通用版高考化学微一轮复习实验方案的设计与评价学案20180510266

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第34讲　实验方案的设计与评价 考纲要求 ‎1.能根据要求，做到设计、评价或改进实验方案。‎ ‎2.分析或处理实验数据。‎ 考点一　数据的测量方法、过程综合实验题 通过测定物质的质量、气体、液体的体积，对反应过程中物质的含量、变化进行定量的研究，是一种重要的实验方法，通常数据的测定方法有以下几类：‎ ‎1．沉淀法 根据原子守恒的原理，通过系列反应把欲测定元素转化为沉淀，通过测定沉淀质量，获知目标元素的含量。实验的措施要以目标元素完全转化为沉淀为中心，多涉及沉淀的过滤、洗涤、干燥、称量等操作。‎ ‎2．测定气体体积法 对于有气体生成的反应，可通过测定生成气体的体积来测定样品的纯度。测定气体体积的具体措施多为排液量气。常见方案如下：‎ ‎3．测定气体质量法 把生成的气体通入足量的吸收剂，通过测定实验前后吸收剂的质量，获得生成气体的质量，然后进行计算。‎ ‎4．固体质量差量法 利用固体加热前后或反应前后的质量变化作为已知量，通过方程式找出的差量进行计算。‎ ‎5．滴定法 利用滴定实验的原理，通过酸碱中和滴定、沉淀滴定、氧化还原滴定等获得待测物质数据，再进行计算，常涉及指示剂的选择，滴定终点的确定等实验考查。‎ 考向一　 气体体积的测量 ‎ ‎1．(2019·湖北仙桃中学开学摸底)某中学有甲、乙两个探究性学习小组，他们拟用小颗粒状铝硅合金与足量稀硫酸的反应测定通常状况(约‎20 ℃‎，1 atm)下气体摩尔体积。‎ ‎(1)甲组同学拟选用如图甲实验装置完成实验：‎ ‎①该组同学必须选用的装置的连接顺序是A接________、________接________、________接________(填接口字母，可不填满)；‎ ‎②实验开始时，先打开分液漏斗活塞，一会儿后稀硫酸不能顺利滴入锥形瓶。请你帮助分析原因____________________________‎ ‎_________________________________________________________；‎ ‎③实验结束时，该组同学应怎样测量实验中生成氢气的体积？‎ ‎____________________________________________________。‎ ‎(2)乙组同学仔细分析甲组同学的实验装置后，认为：稀硫酸滴入锥形瓶中，即使不生成氢气，也会将瓶内空气排出，使所测氢气体积偏大；实验结束时，连接广口瓶和量筒的导管中有少量水存在，使所测氢气体积偏小。于是他们设计了如图乙所示的实验装置。‎ ‎①装置中导管a的作用是_______________________________‎ ‎__________________；‎ ‎②实验中准确测得4个数据：实验前铝硅合金的质量为m‎1 g，实验后残留固体的质量为m‎2 g，实验前后碱式滴定管中液面读数分别为V1 mL、V2 mL，则通常状况下气体摩尔体积Vm＝________。‎ 解析：(1)①装置的组装顺序：合金与酸反应，用排水量气法测定氢气的体积，其中盛水的试剂瓶导管一定要短进长出，利用增大压强原理将水排出，量筒中水的体积就是生成氢气的体积，量筒内导管应伸入量筒底部，故连接顺序为：(A)接(E)，(D)接(G)；‎ ‎②铝与稀硫酸反应产生的氢气使锥形瓶内气压增大，锥形瓶内的压强大于大气压，所以稀硫酸不能顺利滴入锥形瓶中；③实验结束时，该组同学测量实验中生成氢气的体积方法为：待实验装置冷却后，上下移动量筒，使其中液面与广口瓶中液面相平，再平视读取量筒中水的体积，即氢气在通常状况时的体积。‎ ‎(2)①装置中导管a的作用是：保持分液漏斗内气体压强与锥形瓶内气体压强相等，打开分液漏斗活塞时稀硫酸能顺利滴下，滴入锥形瓶的稀硫酸体积等于进入分液漏斗的气体体积，从而消除由于加入稀硫酸引起的氢气体积误差；②实验前铝硅合金的质量m‎1 g，实验后残留固体的质量m‎2 g，则金属铝的质量是(m1－m2)g，实验前后碱式滴定管中液面读数分别为V1 mL、V2 mL，产生气体体积为(V1－V2)mL即产生的气体物质的量是，根据关系式：‎ ‎2Al　　　　～　　3H2↑‎ ‎2　　　　　　　　3‎ 　　　 解得Vm＝L·mol－1。‎ 答案：(1)E　D　G ‎②铝与稀硫酸反应放热且生成气体，使锥形瓶中气体压强变大 ‎③待实验装置冷却后，上下移动量筒，使其中液面与广口瓶中液面相平，再平视读取量筒中水的体积，即生成氢气在通常状况时的体积 ‎(2)①保持分液漏斗内气体压强与锥形瓶内气体压强相等，打开分液漏斗活塞时稀硫酸能顺利滴下；滴入锥形瓶的稀硫酸体积等于进入分液漏斗的气体体积，从而消除由于加入稀硫酸引起的氢气体积误差 ‎②L·mol－1‎ 考向二　固体质量的测量 ‎ ‎2．(2019·河北唐山一中调研)某化学研究小组测定某FeCl3样品(含少量FeCl2杂质)中铁元素的质量分数，在实验室中按以下步骤进行实验：‎ ‎①称取a g样品，置于烧杯中；②取适量盐酸和适量蒸馏水使样品溶解，准确配制成250 mL溶液；③准确量取25.00 mL步骤②中配得的溶液，置于烧杯中，加入适量的氯水，使反应完全；④加入过量氨水，充分搅拌，使沉淀完全；⑤过滤，洗涤沉淀；⑥将沉淀转移至坩埚内，加热、搅拌，直到固体由红褐色全部变为红棕色，冷却至室温后，称量；⑦……‎ 请根据上面的叙述回答下列问题：‎ ‎(1)如图所给仪器中，实验步骤①②③中必须用到的仪器是E和________________(填仪器序号)；还缺少的主要仪器名称是________________。‎ ‎(2)步骤④中所发生反应的离子方程式为_________________。‎ ‎(3)步骤⑤中洗涤沉淀的操作是__________________________。‎ ‎(4)若坩埚质量是W‎1 g，最终坩埚和固体的总质量是W‎2 g，则样品中铁元素的质量分数为________。‎ 解析：(1)称量需要托盘天平，溶解需要烧杯和玻璃棒，配制需要容量瓶和胶头滴管，注意A仪器不是容量瓶，为圆底烧瓶，第③步量取FeCl3溶液时要用酸式滴定管；(3)判断沉淀是否洗净最简单的方法是判断洗涤液中是否还含有Cl－；(4)生成n(Fe2O3)＝ mol，所以样品中m(Fe)＝×2×56×g＝7(W2－W1)g则w(Fe)＝×100%＝%‎ 答案：(1)CF　250 mL容量瓶、玻璃棒、胶头滴管 ‎(2)Fe3＋＋3NH3·H2O===Fe(OH)3↓＋3NH ‎(3)沿波璃棒向过滤器(或漏斗)中的沉淀上加蒸馏水至淹没沉淀，静置使其全部滤出，重复操作2～3次 ‎(4)%‎ ‎【技法归纳】　实验方案的设计与评价 设计或评价一个实验方案主要从以下角度考虑：‎ ‎(1)实验原理是否合理。如第1题甲组同学方案中排水量气法中忽略了滴入稀硫酸排出空气的影响。‎ ‎(2)从原料的用量、成本考虑。一般选择原料用量少，成本低的方案。‎ ‎(3)从环保角度考虑。‎ ‎(4)从装置的简易或实验方案的优劣角度考虑。‎ ‎ 考点二　数据的分析、处理综合实验题 定量实验，需要对实验测定的数据进行记录、处理、比较、计算，以便达到实验目的，数据处理的常用方法：‎ ‎1．数据的表格化 对记录的数据进行表格化处理，便于数据的查找、比较、计算。‎ ‎2．数据的图象化 图象是把实验测得的数据用直线图或曲线图的形式呈现出来，多用于两个量之间关系的描述，具有直观明了的特点。‎ 考向一　实验数据的选择与取舍 ‎ ‎1．目前流行的关于生命起源假设的理论认为，生命起源于约40亿年前的古洋底的热液环境，这种环境系统中普遍存在铁硫簇结构，如Fe2S2、Fe4S4、Fe8S7等，这些铁硫簇结构参与了生命起源的相关反应。某化学兴趣小组在研究某铁硫簇结构的组成时，设计了下列实验。‎ ‎【实验Ⅰ】 确定硫的质量：‎ 按图连接装置，检查好装置的气密性后，在硬质玻璃管A中放入‎1.0 g铁硫簇结构(含有部分不反应的杂质)，在试管B中加入50 mL 0.100 mol·L－1的酸性KMnO4溶液，在试管C中加入品红溶液。通入空气并加热，发现固体逐渐转变为红棕色。待固体完全转化后，将B中溶液转移至250 mL容量瓶，洗涤试管B后定容。取25.00 mL该溶液用0.01 mol·L－1的草酸(H‎2C2O4)溶液滴定剩余的KMnO4。记录数据如下：‎ 滴定次数 待测溶液体积/mL 草酸溶液体积/mL 滴定前刻度 滴定后刻度 ‎1‎ ‎25.00‎ ‎1.50‎ ‎23.70‎ ‎2‎ ‎25.00‎ ‎1.02‎ ‎26.03‎ ‎3‎ ‎25.00‎ ‎0.00‎ ‎24.99‎ 相关反应：①2MnO＋2H2O＋5SO2===2Mn2＋＋5SO＋4H＋‎ ‎②2MnO＋6H＋＋5H‎2C2O4===2Mn2＋＋10CO2↑＋8H2O ‎【实验Ⅱ】 确定铁的质量：‎ 将实验Ⅰ硬质玻璃管A中的残留固体加入稀盐酸中，充分搅拌后过滤，在滤液中加入足量的NaOH溶液，过滤后取滤渣，经充分灼烧得‎0.6 g固体。‎ 试回答下列问题：‎ ‎(1)判断滴定终点的方法是______________________________。‎ ‎(2)试管C中品红溶液的作用是_________________________。‎ 有同学提出，撤去C装置对实验没有影响，你的看法是________(填“同意”或“不同意”)，理由是__________________。‎ ‎(3)根据实验Ⅰ和实验Ⅱ中的数据可确定该铁硫簇结构的化学式为________________。‎ ‎【问题探究】‎ 滴定过程中，细心的同学发现该KMnO4溶液颜色褪去的速率较平常滴定时要快得多。为研究速率加快的原因，该同学继续进行了下列实验，实验数据如下表：‎ 编号 温度/℃‎ 酸化的H‎2C2O4‎ 溶液/mL KMnO4]‎ 溶液/mL 溶液褪色时间/s ‎1‎ ‎25‎ ‎5.0‎ ‎2.0‎ ‎40‎ ‎2‎ ‎25‎ ‎5.0(另加少量可溶于水的MnSO4粉末)‎ ‎2.0‎ ‎4‎ ‎3‎ ‎60‎ ‎5.0‎ ‎2.0‎ ‎25‎ ‎(4)分析上述数据，滴定过程中反应速率加快的一种可能原因是________________________________________________________________________。‎ 解析：(1)KMnO4溶液本身为紫色，而反应后的Mn2＋为无色，所以当溶液由紫红色变为无色时，标志达到了滴定终点。‎ ‎(2)确认SO2是否除净。由于KMnO4溶液本身有颜色，所以颜色不再发生变化时，也可表明SO2被完全吸收。‎ ‎(3)三次实验所耗草酸溶液分别为：22.20 mL、25.01 mL、24.99 mL，第一组实验数据偏差过大舍去；则平均耗草酸溶液25.00mL，则过量KMnO4：×2×10＝1.0×10－3 mol，与SO2反应的KMnO4：‎0.05 L×0.100 mol·L－1－1.0×10－3 mol＝4×10－3 mol，则生成SO2：4×10－3 mol×＝0.01 mol。‎ 根据[实验Ⅱ]，n(Fe2O3)＝＝0.00375 mol，‎ 则x∶y＝(0.00375 mol×2)∶(0.01 mol)＝3∶4，‎ 所以FexSy化学式为Fe3S4。‎ 答案：(1)当滴入最后一滴草酸溶液时，锥形瓶中溶液由浅红色变为无色，且半分钟内不变化 ‎(2)验证SO2是否被酸性KMnO4溶液完全吸收　同意 当B中溶液颜色不变化，即可证明SO2已被酸性KMnO4溶液完全吸收 ‎(3)Fe3S4‎ ‎(4)Mn2＋对反应起到催化作用(或反应放热使温度升高)，加快反应速率 ‎2．(2019·河北邢台一中月考)金属镁及其化合物在科学研究及生产中具有广泛的用途。‎ ‎(1)轻质碳酸镁是广泛应用于橡胶、塑料、食品和医药工业的化工产品，以卤块(主要成分为MgCl2，含Fe2＋、Fe3＋等杂质离子)为原料制备轻质碳酸镁[MgCO3·Mg(OH)2·3H2O，相对分子质量：196]的工艺流程如下：‎ 生成氢氧化物沉淀的pH(见下表)：‎ 物质 Fe(OH)3‎ Fe(OH)2‎ Mg(OH)2‎ 开始沉淀时pH ‎ ‎2.7‎ ‎7.6‎ ‎9.9‎ 沉淀完全时pH ‎ ‎3.7‎ ‎9.6‎ ‎11.1‎ 注：Fe(OH)2沉淀呈絮状，不易从溶液中除去。‎ ‎①“氧化”的目的是____________，相关反应的离子方程式为__________________________________________。‎ ‎②“热解”过程中反应的离子方程式为___________________。‎ ‎③取‎2.00 g轻质碳酸镁于锥形瓶中，用2 mol·L－1的盐酸进行滴定反应，数据如下：‎ 实验 序号 轻质碳酸镁用量/g 盐酸开始读数/mL 盐酸终止读数/mL ‎1‎ ‎2.00‎ ‎1.00‎ ‎21.01‎ ‎2‎ ‎2.00‎ ‎21.10‎ ‎42.03‎ ‎3‎ ‎2.00‎ ‎0.10‎ ‎20.09‎ 依据上述实验数据，算出轻质碳酸镁的纯度(假设杂质不与盐酸反应)为________________。‎ 解析：(1)①由“Fe(OH)2沉淀呈絮状，不易从溶液中除去”知，氧化的目的是将Fe2＋转化为Fe3＋，反应中ClO－被还原成Cl－，此过程中有H＋参与反应且有水生成。②由于“热解”的产物是CO2与轻质碳酸镁，故可先写出Mg2＋＋HCO―→MgCO3·Mg(OH)2·3H2O↓＋CO2‎ ‎↑，再结合质量守恒原理配平即可。③表中三组数据中，第2组与另外两组差异较大，应舍弃，消耗盐酸的平均体积为20.00 mL，n(HCl)＝0.04 mol，由于1 mol轻质碳酸镁可与4 mol HCl反应，故发生反应的MgCO3·Mg(OH)2·3H2O为0.01 mol，质量为‎1.96 g，故其纯度为×100%＝98%。‎ 答案：(1)①将Fe2＋氧化成Fe3＋　ClO－＋2H＋＋2Fe2＋===2Fe3＋＋Cl－＋H2O　②2Mg2＋＋4HCO＋2H2OMgCO3·Mg(OH)2·3H2O↓＋3CO2↑　③98%‎ 考向二　实验数据的综合处理 ‎ ‎3．某合作小组同学将铜片加入稀硝酸，发现开始时反应非常慢，一段时间后反应速率明显加快。该小组通过实验探究其原因。‎ ‎(1)该反应的离子方程式为___________________________。‎ ‎(2)提出合理假设，该实验中反应速率明显加快的原因可能是________。‎ A．反应放热导致温度升高 B．压强增大 C．生成物的催化作用 D．反应物接触面积增大 ‎(3)初步探究，测定反应过程中不同时间溶液的温度，结果如下表：‎ 时间/min ‎0 ‎ ‎5‎ ‎10‎ ‎15‎ ‎20‎ ‎25‎ ‎35‎ ‎50‎ ‎60‎ ‎70‎ ‎80‎ 温度/℃ ‎ ‎25 ‎ ‎26‎ ‎26‎ ‎26‎ ‎26‎ ‎26‎ ‎26.5‎ ‎27‎ ‎27‎ ‎27‎ ‎27‎ 结合实验目的和表中数据，你得出的结论是____________________________________________________。‎ ‎(4)进一步探究：查阅文献了解到化学反应的产物(含中间产物)可能对反应有催化作用。请完成以下实验设计表并将实验目的补充完整：‎ 实验编号 铜片质量/g ‎0.1 mol·L－1的硝酸体积/mL 硝酸铜晶体/g 亚硝酸钠晶体/g 实验目的 ‎①‎ ‎5‎ ‎20‎ 实验①和②探究________的影响；实验①和③探究NO的影响 ‎②‎ ‎0.5‎ ‎③‎ ‎0.5‎ 解析：(1)铜与稀HNO3反应离子方程式：3Cu＋8H＋＋2NO===3Cu2＋＋2NO↑＋4H2O ‎(2)因为铜与硝酸反应是放热反应，随反应的进行，溶液温度升高，A选项合理；反应体系并非密闭体系，压强不变，B不合理；反应生成了Cu2＋，有可能Cu2＋对该反应有催化作用，C合理；随反应进行，铜片减小，接触面积减小，D不合理；可能的原因是AC。‎ ‎(3)由表中数据可知整个反应过程中，溶液温度变化很小，且在很长时间段内保持不变，所以温度不是影响反应速率的主要因素。‎ ‎(4)当探究某一条件对反应速率的影响时，应保持其他条件不变。②中加入了Cu(NO3)2晶体是研究Cu2＋对反应速率的影响，所以②③中铜片都取‎5 g，硝酸都取20 mL，①中不放Cu(NO3)2晶体，也不放NaNO2晶体；②中不放NaNO2晶体，③中不放Cu(NO3)2晶体。‎ 答案：(1)3Cu＋8H＋＋2NO===3Cu2＋＋2NO↑＋4H2O ‎(2)AC ‎(3)温度不是导致反应速率明显加快的主要原因 ‎(4)‎ 实验编号 铜片质量/g ‎0.1 mol·L－1的硝酸体积/mL 硝酸铜晶体/g 亚硝酸钠晶体/g 实验 目的 ‎①‎ ‎0‎ ‎0‎ Cu2+‎ ‎②‎ ‎5‎ ‎20‎ ‎0‎ ‎③‎ ‎5‎ ‎20‎ ‎0‎ ‎4.现有一份CuO和Cu2O的混合物，用H2还原法测定其中的CuO质量x g，实验中可以测定以下数据：①m：混合物的质量(g)、②m(H2O)：生成水的质量(g)、③m(Cu)：生成Cu的质量(g)、④V(H2)：标准状况下消耗H2的体积(L)。(已知摩尔质量：Cu：‎64 g·mol－1、CuO：‎80 g·mol－1、Cu2O：‎144 g·mol－1、H2O：‎18 g·mol－1)‎ ‎(1)为了计算x至少需要测定上述4个数据中的______个，这几个数据的组合共有________种。请将这些组合一一填入下列空格中。‎ 说明：①选用m、m(H2O)、m(Cu)、V(H2)表示，不必列出具体算式。‎ ‎②每个组合中填一种组合，有几种组合就填几种，不必填满。‎ ‎(2)从上述组合中选出一个含W的求x的计算式：__________。‎ ‎(3)以上数据组合中易于取得的一组是________________________。‎ 解析：本题想解决的是CuO和Cu2O二元混合物的质量组成，要通过列二元一次方程组的方法求解，所以需要获得两个数据。将题中所给数据进行排列组合，有下列6种组合。‎ m、m(H2O)‎ m、m(Cu)‎ m、V(H2)‎ m(H2O)、m(Cu)‎ m(H2O)、V(H2)‎ m(Cu)、V(H2)‎ 在6种组合中不难看出V(H2)、m(H2O)一组不能成立，因为这一组仅与氧元素有关而与铜元素无关，不能形成两个有效的二元一次方程，无法求出CuO和Cu2O的量，所以实际只有5组数据组合是合理的。但这5种组合中，结合氢气要过量的特点，V(H2)这一数据在获得上有一定的困难。测m(H2O)易受空气中的水及CO2的干扰，并且装置复杂，数据合理，但不简易。m及m(Cu)在获取上是最容易且可靠的。‎ 答案：(1)2　5‎ m、m(H2O)‎ m、m(Cu)‎ m、V(H2)‎ m(H2O)、m(Cu)‎ m(Cu)、V(H2)‎ ‎(2)可从以下三组中任选一组 ‎①＋＝ ‎②＋＝ ‎③＋＝(任选一个即可)‎ ‎(3)m和m(Cu)‎ ‎【题后悟道】　定量实验中数据的加工处理 ‎(1)根据实验目的，确定有用有效数据，舍弃无用、无效数据。‎ ‎(2)确定数据是否有效，常从以下角度考虑。‎ ‎①是否符合仪器精度要求。‎ ‎②数据是否存在过大的偶然误差。‎ ‎③数据的测定是否是在原理要求的条件下测得，尤其要注意气体的体积数据。‎ ‎(3)表格数据要比较不同数据间的差别，分析出其所代表的化学意义。‎ ‎(4)图象数据重点在于弄清坐标的含义，然后理清起点、终点、转折点的含义，再通过这些点的坐标数据进行合理的计算得出结论。 ‎ ‎　(2019·高考天津卷，T4)以下实验设计能达到实验目的的是(　　)‎ 实验目的 实验设计 A.‎ 除去NaHCO3固体中的Na2CO3‎ 将固体加热至恒重 B.‎ 制备无水AlCl3‎ 蒸发Al与稀盐酸反应后的溶液 重结晶提纯苯甲酸 将粗品水溶、过滤、蒸发、结晶 C.‎ D.‎ 鉴别NaBr和KI溶液 分别加新制氯水后，用CCl4萃取 解析：A.加热碳酸氢钠分解生成了碳酸钠，不能达到使用目的；B.直接蒸发AlCl3溶液，铝离子发生水解，最终得到的是Al(OH)3，不能达到目的；C.重结晶法提纯苯甲酸的方法是：将粗品水溶，趁热过滤，滤液冷却结晶即可，C项不能达到目的；D.NaBr和KI都能与氯水反应生成对应的单质，再用四氯化碳萃取，颜色层不同。故选D。‎ 答案：D