第四節化學實驗方案的設計與評價
【高考新動向】
【考綱全景透析】
一、化學實驗方案的設計
1.化學實驗方案設計的基本要求
①科學性，實驗原理，準確，實驗流程合理。
②安全性，保護人身、保護環境、保護儀器。
③可行性，條件允許，效果明顯，操作正確。
④簡約性，做到步驟少，時間短、效果好等基本要求。
2.化學實驗方案設計的基本思路
①明確目的原理
首先必須認真審題，明確實驗的目的要求，弄清題目有哪些新的資訊，綜合已學過的知識，通過模擬、遷移、分析，從而明確實驗原理。
②選擇儀器藥品
根據實驗的目的和原理，以及反應物和生成物的性質、反應條件，如反應物和生成物的狀態，能否腐蝕儀器和橡皮、反應是否加熱及溫度是否控制在一定的範圍等，從而選擇合理的化學儀器和藥品。
③設計裝置步驟
根據上述實驗目的和原理，以及所選用的儀器和藥品，設計出合理的實驗裝置和實驗操作步驟。學生應具備識別和繪製典型的實驗儀器裝置圖的能力，實驗步驟應完整而又簡明。
④記錄現象資料
根據觀察，全面而準確地記錄實驗過程中的現象和資料。
⑤分析得出結論
根據實驗觀察的現象和記錄的資料，通過分析、計算、圖表、推理等處理，得出正確的結論。
以上只是解答綜合實驗設計題的一般思考方法。在解答過程中，應根據實驗設計題的具體情況和要求，作出正確的回答。
在解題時，首先要對題目中給出的資訊進行處理，弄清是對實驗的那一方面進行**，然後深入分析實驗，依據題目中提出的實驗假設或自行提出的實驗假設，合理運用化學知識，巧妙設計實驗方案，通過實驗現象的客觀事實對實驗進行**性驗證。
3. 化學實驗設計的基本內容
乙個相對完整的化學實驗方案一般包括下述內容：
(1)實驗名稱;(2)實驗目的；(3)實驗原理；
(4)實驗用品(藥品、儀器、裝置、裝置)及規格；
(5)實驗裝置圖、實驗步驟和操作方法；
(6)實驗注意事項；
(7)實驗現象的記錄及結果處理；
(8)問題與討論。
4.化學實驗方案設計的注意事項
(1)實驗操作順序
裝置選擇與連線→氣密性檢查→加固體藥品→加液體藥品→開始實驗(按程式)→拆卸儀器→其他處理等。
(2)加熱操作先後順序的選擇
若氣體製備實驗需加熱，應先加熱氣體發生裝置，通入氣體排出裝置中的空氣後，再給實驗中需要加熱的物質加熱。目的是：①防止**(如氫氣還原氧化銅)；②保證產品純度，防止反應物或生成物與空氣中的物質反應。
熄滅酒精燈的順序則相反。
(3)實驗中試劑或產物防止變質或損失
①實驗中反應物或產物若易吸水、潮解、水解等，要採取措施防止吸水；
②易揮發的液體產物要及時冷卻；
③易揮發的液體反應物，需在反應裝置中加裝冷凝回流裝置(如長導管、豎直的乾燥管、冷凝管等)；
④注意防止倒吸的問題。
(4)選用儀器及連線順序
(5)儀器藥品的準確描述
①實驗中所用試劑名稱：如無水硫酸銅(cuso4)，硫酸銅溶液，酸性高錳酸鉀溶液；澄清石灰水；飽和碳酸氫鈉溶液等。
②儀器名稱：如坩堝、研缽、100 ml 容量瓶。
(6)會畫簡單的實驗裝置圖
考綱要求能夠繪製和識別典型的實驗儀器裝置圖，可用「示意裝置圖」表示。一般能畫出簡單的裝置圖即可，但要符合要求，例如形狀、比例等。
【典例1】某研究性學習小組設計實驗**鋁等金屬的性質：將一置於空氣中的鋁片投入濃氯化銅溶液中，鋁片表面很快出現一層海綿狀暗紅色物質，接下來鋁片上產生大量氣泡，產生的氣體具有可燃性，觸控容器知溶液溫度迅速上公升，溶液中有藍色沉澱生成的同時夾雜著少量黑色物質。
(1)鋁片表面出現的暗紅色物質是______，放出的氣體是______。
(2)藍色的沉澱中夾雜著少量黑色物質是_______，寫出生成該物質的化學方程式
(3)鋁片投入濃氯化銅溶液中，產生氣體的速率不斷加快的原因除隨著反應進行生成鋁離子濃度增大，水解程度增大，產生h+的濃度增大外，還有
【解析】(1)鋁活潑性大於銅，在水溶液中鋁置換出銅，氯化銅溶液水解顯酸性，產生的可燃性氣體是氫氣。
(2)生成的藍色沉澱只能是氫氧化銅，夾雜的黑色物質是氫氧化銅分解生成的氧化銅。(3)反應速率加快的原因主要有：溫度公升高，形成原電池。
答案：(1)銅或cu 氫氣或h2
(2)cuo cu(oh)2cuo+h2o
(3)該反應放熱，溫度公升高反應加快；銅與鋁構成原電池，加快鋁溶解(合理即可)
二、實驗方案的評價
對幾個實驗方案的正確與錯誤、嚴密與不嚴密、準確與不準確做出判斷．要考慮是否完全合理、有無干擾現象、經濟上是否合算和對環境有無汙染等．
1．從可行性方面對實驗方案做出評價
科學性和可行性是設計實驗方案的兩條重要原則，在對實驗方案進行評價時，要分析實驗方案是否科學可行，實驗方案是否遵循化學理論和實驗方法要求，在實際操作時能否做到可控易行．評價時，從以下4個方面分析：
(1)實驗原理是否正確、可行；
(2)實驗操作是否安全、合理；
(3)實驗步驟是否簡單、方便；
(4)實驗效果是否明顯等
2．從「綠色化學」視角對實驗方案做出評價
「綠色化學」要求設計安全的、對環境友好的合成線路，降低化學工業生產過程中對人類健康和環境的危害，減少廢棄物的產生和排放．據此，對化學實驗過程或方案從以下4個方面進行綜合評價：
(1)反應原料是否易得、安全、無毒；
(2)反應速率是否較快；
(3)原料利用率以及生成物質的產率是否較高；
(4)實驗過程中是否造成環境汙染．
3．從「安全性」方面對實驗方案做出評價化學實驗從安全角度常考慮的主要因素如下：
(1)淨化、吸收氣體及熄滅酒精燈時要防液體倒吸；
(2)進行某些易燃易爆實驗時要防**(如h2還原cuo應先通h2，氣體點燃先驗純等)；
(3)防氧化(如h2還原cuo後要「先滅燈再停氫」，白磷切割宜在水中等)；
(4)防吸水(如實驗取用、製取易吸水、潮解、水解的物質時宜採取必要措施，以保證達到實驗目的)；
(5)冷凝回流(有些反應中，為減少易揮發液體反應物的損耗和充分利用原料，需在反應裝置上加裝冷凝回流裝置，如長玻璃管、豎裝的乾燥管及冷凝管等)；
(6)易揮發液體產物(匯出時可為蒸氣)的及時冷卻；
(7)儀器拆卸的科學性與安全性(也從防汙染、防氧化、防倒吸、防**、防洩漏等角度考慮)；
(8)其他，如實驗操作順序、試劑加入順序、實驗方法使用順序等．
4.從規範性方面
(1)冷凝回流(有些反應中，為減少易揮發液體反應物的損耗和充分利用原料，需在反應裝置上加裝冷凝回流裝置，如長玻璃管、豎裝的乾燥管及冷凝管等)；
(2)易揮發液體產物(匯出時可為蒸氣)的及時冷卻；
(3)儀器拆卸與組裝順序相反，按照從右向左，從高到低的順序；
(4)其他(如實驗操作順序、試劑加入順序、實驗方法使用順序等)。
【警示】
實驗評價問題是高考題經常考查的一類綜合性實驗試題，可以很好的考查學生分析問題和解決問題的能力。
在比較幾個實驗方案及選擇合理裝置時，首先要明確實驗原理和實驗目的，體會各方案設計是否合理，確定不合理方案的原應。認真對比各方案、各裝置的異同，重點分析其中的不同之處，體會在不同之處哪個方案、裝置更合理有效。經過對不同之處逐一分析，選擇各方案中的優點，重新組合可以得到最佳方案。
【典例2】下列實驗操作與預期實驗目的或所得實驗結論正確的是( )
【解析】選d。選項a中，鐵與鹽酸反應生成二價鐵，故不論鍍鋅還是鍍錫，遇硫***都無現象；焰色反應顯黃色，說明一定含有鈉元素，可能含有鉀元素，選項b錯誤；選項c中水解後應加酸中和，錯誤；氯化銅溶液水解顯酸性，鋁和酸反應，放出氫氣，促進水解，生成氫氧化銅沉澱，選項d正確。
【高考零距離】
【2023年高考】
1、（2012 ·安徽高考· 28）（13分）
工業上從廢鉛酸電池的鉛膏**鉛的過程中，可用碳酸鹽溶液與處理後的鉛膏（主要成分為pbso4）發生反應：pbso4(s)+co32—(aq)pbco3(s)+so42—(aq)。某課題組用pbso4為原料模擬該過程，**上述反應的實驗條件及固體產物的成分。
（1）上述反應的平衡常數表示式：k
（2）室溫時，向兩份相同的pbso4樣品中分別加入同體積、同濃度的na2co3和nahco3溶液均可實現上述轉化，在溶液中pbso4轉化率較大，理由是
（3）查閱文獻：上述反應還可能生成鹼式碳酸鉛[2pbco3·pb(oh)2]，它和pbco3受熱都易分解生成pbo。該課題組對固體產物（不考慮pbso4）的成分提出如下假設，請你完成假設二和假設三：
假設一：全部為pbco3；
假設二假設三
（4）為驗證假設一是否成立，課題組進行如下研究。
①定性研究：請你完成下表中內容。
②定量研究：取26.7mg的乾燥樣品，加熱，測得固體質量隨溫度的變化關係如下圖。某同學由圖中資訊得出結論：假設一不成立。你是否同意該同學的結論，並簡述理由
【解題指南】本題的難點是第4小題實驗方案的設計，解答時要充分注意題目資訊的提示，「pbco3·pb(oh)2和pbco3受熱都易分解生成pbo」，「取一定量樣品充分乾燥」這些資訊都指向了運用二者加熱分解產物不同的方法進行實驗設計。
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