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專題4 實驗設計與探究題 【復習目標】 1、 通過實驗設計裝置的理解，學會設計實驗； 2、 理解探究的步驟、內(nèi)容、解題思路，學會解決探究題。 【課時安排】教學安排：2課時 【復習重點和難點】 1、通過實驗設計裝置的理解，學會設計實驗； 2、理解探究的步驟、內(nèi)容、解題思路，學會解決探究題。 【教學過程】 一、知識梳理： （一）1.實驗方案的設計 實驗設計考查的發(fā)展方向是以化學實驗為基礎，聯(lián)系科學研究、生產(chǎn)、生活、環(huán)境保護的實際去發(fā)現(xiàn)并提出問題、設計實驗去探討和解決實際問題并得出科學的發(fā)現(xiàn)和結論，它包括物質(zhì)的制備、物質(zhì)的鑒別、物質(zhì)的分離、物質(zhì)的組成分析、氣體的凈化與轉(zhuǎn)化等的實驗方案的設計。設計實驗方案的試題大多思考性、綜合性較強，解答時必須聯(lián)系自己掌握的基礎知識和技能，在進行適當?shù)念惐?、遷移、重組后從已知條件出發(fā)，找到解決問題的突破口，設計出合理的實驗步驟。 2. 實驗方案的評價：實驗方案的評價包括實驗原理及方案的評價、實驗裝置的評價、 實驗操作的評價、實驗現(xiàn)象的描述與結論分析的評價等。進行評價時一般從這幾個方面入手：理論上是否正確、操作上是否簡便、會不會造成環(huán)境的污染、所需藥品或原料的來源是否豐富、實驗方案是否安全等等。實驗評價的考查范圍包括對課本中重要的化學實驗方案的評價，對為解決科學研究、生產(chǎn)、生活、環(huán)境保護中所出現(xiàn)的實際問題所設計出的實驗方案的評價。 （二）氣體的發(fā)生裝置 1.固＋固（加熱）（圖1）：適用于制備氣體：O2 (KClO3和MnO2共熱、KMnO4加熱)、NH3 2.固＋液體（不加熱）（圖2、圖3）：適用于制CO2、H2、O2（用Na2O2 和H2O、H2O2和MnO2制取O2也用此裝置） （三）氣體的凈化（干燥）裝置 1、常見干燥劑及氣體的干燥 液態(tài)干燥劑 固態(tài)干燥劑 常見干燥劑 濃硫酸 無水氯化鈣 氫氧化鈉、氧化鈣、 堿石灰（NaOH與CaO混合物） 裝置 可干燥氣體 H2、O2、CO2、N2、CO、HCl、CH4 H2、O2、CO2、N2、CO、HCl、CH4 H2、O2、NH3、N2、CO、CH4 不可干燥氣體 NH3 NH3 HCl、CO2 注意事項 a進b出（長進短出） a進b出（大進小出） 左進右出 2、常見凈化(包括干燥氣體)裝置（圖4） 注意事項： ⑴ A為加熱固態(tài)試劑以除去氣體中雜質(zhì)的裝置。如用灼熱的銅絲除氧氣。 ⑵ B、C一般盛液體藥品，用于洗液。如用濃硫酸除水蒸氣，氫氧化鈉溶液除酸性氣體。氣體由a進b出。 ⑶ D一般盛固體藥品。如用堿石灰吸收水或二氧化碳。 （四）氣體的收集裝置（圖5） （一）排水法：難溶或不易溶于水且不與水發(fā)生化學反應的氣體。例如：H2、O2、CO、CH4等。排水法的裝置是a，注意導管只能伸入集氣瓶內(nèi)少許，便于導管的取出。 （二）排氣法：不與空氣反應且密度與空氣相差較大的氣體；又可分為向上排空氣法和向下排空氣法。用排氣法收集氣體時，導氣管一定要伸入集氣瓶底部，把空氣盡量排出。為了減少空氣擴散，集氣瓶口可蓋上毛玻璃片（如圖b）；試管口輕輕塞上一小團疏松的棉花（如圖d） ⑴向上排空氣法：相對分子質(zhì)量大于29的氣體。如O2、CO2等，典型裝置是b。 ⑵向下排空氣法：相對分子質(zhì)量小于29的氣體。如H2、CH4、NH3等，典型裝置是c。 （五）尾氣處理裝置（圖7） 通常有毒和有污染的尾氣必須適當處理。常用儀器有： ⑴ a用于NaOH吸收CO2（氣體溶解或反應速度不很快，不易引起倒吸）； ⑵ b用于收集少量氣體然后處理；如多余的CO的處理。 ⑶ c收集極易溶且溶解很快的氣體。如NH3等，這種裝置可以增大氣體與吸收液的接觸面積，有利于吸收液體對氣體的吸收。由于漏斗容積較大，從而防止吸收液的倒吸。 ⑷ d用于處理難以吸收（有毒）且可燃的氣體。如H2、CO等。 （六）一般實驗步驟及氣體的凈化 實驗室制取氣體的一般順序是：連接裝置→檢查氣密性→裝藥品（先固體，后液體）→反應→收集氣體（應等到裝置中空氣排凈后再收集）。 氣體的凈化原則：凈化時所需氣體不能參加化學反應或因溶解而損失，也不能引入新的雜質(zhì)。凈化的順序一般是除雜在前，干燥在后，干燥后的氣體不能再通過水溶液。 二、題型、方法歸納： 本單元復習本課題復習常見氣體的制取及檢驗、凈化，學生要掌握發(fā)生裝置、收集裝置的選擇，氣體檢驗的方法、凈化的方法等內(nèi)容，通過實驗活動，探討研究并解決科學研究、生產(chǎn)、生活、環(huán)境保護中面臨的一些問題是化學學科永恒的主題。在學習中，要求同學們能根據(jù)實際情況提出問題、設計實驗研究問題、解決問題，在實踐活動中鞏固知識、提高認識、增強能力。常見題型有選擇題、填空題、實驗探究題。 三、典例精講： 1.某工廠的廢水只含硫酸鎂和少量硫酸，課外活動小組以此作為課題，探討如何從中回收純凈的硫酸鎂固體。他們設計了兩種不同的方案，請你參加討論： (1)方案一，選用鎂粉為試劑。 ①往廢水中逐次加入鎂粉，當觀察到 時，說明加入鎂粉的量已經(jīng)足夠。此過程發(fā)生反應的化學方程式是 ； ②接下來的操作方法依次是 和 ； (2)方案二，選用氫氧化鈉溶液為試劑。 ①向廢水中逐滴加入氫氧化鈉溶液，當 時，停止滴入氫氧化鈉溶液。此過程發(fā)生反應的化學方程式是 ； ②為了得到純凈的硫酸鎂溶液，接著應進行的實驗操作是(請簡要寫出操作過程) ； ③……，得到硫酸鎂固體。 (3)比較兩個方案，假設實驗中都沒有損耗，那么，最后得到的硫酸鎂固體的質(zhì)量是否相同? ，原因是 。 (4)請你繼續(xù)探究，設計新的方案(使用的試劑必須是與鎂粉和氫氧化鈉屬不同類別)：你選用的一種試劑是(寫化學式) ；該試劑發(fā)生反應的化學方程式是 。 【解析】此題較為綜合，即考查了基本的化學反應，又考查了實驗操作，還考查了新的實驗方案的設計。此題能體現(xiàn)同學們綜合應用所學知識解決實際問題的能力，為同學們今后設計實驗方案奠定基礎。請同學們對從硫酸鎂和少量硫酸的混合溶液中回收純凈的硫酸鎂固體的實驗方案進行討論，需要同學們熟悉有關物質(zhì)的性質(zhì)、實驗現(xiàn)象和相關的實驗操作。 [答案](1)①鎂粉有剩余，溶液中不再有氣泡產(chǎn)生 Mg+H2SO4==MgSO4+H2↑②過濾，蒸發(fā) (2)①不再生成沉淀 H2SO4+2NaOH==Na2SO4+2H2O MgSO4+2NaOH==Mg(OH)2↓+Na2SO4②過濾，取出沉淀，加入稀硫酸，至沉淀恰好完全溶解 (3)不同，方案一中加入鎂粉，增加了硫酸鎂的質(zhì)量 (4)MgO，Mg0+H2SO4==MgSO4+H2O(還可能有其它合理答案)。 2、如圖是實驗室制取氧氣常用的裝置，根據(jù)裝置圖回答下列問題： （1）寫出圖中標號儀器的名稱a　　b　??； （2）實驗室用高錳酸鉀制取氧氣，氣體發(fā)生裝置應選　?。ㄌ钭帜笜颂枺峦? （3）寫出實驗室用過氧化氫和二氧化錳制氧氣的化學方程式　　，該反應的基本類型　?。? （4）實驗室用大理石和稀鹽酸反應制取CO2，氣體收集裝置選　?。喝粢档酶稍锏腃O2，還應將氣體通過　　裝置． 【解析】a是試管，常用作反應容器；b是分液漏斗，通過分液漏斗可以向反應容器中注入液體藥品．故填：試管；分液漏斗． （2）實驗室用高錳酸鉀制取氧氣時需要加熱，氣體發(fā)生裝置應選A裝置．故填：A． （3）實驗室用過氧化氫和二氧化錳制氧氣的化學方程式為：2H2O22H2O+O2↑，反應物是一種，生成物是兩種，屬于分解反應． 【答案】2H2O22H2O+O2↑；分解反應． （4）二氧化碳能夠溶于水，不能用排水法收集，密度比空氣大，可以用向上排空氣法收集，即用D裝置收集；若要制取干燥的CO2，還應將氣體通過F裝置．故填：D；F． 3、下列為實驗室常用的實驗裝置示意圖，請回答下列問題： （1）若實驗室需制取干燥的CO2氣體,你選擇的干燥裝置是（寫裝置編號，下同），收集裝置是； （2）若實驗室制取的X氣體只適用B裝置進行收集，請推測X氣體一條可能的性質(zhì)：； （3）D裝置在裝藥品之前需檢查氣密性。在不與其他裝置連接時，請說明其檢驗方法及氣密性良好的標志； 【解析】此題是一道綜合的實驗探究題。若實驗室需制取干燥的CO2氣體,選擇的干燥裝置是A，不能用F，因為堿石灰會和二氧化碳反應；實驗室制取的X氣體只適用B裝置進行收集，則該氣體密度比空氣小或能溶于水；D裝置在裝藥品之前需檢查氣密性。在不與其他裝置連接時，其檢驗方法及氣密性良好的標志用彈簧夾（或止水夾）夾緊膠皮管，從長頸漏斗中加水至使長頸中形成一段水柱，若在一段時間內(nèi)水柱液面不下降，則該裝置的氣密性良好。 【答案】（1）A E (2)密度比空氣小或能溶于水 （3） 用彈簧夾（或止水夾）夾緊膠皮管，從長頸漏斗中加水至使長頸中形成一段水柱，若在一段時間內(nèi)水柱液面不下降，則該裝置的氣密性良好。 4、請完成以下探究過程： 問題：如何鑒定孔雀石[Cu2(OH)2 CO3]加熱分解的產(chǎn)物? 假設：假設孔雀石加熱分解的產(chǎn)物是H2O、CO2和CuO。 設計實驗：實驗①：按右圖進行實驗，證明分解產(chǎn)物中有H2O和CO2 。 該裝置的連接順序是：a接 ， 接 ；按此順序連接的理由是： 。 實驗②：請你設計實驗，證明孔雀石完全分解后，試管中剩余的黑色固體是CuO(用圖示或文字說明均可)： 。 現(xiàn)象和結論：實驗①中：U形管中的無水硫酸銅變成藍色，證明產(chǎn)物中有 ；證明產(chǎn)物中有CO2的現(xiàn)象是 。實驗②中(你設計的)：因為有 現(xiàn)象，所以黑色固體中有銅元素；因為有 現(xiàn)象，所以黑色固體中有氧元素；由此可得到結論：產(chǎn)物中有CuO。 [分析]熟悉各套裝置的功能、知道混合氣體中各種成分檢驗的方法及實驗的先后順序、靈活運用有關物質(zhì)的性質(zhì)是解答此類問題所必須具備的基礎或能力。要對混合氣體中的各種成分進行檢驗須遵循“先驗水，后驗其它”的原則，其中檢驗水用無水硫酸銅，檢驗二氧化碳用澄清石灰水。 [答案]設計實驗：①d e b (或e，d，b) 必須先通過無水硫酸銅檢驗水蒸氣，否則，因澄清石灰水中水的揮發(fā)或冷凝作用而干擾原產(chǎn)物中水蒸氣的檢出；氣體通過澄清石灰水時須遵循長進短出的原則。 ②待反應后的試管冷卻，拔下橡皮塞，用一根長導管向黑色固體通氫氣，一會兒，加熱試管，當看到黑色固體變紅，試管口有水珠時，停止加熱，冷卻，停止通入氫氣(本問題是開放的：用圖示、或其他合理解答均可) 現(xiàn)象和結論：①H2O(水) 澄清石灰水變渾濁 ②試管中黑色固體變紅色 試管口有水珠出現(xiàn) (解答要與設計實驗②相匹配) 5.某?；瘜W課外興趣小組的同學在研究性學習課上展示了一套如右圖所示的實驗裝置（假設每步化學反應都完全，氧化鐵樣品中的雜質(zhì)不參加反應）。 查閱資料：草酸在濃硫酸存在時加熱發(fā)生如下反應： H2C2O4 CO↑+CO2+H2O 通過討論，同學們對這套裝置有了多種認識。 （1）第一小組同學說：從實驗安全和實驗操作程序看,首先要檢查裝置的氣密性,實驗開始先加熱___（填A或D）處，實驗結束時，應_____（填先或后）停止D處的加熱；從環(huán)保的角度講，在E裝置后還應對尾氣進行處理，其方法是： 。 （2）第二小組的同學說：用該實驗裝置可以檢驗一氧化碳與氧化鐵反應的產(chǎn)物，其中B裝置的作用_______ ；E裝置的作用___ ； 一氧化碳與氧化鐵反應的化學方程式為 ___________________ _ _。 （3）第三小組的同學說：利用這套裝置還可以測定氧化鐵樣品中氧化鐵的質(zhì)量分數(shù)。他們的測定方法是：稱量氧化鐵樣品的質(zhì)量10.0 g，樣品與玻璃管的總質(zhì)量為60.0 g,完全反應并冷卻后再稱量玻璃管與剩余固體的總質(zhì)量為57.6 g。計算實驗測得氧化鐵樣品中氧化鐵的質(zhì)量分數(shù)為 。 （4）第四小組同學說：利用這套裝置還有另外測定樣品中氧化鐵的質(zhì)量分數(shù)的方法：先稱量氧化鐵樣品的質(zhì)量,再分別稱量E裝置在反應前后的總質(zhì)量，即可計算求得樣品中氧化鐵的質(zhì)量分數(shù)。但按此方法實際實驗測定結果卻偏大，分析造成偏大的原因可能是 。 [分析]本題較好的體現(xiàn)了“理在書中，題在書外”，掌握好書本知識是解題的基礎；利用化學計算的某些原理對實驗中出現(xiàn)的數(shù)據(jù)進行處理是該題提出的能力要求；能否根據(jù)實驗的具體情景對某些問題作出正確的分析體現(xiàn)了同學們思維的境界。本題（1）、（2）兩問的思維原點為課本中重點出現(xiàn)的“一氧化碳還原氧化鐵”這一重要的化學實驗；解答第（3）問，須運用“反應前固體的質(zhì)量之差==參加反應的氧化鐵中氧元素的質(zhì)量”；解答第（4）問需要考慮裝置E和空氣相連通這一具體的實驗情景。 [答案]（1）A 、先 、點燃或用氣球收集 （2）除去CO2；檢驗CO與Fe2O3反應生成的二氧化碳；3CO+Fe2O32Fe+3CO2 （3）80％ （4）原裝置中空氣含有的二氧化碳被E裝置吸收 （4） 歸納小結：本單元復習本課題復習常見氣體的制取及檢驗、凈化，學生要掌握發(fā)生裝置、收集裝置的選擇，氣體檢驗的方法、凈化的方法、探究的步驟、探究的內(nèi)容等內(nèi)容，通過實驗活動，探討研究并解決科學研究、生產(chǎn)、生活、環(huán)境保護中面臨的一些問題是化學學科永恒的主題。在學習中，要求同學們能根據(jù)實際情況提出問題、設計實驗研究問題、解決問題，在實踐活動中鞏固知識、提高認識、增強能力。 【作業(yè)布置】實驗設計與探究題同步練習題。 【教學反思】實驗設計與探究題是中的必考內(nèi)容，是重點也是難點，實驗設計考查的發(fā)展方向是以化學實驗為基礎，聯(lián)系科學研究、生產(chǎn)、生活、環(huán)境保護的實際去發(fā)現(xiàn)并提出問題、設計實驗去探討和解決實際問題并得出科學的發(fā)現(xiàn)和結論，它包括物質(zhì)的制備、物質(zhì)的鑒別、物質(zhì)的分離、物質(zhì)的組成分析、氣體的凈化與轉(zhuǎn)化等的實驗方案的設計。設計實驗方案的試題大多思考性、綜合性較強，解答時必須聯(lián)系自己掌握的基礎知識和技能，在進行適當?shù)念惐?、遷移、重組后從已知條件出發(fā)，找到解決問題的突破口，設計出合理的實驗步驟。