主题28:实验方案的设计与评价
李仕才
考点四 物质性质探究类实验
探究性实验以其创新、灵活的特点成为高考的热点题型,试题将元素化合物知识与化学实验知识巧妙地融合在一起,增加了题目的新颖度和难度,能充分考查考生的发散思维能力和分析问题能力。实验探究过程中往往通过对化学实验进行比较甄别,从而揭示反应原理、解释产生某些现象的原因等。考生只有灵活运用已有元素化合物的知识,才能使复杂问题简单化。探究性实验的考查点有对物质化学性质的实验探究、对反应产物成分的实验探究、对化学反应原理的实验探究。
1.物质性质实验探究的角度与方法
物质性质实验探究是中学化学实验探究的重要内容。设计实验探究时,要求原理准确、步骤简捷、现象明显、结论易得,且不对环境造成污染,中学化学性质实验探究的主要角度有:
(1)物质氧化性、还原性的判断。如探究SO2具有还原性的方法是将气体通入酸性KMnO4溶液中,通过KMnO4溶液是否褪色来说明。
3+
(2)物质氧化性强弱、还原性强弱的判断。如探究Fe的氧化性强于I2时,可利用FeCl3与KI-淀粉溶液反应,通过溶液是否变蓝色来说明。
(3)同周期、同主族元素性质的递变规律一般通过设计元素金属性、非金属性的强弱实验来完成,如通过Mg、Al与同浓度盐酸反应产生H2的快慢来说明Mg的活动性强于Al。
(4)电解质强弱的判断。如探究一元酸HA是弱酸的方法是常温下配制NaA的溶液,测pH,若pH>7,则说明HA为弱酸。
(5)物质酸性强弱的判断。如探究碳酸和硅酸的酸性强弱,可利用相对强的酸制备相对弱的酸的反应原理,将CO2
气体通入Na2SiO3中溶液,看是否有白色沉淀生成来判断。
(6)钢铁发生电化学腐蚀的规律探究。可以通过控制所含的杂质是否与空气接触、所接触的电解质溶液的酸碱度、钢铁在腐蚀过程中体系内的气压变化等角度设计实验,找出规律。
2.性质实验探究设计需要注意的问题
(1)有水蒸气生成时,先检验水蒸气再检验其他成分。 (2)对于需要进行转化才能检测的成分要注意排除干扰。如CO的检验,要先检测CO中是否含有CO2,如果有CO2,先除去CO2后才能对CO实施转化,最后再检测转化生成的CO2。
(3)若试题只给出部分药品和装置,则应给出必要的补充;若给出多余的试剂品种,则应进行筛选。 (4)注重答题的规范性,有些题目要求指出试剂的名称。如无水硫酸铜、澄清石灰水、酸性高锰酸钾溶液、饱和NaHCO3溶液等。
1.(2017年全国Ⅲ卷,26)绿矾是含有一定量结晶水的硫酸亚铁,在工农业生产中具有重要的用途。某化学兴趣小组对绿矾的一些性质进行探究。回答下列问题:
(1)在试管中加入少量绿矾样品,加水溶解,滴加KSCN溶液,溶液颜色无明显变化。再向试管中通入空气,溶液逐渐变红。由此可知: 、 。
(2)为测定绿矾中结晶水含量,将石英玻璃管(带两端开关K1和K2)(设为装置A)称重,记为m1 g。将样品装入石英玻璃管中,再次将装置A称重,记为m2 g。按下图连接好装置进行实验。
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①仪器B的名称是 。
②将下列实验操作步骤正确排序 (填标号);重复上述操作步骤,直至A恒重,记为m3 g。 a.点燃酒精灯,加热 b.熄灭酒精灯 c.关闭K1和K2
d.打开K1和K2,缓缓通入N2
e.称量A
f.冷却到室温
③根据实验记录,计算绿矾化学式中结晶水数目x= (列式表示)。若实验时按a、d次序操作,则使x (填“偏大”“偏小”或“无影响”)。
(3)为探究硫酸亚铁的分解产物,将(2)中已恒重的装置A接入下图所示的装置中,打开K1和K2,缓缓通入N2,加热。实验后反应管中残留固体为红色粉末。
①C、D中的溶液依次为 (填标号)。C、D中有气泡冒出,并可观察到的现象分别为 。 a.品红 b.NaOH c.BaCl2 d.Ba(NO3)2 e.浓H2SO4
②写出硫酸亚铁高温分解反应的化学方程式: 。
3+
【解析】(1)样品溶于水后滴加KSCN溶液,溶液颜色无明显变化,说明样品中无Fe;再向试管中通入空气,溶液
3+3+
逐渐变红,这说明有Fe产生,即硫酸亚铁易被空气中的氧气氧化为硫酸铁,Fe遇KSCN溶液显红色。(2)②由于装置中含有空气,空气能氧化硫酸亚铁,所以加热前需要排尽装置中的空气,利用氮气排出空气,为了使生成的水蒸气完全排出,应该先熄灭酒精灯,再冷却,然后关闭K1和K2,最后称量,即正确的排序是dabfce。③样品的质量是(m2-m1)g,
加热后剩余固体是硫酸亚铁,根据铁原子守恒可知=,解得x=。若实验时按a、d次序操作,在加热
过程中硫酸亚铁被氧气氧化为硫酸铁,导致m3增大,因此x偏小。(3)①最终得到红色粉末,说明有氧化铁生成,即分解过程发生了氧化还原反应,根据化合价变化可知一定有SO2生成,这说明硫酸亚铁分解生成氧化铁、SO2和SO3。SO3溶于水生成硫酸,硫酸和钡离子结合生成白色沉淀硫酸钡,由于硝酸钡在酸性溶液中有氧化性,能氧化SO2,因此应该用氯化钡检验SO3,用品红溶液检验SO2,故C、D中的溶液依次为氯化钡溶液和品红溶液,实验现象是C中产生白色沉淀,D中品红溶液褪色。②根据以上分析可知硫酸亚铁高温分解的化学方程式为2FeSO4
【答案】(1)样品中没有Fe Fe易被氧气氧化为Fe
(2)①干燥管 ②dabfce
③ 偏小
(3)①c、a 生成白色沉淀、褪色 ②2FeSO4
Fe2O3+SO2↑+SO3↑
3+
2+
3+
Fe2O3+SO2↑+SO3↑。
2.锰的化合物种类较多,大多具有广泛的用途。
Ⅰ.MnO2具有较强的氧化性,某化学兴趣小组通过实验探究MnO2的性质。
(1)该小组设计了如下4个方案以验证MnO2的氧化性,其中可行的是 。 A.把MnO2固体加入稀盐酸中,观察是否有黄绿色气体生成 B.把MnO2固体加入H2O2溶液中,观察是否有气泡产生
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C.往Na2SO3溶液中加入MnO2固体,再滴加BaCl2溶液,观察是否有白色沉淀生成 D.往FeSO4溶液中滴加几滴KSCN溶液,再加入MnO2固体,观察溶液是否变红
(2)为研究溶液中MnO2的氧化能力与溶液酸碱性的关系,该小组同学设计了如下的对比实验:在室温下,取A、B、C
-1
三支试管,用等浓度、等体积的KI溶液和质量、颗粒大小相同的MnO2固体反应,然后分别加入1 mL 0.2 mol·L NaOH
-1
溶液、1 mL水、1 mL 0.1 mol·L硫酸。现象记录如下: 试管编实验现象 号 A 溶液不变色 B 溶液缓慢变浅棕褐色 C 溶液迅速变棕褐色
①从以上实验中,我们可以得出的结论是 。
②写出试管C中发生反应的离子方程式: 。
Ⅱ.铁酸锰(MnFe2O4)可用于热化学循环分解水制氢,可有效缓解能源危机。MnFe2O4的制备工艺流程如下:
已知Fe、Mn沉淀的pH如下表所示:
开始沉完全沉淀 淀 3+Fe 2.7 4.2 2+Mn 8.3 10.4 (1)步骤一中投入原料Fe(NO3)3和Mn(NO3)2的物质的量之比理论上应为 。 (2)步骤二中需控制pH的范围是 。
(3)步骤三沉淀中是否洗涤干净的判断方法是 。
【解析】Ⅰ.(1)MnO2需与浓盐酸反应制氯气且需要加热,方案A错误;MnO2作催化剂,不是氧化剂,方案B错误;BaSO3和BaSO4均为白色沉淀,方案C错误;如果溶液变为红色,说明MnO2具有氧化性,方案D正确。
(2)①根据表格中的数据,在酸性条件下溶液迅速变为棕褐色,说明I迅速被氧化成I2,因此得出的结论是酸性越强,MnO2的氧化能力越强。
②反应中I→I2,I元素的化合价升高,MnO2中Mn元素由+4价→+2价,化合价降低,因此反应的离子方程式为+-2+
MnO2+4H+2IMn+I2+2H2O。
Ⅱ.(1)根据铁酸锰的化学式MnFe2O4,以及元素守恒,推出Fe(NO3)2和Mn(NO3)2的物质的量之比为2∶1。
3+2+
(2)根据工艺流程,需要保证Fe、Mn全部转化成沉淀,因此调节pH≥10.4。
(3)沉淀表面是KOH溶液,因此检验沉淀是否洗净,可以检验洗涤液是否呈中性。 【答案】Ⅰ.(1)D
(2)①酸性越强,MnO2的氧化能力越强
②MnO2+4H+2IMn+I2+2H2O
Ⅱ.(1)2∶1 (2)pH≥10.4 (3)最后的洗涤液是否呈中性
一、猜测假设型实验设计的一般思路
+
-2+
--3+
2+
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二、化学实验方案的评价 1.从可行性方面进行评价
(1)实验原理(如药品的选择)是否正确、可行; (2)实验操作(如仪器的选择、连接)是否安全、合理; (3)实验步骤是否简单、方便;
(4)实验现象是否明显,实验结论是否正确。 2.从“绿色化学”视角进行评价 (1)反应原料是否易得、安全、无毒; (2)反应速率是否较快;
(3)原料利用率以及合成物质的产率是否较高; (4)合成过程中是否造成环境污染。 3.规范性视角
(1)仪器的安装与拆卸;
(2)仪器的检漏、气密性检验; (3)试剂添加的顺序与用量;
(4)加热的方式和时机;
(5)温度计的规范使用、水银球的位置; (6)实验数据的读取;
(7)冷却、冷凝的方法等。
4.从实验设计的安全性方面进行评价
(1)净化、吸收气体及熄灭酒精灯时要防液体倒吸;
(2)进行某些易燃易爆实验时要防爆炸(如H2还原CuO应先通H2,气体点燃前先验纯等); (3)防氧化(如H2还原CuO后要“先灭灯再停氢”,白磷切割宜在水中进行等);
(4)防吸水(如取用或制取易吸水、潮解、水解的药品,宜采取必要措施,以保证达到实验目的);
(5)冷凝回流(有些反应中,为减少易挥发液体反应物的损耗和充分利用原料,需在反应装置上加装冷凝回流装置,如长玻璃管、冷凝管等);
(6)易挥发液体产物导出时若为蒸汽的要及时冷却;
(7)仪器拆卸的科学性与安全性(从防污染、防氧化、防倒吸、防爆炸、防泄漏等角度考虑); (8)其他(如实验操作顺序、试剂加入顺序、实验方法使用顺序等)。
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