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：12
【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100mL，装置G读数为65.0mL，则取样气体中CO2体积含量约为________%。12
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100mL－65.0mL＝35.0mL，气体中CO2的体积含量＝×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。12
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ABCD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；C12
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( )。12
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：12
(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：12
(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16.2g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B200.0g200.0gC210.0g234.2gD220.0g229.0gE210.0g212.2g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12
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SO2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24.0g铁钉放入60.0mL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12
(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0.01g)。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，CCOCO2的转化在操作上不方便，经济上不划算；B选项，CuCu（NO3）2溶液的转化在经济上不划算；C选项，FeFe2O3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＋CuOCu＋H2OB、C方案二①CuO＋H2SO4===CuSO4＋H2O②Fe＋CuSO4===Cu＋FeSO4D、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＋CuOCu＋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 2KClO32KCl＋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CO212
，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，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229.0g－220.0g＝9.0g，含氢元素的质量为9.0g×（×100%）＝1.0g；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（234.2g－210.0g）＋（212.2g－210.0g）＝26.4g，含碳元素的质量为26.4g×（×100%）＝7.2g，由于纸袋的质量（16.2g）大于所含碳、氢元素质量之和（1.0g＋7.2g＝8.2g），故纸袋中一定含有氧元素，其碳、氢原子个数比为∶＝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SO，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CO，然后滴加氯化钡溶液，有沉淀生成，说明溶液中含有SO；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0.1g） 由生成水的质量可知：水中含有的氧元素质量为0.09g－0.01g＝0.08g，则参加反应的CuO中氧元素的质量为0.08g；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0.08g和0.09g。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0.08g和0.09g12
，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0.1g，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
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