專題5化學實驗設計和評價（原卷版）2

專題5化學實驗設計和評價【命題重點】實驗設計包括:①單項實驗設計:設計實驗求證某一單項問題,或求證某一規(guī)律;特點是圍繞某一問題設計一個指向很單一的實驗,而且實驗通常一步到位。②綜合實驗設計:設計實驗求證多個問題,其特點是多步操作、裝置復雜、現(xiàn)象多樣。③定量實驗設計:通過實驗,獲取有關數(shù)據(jù),然后分析數(shù)據(jù)推理出結(jié)論。定量實驗設計要精密一些,要盡可能地回避一些誤差的引入。④開放型實驗設計:試題從提出問題、實驗的方向、儀器的選擇、裝置的設計、現(xiàn)象的觀察記錄到結(jié)論的推理完全自主完成。解答此類試題,過程要合理完整,方法簡便,現(xiàn)象敘述要準確,推理要符合邏輯。實驗方案評價包括實驗原理及方案的評價、實驗裝置的評價、實驗操作的評價、實驗現(xiàn)象的描述與結(jié)論分析的評價。以批判的思維方法對所設計的實驗方案、實驗方法、實驗裝置、實驗操作從某個角度否定,排除不合理或可行但不是最優(yōu)的方法,選擇、創(chuàng)新更好的方法?！痉椒ㄒc】1.實驗方案的設計(1)實驗設計的基本要求①科學性：實驗原理、方法和操作等科學、合理。②安全性：實驗操作要盡量防止帶有危險性的操作,盡量避免與有毒物質(zhì)接觸。若無法避免有毒物質(zhì),則應采取安全措施,以防造成環(huán)境污染和人體傷害。③可行性：設計的實驗方案要真正切實可行,所選藥品、儀器、裝置經(jīng)濟可靠。④簡約性：實驗設計應簡單易行。裝置簡單,實驗操作簡便,實驗現(xiàn)象明顯。(2)實驗方案設計的幾種思路實驗設計的總體思路是明確實驗目的,弄清實驗原理,根據(jù)要求正確選擇儀器和藥品,設計實驗裝置和操作步驟,分析得出結(jié)論。①對比實驗設計：對比實驗是實驗設計的一種基本思路,有利于實驗現(xiàn)象觀察對比,有利于推理論證結(jié)論。②控制變量實驗設計：一個問題常常受多方面的因素制約,為了研究每一個因素對問題的影響程度,常常采取控制變量法逐個檢驗,每一個現(xiàn)象只說明一個問題,換一個條件再檢驗。綜合各個因素對問題的影響作出綜合性的判斷。③綜合實驗設計：設計一個實驗探究多方面的問題,如設計一個組合實驗探究某一混合氣體的成分、某一氣體的性質(zhì)和組成等。2.實驗方案的評價(1)方案在理論上是否科學、合理,是否具有嚴密性;(2)在滿足安全性的前提下,操作上是否簡單易行;(3)從經(jīng)濟角度評價,是否節(jié)約試劑、降低成本和提高產(chǎn)品質(zhì)量;(4)從環(huán)境角度考慮,是否會對環(huán)境造成污染。(2)對方案優(yōu)劣的評價的原則①設計簡潔就是要盡可能采用簡單的儀器或?qū)嶒炑b置,在常規(guī)條件下進行;用較少的實驗步驟和試劑,在較短的時間內(nèi)完成實驗,充分體現(xiàn)實驗設計的簡約性原則。②效果明顯就是按照實驗設計進行操作,產(chǎn)生的現(xiàn)象生動直觀,易于觀察記錄。③安全可靠實驗設計要盡可能避免選用有毒藥品和具有一定危險性的實驗操作,如果必須選用,應在設計方案中給出明確提示和預防措施,以避免造成環(huán)境污染或?qū)嶒炇鹿?此外,還要確保實驗成功?！纠}精析】類型1實驗方案的設計1．甲、乙兩學習小組準備測定某石灰石樣品中碳酸鈣的質(zhì)量分數(shù)。它們分別采用了不同的測定方法。甲組同學的方法是：將樣品與稀鹽酸反應，測定反應后生成CO2的體積，再根據(jù)體積換算為質(zhì)量最后根據(jù)CO2的質(zhì)量求出樣品中碳酸鈣的質(zhì)量。如圖1為大理石與稀鹽酸反應的反應裝置，圖2用于測量O2的體積（1）寫出圖1中儀器的名稱：①。（2）圖1檢查裝置氣密性的方法是：。（3）圖2裝置中油層的作用是。（4）圖1中，長頸漏斗的下端必須伸入液面以下，這樣做的目的是。（5）（填操作方法）可使反應前后油層上方氣體壓強和外界大氣壓相同，此時排出水的體積即為生成二氧化碳的體積。乙組同學的實驗方法是：將采集到的樣品用水沖洗后晾干，稱取20.00g樣品平均分成兩份，分別與足量相同質(zhì)量分數(shù)的稀鹽酸反應進行下列測定（如圖3），經(jīng)數(shù)據(jù)處理得到釋放出二氧化碳的質(zhì)量與反應時間的關系圖（如圖4）。（6）圖3所示實驗中數(shù)據(jù)記錄紙上應該連續(xù)記錄的實驗數(shù)據(jù)是和。（7）石灰石與稀鹽酸反應的化學方程式（8）由圖4中曲線可以看出，固體物質(zhì)與液體物質(zhì)反應，當其他條件相同時，其影響實驗反應速率的因素是。（9）有同學認為圖3裝置不能準確測定產(chǎn)生的氣體的質(zhì)量，原因是。2．碳酸鈉與工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、日常生活緊密相關。工業(yè)碳酸鈉大多采用侯氏制堿法制取，所得碳酸鈉樣品中往往含有少量NaCl，現(xiàn)欲測定樣品中Na2CO3的質(zhì)量分數(shù)，某探究性學習小組分別設計了如下實驗方案。請回答下列有關問題：方案一：沉淀分析法（1）把一定質(zhì)量的樣品溶解后加入過量的CaCl2溶液，將所得沉淀（填操作）、洗滌、烘干、稱量，判斷沉淀已洗滌干凈的操作是。方案二：氣體分析法（2）把一定量的樣品與足量鹽酸反應后，用如圖所示裝置測定產(chǎn)生CO2的體積，為了確保測定結(jié)果的準確性，B中的溶液最好采用，裝置A中發(fā)生反應的離子方程式為。方案三：質(zhì)量差分析法（3）把一定質(zhì)量的樣品和足量的稀硫酸反應，采用如圖2所示裝置，通過稱量反應前后盛有堿石灰的干燥管的質(zhì)量，利用其質(zhì)量差求算樣品的純度。該實驗的操作步驟有：①取ng樣品裝入廣口瓶中，打開止水夾，緩慢鼓入空氣數(shù)分鐘②關閉止水夾，在干燥管內(nèi)填滿堿石灰，質(zhì)量為mg③緩慢加入稀硫酸至不再產(chǎn)生氣體為止④打開止水夾緩慢鼓入空氣數(shù)分鐘，再稱量干燥管質(zhì)量為wgⅠ.裝置組裝完成后，進行步驟①前還必要進行的操作為；Ⅱ.裝置B的作用是，若去掉裝置A，測定結(jié)果。Ⅲ.根據(jù)上述數(shù)據(jù)可以計算出樣品中Na2CO3的質(zhì)量分數(shù)為（用字母表示）。3．為了測定某品牌食用純堿中碳酸鈉的質(zhì)量分數(shù)，小明取10克食用純堿樣品和足量的溶質(zhì)質(zhì)量分數(shù)為10%的稀硫酸，進行如圖甲實驗，實驗前后，均需往裝置中緩慢通一會兒氮氣。（樣品中其他成分不與稀硫酸反應）（1）實驗前，先往A裝置通入一會兒氮氣的目的是。（2）隨著純堿樣品與稀硫酸反應，C裝置增加的質(zhì)量變化情況如圖乙所示，則該食用純堿中碳酸鈉的質(zhì)量分數(shù)是多少？（3）若將稀硫酸換為濃鹽酸，實驗中C裝置增加的質(zhì)量會偏大，請說明理由。（4）為使實驗更加精確，在C裝置的后面應該增加堿石灰裝置，其目的是。類型2實驗方案的評價4．某興趣小組的同學按課本進行的一個化學實驗如圖1所示，在進行實驗時，同學們聞到一股難聞的刺激性氣味，于是對原實驗重新進行了設計（如圖2所示）?！緦嶒灧桨敢弧繄D1中觀察到的實驗現(xiàn)象是，其中燒杯B的作用是?！緦嶒灧桨付繄D2中的無色透明塑料瓶的材質(zhì)、大小、形狀完全相同，瓶內(nèi)用細線固定著用濾紙折疊成的大小和形狀相同的小紙花，小紙花上都均勻噴有酚酞溶液，按照A的操作方式分別用注射器向B和C中的塑料瓶同時注入5滴濃氨水，然后將針孔處密封，再分別將兩個塑料瓶同時放入等體積的冷水和40℃的熱水中。觀察到的現(xiàn)象是。【實驗結(jié)論】由此可以得出的實驗結(jié)論是?！痉治鲇懻摗繉Ρ雀倪M前的實驗，改進后的實驗的優(yōu)點是（填一條）。【注意：若答對下面小題獎勵3分，化學總得分不超過40分】【實驗方案三】小林設計的方案如圖3所示，用長柄V形玻璃管進行實驗，分別向左、右兩端的V形玻璃管中同時滴入等量的濃氨水和濃鹽酸，塞緊橡膠塞。已知濃鹽酸會揮發(fā)出氯化氫氣體，濃氨水會揮發(fā)出氨氣，兩種氣體反應生成白色固體氯化銨。（1）過一會兒后，從圖3中觀察到有白煙產(chǎn)生且位置偏右，說明氨氣分子運動得比氯化氫分子運動得（選填“快”或“慢”）。（2）寫出圖3中產(chǎn)生白煙的文字表達式：。5．圖Ⅰ是教材中的探究實驗，在進行實驗時聞到了一股難聞的刺激性氣味。在老師的指導下，同學們對原實驗裝置進行了改進，裝置如圖Ⅱ?！緦嶒灢僮鳌竣傧駼、C、E三支試管中分別加入5mL的蒸餾水，各滴入1～2滴無色酚酞溶液，振蕩，觀察，溶液都是無色的。②在A、D試管中分別加入2mL濃氨水，立即用帶橡皮塞的導管按實驗圖Ⅱ連接好，并將D試管放置在盛有熱水的燒杯中，觀察，看到B試管中的溶液慢慢變紅色，D試管中溶液很快變紅色。【分析討論】（1）E試管放有酚酞試液的目的是。（2）由操作②可以得到的實驗結(jié)論是：。（3）對比改進前的實驗，改進后實驗的優(yōu)點是。6．化學課上，老師表演了“魔棒生煙”的魔術（如圖一），當分別蘸有濃鹽酸和濃氨水的兩根玻璃棒靠近時會產(chǎn)生白煙。為了揭秘這個魔術，化學興趣小組的同學查閱了大量資料發(fā)現(xiàn)：①濃鹽酸會揮發(fā)出氯化氫氣體，濃氨水會揮發(fā)出氨氣，兩種氣體反應生成白色固體氯化銨；其文字表達式是：氯化氫+氨氣→氯化銨。②氯化氫氣體和氨氣均有刺激性氣味。③氣體的分子質(zhì)量越小，分子運動速率越快，氨分子比氯化氫分子質(zhì)量小。然后化學興趣小組的同學進一步設計了如圖二所示的實驗。試回答以下問題：（1）圖一中“魔棒生煙”魔術中兩根玻璃棒無需接觸，只要靠近就能產(chǎn)生白煙，說明分子具有的性質(zhì)是。（2）“魔棒生煙”的反應基本反應類型是。（3）圖二中同時打開開關a和b，玻璃管c中出現(xiàn)白煙，白煙最濃厚的地方是（選填“d”“e”或“f”）。（4）若將圖二中的兩燒瓶放入冰水中，則更（選填“快”或“慢”）地觀察到白煙的產(chǎn)生。（5）圖二實驗相對于圖一實驗的優(yōu)點是?！踞槍τ柧殹?．圖Ⅰ是小婭按課本進行的一個化學實驗，在實驗時同學們聞到了一股難聞的刺激性氣味，于是小明對原實驗裝置進行了改進，裝置如圖Ⅱ。已知：氨水易揮發(fā)，堿性溶液能使酚酞變紅，而氨水呈堿性。【實驗操作】a.向B、C、E三支試管分別加入5mL的蒸餾水，各滴入1～2滴無色酚酞溶液，振蕩，觀察溶液顏色。b.在A、D試管中分別加入2mL濃氨水，立即用帶橡皮塞的導管按實驗圖Ⅱ連接好，并將D試管放置在盛有熱水的燒杯中，觀察幾分鐘?！痉治鲇懻摗浚?）E試管放有酚酞溶液的目的是。（2）進行操作b時觀察到的現(xiàn)象是。（3）由此可以得到的有關分子的性質(zhì)是。（4）對比改進前的實驗，改進后實驗的優(yōu)點是。（5）小婷認為還需加對比試驗排除水是否參加反應的干擾，你認為小婷的說法（填“正確”或“錯誤”），理由是。（6）結(jié)合上述實驗，實驗室保存濃氨水等藥品時，應該注意事項是。2．應用如圖所示裝置（部分夾持裝置已省略），在硬質(zhì)玻璃管中放入還原鐵粉和石棉絨的混合物加熱，并通入水蒸氣，就可以完成高溫下“Fe與水蒸氣的反應實驗”，產(chǎn)物為Fe3O4和一種單質(zhì)。已知：氧化還原反應的特征是有元素化合價發(fā)生變化，所含元素化合價升高的反應為氧化反應，反之為還原反應。請完成該實驗中的問題。（1）寫出該反應的化學方程式：，該反應中發(fā)生氧化反應的物質(zhì)是。（2）實驗前應首先進行的操作是。（3）圓底燒瓶中盛裝的是水，該裝置受熱后的主要作用是。燒瓶底部放置了幾片碎瓷片，碎瓷片的作用是。（4）酒精燈和酒精噴燈點燃的順序是。（5）干燥管的作用是。（6）試管中收集的氣體是。如果要在A處的玻璃管處點燃該氣體，則必須對該氣體進行。3．小明查閱資料得知，潛艇中可用超氧化鉀（KO2）作為氧氣再生劑。超氧化鉀是一種固體，它與人呼出的二氧化碳反應生成氧氣：4KO2+2CO2═2K2CO3+3O2。為了驗證這個反應能夠產(chǎn)生氧氣，小明以大理石和鹽酸反應生成的CO2與KO2反應制取O2，設計了如圖實驗裝置：（已知CO2不溶于飽和碳酸氫鈉溶液）（1）儀器①的名稱是。（2）裝置B中飽和碳酸氫鈉溶液的作用是。（3）有同學提出，CO2中混有的水蒸氣可能會對實驗產(chǎn)生影響。若要驗證干燥的CO2也能與超氧化鉀反應生成氧氣，你認為實驗裝置改進的方法為。4．化學小組欲測定某鋅礦廢渣（主要成分為Zn和少量CuO，其他雜質(zhì)不溶于水且不參與反應）中鋅的質(zhì)量分數(shù)并回收金屬銅?，F(xiàn)利用稀硫酸、生鐵粉末（Fe、C）等物質(zhì)設計如下兩個實驗方案。方案一：方案二：（1）方案一中，步驟Ⅰ所得固體與鋅礦廢渣的質(zhì)量差為的質(zhì)量。步驟Ⅲ所得濾液中的溶質(zhì)是，對應濾渣的組成是；從該濾渣中回收金屬銅，除稀硫酸外還需要的一種試劑是。（2）方案二中，若不測濾渣的質(zhì)量，結(jié)合如圖所示實驗裝置，也可達成測定目的。除鋅礦廢渣質(zhì)量外，還需測量的數(shù)據(jù)是；若省略步驟Ⅰ，測定結(jié)果（填“偏大”、“偏小”或“不變”）。5．宇宙飛船中采用超氧化鈉（NaO2）固體作為氧氣再生劑，實現(xiàn)二氧化碳與氧氣的轉(zhuǎn)化。為了驗證這個反應能夠產(chǎn)生O2，該小組同學以大理石和鹽酸反應生成的CO2來與NaO2反應制取O2，設計了如圖所示實驗裝置：（1）檢驗H中集氣瓶內(nèi)收集的氣體是否為O2，可以在取出集氣瓶后，用檢驗；（2）已知CO2不溶于飽和碳酸氫鈉溶液，E裝置的作用是；（3）為了除去O2中可能混有的CO2，G中可盛放（填具體物質(zhì)）溶液；（4）有同學提出，上述實驗能生成O2可能與CO2中混有的水蒸氣有關，若要檢驗干燥的CO2能否與NaO2反應生成O2，你對上述實驗裝置的改進方法是在E和F之間加裝一個裝有（填具體物質(zhì)）的干燥裝置；（5）為檢驗CO2與NaO2反應除生成O2外還生成什么物質(zhì)，設計如下實驗：充分反應后，取F中的固體，加足量水溶解，在所得溶液中加入CaCl2溶液，產(chǎn)生白色沉淀，取白色沉淀加稀鹽酸，產(chǎn)生氣泡。根據(jù)上述實驗寫出CO2與NaO2反應的化學方程式：。6．某純堿樣品中含有少量NaCl，為測定該樣品中Na2CO3的質(zhì)量分數(shù)，設計如圖實驗方案。【方案一】①“操作”的名稱是。②加入“過量”CaCl2溶液的原因是。③判斷白色沉淀Y是純凈物的方法：取最后一次洗滌液，（填所用的試劑及實驗現(xiàn)象）。④純堿樣品中Na2CO3的質(zhì)量分數(shù)是（精確到0.1%）。【方案二】⑤裝置A中反應的化學方程式為。⑥為了減少實驗誤差，理論上裝置C中NaOH溶液必須過量。設計實驗證明裝置C中NaOH溶液可能存在的兩種情況。實驗目的實驗方案實驗現(xiàn)象證明NaOH溶液過量取裝置C中反應后的溶液于燒杯中，滴入證明NaOH溶液的量不足取裝置D中反應后的固體于燒杯中，滴入7．水煤氣是我國某些地區(qū)常用的生活燃料，將水蒸氣通過熾熱的煤層可制得比較潔凈的水煤氣，小科設計了如圖實驗裝置。A、E中裝有澄清石灰水，B、F中裝有硫酸銅粉末，C中裝有濃硫酸，D的硬質(zhì)玻璃管中裝有氧化銅。（假設每一步反應或吸收都完全）（1）小科推測水煤氣的成分為CO2、CO、H2和水蒸氣中的一種或幾種，讓氣體依次通過上述實驗裝置，根據(jù)實驗現(xiàn)象，他能夠做出正確判斷的氣體為。（2）為使本實驗有可能得出更多的正確結(jié)論，可將各實驗儀器重新連接，你認為最合適的連接次序是。（3）改進實驗儀器連接順序后再次實驗，小科觀察到如下實驗現(xiàn)象：裝置E中澄清石灰水變渾濁，裝置D中黑色固體變紅色，裝置F中固體由白色變?yōu)樗{色，其他均無明顯現(xiàn)象，則該水煤氣的組成成分是。8．某CuO粉末中混有少量Cu2O，現(xiàn)有一課外活動小組利用如圖所示裝置測定其中Cu2O的質(zhì)量。已知在加熱條件下，氫氣還原氧化亞銅生成銅和水，一氧化碳還原氧化亞銅生成銅和二氧化碳。請根據(jù)圖示內(nèi)容回答下列問題：（1）X是常見還原性氣體CO、H2中的一種，請根據(jù)該組合裝置判斷X的化學式為。（2）若缺少B裝置，將直接導致反應后D裝置內(nèi)的物質(zhì)的質(zhì)量（填“偏大”、“偏小”或“不影響”）。（3）E裝置的作用是。（4）已知反應前CuO和Cu2O的總質(zhì)量為m1g，完全反應后D中U型管內(nèi)物質(zhì)的質(zhì)量增加了m2g（損失忽略不計），則原混合物中Cu2O的質(zhì)量為g。（用m1、m2表示）9．在制作簡易酸堿滅火器前，小明準備先測定樣品中碳酸鈉的純度，小明用天平稱取6克樣品和足量的稀硫酸，按如圖裝置進行實驗。實驗前后，小明均往裝置中緩慢通一會兒氮氣。其中裝置A中碳酸鈉與稀硫酸反應的化學方程式為：Na2CO3+H2SO4═Na2SO4+H2O+CO2↑（假設樣品中其他成分不與稀硫酸反應）。（1）實驗后小明往裝置中緩慢通一會兒氮氣的目的是。（2）實驗前后小明用該天平測得裝置C增加的質(zhì)量為2.2g，則該樣品中碳酸鈉的質(zhì)量分數(shù)為多少？。（3）下列情況會導致樣品中碳酸鈉質(zhì)量分數(shù)測量值偏小的是（可多選）。A．樣品中滴加硫酸過量B．A瓶內(nèi)部分水蒸氣隨二氧化碳逸出C．反應結(jié)束后，A瓶內(nèi)有二氧化碳殘留D．反應速度過快，大量氣泡從氫氧化鈉溶液中出來10．某CuO粉末中混有少量Cu2O，現(xiàn)有一課外活動小機利用如圖所示裝置測定其中Cu2O的含量，請根據(jù)圖示內(nèi)容回答下列問題：（1）X是常見還原性氣體CO、H