高三化学一轮复习-研究型实验设计与评价教学案.doc

研究型实验设计与评价
考点聚焦
1.制备实验装置的选择与仪器连接、装置气密性的检验、实验现象描述、尾气处理。
2.给定实验情景或性质实验目的，要求选择实验仪器装置、药品、确定实验程序，评价实验方案。
3.对教材演示实验进行重组、优化和创新。
知识梳理
综合实验设计和评价是综合应用实验基础知识、基本操作，结合化学基本理论，元素化合物知识和化学计算等相关知识，进行整合，解决有关实验问题。
一、实验设计和评价的题型
² 利用给出的一些装好药品的单个实验装置，要求根据实验目的连接仪器，叙述现象说明理由。
² 利用给出的实验的装置和反应条件，要求根据实验现象和物质的性质判断物质和化学反应。
² 利用限定的仪器、药品、融气体制备、除杂、集气及设计操作程度、仪器连接、定量计算于一体。考查学生设计实验、基本操作和数据处理的能力。
² 给出部分实验环节，根据实验要求设计完整的实验或补充部分实验步骤。
² 据实验目的，实验进行的条件，选取适当药品、仪器（或应用所指定的药品、仪器）完全某次指定的实验操作。
² 对给出的实验方案，做出科学的评估，依据“仪器简单、操作方便、药品易得、节省试剂、现象明显、安全防污”选择出最佳方案。
² 新情境实验题，运用已有知识解决新情境中的新问题，考查学生灵活运用知识的迁移能力、自学能力、观察能力、实验能力和思维能力。
二、实验设计的一般规律

1、 实验方案设计的一般原则。
一个相对完整的化学实验方案一般包括下述内容：（1）实验名称；（2）实验目的；（3）实验原理；（4）实验用品（仪器、药品及规格）；（5）实验步骤（包括实验仪器的装配和操作）；（6）实验现象和记录及结果处理；（7）问题和讨论。
实验方案的设计原则是方法简便、现象明显、操作易行，对于定量实验还要考虑系统误差要求。确定了实验所选用的方法和原理后，就要考虑选择用什么实验装置来完成此实验，即进行实验装置的设计，一套完整的实验装置往往是由多个基本实验装置相互连接而成的，如有关气体的制取和性质实验一般分为气体的发生装置（或气体反应装置）、气体的洗涤装置、气体的收集装置、尾气的吸收装置等部分，要熟悉各基本装置的功能，并注意各基本装置连接顺序的合理性。
2、 设计方案时思考实验顺序的选择。
（1）思考问题的顺序：
①围绕主要问题思考，例如：选择适当的实验路线、方法；所用药品、仪器简单易得；实验过程快速、安全；实验现象明显。
②思考有关物质的制备、净化、吸收和存放等有关问题。例如：制取在空气中易水解的物质（如AL2S3、ALCl3、Mg3N2等）及易受潮的物质时，往往在装置末端再接一个干燥装置，以防止空气中水蒸气进入。
③思考实验的种类及如何合理地组装仪器，并将实验与课本实验比较、联系。例如涉及到气体的制取和处理，对这类实验的操作程序及装置的连接顺序大体可概括为：发生→除杂质→干燥→主体实验→尾气处理。
（2）仪器连接的顺序：
① 所用仪器是否恰当，所给仪器是全用还是选用。
② 仪器是否齐全。例如制有毒气体及涉及有毒气体的实验是否有尾气的吸收装置。
③ 安装顺序是否合理。例如：是否遵循“自下而上，从左到右”的原则；气体净化装置中不应先干燥，后又经过水溶液洗气。
④ 仪器间连接顺序是否正确。例如：洗气时“进气管长，出所气管短“；干燥管除杂质时”大进小出“等。
（3）实验操作的顺序：
① 连接仪器。按气体发生→除杂质→干燥→主体实验→尾气处理顺序连接好实验仪器。
② 检查气密性，在整套仪器连接完毕后，应先检查装置的气密性，然后装入药品。检查气密性的方法要依装置而定。
③ 装药品，进行实验操作。
3、 设计方案时需注意的问题。
（1）检查气体的纯度，点燃或加热通有可燃性（H2、CO、CH4、C2H4、C2H2等）的装置前，必须检查气体的纯度。例如用H2、CO等气体还原金属氧化物时，需要加热金属氧化物，在操作中，不能先加热，后通气，应当先通入气体，将装置内的空气排净后，检查气体是否纯净（验纯），待气体纯净后，再点燃酒精灯加热金属氧化物。
（2）加热操作先后顺序的选择。若气体发生需加热，应先用酒精灯加热发生气体的装置，等产生气体后，再给实验需要加热的固体物质加热，目的是：一则防止爆炸（如氢气还原氧化铜）；二则保证产品纯度，防止反应物或生成物与空气中其他物质反应。例如用浓硫酸和甲酸共热产生CO，再用CO还原Fe2O3，实验时应首先点燃CO发生装置的酒精灯，生成的CO赶走空气后，再点加热Fe2O3的酒精灯，而熄灭酒精灯的顺序则相反，原因是：在还原性气体中冷却Fe可防止灼热的Fe再被空气中的O2的氧化，并防止石灰水倒吸。
（3）冷凝回流的问题。有的易挥发的液体反应物，为了避免反应物质损耗和充分利用原料，要在发生装置中设计冷凝回流装置。发在发生装置中安装长玻璃管等。
（4）冷却问题。有的实验为防止气体冷凝不充分而受损失，需要冷凝管可用冷水或冷水冷凝气体（物质蒸气），使物质蒸气冷凝为液态便于收集。
（5）防止倒吸问题。实验过程用到加热操作的，要防倒吸；气体易溶于水的要防倒吸。
（6）具有特殊作用的实验改进装置。如为防止分液漏斗中的液体不能顺利流出，用橡皮管连接成连通装置；为防止气体从长颈漏斗中逸出，可在发生装置中的漏斗末端套住一支小试管等。
（7）拆卸时的安全性和科学性。实验仪器的拆卸要注意安全性和科学性，有些实验为防止“爆炸”或“氧化”，应考虑停止加热或停止通气，如对有尾气吸收装置的实验，必须将尾气导管提出液面后才能熄灭酒精灯，以免造成溶液倒吸；用氢气还原氧化铜的实验应先熄灭加热氧化铜的酒精灯，同时继续通氢气，待加热区冷却后才停止通氢，这是为了避免空气倒吸入加热区使铜氧化，或形成易爆气体；拆卸用排水法收集需要的加热制取气体的装置时，需先把导管从水槽中取出，才能熄灭酒精灯，以防止水倒吸；拆下的仪器要清洗、干燥、归位。
试题枚举
【例1】实验室可用氯气与金属铁反应制备无水三氯化铁，该化合物是棕红色，易潮解，100℃左右时升华。下图是两个学生设计的实验装置，左边的反应装置相同，而右边的产品收集装置则不同，分别如(Ⅰ)和(Ⅱ)所示。试回答：

(1)B中反应的化学方程式为：_________________________________________。
(2)D中的反应开始前，需排除装置中的空气，应采取的方法是： __________。
(3)D中反应化学方程式是： ___ 。
(4)装置(Ⅰ)的主要缺点是： ________________________________________。
(5)装置(Ⅱ)的主要缺点是：____________________________________________。
如果选用此装置来完成实验，则必须采取的改进措施是：__________________。
解析 由题设“制备三氯化铁”可知D管中是铁丝或铁粉，并推知A、B、C应该是发生氯气的装置，A中加入浓盐酸，B中应该让浓盐酸跟氧化剂作用(常用的是MnO2或KMnO4)。
要使D管中空气排出，最方便的方法就是首先让刚发生的氯气去驱除它，此时D管中不要加热。等到空气驱净、氯气充满D管时才在D管下加热，以保证铁和纯氯气反应。由于氯化铁易升华，因此D管中FeCL3容易升华而出，却又特别容易重新冷凝，在装置Ⅰ中D管出口可能被堵塞，多余的氯气并不能被浓H2SO4吸收，排放尾气时将导致污染。而装置Ⅱ的D管出口是广口瓶，可免受堵塞，尾气排放前有碱液吸收，这都是好的。但FeCL3容易被潮解，碱液不足以抵挡湿气，应在E、F之间加入干燥装置。
答案 (1)4HCl+MnO2=====MnCl2+2H2O+Cl2↑
或16HCl+2KMnO4======2KCl+2MnCl2+8H2O+5Cl2↑
(2)B中的反应进行一段时间后，看到黄绿色的气体充满装置，再开始加热D；
(3)2Fe+3Cl2======2FeCl3；
(4)导管易被产品堵塞，尾气排入空气，易造成环境污染；
(5) 产品易受潮解；在瓶E和F之间连接装有干燥剂的装置。
【例2】航天飞行器座舱内空气更新过程如图所示：

空气、CO2、H2O

Ⅱ
Ⅰ
座舱
CO2 C
空气

H2 H2O
O2 H2O
Ⅲ

(1)Ⅱ是CO2和H2的反应装置，该反应的化学方程式_____________________。
(2)从装置Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ可看出，O2的来源是CO2和H2O，宇航中每天消耗28molO2，呼出23molCO2，则宇航员生天呼出的气体中含H2O________mol。
（3）以下是另一种将CO2转化为O2的实验设想：

其中，由MgCl2·6H2O制取无水MgCL2的部分装置(铁架台、酒精灯已略)如下：

① 上图中，装置a由________、_________、双孔塞和导管组成。
② 循环物质的名称是______________
③ 制取无水氯化镁必须在氯化氢存在的条件下进行，原因是__________
④ 装置b是填充的物质可能是__________(填入编号)
e硅胶f、碱石灰 g、无水氯化钙 h、浓硫酸
⑤ 设计d中装置要注意防止倒吸，请在方框中画出d装置的简略图，并要求与装置c的出口处相连(铁架台不必画出)。
解析 (1)Ⅱ中反应物是CO2和H2，生成物是C和H2O，配平后得：2H2O+CO2 2H2O+C
(2)消耗28molO2呼出23molCO2，依质量守恒定律，呼出的气体中含H2O10mol时，氧原子守恒。
(3)由MgCL2·6H2O制取无水MgCL2时需在酸性条件下进行，在b处干燥时用中性或酸性固体干燥剂，硅胶或无水氯化钙，由于氯化氢极易溶于水，在d处为防止倒吸，用一倒扣的漏斗。
答案 (1)2H2+CO2 2H2O+C
(2)10
(3)防止水解
(4)e、g
(5)