板塊三 大題逐點通關(guān)3 實驗方案的設(shè)計與評價-2025版世紀(jì)金榜二輪化學(xué)收官專項輔導(dǎo)與訓(xùn)練

3實驗方案的設(shè)計與評價研真題·明考向角度1實驗方案的設(shè)計1.(2023·廣東選擇考·17節(jié)選)化學(xué)反應(yīng)常伴隨熱效應(yīng)。某些反應(yīng)(如中和反應(yīng))的熱量變化,其數(shù)值Q可通過量熱裝置測量反應(yīng)前后體系溫度變化,用公式Q=cρV總·ΔT計算獲得。(1)借鑒“酸堿中和測定中和熱”的方法,甲同學(xué)測量放熱反應(yīng)Fe(s)+CuSO4(aq)===FeSO4(aq)+Cu(s)的焓變ΔH(忽略溫度對焓變的影響,下同)。實驗結(jié)果見下表。序號反應(yīng)試劑體系溫度/℃反應(yīng)前反應(yīng)后i0.20mol·L-1CuSO4溶液100mL1.20gFe粉abii0.56gFe粉ac①溫度:b________c(填“>”“<”或“=”)。

②ΔH=________________(選擇表中一組數(shù)據(jù)計算)。結(jié)果表明,該方法可行。

(2)乙同學(xué)也借鑒“酸堿中和測定中和熱”方法,測量反應(yīng)A:Fe(s)+Fe2(SO4)3(aq)===3FeSO4(aq)的焓變。查閱資料:配制Fe2(SO4)3溶液時需加入酸。加酸的目的是___________。

提出猜想:Fe粉與Fe2(SO4)3溶液混合,在反應(yīng)A進(jìn)行的過程中,可能存在Fe粉和酸的反應(yīng)。驗證猜想:用pH試紙測得Fe2(SO4)3溶液的pH不大于1;向少量Fe2(SO4)3溶液中加入Fe粉,溶液顏色變淺的同時有氣泡冒出,說明存在反應(yīng)A和______________(用離子方程式表示)。實驗小結(jié):猜想成立,不能直接測反應(yīng)A的焓變。教師指導(dǎo):鑒于以上問題,特別是氣體生成帶來的干擾,需要設(shè)計出實驗過程中無氣體生成的實驗方案。優(yōu)化設(shè)計:乙同學(xué)根據(jù)相關(guān)原理,重新設(shè)計了優(yōu)化的實驗方案,獲得了反應(yīng)A的焓變。該方案為____________________。

[審題指導(dǎo)]第一步:明確實驗?zāi)康耐ㄟ^量熱裝置測量化學(xué)反應(yīng)的熱量變化,并計算出焓變第二步:分析探究過程明確查閱資料、驗證猜想、實驗小結(jié)、教師指導(dǎo)、優(yōu)化設(shè)計的內(nèi)容以及它們之間的關(guān)系第三步:處理實驗數(shù)據(jù)根據(jù)表格信息,計算反應(yīng)的焓變,并把測量、計算方法遷移到實驗方案的設(shè)計之中第四步:設(shè)計實驗方案依據(jù)蓋斯定律利用兩個反應(yīng)來計算焓變,設(shè)計實驗方案【解析】(1)①0.20mol·L-1CuSO4溶液100mL,n(CuSO4)=0.02mol,1.20gFe粉約為0.0214mol,而0.56gFe粉為0.01mol,故反應(yīng)i中CuSO4全部反應(yīng),而反應(yīng)ii中CuSO4只反應(yīng)0.01mol,故溫度:b>c。②用i組:Q=cρV總·ΔT=4.18J·g-1·℃-1×1.0g·mL-1×100mL×(b-a)℃=418(b-a)J,參與反應(yīng)為0.02mol,則ΔH=-418(b-a)J×50mol-1=-20.9(b-a)kJ·mol-1;或用ii組:Q=cρV總·ΔT=4.18J·g-1·℃-1×1.0g·mL-1×100mL×(c-a)℃=418(c-a)J,參與反應(yīng)為0.01mol,則ΔH=-418(c-a)J×100mol-1=-41.8(c-a)kJ·mol-1。(2)由于Fe3+會發(fā)生水解,加酸的目的是抑制Fe3+水解;有氣泡冒出,說明存在Fe+2H+===Fe2++H2↑;可根據(jù)蓋斯定律,設(shè)計出實驗過程中無氣體生成的實驗方案,如將一定量的Cu粉加入一定濃度和一定體積的Fe2(SO4)3溶液中反應(yīng),測量反應(yīng)熱,求出反應(yīng)Cu+Fe2(SO4)3===CuSO4+2FeSO4的焓變ΔH1,再根據(jù)(3)中實驗計算得到反應(yīng)Fe+CuSO4===Cu+FeSO4的焓變ΔH2,最后根據(jù)蓋斯定律計算得到反應(yīng)Fe+Fe2(SO4)3===3FeSO4的焓變?yōu)?ΔH1+ΔH2)。答案:(1)①>②-20.9(b-a)kJ·mol-1[或-41.8(c-a)kJ·mol-1](2)抑制Fe3+水解Fe+2H+===Fe2++H2↑將一定量的Cu粉加入一定濃度和一定體積的Fe2(SO4)3溶液中反應(yīng),測量反應(yīng)熱,求出反應(yīng)Cu+Fe2(SO4)3===CuSO4+2FeSO4的焓變ΔH1,再根據(jù)(3)中實驗計算得到反應(yīng)Fe+CuSO4===Cu+FeSO4的焓變ΔH2,最后根據(jù)蓋斯定律計算得到反應(yīng)Fe+Fe2(SO4)3===3FeSO4的焓變?yōu)?ΔH1+ΔH2)2.(2023·江蘇選擇考·16節(jié)選)實驗室模擬“鎂法工業(yè)煙氣脫硫”并制備MgSO4·H2O,其實驗過程可表示為(1)在攪拌下向氧化鎂漿料中勻速緩慢通入SO2氣體,生成MgSO3,反應(yīng)為Mg(OH)2+H2SO3===MgSO3+2H2O。下列實驗操作一定能提高氧化鎂漿料吸收SO2效率的有__________(填序號)。

A.水浴加熱氧化鎂漿料B.加快攪拌速率C.降低通入SO2氣體的速率D.通過多孔球泡向氧化鎂漿料中通SO2(2)制取MgSO4·H2O晶體。在如題圖所示的實驗裝置中攪拌,使一定量的MgSO3漿料與H2SO4溶液充分反應(yīng)。MgSO3漿料與H2SO4溶液的加料方式是__________________;補(bǔ)充完整制取MgSO4·H2O晶體的實驗方案:向含有少量Fe3+、Al3+的MgSO4溶液中,______________________。

(已知:Fe3+、Al3+在pH≥5時完全轉(zhuǎn)化為氫氧化物沉淀;室溫下從MgSO4飽和溶液中結(jié)晶出MgSO4·7H2O,MgSO4·7H2O在150~170℃下干燥得到MgSO4·H2O,實驗中需要使用MgO粉末)【審題流程】第一步:明確實驗?zāi)康哪M“鎂法工業(yè)煙氣脫硫”并制備MgSO4·H2O第二步:分析實驗過程分析實驗過程,知道所用儀器(或裝置)、實驗操作第三步:評價實驗操作研究各選項的實驗操作與氧化鎂漿料吸收SO2效率的關(guān)系,評價、選擇可以“提高”氧化鎂漿料吸收SO2效率的實驗操作第四步:設(shè)計實驗方案分析實驗裝置和已經(jīng)告知的實驗步驟,明確下一步的操作要點,設(shè)計出可行的實驗方案【解析】本實驗的目的是制取MgSO4·H2O,首先在攪拌下向氧化鎂漿料中勻速緩慢通入SO2氣體,生成MgSO3,然后使一定量的MgSO3漿料與H2SO4溶液充分反應(yīng)生成硫酸鎂,在硫酸鎂的溶液中加入氧化鎂調(diào)節(jié)溶液的pH除去Fe3+和Al3+,將濾液蒸發(fā)濃縮、降溫至室溫結(jié)晶,過濾,所得晶體在150~170℃下干燥即可得到MgSO4·H2O。(1)A.加熱可加快反應(yīng)速率,但溫度升高,SO2在水中溶解度降低,且會導(dǎo)致H2SO3受熱分解,不一定能提高吸收SO2效率,故A錯誤;B.加快攪拌速率,可以使反應(yīng)物充分接觸,提高吸收SO2效率,故B正確;C.降低通入SO2氣體的速率,SO2可與MgO漿料充分接觸,但會降低反應(yīng)速率,不一定能提高吸收SO2效率,故C錯誤;D.多孔球泡可以讓SO2與MgO漿料充分接觸,能提高吸收SO2效率,故D正確。(2)在進(jìn)行含固體物質(zhì)的反應(yīng)物與液體反應(yīng)的實驗時,應(yīng)將含固體物質(zhì)的反應(yīng)物放在三頸瓶中,加料方式是通過滴液漏斗滴加液體,H2SO4溶液的滴加速率要慢,以免H2SO4過量;補(bǔ)充完整制取MgSO4·H2O晶體的實驗方案:向含有少量Fe3+、Al3+的MgSO4溶液中,分批加入少量氧化鎂粉末,攪拌,直至用pH試紙測得pH≥5,過濾,將濾液蒸發(fā)濃縮、降溫至室溫結(jié)晶,過濾,所得晶體在150~170℃下干燥。答案:(1)BD(2)通過滴液漏斗滴加液體,H2SO4溶液的滴加速率要慢,以免H2SO4過量分批加入少量氧化鎂粉末,攪拌,直至用pH試紙測得pH≥5,過濾,將濾液蒸發(fā)濃縮、降溫至室溫結(jié)晶,過濾,所得晶體在150~170℃下干燥【真題拓展】根據(jù)本題解答下列問題:(1)盛有NaOH溶液的作用是_________________。

提示:吸收SO2,防止污染環(huán)境(2)三頸瓶中通入空氣的作用是________________。

提示:將產(chǎn)生的SO2趕至燒杯中被NaOH溶液完全吸收角度2實驗方案的評價3.(2024·浙江6月選考·20節(jié)選)某小組采用如下實驗流程制備AlI3:已知:AlI3是一種無色晶體,吸濕性極強(qiáng),可溶于熱的正己烷,在空氣中受熱易被氧化。如圖為步驟Ⅰ的實驗裝置圖(夾持儀器和尾氣處理裝置已省略)請回答:(1)下列做法不正確的是______________。

A.步驟Ⅰ中,反應(yīng)物和溶劑在使用前除水B.步驟Ⅰ中,若控溫加熱器發(fā)生故障,改用酒精燈(配石棉網(wǎng))加熱C.步驟Ⅲ中,在通風(fēng)櫥中濃縮至蒸發(fā)皿內(nèi)出現(xiàn)晶膜D.步驟Ⅳ中,使用冷的正己烷洗滌(2)所得粗產(chǎn)品呈淺棕黃色,小組成員認(rèn)為其中混有碘單質(zhì),請設(shè)計實驗方案驗證_____________________________。

(3)純化與分析:對粗產(chǎn)品純化處理后得到產(chǎn)品,再采用銀量法測定產(chǎn)品中I-含量以確定純度。滴定原理:先用過量AgNO3標(biāo)準(zhǔn)溶液沉淀I-,再以NH4SCN標(biāo)準(zhǔn)溶液回滴剩余的Ag+。已知:難溶電解質(zhì)AgI(黃色)AgSCN(白色)Ag2CrO4(紅色)溶度積常數(shù)Ksp8.5×10-171.0×10-121.1×10-12從下列選項中選擇合適的操作補(bǔ)全測定步驟。稱取產(chǎn)品1.0200g,用少量稀酸A溶解后轉(zhuǎn)移至250mL容量瓶,加水定容得待測溶液。取滴定管檢漏、水洗→________→裝液、趕氣泡、調(diào)液面、讀數(shù)→用移液管準(zhǔn)確移取25.00mL待測溶液加入錐形瓶→________→________→加入稀酸B→用1.000×10-2mol·L-1NH4SCN標(biāo)準(zhǔn)溶液滴定→________→讀數(shù)。

a.潤洗,從滴定管尖嘴放出液體b.潤洗,從滴定管上口倒出液體c.滴加指示劑K2CrO4溶液d.滴加指示劑硫酸鐵銨[NH4Fe(SO4)2]溶液e.準(zhǔn)確移取25.00mL4.000×10-2mol·L-1AgNO3標(biāo)準(zhǔn)溶液加入錐形瓶f.滴定至溶液呈淺紅色g.滴定至沉淀變白色【審題流程】第一步:明確實驗?zāi)康哪承〗M采用題給實驗流程制備AlI3第二步:獲取實驗信息AlI3是一種無色晶體,吸濕性極強(qiáng),可溶于熱的正己烷,在空氣中受熱易被氧化第三步:分析實驗流程分析4個實驗步驟,知道所用實驗儀器(或裝置)、實驗操作第四步:設(shè)計、評價方案評價4個步驟操作的正誤,評價滴定操作方案的正誤并選擇正確操作,設(shè)計驗證方案【解析】(1)A.AlI3吸濕性極強(qiáng),因此在步驟Ⅰ中,反應(yīng)物和溶劑在使用前必須除水,故A正確;B.使用易燃的有機(jī)溶劑時,禁止使用明火加熱,因此在步驟Ⅰ中,若控溫加熱器發(fā)生故障,不能改用酒精燈(配石棉網(wǎng))加熱,故B錯誤;C.AlI3在空氣中受熱易被氧化,因此在步驟Ⅲ中蒸發(fā)濃縮時,要注意在有保護(hù)氣(如持續(xù)通入氮氣的蒸餾燒瓶等)的裝置中進(jìn)行,不能直接在蒸發(fā)皿中濃縮,故C錯誤;D.AlI3在空氣中受熱易被氧化、可溶于熱的正己烷,因此,為了減少溶解損失,在步驟Ⅳ中要使用冷的正己烷洗滌,故D正確。(2)淀粉遇碘單質(zhì)呈藍(lán)色,故取少量粗產(chǎn)品于試管中,加入淀粉溶液,若溶液變藍(lán),則說明粗產(chǎn)品中含有碘單質(zhì),否則沒有。(3)潤洗時,滴定管尖嘴部分也需要潤洗;先加25.00mL待測溶液,后加25.00mL4.000×10-2mol·L-1AgNO3標(biāo)準(zhǔn)溶液,兩者充分反應(yīng)后,剩余的Ag+濃度較小,然后滴加指示劑硫酸鐵銨[NH4Fe(SO4)2]溶液,可以防止生成Ag2SO4沉淀;選用[NH4Fe(SO4)2]溶液作指示劑,滴定終點時,其中的Fe3+可以與過量的半滴NH4SCN標(biāo)準(zhǔn)溶液中的SCN-反應(yīng)生成紅色的配合物,故滴定至溶液呈淺紅色,綜上所述,需要補(bǔ)全的操作步驟依次是aedf。答案:(1)BC(2)取少量粗產(chǎn)品置于試管中加入淀粉溶液,若溶液變藍(lán),則說明粗產(chǎn)品中含有碘單質(zhì),否則沒有(3)aedf建模板·塑思維評價與改進(jìn)實驗方案的思維模型練模擬·提素養(yǎng)1.(2024·聊城一模節(jié)選)三氯氧磷(POCl3),可用作半導(dǎo)體摻雜劑,是能推進(jìn)中國半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展壯大的一種重要的化工原料。工業(yè)上可以直接氧化PCl3制備POCl3。某興趣小組模擬該工藝設(shè)計實驗裝置如下(某些夾持裝置、加熱裝置已略去):物質(zhì)熔點/℃沸點/℃其他PCl3-11275.5易水解,遇O2生成POCl3,緩慢通入氧氣POCl3產(chǎn)率較高POCl32105.3易水解,能溶于PCl3部分物質(zhì)的性質(zhì)如表:制備POCl3時進(jìn)行操作:(ⅰ)連接儀器,檢查裝置氣密性;(ⅱ)……,至C中白磷消失;(ⅲ)……,控制C裝置反應(yīng)溫度在60~65℃,最終制得POCl3產(chǎn)品。操作(ⅱ)為______________________________,操作(ⅲ)控制溫度在60~65℃,其主要目的是________________________。該實驗裝置存在一處明顯的設(shè)計缺陷,改進(jìn)方法是___________________________。

【解析】儀器氣密性檢查,沒有問題后,可以開始實驗,使氯氣進(jìn)入裝置C,則操作(ⅱ)為打開K1、K2,關(guān)閉K3、K4;根據(jù)題中信息可知,PCl3沸點較低,則控制溫度60~65℃,其主要目的是加快反應(yīng)速率,防止PCl3變?yōu)闅怏w;該實驗過程使用了有毒的氯氣,需要尾氣處理裝置,則改進(jìn)方法是在球形冷凝管上端連接一個裝有堿石灰的干燥管。答案:打開K1、K2,關(guān)閉K3、K4加快反應(yīng)速率,防止PCl3變?yōu)闅怏w在球形冷凝管上端連接一個裝有堿石灰的干燥管2.(2024·煙臺三模節(jié)選)三氯化鉻(CrCl3)是工業(yè)上常用的媒染劑和催化劑,易潮解,易升華,高溫下易被氧氣氧化。實驗室利用反應(yīng)Cr2O3+3CCl42CrCl3+3COCl2制備無水CrCl3的裝置(夾持裝置略)如圖所示。已知:①COCl2(俗稱光氣)有劇毒,能與水反應(yīng)生成兩種酸性氣體。②H2O2在堿性條件下可將Cr3+氧化為CrO42-,酸性條件下可將Cr2O7回答下列問題:(1)試劑X為__________。

(2)檢查裝置氣密性并加入藥品后,加熱前應(yīng)進(jìn)行的操作是___________;

實驗結(jié)束時,在反應(yīng)管右端可得到紫色CrCl3薄片;依次停止加熱裝置B和C,冷卻,繼續(xù)通入一段時間N2的目的是①冷卻CrCl3并防止其被氧化,②_______。

(3)裝置D的主要作用是______________________________________;

裝置F中發(fā)生反應(yīng)的離子方程式為_____________________________。

(4)圖示裝置存在一處缺陷是_____________。

【解析】實驗室制取CrCl3的反應(yīng)為Cr2O3+3CCl42CrCl3+3COCl2,CrCl3易潮解,高溫下易被氧氣氧化,所以要防止裝置內(nèi)在高溫條件下存在空氣,反應(yīng)結(jié)束后繼續(xù)通入一段時間氮氣,讓CrCl3在氮氣氛圍中冷卻,防止空氣進(jìn)入使CrCl3氧化;A中裝濃H2SO4可干燥N2并防止空氣中水蒸氣進(jìn)入C裝置;無水CaCl2防止F中水蒸氣進(jìn)入D及C裝置;反應(yīng)結(jié)束后繼續(xù)通入一段時間氮氣,將COCl2排入裝置F中并被充分吸收,回收尾氣。(1)由分析知,試劑X為濃硫酸。(2)檢查裝置氣密性并加入藥品后,加熱前應(yīng)進(jìn)行的操作是通入一段時間氮氣,排除裝置中的空氣;實驗結(jié)束時,在反應(yīng)管右端可得到紫色CrCl3薄片;依次停止加熱裝置B和C,冷卻,繼續(xù)通入一段時間N2的目的是①冷卻CrCl3并防止其被氧化,②將殘留