象；B 中加入碳酸钠溶液，产生白色沉淀的是石灰水， 无明显现象的是氢氧化钠；C 中氢氧化钠溶液和石灰水均呈碱性，都能使紫色石蕊试液变蓝 色；D 中，从图示看是通入某种气体，因二氧化碳能使澄清石灰水变浑浊，而与氢氧化钠溶 液反应无明显现象，因此可以通入二氧化碳气体进行区分。 6．答案： 方案一 ①Fe＋H2SO4===FeSO4＋H2↑ ②H2＋CuO===== △ Cu＋H2O B、C 方案二 ①CuO＋H2SO4===CuSO4＋H2O ②Fe＋CuSO4===Cu＋FeSO4 D、E 方案二 解析：由于设计实验方案的基本要求是根据实验目的，确定实验方案，根据化学反应选 择合适的试剂，然后确定实验仪器和装置，并由此确定操作步骤。因此根据本题现有物质铁、 硫酸和氧化铜，可考虑： 方案一：Fe＋H2SO4===FeSO4＋H2↑，H2＋CuO===== △ Cu＋H2O，选择制 H2 及 H2 还原 氧化铜的装置。 方案二：CuO＋H2SO4===CuSO4＋H2O，Fe＋CuSO4===FeSO4＋Cu 选用烧杯及玻璃棒进 行 CuO 与 H2SO4、Fe 与 CuSO4 反应，蒸发装置烘干 Cu。 7．答案：（1）试管 长颈漏斗 （2）ACDH 2KClO3=====MnO2 △ 2KCl＋3O2↑ （3）ABEF CaCO3＋2HCl===CaCl2＋H2O＋CO2↑ 将燃着的木条伸到集气瓶口，若 火焰熄灭，则已集满 （4）①长颈漏斗未插入液面下 ②盛 CuO 的试管口未向下倾斜 ③通 H2 的导管未伸 到装 CuO 的试管底部（写改正错误的也可） 解析：（1）仪器 A 为试管，仪器 B 为长颈漏斗；（2）用 KClO3 与 MnO2 制 O2，需要加 热，故选用试管、铁架台（带铁夹）、酒精灯、单孔橡皮塞、导管、橡皮管，O2 难溶于水， 要收集纯净的 O2，需用排水法收集；（3）用大理石或石灰石与稀盐酸反应制 CO2，反应常 温下进行，选用试管、长颈漏斗、双孔塞、导管、橡皮管、止水夹；CO2 的密度比空气大， 11 能溶于水，选用 F 装置收集；用燃着的木条放在瓶口，检验是否已集满；（4）由图中可知， 长颈漏斗未插入液面下，产生的 H2 会从长颈漏斗中逸出，盛 CuO 的试管口未向下倾斜，通 H2 的导管未伸到装 CuO 的试管底部。 8．答案：（1）CO2＋2NaOH===Na2CO3＋H2O （2）防止空气中的二氧化碳和水蒸气对实验测定的干扰 （3）D B C E （4）含 3∶5 解析：（1）因纸袋的组成成分中含有碳、氢元素，纸袋燃烧会生成二氧化碳和水，故 C 装置的作用是吸收二氧化碳，反应的化学方程式为 CO2＋2NaOH===Na2CO3＋H2O；（2）因 空气中含有二氧化碳和水，可影响该实验的测定结果，故 不用空气而用纯净氧气；（3）连 接的装置顺序应考虑每经过一个装置后的气体成分对后续的实验结果无干扰；（4）D 装置吸 收生成的水，B 装置吸收并检验水的存在，B 装置质量无变化，说明生成的水全部被 D 装 置 吸 收 ， 故 生 成 水 的 质 量 为 229.0 g － 220.0 g ＝ 9.0 g ， 含 氢 元 素 的 质 量 为 9.0 g× （ 1×2 1×2＋16 ×100%）＝1.0 g；C 装置吸收生成的二氧化碳，E 装置吸收并检验二氧化碳的 存在，故生成二氧化碳的质量为（234.2 g－210.0 g）＋（212.2 g－210.0 g）＝26.4 g，含碳 元素的质量为 26.4 g×（ 12×1 12×1＋16×2 ×100%）＝7.2 g，由于纸袋的质量（16.2 g）大于所 含碳、氢元素质量之和（1.0 g＋7.2 g＝8.2 g），故纸袋中一定含有氧元素，其碳、氢原子个 数比为7.2 g 12 ∶1.0 g 1 ＝3∶5。 9．答案：（1）可能是氯化钠溶液 NaCl＋AgNO3===AgCl↓＋NaNO3 （2）可能是硫酸钠溶液 Na2SO4＋BaCl2===BaSO4↓＋2NaCl （3）不正确；使酚酞试液变红的不一定是氢氧化钠溶液，碳酸钠溶液等也可使其变红 （4） 你补充的猜想 设计的实验步骤 可能的现象与结论 可能是碳酸钠溶液（或者碳 酸氢钠溶液）等 用试管取少量样品，向其中 滴入适量的稀硫酸 若能产生无色无味的气体， 则猜想成立。若无明显变 化，则猜想不成立 解析：从猜想二的实验设计看，检验所用试剂是先用硝酸酸化的硝酸钡，即加入 Ba2＋， 若溶液中无明显现象，说明其中无 SO2－ 4 ，然后加入硝酸银溶液，若有白色沉淀，则其中含 有 Cl－；从猜想三的实验设计看，先加入适量盐酸，若无明显现象，则证明溶液中无 CO2－ 3 ， 然后滴加氯化钡溶液，有沉淀生成，说明溶液中含有 SO2－ 4 ；在小宏的猜想一中，仅凭溶液 能使酚酞变红就说明该溶液是 NaOH 不合理，因为能使酚酞试液变红的溶液不一定是 NaOH 溶液，也可能是其他碱性溶液，如 Na2CO3 溶液等。 10．答案：（1）CO2 （2）除去 SO2 （3）BC 澄清石灰水 （4）黑色固体出现红 色 白色固体出现蓝色 （5）能 可用电子天平称量出装置 D 或装置 E 的差量（或不能因 为实验室中托盘天平只能准确称量到 0.1 g） 由生成水的质量可知：水中含有的氧元素质 量为 0.09 g－0.01 g＝0.08 g，则参加反应的 CuO 中氧元素的质量为 0.08 g；反应前后，装置 D 中的质量变化为参加反应的 CuO 中氧元素的质量，装置 E 的质量变化为生成水的质量， 装置 D、装置 E 的质量变化分别为 0.08 g 和 0.09 g。 解析：（1）因为制作铁制品的材料通常是铁碳合金，即铁钉的成分中含有碳元素，浓硫 酸具有强氧化性，能将碳氧化为二氧化碳，故可推断 Z 气体可能为二氧化碳；（2）酸性高锰 酸钾溶液可与二氧化硫反应，即可除去二氧化硫；可通过澄清石灰水确定二氧化碳的存在， 因二氧化硫也能使澄清石灰水变浑浊，为排除二氧化硫的干扰，还不能影响二氧化硫的检验， 应将装置甲接入 B、C 之间；根据 H2＋CuO△Cu＋H2O，若 D 中黑色固体出现红色（氧化铜被 还原为铜），E 中白色固体出现蓝色（证明有水生成），可确认 Y 中含有氢气；（5）根据化学 方程式的计算，可计算出装置 D、装置 E 的质量变化分别为 0.08 g 和 0.09 g，能否通过称 量的方法，取决于所用仪器（天平）的精确度，普通托盘天平只能准确称量到 0.1 g，显然 无法称量出装置 D、装置 E 的质量变化，但更精确的电子天平，则是可以称量的。 12