Transcript 【二轮专题十】实验设计与探究题型应对策略

名师诊断
专案突破
【考情报告】
【考向预测】
纵观近几年高考试题,主要考查探究性实验和物质制备实验。这些
探究性和制备实验的试题,综合性强,理论和实践的联系紧密,有的还
提供一些新的信息,要求考生必须冷静地审题,联系所学过的知识和
技能,进行知识的类比、迁移、重组,全面细致地思考才能正确作答。
预计2013年高考新课标全国卷仍将以物质的性质和制备实验为
考查重点。
【应对策略】
一、实验设计与探究题的特点
实验设计与探究题的命题一般都是从中学阶段学生最熟悉的基础
实验入手,从简单到复杂,从单一到综合,从教材内容到实际应用。开
放性试题是高考命题新的探索方向,这类高考试题的特点有:一是重
视以课本实验为突破口,考查学生基本的实验能力,即体现基础。二
是以实验为中心,将化学实验与其他化学知识有机地结合于一体,着
重考查学生的能力和素质,特别是对思维能力的考查。三是原理均
源于课本,但装置基于课本又不同于课本,即强调创新,考查学生对实
验深层次的理解和掌握情况。
二、实验设计与探究题的解题方法与思路
1.探究性实验题的解题思路
探究性实验题的一般解题思路:先通过对比找出实验的不同之处(操
作、现象等),再揭示实验现象不同的本质,然后从本质上设计相应的
实验来验证。还有一些题目将基本的理论、原理置于实验探究活
动之中,只要熟练掌握基础知识,理解其原理,此类题目就会迎刃而解。
在探究过程中往往可以通过对比实验,即设置几组平行实验来对照、
比较,从而研究和揭示某种规律,解释某种现象形成的原因或证明
某种反应机理。无论是无机物还是有机物性质的探究,都必须在牢
牢掌握元素化合物知识的基础上,大胆猜想、细心论证,脱离了元素
化合物知识孤立地看实验问题是不科学的。只有灵活运用已有的元
素化合物知识,才能变探究性实验为验证性实验,使复杂问题简单化。
2.实验设计与探究题的思考原则
(1)制备实验方案的设计,应遵循以下原则:
①条件合适,操作方便;②原理正确,步骤简单;③原料丰富,价格低廉;
④产物纯净,污染物少。即从多种路线中选出一种最佳的制备途径,
合理地选择化学仪器与药品,设计合理的实验装置和实验操作步骤。
(2)性质探索性实验的设计:主要是从物质的结构特点或从所属类型
的典型代表物去推测物质可能具有的一系列性质,而后据此设计出
合理的实验方案,去探索它所可能具有的性质。
(3)性质验证性实验的设计:主要是求证物质具备的性质,关键是设计
出简捷的实验方案,要求操作简单,简便易行,现象明显,且安全可行
(4)对实验方案的合理与否、严密与否作出评判要从“合理选择,排
除干扰,操作准确”等方面入手。
①“合理选择”是指仪器的选择、药品的选择、连接方式的选择
等。仪器的选择又包括发生装置(几种基本类型)、净化装置(除杂
质的试剂与顺序)、反应装置、尾气处理装置等;药品的选择包括药
品的种类、浓度、状态等;连接方式的选择指仪器的先后顺序、导
管接口的连接等。
②“排除干扰”是指反应条件的控制、防止空气成分介入、尽量
避免副反应、杂质的清除以及防止物质的挥发性、溶解性、颜色
等对实验的干扰。
③“操作准确”则要求熟悉主要仪器的性能、用途和典型的实验
操作步骤。
(5)实验操作的设计与注意的问题
①仪器接口的连接:总体上遵循装置的排列顺序,但对于吸收装置应
“长”进“短”出(或“深”入“浅”出);量气装置应“短”进
“长”出;洗气装置应“长”进“短”出;干燥管应“大”进“小”
出。
②实验操作的顺序:装置选择与连接→气密性检查→装固体药品→
加液体药品→开始实验(按程序)→拆卸仪器→其他处理等。
③如果实验室取用或制取易吸水、潮解、水解的物质,要采取必要
的措施防止其吸水,以保证达到实验目的。
④仪器拆卸的科学性与安全性:要从防污染、防氧化、防倒吸、防
爆炸等方面考虑。
⑤其他:如试剂加入先后顺序、实验方法使用顺序等。
3.综合实验思维过程
原理→反应物→仪器装置→现象→结论→作用意义→联想。如:①
实验目的是什么?实验是根据什么性质和原理?②所用反应物的名
称、状态、代替物(根据实验目的和相关的化学反应原理,进行全面
分析比较和推理,并合理选择)。③有关装置:性能、使用方法、适用
范围、注意问题、是否有替代装置可使用、仪器规格。④有关操
作:技能、操作顺序、注意事项或操作错误的后果。⑤实验现象:自
下而上,从左至右全面观察,“海陆空”实验现象要全面准确。⑥实
验结论:直接结论、导出结论。
4.思考问题的顺序
(1)围绕主要问题思考。如选择实验路线、方法恰当与否;所用药品、
仪器简单易得与否;实验过程快速、安全、环保与否;实验现象明显与
否(是否有干扰)。
(2)思考有关物质的制备、净化、吸收、存放、环保、安全,是否需
驱赶空气,是否需防止空气中H2O、CO2进入装置等有关问题。如制
取在空气中易水解的物质(如Al2S3、AlCl3、Mg3N2等)及易受潮的物
质时,往往在装置末端再接一个干燥装置,以防止空气中的水蒸气进
入。
(3)思考实验仪器及装置的连接顺序。一般为:驱赶空气→气体发生
→除杂→干燥→主体实验→尾气处理。
(4)思考实验操作的顺序。一般为:①连接仪器。②检查气密性。在
整套仪器连接完毕后,应先检查装置的气密性,然后装入药品。检查
装置的气密性的方法依装置的特点而定。③装药品,进行实验操作。
三、相关知识储备
1.需注意杂质离子、副反应的干扰,药品不符合规格(如变质)的影
响,反应实际不能完全进行(即反应物剩余)的影响等问题。
2.点燃或加热通有可燃性气体的装置前,必须检查气体的纯度。如
用氢气、一氧化碳等气体还原金属氧化物时,不能先加热后通气体,
应先通入气体,将装置内的空气排尽后,检查气体是否纯净,待验纯
后,再点燃酒精灯加热金属氧化物。
3.加热操作先后顺序的选择。若气体的发生需加热且空气能作为杂
质气体参与体系内的反应,一般先用酒精灯加热发生气体的装置,等
气体充满装置后(排尽空气),再给实验中需要加热的固体物质加热,
目的是:一则防止可能的爆炸,二则保证产品纯度,防止反应物或生成
物与空气中某些物质反应生成杂质。
4.冷凝回流问题:若是易挥发的液体反应物,为了避免反应物损耗和
充分利用原料,要在发生装置中设计冷凝回流装置。如在发生装置
中安装长玻璃管或水冷凝装置。有的实验为防止气体冷凝不充分
而受损失,需用冷凝管或冷水(或冰水)冷凝气体(物质蒸气),使物质蒸
气冷凝为液态便于收集。
5.实验仪器的拆卸一般从防爆炸、防氧化、防生成杂质、防倒吸等
角度考虑停止加热或停止通气的时间、顺序,如对有尾气吸收装置
的实验,一般必须将尾气导管提出液面后才能熄灭酒精灯,以免溶液
倒吸;用氢气还原氧化铜的实验应先熄灭加热氧化铜的酒精灯,同时
继续通氢气,待加热区冷却后才停止通氢气,这是为避免空气倒吸入
加热区使铜氧化,或形成易爆气体;有多个酒精灯的实验,一般后撤产
生气体的酒精灯以防倒吸;拆卸用排水法收集并需要加热制取气体
的装置时,需先把导管从水槽中取出,才能熄灭酒精灯,以防止水倒
吸;拆下的仪器要冷却清洗、干燥和归位。
6.防止倒吸问题:某些实验在溶解度大(或与液体反应迅速)的气体溶
于液体后,可能会引起倒吸,从而影响实验,为防气体溶解而引起的倒
吸一般需加专门的防倒吸装置。
7.具有特殊作用的实验改进措施:如为防止分液漏斗中的液体不能
顺利流出,用橡皮管连接成连通装置;为防止气体从长颈漏斗中逸出,
可在发生装置中的漏斗末端套住一支小试管形成液封等。
8.空气中H2O、CO2的问题:在制取容易与H2O、CO2反应的物质的实
验中,通常需在装置的末端加盛碱石灰的干燥管类装置,以防空气中
H2O、CO2进入体系,影响实验。
9.驱赶空气的问题:在需要驱赶空气的实验中或者是用反应的气体
驱赶空气,或者是用外加的实验装置产生不参与反应的气体(如N2、
H2、CO2等)驱赶空气。
10.环保问题:凡是产生对环境有危害性的气体的实验就必须加尾气
吸收装置,不能一厢情愿地认为这些气体已反应完;注意通风橱的使
用。
11.安全问题:实验装置的设计或评价中必须注意是否要增加防暴沸、防
爆炸的措施或装置,如碎瓷片在多种液体加热时的使用,浓硫酸
稀释或与其他液体的混合时的顺序和玻璃棒的使用;牵扯到易燃性
气体加热实验时必须要先驱赶空气以及安全瓶的使用等。
12.评价实验方案通常还需考虑原料利用率、成本、反应条件、安
全、环保等因素。
【考点突破】
一、化学物质制备的探究
物质的制备涉及制取的原理、试剂的选择、装置的设计、仪器的
选择等。此类试题一般要求考生在限定的试剂或仪器的情况下作
出决定,思维量大,涉及面广,综合性强。
氨基甲酸铵(NH2COONH4)可用做肥料、灭火剂、洗涤
剂等,其在潮湿空气中放出氨而变成碳酸氢铵。实验室制备氨基甲
酸铵的反应为2NH3(g)+CO2(g)
NH2COONH4(s) ΔH<0,某小组
同学拟选用如下装置(夹持装置略去)制备氨基甲酸铵。
请回答下列问题:
(1)装置Ⅰ的作用是制备氨气,写出一组可用该装置制备氨气的试剂:
,其中干燥管内盛放的试剂是
。
(2)请选择必要的装置,将上述装置连接完整,其顺序为
→a。
(3)发生装置用冰水浴冷却的目的是
三点,分别是吸收尾气氨气、防倒吸和
;装置Ⅲ的作用有
。
(4)若缺少盛有饱和小苏打溶液的洗气瓶装置,所得产品氨基甲酸铵
中会混有杂质X,杂质X的化学式为
,请你设计一个实
验,用化学方法检验产品中是否含有杂质X,写出简要步骤及实验现
象:
。
【解析】(1)装置Ⅰ适用于固液不加热制取气体,试剂可以选择浓
氨水和氢氧化钠固体或氧化钙或碱石灰等,干燥氨气选碱石灰。
(2)装置的连接要以制取纯净干燥的二氧化碳为目的,小苏打饱和
溶液除去挥发出的HCl,浓硫酸干燥CO2,氢氧化钠溶液没有用。(3)
要注意题干信息,氨基甲酸铵常温下为固体,降温有利于反应生成,
并且能与水反应,要防止和水蒸气接触。(4)小苏打饱和溶液用于
除去挥发出的HCl,若缺少则进入Ⅱ中的气体中含有HCl,和氨气反
应生成氯化铵固体。检验其存在,需检验氯离子的存在,试剂为硝
酸和硝酸银溶液。步骤为:取、加、现象、结论。
【答案】(1)浓氨水和碱石灰(或其他合理答案);碱石灰
(2)b→g→h→d→c
(3)提供低温环境,提高反应物的转化率;防止空气中的水蒸气进入
使氨基甲酸铵变质
(4)NH4Cl ;取适量样品溶于水,加入硝酸酸化后,再加入硝酸银溶液,
若有白色沉淀生成,则说明样品中含有氯化铵
二、物质性质的验证实验
此类试题要求通过设计实验以证明物质的性质,可以限要求、限试
剂、限内容,也可以不限,对学生的知识要求及能力要求不太高。
利用如图装置进行浓硫酸与铜的反应,并验证二氧化硫
的性质(夹持装置略去)。实验操作如下:连接仪器,放入药品,将铜丝
伸入液面以下,用酒精灯加热一段时间后拉起铜丝。
(1)装置A中发生反应的化学方程式为
。
(2)装置B中观察到的现象从左到右依次是
、
,体现SO2 的性质分别是
、
、
、
。
(3)将反应后的试管充分静置,观察到试管底部有白色固体出现,中间
层是浅黄色液体(浓硫酸),上层是蓝色溶液,则白色固体的化学式为
。
(4)实验后装置C的小烧杯中澄清石灰水仍然澄清,你猜想可能的原
因是
,请设计实验予以证明:
。
【解析】(1)铜和浓硫酸反应:Cu+2H2SO4(浓)
CuSO4+SO2↑+2H2O。(
2)SO2是酸性氧化物,可使湿润的蓝色石蕊试纸变红,SO2有
漂白性可使品红溶液褪色,还有强还原性可使紫色高锰酸钾溶液
褪色。(3)反应生成的水被浓硫酸吸收,二氧化硫逸出,硫酸铜难溶
于浓硫酸,以固体形式存在,故白色固体为无水硫酸铜。(4)SO2能
使澄清石灰水变浑浊,反应后仍澄清说明SO2过量生成Ca(HSO3)2,
证明Ca(HSO3)2的存在加入氢氧化钠溶液出现沉淀即可。
【答案】(1)Cu+2H2SO4(浓)
CuSO4+SO2↑+2H2O
(2)蓝色石蕊试纸变为红色;红色滤纸变为白色;紫红色滤纸变为白
色;SO2溶于水显酸性;漂白性;还原性
(3)CuSO4
(4)过量SO2 与Ca(OH)2反应生成易溶于水的Ca(HSO3)2而不产生
CaSO3浑浊;取小烧杯中的溶液少许至另一支试管中,加入足量
NaOH溶液,若有白色沉淀生成,则证明猜想合理(其他合理答案均
可)
三、物质组成、测定物质含量的探究
此类试题考查的内容包括:实验操作、仪器组装、顺序设计、确认
某混合物组成的设计、测定物质含量的设计等。其中有定性的,也
有定量的。综合性强,并有对计算能力的考查。
某研究性学习小组将一定浓度的Na2CO3溶液滴入CuSO4
溶液中得到蓝色沉淀。
甲同学认为:沉淀可能是CuCO3;
乙同学认为:沉淀可能是Cu(OH)2;
丙同学认为:沉淀可能是CuCO3和Cu(OH)2的混合物。
查阅资料知:CuCO3和Cu(OH)2均不带结晶水。
(1)按照乙同学的理解,Na2CO3溶液和CuSO4溶液发生反应的化学方
程式为
。
(2)请用如图所示装置,选择必要的试剂,定性探究生成物的成分。
①在探究沉淀物成分前,需将沉淀从溶液中分离并净化,具体操作为
、洗涤、干燥。
②各装置的连接顺序为
(填字母)。
③装置C中所装试剂的名称是 。
④能证明生成物中有CuCO3的实验现象是
。
(3)若CuCO3和Cu(OH)2两者都有,可利用下列装置通过实验测定其组
成。
①装置C中碱石灰的作用是
。
②若沉淀样品的质量为m g,装置B的质量增加了n g,则沉淀中CuCO3
的质量分数为
(列出含m、n的算式)。
【解析】(1)依据乙的叙述,根据水解原理,铜离子结合水电离出的
氢氧根生成氢氧化铜,碳酸根结合水电离出的氢离子生成碳酸,进
而分解生成二氧化碳。(2)①沉淀的分离提纯先要过滤;②定性实
验的连接顺序,先检验水蒸气再检验二氧化碳;③检验水蒸气用无
水硫酸铜;④碳酸铜分解产生二氧化碳,二氧化碳可以使澄清石灰
水变浑浊。(3)①装置C中有空气通入,说明是用来赶尽装置中残留
的生成物的,赶气之前要除去有干扰的二氧化碳和水蒸气。②装
置B吸收生成的水蒸气,根据增重可求氢氧化铜的质量,装置D吸收
生成的二氧化碳,根据增重可求碳酸铜的质量,装置E用来防止空气
中的二氧化碳和水蒸气进入前面的装置。碳酸铜的质量分数为198n
18m
=1-
49n
9m
。
【答案】(1)Na2CO3+CuSO4+H2O
(2)①过滤
②A→C→B
③无水硫酸铜
④装置B中澄清石灰水变浑浊
(3)①吸收空气中的水蒸气和CO2
②1-
49n
9m
Cu(OH)2↓+Na2SO4+CO2↑
四、物质未知性质的探究
物质性质实验中,主要考查反应条件、试剂选择、装置设计、步骤
的优化、现象的探究和结论的评价等综合分析能力。
硫酸亚铁是重要的亚铁盐,在农业上用做农药,主治小麦
黑穗病,还可用做除草剂;在工业上用于染色、制造蓝黑墨水和木材
防腐等。
(1)实验室中保存硫酸亚铁溶液时,为了防止其变质,在该溶液中应加
入适量
。
(2)新制的绿矾晶体(FeSO4·7H2O )是浅绿色的,但在空气中极易变成
黄色或铁锈色的碱式硫酸铁[Fe(OH)SO4],写出该反应的化学方程式:
。
(3)已知FeSO4 在不同条件下分解得到的产物不同,可能是FeO和SO3,
也可能是Fe2O3 、SO3和SO2 。某研究小组探究在加热条件下FeSO4
分解的气体产物。已知SO3 的熔点是16.8 ℃,沸点是44.8 ℃。
①装置Ⅱ的作用是
,试管浸泡在50 ℃水中的目的是
。
②装置Ⅲ和装置Ⅳ的作用是探究本实验气体产物成分。请完成实
验设计,填写检验试剂、预期现象与结论。限选试剂:3 mol·L -1 H2SO4
溶液、6 mol·L-1 NaOH溶液、0.5 mol·L-1 BaCl2溶液、0.5 mol·L-1 Ba(NO3)2
溶液、 0.01 mol·L-1酸性KMnO4 溶液。
③装置Ⅴ的作用是防止尾气污染环境,烧杯中应加入的试剂是
。
④如何检验装置Ⅰ中固体完全分解后生成的固体产物中有无FeO?
写出实验步骤、现象及结论:
。
【解析】(1)保存硫酸亚铁溶液要考虑亚铁离子的水解和还原性。
加硫酸抑制水解,加铁粉防止氧化。(2)未知化学方程式的书写要
详细分析题中信息,铁的化合价发生变化,说明被氧化,空气中的氧
化剂为氧气。得出各项物质后配平即可,4(FeSO4·7H2O)+O2
4
Fe(OH)SO4+26H2O。(3)①Ⅱ为安全瓶,防止倒吸,热水是防止生成
的SO3液化或固化,影响后边的检验。②结合给出的试剂可知检验

SO3用氯化钡溶液,硝酸钡溶液会将SO2氧化为SO 24,SO
2能使酸性高
锰酸钾溶液褪色。③二氧化硫的吸收要用碱液。④检验FeO其实
检验的是二价铁,同时要考虑三价铁的干扰,氢氧化钠溶液就不可
以了,需用与亚铁离子反应、三价铁离子不反应且现象明显的试
剂,如酸性高锰酸钾溶液、溴水等。检验时要先加酸溶解,要选非
氧化性酸如盐酸。
【答案】(1)铁粉、硫酸
(2)4(FeSO4·7H2O)+O2 4Fe(OH)SO4+26H2O
(3)①防止溶液倒吸入装置Ⅰ(或安全瓶);防止SO3液化或凝固
②
③NaOH溶液
④取少量分解后的剩余固体于试管中,往试管中加入足量稀盐酸,
充分反应后,滴入酸性KMnO4溶液,若酸性KMnO4溶液褪色,说明生
成的固体产物中含有FeO,否则不含FeO
五、实验方案的设计与评价的探究
对实验方案的设计与评价,首先要明确实验目的和要求,然后结合问
题运用有关化学知识和实验技能对实验的仪器、步骤、方法进行
逐步分析研究。要求考生对不同的实验方案进行对比分析,或对已
完成的实验原理、装置、效果与实验目的、要求进行对比,认识实
验的成功与不足以及可能存在的问题,甚至要求提出优化改进方案。
草酸晶体(H2C2O4·2H2O)在加热条件下可以发生分解反
应。某同学对生成的产物提出了以下三个假设:
假设1:只生成CO和H2O;
假设2:只生成CO2和H2O;
假设3:生成CO、CO2和H2O。
(1)小航同学根据所学知识,认为无须实验就可以否定假设1和假设2,
他否定假设2的理由是
。
(2)该同学为了探究假设3是否正确而设计了探究实验,装置如下(草
酸晶体分解装置略),在下面的表格中按装置连接顺序填入装置代号、
药品名称及预期现象和结论。
限选试剂:澄清石灰水、冰水混合物、碱石灰、氧化铜、无水硫酸
铜(已知草酸蒸气也可使澄清石灰水变浑浊,草酸蒸气在低温下可冷
凝为固体)。
【解析】氧化还原反应中有化合价升高就必有化合价降低,检验
产物的顺序是先用无水硫酸铜检验H2O,除去草酸以防止干扰实
验,然后检验CO2,除去CO2以防止干扰实验,然后检验CO。
【答案】(1)假设2的反应中,只有化合价升高的元素而没有化合价
降低的元素
(2)
六、化学反应原理(或条件、现象等)的探究
通过化学反应原理猜测可能生成哪些物质,对这些物质一一进行检
验来推测出究竟含有哪些物质。虽然探究性实验主要考查学生的
探究能力,但在问题的设置上常常包含了对实验基础知识的考查。
例6Na2O2是常见的氧化剂,某化学小组的同学欲通过以下实验
确定炭粉与Na2O2反应的产物。
【实验步骤】
Ⅰ.按如图所示装置(部分仪器未画出)组装仪器,并检查装置气密性。
Ⅱ.将0.6 g炭粉与3.9 g Na2O2均匀混合,装入装置A中的反应容器,在
靠近反应容器口处放置一张湿润的氯化钯试纸(湿润氯化钯试纸遇
CO变黑,可用于检验是否有CO生成)。
Ⅲ.用酒精灯微微加热装置A中的反应容器。
【实验现象】
装置A中发生剧烈反应并产生火花,氯化钯试纸未变黑,澄清石灰水
未变浑浊。
请回答:
(1)在装置A中方框内的仪器可以选用
⑤中选出所需要的装置,使仪器装置图完整)。
(从①②③④
①所得溶液的溶质是
(填化学式)。
②常温时,若使所得溶液与100 mL稀盐酸恰好完全反应至溶液pH=
7,该盐酸的物质的量浓度为
(6)写出Na2O2的一种重要用途:
。
。
【解析】(1)根据题意固固加热的装置选②。(2)装置B为安全瓶,
防止倒吸。(3)根据原子守恒可推知X物质为Na2O。(4)反应过程
中有化合价变化的是C和 Pd,根据氧化还原反应原理,可推知氧化
产物为CO2,根据原子守恒可知有HCl,根据数据计算可得反应的化
学方程式:PdCl2+CO+H2O
Pd+CO2+2HCl。(5)Na2O和水反应的
产物为NaOH,反应产物中有Na2CO3。pH=7时溶液为氯化钠溶液,
根据钠守恒,可知HCl为 2  3.9 mol,即可求出HCl浓度。(6)Na2O2可
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用于呼吸面具或潜艇中作为O2的来源(其他答案合理即可)。
【答案】(1)②
(2)防止倒吸
(3)Na2O
(4)PdCl2+CO+H2O
Pd+CO2+2HCl
(5)①NaOH、Na2CO3
②1 mol·L-1
(6)用于呼吸面具中作为O2的来源(其他答案合理即可)