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初中化学实验方案的设计和评价专题教案讲义

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2020年4月19日
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一、 实验方案的设计
1考察内容
化学实验设计
a.物质的制备实验设计
b.物质的性质实验设计
c.物质的检验实验设计
d.测定物质的组成实验设计
e.物质的分离或提纯实验设计
f.测定混合物的成分实验设计

2实验方案设计的基本要求
（1） 科学性：实验原理、试验方法和操作过程必须科学
（2） 可行性：设计的实验方案要切实可行，所用药品、仪器、装置安全可靠
（3） 安全性：实验操作要尽量避免带有危险性的操作，尽量避免与有毒物质接触。
（4） 简约性：实验方案设计要求操作简便、装置简单、实验现象明显

3.解题思路和方法
（1） 明确目的原理——明确实验的目的，弄清题给信息
（2） 选择仪器药品——选择合理的化学仪器和药品
（3） 设计装置步骤——设计出合理的实验装置和实验操作步骤
（4） 记录现象和数据——全面、及时而又准确地记录实验过程中的现象和数据
（5） 分析得到结论——根据实验观察的现象和记录的数据，经过分析、计算、图表、推理等处理得出正确的结论

二、 实验方案的评价
实验方案的评价包括实验原理及方案的评价、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。进行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，是否具有严密性
（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，降低成本和提高产品质量
（4） 从环境角度考虑，是否会给环境造成污染
问题探究
问题1某工厂的废水只含硫酸镁和少量硫酸，课外活动小组以此作为课题，探讨如何从中回收纯净的硫酸镁固体。她们设计了两种不同的方案，请你参加讨论：
(1)方案一，选用镁粉为试剂。
①往废水中逐次加入镁粉，当观察到 时，说明加入镁粉的量已经足够。此过程发生反应的化学方程式是 ；
②接下来的操作方法依次是 和 ；
(2)方案二，选用氢氧化钠溶液为试剂。
①向废水中逐滴加入氢氧化钠溶液，当 时，停止滴入氢氧化钠溶液。此过程发生反应的化学方程式是 ；
②为了得到纯净的硫酸镁溶液，接着应进行的实验操作是(请简要写出操作过程)
；
③……，得到硫酸镁固体。
(3)比较两个方案，假设实验中都没有损耗，那么，最后得到的硫酸镁固体的质量是否相同? ，原因是 。
(4)请你继续探究，设计新的方案(使用的试剂必须是与镁粉和氢氧化钠属不同类别)：你选用的一种试剂是(写化学式) ；该试剂发生反应的化学方程式是 。
[分析] 此题较为综合，即考查了基本的化学反应，又考查了实验操作，还考查了新的实验方案的设计。此题能体现同学们综合应用所学知识解决实际问题的能力，为同学们今后设计实验方案奠定基础。请同学们对从硫酸镁和少量硫酸的混合溶液中回收纯净的硫酸镁固体的实验方案进行讨论，需要同学们熟悉有关物质的性质、实验现象和相关的实验操作。
[答案](1)①镁粉有剩余，溶液中不再有气泡产生 Mg+H2SO4==MgSO4+H2↑②过滤，蒸发 (2)①不再生成沉淀 H2SO4+2NaOH==Na2SO4+2H2O MgSO4+2NaOH==Mg(OH)2↓+Na2SO4②过滤，取出沉淀，加入稀硫酸，至沉淀恰好完全溶解 (3)不同，方案一中加入镁粉，增加了硫酸镁的质量 (4)MgO，Mg0+H2SO4==MgSO4+H2O(还可能有其它合理答案)。
问题2某校化学课外兴趣小组的同学在研究性学习课上展示了一套如右图所示的实验装置（假设每步化学反应都完全，氧化铁样品中的杂质不参加反应）。
查阅资料：草酸在浓硫酸存在时加热发生如下反应：
H2C2O4 CO↑+CO2+H2O
经过讨论，同学们对这套装置有了多种认识。
（1）第一小组同学说：从实验安全和实验操作程序看,首先要检查装置的气密性,实验开始先加热___（填A或D）处，实验结束时，应_____（填先或后）停止D处的加热；从环保的角度讲，在E装置后还应对尾气进行处理，其方法是： 。
（2）第二小组的同学说：用该实验装置能够检验一氧化碳与氧化铁反应的产物，其中B装置的作用_______ ；E装置的作用___ ；
一氧化碳与氧化铁反应的化学方程式为 ___________________ _ _。
（3）第三小组的同学说：利用这套装置还能够测定氧化铁样品中氧化铁的质量分数。她们的测定方法是：称量氧化铁样品的质量10.0 g，样品与玻璃管的总质量为60.0 g,完全反应并冷却后再称量玻璃管与剩余固体的总质量为57.6 g。计算实验测得氧化铁样品中氧化铁的质量分数为 。
（4）第四小组同学说：利用这套装置还有另外测定样品中氧化铁的质量分数的方法：先称量氧化铁样品的质量,再分别称量E装置在反应前后的总质量，即可计算求得样品中氧化铁的质量分数。但按此方法实际实验测定结果却偏大，分析造成偏大的原因可能是 。
[分析]本题较好的体现了“理在书中，题在书外”，掌握好书本知识是解题的基础；利用化学计算的某些原理对实验中出现的数据进行处理是该题提出的能力要求；能否根据实验的具体情景对某些问题作出正确的分析体现了同学们思维的境界。本题（1）、（2）两问的思维原点为课本中重点出现的“一氧化碳还原氧化铁”这一重要的化学实验；解答第（3）问，须运用“反应前固体的质量之差==参加反应的氧化铁中氧元素的质量”；解答第（4）问需要考虑装置E和空气相连通这一具体的实验情景。
[答案]（1）A 、先 、点燃或用气球收集 （2）除去CO2；检验CO与Fe2O3反应生成的二氧化碳；3CO+Fe2O32Fe+3CO2 （3）80％ （4）原装置中空气含有的二氧化碳被E装置吸收
问题3请完成以下探究过程：
问题：如何鉴定孔雀石[Cu2(OH)2 CO3]加热分解的产物?
假设：假设孔雀石加热分解的产物是H2O、CO2和CuO。
设计实验：实验①：按右图进行实验，证明分解产物中有H2O和CO2 。
该装置的连接顺序是：a接 ， 接 ；按此顺序连接的理由是：
。
实验②：请你设计实验，证明孔雀石完全分解后，试管中剩余的黑色固体是CuO(用图示或文字说明均可)：
。
现象和结论：实验①中：U形管中的无水硫酸铜变成蓝色，证明产物中有 ；证明产物中有CO2的现象是 。实验②中(你设计的)：因为有 现象，因此黑色固体中有铜元素；因为有 现象，因此黑色固体中有氧元素；由此可得到结论：产物中有CuO。
[分析]熟悉各套装置的功能、知道混合气体中各种成分检验的方法及实验的先后顺序、灵活运用有关物质的性质是解答此类问题所必须具备的基础或能力。要对混合气体中的各种成分进行检验须遵循“先验水，后验其它”的原则，其中检验水用无水硫酸铜，检验二氧化碳用澄清石灰水。
[答案]设计实验：①d e b (或e，d，b) 必须先经过无水硫酸铜检验水蒸气，否则，因澄清石灰水中水的挥发或冷凝作用而干扰原产物中水蒸气的检出；气体经过澄清石灰水时须遵循长进短出的原则。 ②待反应后的试管冷却，拔下橡皮塞，用一根长导管向黑色固体通氢气，一会儿，加热试管，当看到黑色固体变红，试管口有水珠时，停止加热，冷却，停止通入氢气(本问题是开放的：用图示、或其它合理解答均可) 现象和结论：①H2O(水) 澄清石灰水变浑浊 ②试管中黑色固体变红色 试管口有水珠出现 (解答要与设计实验②相匹配)

学以致用
1.将一块光亮的纯铜片放在酒精灯火焰上灼烧，表面变黑。对黑色物质的来源，提出你的二个预测（假设），并设计一个或几个实验来证明你预测的正确性。
预测序号
实验步骤和方法
现象和结论
预测1：可能来源于

预测2：可能来源于
2.用珍珠（主要成分CaCO3）加工成的“珍珠粉”是一种名贵中药材、保健品，可近年来市场上出现了一些假冒的“珍珠粉”，仅用肉眼观察难辨真假。为了向消费者提供鉴别方法，须找出真假“珍珠粉”理化性质上的差异。工商局提供了真、假“珍珠粉”样品，请你展开探究：（只要写出猜想、方案，不需要说出方案实施的具体结果）
猜想一： 真、假“珍珠粉”的气味可能不同 。
方案一： 取样，分别闻一闻它们的气味，分辨气味有无差异 。
猜想二： 。
方案二： 。
猜想三： 。
方案三： 。

3.实验室能够选用下图所示的装置，制取二氧化碳气体(混有氯化氢、水蒸气)和进行有关实验，回答下列问题：

(1)写出制取二氧化碳反应的化学方程式 ；
(2)如果要证明制得的气体中混有氯化氢气体，应把A装置与E装置连接，E装置中观察到的现象是 ，写出有关反应的化学方程式： ；
(3)如果要验证制得的气体是二氧化碳，除A装置外，还应选用上述装置中的 (填装置序号，下同)。
(4)如果要收集一瓶纯净、干燥的二氧化碳气体，请从上述各装置中选择适当的装置进行连接，连接顺序是 ，其中B装置中浓硫酸的作用是 。

4.为验证Fe、Ag、CU的活动性顺序，小红同学用了三种试剂（其中只有一种盐溶液）进行实验，小朗同学用了与小红完全不同的三种试剂（其中有两种盐溶液）进行实验，她们都取得了相同的实验结果。请写出两位同学在实验中所用的试剂的化学式：
（1）小红同学 ；（2）小朗同学 。

5.课堂上同学们利用甲图装置做过氧化氢分解实验时，带火星的木条很难复燃，于是老师加了一个u形管，如乙图，带火星的木条较易复燃。
请回答：
（1）写出实验室制取氧气的化学方程式：_____________________________________。
（2）改用乙装置后能使带火星的木条复燃的原因：________________________________。
（3）根据(2)中推测的原因，请你设计一个新的改进装置（可用图示或用文字叙述改进要点）。

6.中国青海湖地区素有“夏天晒盐，冬天捞碱”之说，其中捞出的碱主要是碳酸钠和少量氯化钠的混合物。小王同学以捞出的碱作为样品，并用以下一套装置对样品进行分析，根据量筒中收集到的液体的体积（相当于二氧化碳的体积）来计算样品中碳酸钠的含量。（已知：HCl+NaHCO3===NaCl+CO2↑+H2O；CO2在饱和NaHCO3溶液中溶解度很小）

（1）在A和B 两套装置中，哪一套装置更合理________（选填“A”或“B”）。
（2）准确读取量筒内液体体积的方法是__________________________________。
（3）锥形瓶中原有的空气对实验结果是否有明显影响？ ______（填“有”或“没有”）。
（4）若实验中用的盐酸是浓盐酸，则测得的样品中碳酸钠的含量与实际值相比会________（填“偏大”或“偏小”或“不变”）。
（5）在实验过程中，对取用样品的量的多少有一定要求，为什么？___________________
_______________________________________________________________________。

7.某蔬菜基地在种植蔬菜时，常采用下列方法。
(1)施用适量的氮肥能够使种植的蔬菜叶色浓绿。
①下列化肥中，属于氮肥的是        。(填字母)
A.碳酸氢铵[NH4HCO3]    B.草木灰(主要成分[K2CO3]   C.磷矿粉[Ca3(P04)2]
②草木灰呈碱性，你认为它        (“能”或“不能”)与所选的氮肥混合施用，理由是                 。
(2)用大棚种植蔬菜时，常向大棚中补充气体肥料CO2
①目的是促进绿色植物的        作用。
②若提供的气体肥料CO2中混有少量的SO2，为了除去SO2，现设计以下两种方法。
甲方法：将气体经过足量的碳酸氢钠溶液。
乙方法：将气体经过足量的氢氧化钠溶液。
【提供资料】I.CO2与NaHCO3不会发生反应。
Ⅱ.SO2+2NaHCO3==Na2SO3+H2O+2CO2
Ⅲ.SO2+2Na0H==NaSO3+H2O
请你利用提供的资料和所学的知识分析：
上述        方法(填“甲”或“乙”)可行，理由是                                  、                                      

8.在学校的元旦联欢会上，某同学表演了“水能生火”的魔术。她向包有过氧化钠(Na2O2)粉末的脱脂棉上滴水，脱脂棉燃烧起来。小军很感兴趣，于是，她和同学们进行探究。

【提出问题】过氧化钠与水反应生成了什么物质?为什么脱脂棉会燃烧
【猜想】①可能有一种气体和另一种物质生成
            ②反应过程中可能有能量变化
【设计装置】如右图所示
【实验探究】
实验一：探究反应后生成的气体是什么
(1)打开图上装置中分液漏斗的活塞，控制滴加水的速度，观察到试管内有气泡产生，用带火星的木条靠近P处，木条复燃。说明生成的气体是        。
(2)实验中，还观察到伸入烧杯中的导管口有气泡冒出，请解释产生该现象的原因：
                                。
实验二：继续探究反应后生成的另一种物质是什么
(1)小张猜想另一种物质是Na2CO3，小军认为不可能。小军的依据是：       
为了证实小军的看法，请你设计一个证明CO2不存在的实验。
实验步骤
实验现象
实验结论

(2)小军取反应后所得的溶液于试管中，滴人无色酚酞试液，发现酚酞试液变红色，说明反应后所得的溶液呈        性。
【表示】由实验探究的结果，写出过氧化钠和水反应的化学方程式                      

9.在实验探究课上，老师给了同学们一包红色粉未，该粉末是铜粉和和氧化铁粉中的一种或两种。同学们为了确定该粉末的成分，进行如下探究。请你参与她们的探究并回答问题。
  (1)[提出问题]假设l：红色粉末是铜粉；假设2：红色粉末是氧化铁粉；
    假设3：红色粉末是        。
  (2)[设计实验方案]同学们对实验作了如下设想和分析：取少量红色粉末放入硬质玻璃管中，通入一氧化碳片刻后加热至充分反应(实验装置图如下)。

请你完成下表：
实验中可能出现的现象
结论

假设1成立

假设2成立

假设3成立
  (3)[进行实验]经过实验及分析，确认假设3成立。
(4)[反思与评价]
①实验过程中，硬质玻璃管内发生的化学反应方程式是        。
②实验时通入一氧化碳片刻后再加热的原因是                        。
③从环保角度看，上面的实验装置有不足之处，请你对该装置进行改进，具体措施是        。
  (5)[拓展]为了进一步探究铁和铜的金属活动性强弱，你认为可选用下列试剂中的
        (填序号)。
A.硝酸铜溶液             B.稀盐酸                  C.氯化亚铁溶液

10. 某兴趣小组对氢氧化钠固体暴露在空气中的变质情况进行了研究。把一小块固体氢氧化钠放在表面皿里，长时间暴露在空气中，发现其固体表面逐渐湿润，部分溶化成液体后又逐渐形成晶体，最终变成粉末。请回答兴趣小组产生的下列问题：
(1)实验室中，氢氧化钠固体应怎样保存? _________ 。
(2)氢氧化钠固体暴露在空气中，表面容易变湿，主要原因是什么?　________　。
(3)氢氧化钠固体长期暴露在空气中，最终产物主要是什么 _______ 。
(4)用酚酞试液 ______ (填“能”或“不能”)检验氢氧化钠变质。为什么　_____ 。　
(5)除加酸以外，怎样用其它方法检验氢氧化钠固体已经变质?　________　。
(6)为了检验氢氧化钠是否已经全部变质，兴趣小组中小薇同学设计了如下实验方案：
准确称取一定质量的变质固体样品，放在右图所示装置中，
然后从分液漏斗中加入足量的盐酸，用排水法收集产生的二氧
化碳，根据二氧化碳的体积和密度计算变质产物的质量，确定
是否全部变质。
①你认为这个方案 _______ (填“行”或“不行”)。理由是什么？ __________ 。
②请你另外设计一个方案，并简要说明实验方法和结论。
________ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ，_________ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ __ 。

11. 2、小亮同学设计了如下图所示装置进行趣味实验。
（1）使用甲装置进行实验时，将滴管中的物质
挤入烧瓶，然后打开止水夹，能够观察到烧瓶
内产生美丽的喷泉。你推测原烧瓶内的物质可
能是 （填一种，下同），滴管中的物
质可能是 。
（2）是用以装置进行实验时，也同样形成了
喷泉。小亮同学加入的物质不可能是
（填字母） 盐酸
A、锌粒 B、碳酸钙 C木炭 D镁粉 水 固体
（3）公园中常见的喷泉以及自然界中常见的
火山爆发原理与上述 （填“甲”或“乙”） 甲 乙
装置原理相同。

12. 请根据下面图一、图二的有关信息，按题目要求回答问题：

（1）图一是向氢氧化钠溶液中逐滴加入盐酸时溶液温度与盐酸溶液体积之间的变化关系图。图中M点的意义是 ，此时反应中氢氧化钠和氯化氢的质量比是 ，氢氧化钠和盐酸的反应是 反应（填“放热”或“吸热”）。
（2）图二是向碳酸钠溶液中逐滴加入盐酸时有关反应图像，该图像说明向碳酸钠溶液中加入盐酸时反应分两步完成。第一步，当加入盐酸的体积在0-V1 mL时无气泡产生，此时发生的反应是Na2CO3＋HCl＝NaHCO3＋NaCl；第二步，当加入盐酸的体积大于V1 mL后，NaHCO3与盐酸反应产生气体，反应的化学方程式为_______________________________________。当所加盐酸的体积等于V2 mL时，溶液中存在的溶质是 ，所加盐酸体积大于V2 mL时，溶液的PH 7。

13.右图是“△△牌发酵粉”的部分信息，课外化学兴趣小组的同学对其进行了如下探究（请你完成相应填空）：
【查阅资料】（1）酒石酸是一种易溶解于水的固体有机酸；
（2）发酵粉能够使面团松软、发泡是因为发酵粉产生了CO2所致；
（3）Na2CO 3受热不分解。
【提出问题】NaHCO3在发酵粉加水或加热时如何产生CO2？
【猜 想】甲．……
乙．酒石酸与NaHCO3在溶液中反应产生CO2
丙．NaHCO3加热产生CO2
【实验探究】
（1）小明同学取少量NaHCO3粉末于试管中，加入适量水，无气体产生，从而否定了猜想甲，则猜想甲是 。小明又将酒石酸溶液和NaHCO3溶液混合，产生了CO2，从而验证了猜想乙，说明了NaHCO3具有的性质之一是 ；
（2）小英同学为探究猜想丙设计了右图所示的实验装置：
小英另取适量NaHCO3粉末加入a试管中，加热，观察到a试管口有水生成，b试管中澄清石灰水变浑浊。b试管中反应的化学方程式为 。
持续加热直至两支试管均不再发生变化时，发现a试管中仍残留有较多白色固体粉末，向该粉末中滴加稀盐酸，有CO2产生，说明该粉末是 。
【小 结】
NaHCO3在发酵粉中产生CO2的条件是 ；
NaHCO3受热发生变化的化学方程式为 ；