2025年05月03日 星期六
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专题17 化学实验设计与评价
班级______________ 姓名_________________ 学号_________________
【专题目标】
1．根据实验试题要求，设计基本实验方案。
2．运用化学实验知识，对实验方案作出分析和判断。
【经典题型】实验方案的设计
【例题】
Cu+在酸性溶液中不稳定，可发生自身氧化还原反应生成Cu2+和Cu。现有浓硫酸、浓硝酸、稀硫酸、稀硝酸、FeCl3稀溶液及pH试纸，而没有其它试剂。简述如何用最简便的实验方法来检验CuO经氢气还原所得到的红色产物中是否含有碱性氧化物Cu2O。
【点拔】
CuO经氢气还原所得到的红色产物一定有铜，要检验铜中是否含有Cu2O，应运用Cu2O具有而铜不具有的性质去判断。根据题中所给信息，显然应将Cu2O在酸性溶液中转变为Cu2+，从颜色变化来判断。但Cu也能与氧化性酸反应可转变为Cu2+，故不应使用浓硫酸、浓稀硝酸。
【参考答案】
取少量该红色产物放入稀硫酸，(振荡)若溶液变为蓝色，说明产物中有Cu2O；若溶液不变色，说明产物中无Cu2O。
【规律总结】实验设计的一般步骤
1．根据试题要求，分析所给信息，选择并确定实验原理。
2．根据实验原理，确定药品、选择仪器，提出实验方案。
3．分析实验成败关键，修改完善实验程序。
【巩固】
1．硅及其化合物用途非常广泛。常用作干燥剂的多孔硅胶是由硅酸盐（例如Na2SiO3）
的水溶液中加入相应的酸生成溶解度较小的硅酸分子，放置一段时间后，硅酸分子逐渐聚合生成硅酸溶胶，进一步处理可得多孔硅胶。多孔硅胶对许多气体如乙醚蒸气等有吸附作用，设计一个实验，证明硅胶的吸附性，写出实验的步骤、现象及解释。
【参考答案】
步骤：在一个干燥的烧瓶中滴入2～3滴乙醚，使其充满容器，投入5g硅胶。立刻塞紧
带有玻璃管的橡皮塞（用弹簧夹夹紧连接的乳胶管）。用力摇晃烧瓶片刻，把烧瓶固定在盛水的水槽上面，使乳胶管的尾端伸入水中，打开弹簧夹。用另一未加硅胶的相同装置重复进行一次上面的实验。现象：装有硅胶的烧瓶，打开弹簧夹后，水槽中的水通过玻璃管尖端像喷泉似进入烧瓶，未装硅胶的烧瓶无此现象。解释：装硅胶的烧瓶中的乙醚蒸气被硅胶吸附，使烧瓶中的气体压强变小，从而使水进入烧瓶，未装硅胶的烧瓶不能使烧瓶中的气体压强变小，因而无此现象。（其他合理答案，同样得分）
2．已知化合物甲和乙都不溶于水，甲可溶于质量分数大于或等于98％的硫酸，而乙不
溶。现有一份甲和乙的混合物样品，通过实验进行分离，可得到固体甲。（实验中使用的过滤器是用于过滤强酸性液体的耐酸过滤器。）请填写表中空格，完成由上述混合物得到固体甲的实验设计。
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序号 |
实验步骤 |
简述实验操作（不必叙述如何组装实验装置） |
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① |
溶解 |
将混合物放入烧杯中，加入98％ H2SO4，充分搅拌直到固体不再溶解。 |
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② |
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③ |
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④ |
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⑤ |
洗涤沉淀 |
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⑥ |
检验沉淀 |
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【参考答案】
②过滤 将烧杯中物质倒入耐酸过滤器中过滤，得滤液。
③析出沉淀 将滤液沿烧杯壁慢慢倒入足量水中，并不段搅拌，直至析出全部固体。
④过滤 将此烧杯中的物质倒入过滤器中过滤，得固体。
⑤ 用蒸馏水冲洗滤纸上的固体若干次，直至洗净。
⑥取新得到的洗出液少许，滴入用盐酸酸化的BaCl2 溶液 ，若没有白色浑浊出现，则说明沉淀已洗净，若有白色浑浊出现，则说明沉淀没有洗净。
【经典题型】实验方案的评价
【例题】
实验室可用氯气与金属铁反应制备无水三氯化铁，该化合物是棕红色、易潮解，100℃左右时升华。下图是两个学生设计的实验装置、左边的反应装置相同，而右边的产品收集装置则不同，分别如（Ⅰ）和（Ⅱ）所示。试回答：
（1）B中反应的化学方程式为：__________________________________________。
（2）D中的反应开始前，需排除装置中的空气，应采取的方法是：
___________________________________________________________________________。
（3）D中反应化学方程式为：
___________________________________________________________________________。
（4）装置（Ⅰ）的主要缺点是：
___________________________________________________________________________。
（5）装置（Ⅱ）的主要缺点是：
___________________________________________________________________________。
如果选用此装置来完成实验，则必须采取的改进措施是：
___________________________________________________________________________。
【点拔】
氯气与金属铁反应生成三氯化铁，而该物质易潮解，故应避免与水（水蒸气）接触。该物质100℃左右时升华，则温度低于100℃时为固体，易堵塞仪器的细口部分。Cl2有毒，不应直接排入空气中，应进行尾气处理。
【参考答案】
（1）
（3分）
或
（2）B中的反应进行一段时间后，看到黄绿色气体充满装置，再开始加热D （3分）
（3）
（2分）
（4）导管易被产品堵塞，尾气排入空气，易造成环境污染 （2分）
（5）产品易受潮解 （2分）
在瓶E和F之间连接装有干燥剂的装置 （2）
（其他既能防止产品潮解又能防止尾气污染环境的合理答案均给分）
【规律总结】实验评价试题的几种类型
1．评价实验原理
2．评价实验方法
3．评价药品、仪器
4．评价实验现象和结论
【巩固】
1．三位同学分别设计了以下三个检验SO42-的实验方案：
方案甲：试液+BaCl2溶液→白色沉淀→足量稀HNO3→沉淀不溶解
方案乙：试液+足量稀HCl→无沉淀+BaCl2溶液→白色沉淀
方案丙：试液+足量稀HNO3→无沉淀+Ba(NO3)2→白色沉淀
试评价上述多种方案是否严密？分别说明理由。
【参考答案】
甲方案不能排除Ag+干扰，丙方案不能排除SO32-干扰，故均不严密。乙方案严密。
2．选择使用下图中的仪器(含药品)，验证由铜和适量浓硝酸反应产生的气体中含有NO。(N2和O2的用量可自由控制)。已知①NO+NO2+2OH-=2NO2-+H2O ②气体液化温度：NO2：21℃，NO：-152℃
（1）现有甲、乙、丙三位同学分别设计了以下三个实验方案(用仪器连接顺序表示)。
甲：A→C→F→D→B 乙：A→B→C→E 丙：A→E→D→B
 |
甲、乙、丙三位同学提出的实验方案是否能验证Cu与适量浓HNO3反应产生的气体中含有NO(填“能”或“不能”)
甲________，乙________，丙________。
具体说明不能验证的主要原因(若三个实验方案都能验证、则此小题不用回答)：
甲方案：_______________________________________________________
乙方案：_______________________________________________________
丙方案：_______________________________________________________
（2）反应前先通入足量的N2，其目的是________________________________。
（3）确认气体中含有NO的现象是_____________________________________。
（4）如果O2过量，则装置B中发生反应的离子方程式是_________________。
【参考答案】
（1）甲能，乙不能，丙不能。
乙方案：混合气体与B中的NaOH反应，NO消耗了，后续实验无法验证。
丙方案：混合气体与E中H2O反应，生成了NO，产生干扰
（2）排尽装置中空气、防止NO被O2氧化。
（3）装置D中通入O2后有红棕色气体生成。
（4）4NO2+O2+4OH-=4NO3-+2H2O。
【经典题型】综合实验题
【例题】
用实验确定某酸HA是弱电解质。两同学的方案是：
甲：① 称取一定质量的HA配制0.l mol/L的溶液100 mL；
② 用pH试纸测出该溶液的pH，即可证明HA是弱电解质。
乙：① 用已知物质的量浓度的HA溶液、盐酸，分别配制pH＝l的两种酸溶液各100 mL；
② 分别取这两种溶液各10 mL，加水稀释为100 mL；
③ 各取相同体积的两种稀释液装入两个试管，同时加入纯度相同的锌粒，观察现象，即可证明HA是弱电解质。
（1）在两个方案的第①步中，都要用到的定量仪器是
（2）甲方案中，说明HA是弱电解质的理由是测得溶液的pH 1（填“＞”、“＜”或“＝”）
乙方案中，说明HA是弱电解质的现象是
（a）装HCl溶液的试管中放出H2的速率快；
（b）装HA溶液的试管中放出H2的速率快；
（c）两个试管中产生气体速率一样快。
（3）请你评价：乙方案中难以实现之处和不妥之处
、
（4）请你再提出一个合理而比较容易进行的方案（药品可任取），作简明扼要表述。
【点拔】
配制一定物质的量浓度的溶液所必需的定量仪器是容量瓶。要证明某物质为弱电解质，
只要证明该物质部分电离，方法很多，如测定溶液的pH、盐溶液的酸碱性、同条件下溶液的导电性等。
【参考答案】
（1）100 mL容量瓶
（2）＞；b
（3）配制pH＝l的HA溶液难以实现
不妥之处在于加入的锌粒难以做到表面积相同
（4）配制NaA溶液，测其pH＞7即证明HA是弱电解质（其他合理答案也可）
【规律总结】综合实验题的解法
1．分析实验目的，选择仪器、药品，设计实验方案。
2．运用实验知识，分析现象，处理数据，评价实验过程。
【巩固】
1．实验室有CuO和Cu粉的混合物。请你利用给出的实验仪器及试剂，设计两种测定该样品（已称得其质量为m克）中氧化铜质量分数的方法，并填写表格中的有关内容。
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实验 方法 |
实验过程中所发生反应的 化学方程式 |
实验所用仪器 （用编号表示） |
实验需直接测定的有关物理量 （用文字说明） |
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1 |
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2 |
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实验可能用到的主要仪器：
①托盘天平 ②启普发生器 ⑧硬质玻璃管 ④泥三角 ⑤烧杯
⑥坩埚 ⑦酒精灯 ⑧玻棒 ⑨漏斗 ⑩干燥管
实验可能用到的试剂：
a．锌粒 b．稀硫酸 c．氯化钠溶液 d，浓硫酸
【参考答案】
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实验方法 |
实验过程中所发生 |
实验所用仪器 （用编号表示） |
实验需直接测定的有关物理量 （用文字说明） |
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1 |
H2SO4＋Zn→ZnSO4＋H2↑ H2＋CuO |
①②③⑦ |
实验前样品和硬质玻璃管的总质量（或硬质玻璃管的质量） 实验后Cu及硬质玻璃管的总质量 |
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2 |
H2SO4＋CuO→CuSO4＋H2O |
①⑤⑧⑨ |
过滤后剩余固体的质量 |
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3 |
2Cu＋O2 |
①④⑥⑦⑧ |
实验前坩埚与样品总质量 （或坩埚质量） 实验后坩埚与CuO总质量 |
Cu＋H2O（以上三种方法任选两种，其它合理的方法也给分）
2．为探究乙烯与溴的加成反应，甲同学设计并进行了如下实验：先用浓硫酸与无水乙醇共热至1700C，将生成的气体通入溴水中，发现溴水褪色，即证明乙烯与溴水发生了加成反应。
乙同学发现在甲同学的实验中，乙醇与浓硫酸反应的混合液变黑，推测在制得的乙烯中还可能含有还原性的杂质气体，由此他提出必须先除去之，再与溴水反应。
请你回答下列问题：
（1）写出甲同学实验中两个主要的化学方程式 。
（2）甲同学设计的实验 （填“能”或“不能”）验证乙烯与溴发生加成反应，其理由是 （填字母）。
a．使溴水褪色的反应，未必是加成反应
b．使溴水褪色的反应，就是加成反应
c．使溴水褪色的物质，未必是乙烯
d．使溴水褪色的物质，就是乙烯
（3）乙同学推测此乙烯中一定含有的杂质气体是 ，它与溴水反应的化学方程式是 ，在验证过程中必须全部除去。
（4）请你选用下列装置（可重复使用）来实现乙同学的实验方案，将它们的编号填入方框，并写出装置内所放的化学药品。
→ B → → B
（浓硫酸、乙醇） （ ） （ ） （溴水）
A B C D
（5）为验证这一反应是加成而不是取代，丙同学提出可用pH试纸来测试反应后溶液的酸性，理由是 。
【参考答案】（1）略 （2）不能 a、c （3）SO2 SO2+Br2+2H2O=H2SO4+2HBr （4）A B NaOH溶液 品红溶液 （5）若是取代反应，反应后生成了HBr，溶液酸性明显增强
【课堂练习】
1．某学生想制作一种家用环保型消毒液发生器，用石墨作电极电解饱和氯化钠溶液，通电时，为使Cl2被完全吸收，制得有较强杀菌能力的消毒液，设计了如图的装置，则对电源电极名称和消毒液的主要成分判断正确的是B
A．a为正极，b为负极；NaClO和NaCl
B．a为负极，b为正极；NaClO和NaCl
C．a为阳极，b为阴极；HClO和NaCl
D．a为阴极，b为阳极；HClO和NaCl
2．下面是实验室制取氨气的装置和选用的试剂，其中错误的是AC
A B C D
3．用一定量的铁与足量的稀硫酸及足量的CuO制单质铜，有人设计了以下两种方案：C
 |
A．一样多 B．①多 C．②多 D．无法判断
4．对某酸性溶液（可能含有Br－，SO42－，H2SO3，NH4＋）分别进行如下实验：
①加热时放出的气体可以使品红溶液褪色
②加碱调至碱性后，加热时放出的气体可以使润湿的红色石蕊试纸变蓝；
③加入氯水时，溶液略显黄色，再加入BaCl2溶液时，产生的白色沉淀不溶于稀硝酸
对于下列物质不能确认其在溶液中是否存在的是B
A．Br－ B．SO42－ C．H2SO3 D．NH4＋
5．回答下面问题：
（l）分离沸点不同但又互溶的液体混合物，常用什么方法？
（2）在分液漏斗中用一种有机溶剂提取水溶液里的某物质时，静量分层后，如果不知道哪一层液体是“水层”，试设计一种简便的判断方法。
（3）无水乙酸又称冰醋酸（熔点16.6℃）。在室温较低时，无水乙酸就会凝结成像冰一样的晶体。请简单说明在实验中若遇到这种情况时，你将如何从试剂瓶中取出无水乙酸。
【参考答案】
（1）蒸馏方法
（2）取一支小试管，打开分液漏斗的活塞，慢慢放出少量液体，往其中加入少量水，如果加水后，试管中的液体不分层，说明分液漏斗中，下层是“水层”，反之，则上层是水层。
（3）将试剂瓶放在热水浴中加热后即可倒出。
6．用下面两种方法可以制得白色的Fe(OH)2沉淀。
方法一：用不含Fe3＋的FeSO4溶液与用不含O2的蒸馏水配制的NaOH溶液反应制备。
（1）用硫酸亚铁晶体配制上述FeSO4溶液时还需加入 。
（2）除去蒸馏水中溶解的O2常采用 的方法。
（3）生成白色Fe(OH)2沉淀的操作是用长滴管吸取不含O2的NaOH溶液，插入FeSO4溶液液面下，再挤出NaOH溶液。这样操作的理由是 。
方法二：在如图装置中，用NaOH溶液、铁屑、稀H2SO4等试剂制备。
（1）在试管Ⅰ里加入的试剂是 。
（2）在试管Ⅱ里加入的试剂是 。
（3）为了制得白色Fe(OH)2沉淀，在试管Ⅰ和Ⅱ中加入试剂，打开止水夹，塞紧塞子后的实验步骤是 。
（4）这样生成的Fe(OH)2沉淀能较长时间保持白色，其理由是 。
【参考答案】
方法一 （1）稀H2SO4 铁屑
（2）煮沸
（3）避免生成的 Fe(OH)2沉淀接触O2
方法二 （1）稀 H2SO4 铁屑
（2）NaOH溶液
（3）检验试管Ⅱ出口处排出的氢气的纯度。当排出的H2纯净时，再夹紧止水夹。
（4）试管Ⅰ中反应生成的H2充满了试管Ⅰ和试管Ⅱ，且外界空气不容易进入。
7．实验室中用浓盐酸与MnO2制取Cl2，再用Cl2和Ca(OH)2反应制少量漂白粉。已知Cl2和Ca(OH)2制漂白粉是放热反应，温度稍高易发生副反应：
6Cl2＋6Ca(OH)2＝Ca(ClO3)2＋5CaCl2＋6H2O。
现有三位同学分别设计的三套实验装置如下（U形管中放有玻璃纤维，气体能顺利通过）：
⑴请从以下六方面对上述甲、乙、丙三套装置的优缺点进行评价，将适当的选项序号填于下表内：
a．不易控制反应速率 b．容易控制反应速率
c．有副反应发生 d．可防止副反应发生
e．容易污染环境 f．可防止污染环境
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优点 |
缺点 |
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甲装置 |
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乙装置 |
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丙装置 |
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⑵请从甲、乙、丙三套装置中，选取合理的组成部分（A、B、C、D、E、F、G），组装一套你认为更完善的实验装置，连接顺序（按气流从左到右的方向）为 ；在此装置及甲、乙、丙三装置中，你认为是否还缺少必要的装置，并说明原因
。
⑶如果反应前加入了m g Ca(OH)2，反应结束并冷却后倒出固体物质称量为n g（设反应中产生的水仍留在固体物质中）。则该固体物质中Ca(ClO)2的质量分数的表达式为（不必化简）： 。
【参考答案】
⑴甲：d；a、e。 乙：f；a、c。 丙：b；c、e。
⑵F、B、E； 缺少除Cl2中的HCl的洗气装置，因为HCl可与产物Ca(ClO)2及Ca(OH)2反应，使有效成份Ca(ClO)2产量减少。
⑶
。
8．Ag/α－Al2O3是石油化学工业的一种重要催化剂，其中Ag起催化作用，α－Al2O3是载体且不溶于硝酸，该催化剂的回收实验如下图所示。其中的转化反应为：
6AgCl＋Fe2O3→3Ag2O＋2FeCl3
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阅读上述实验流程，完成下列填空：
（1）Ag/α－Al2O3加酸溶解应该选用装置 （选填a、b、c）。
（2）在实验操作（Ⅱ），如果用自来水代替蒸馏水进行洗涤，将会发生化学反应的离子方程式
。
（3）实验操作（Ⅳ）所需玻璃仪器为 （填写三种）。
（4）实验操作（Ⅶ）从AgNO3溶液获得AgNO3晶体需要进行的实验操作依次为：
（多选扣分）。
（a）蒸馏 （b）蒸发 （c）灼烧 （d）冷却结晶
（5）已知： NO + NO2 + 2NaOH → 2NaNO2+H2O ；
2NO2 + 2NaOH → NaNO3 + NaNO2 + H2O
NO和NO2的混合气体的组成可表示为NOX ，该混合气体通入NaOH溶液被完全吸收时，x的值为＿＿
（a）x≤1.5 （b）x=1.2 （c）x≥1.5
（6）已知Ag/α-Al2O3中Ag的质量分数，若计算Ag的回收率，还必须知道的实验数据为
和 。
【参考答案】
（1）a
（2）Ag＋＋Cl－→AgCl↓
（3）漏斗、烧杯、玻棒
（4）b、c、d
（5）c
（6）催化剂的质量，AgNO3的质量
