1、 1 专题4 实验设计与探究题 【复习目标】 1、 通过实 验设 计装 置的 理解 ，学会 设计 实验 ； 2、 理解探 究的 步骤 、内 容、 解题思 路， 学会 解决 探究 题。 【复习重点和难点】 1、通 过实 验设 计装 置的 理 解，学 会设 计实 验； 2、理 解探 究的 步骤 、内 容 、解题 思路 ，学 会解 决探 究题。 【学习过程】 一、知识梳理： （一）1.实 验方 案的 设计 实验设计考查的发展方向是以化学实验为基础，联 系科学研究、生产、生活 、环境保护的实际 去发现 并提 出问 题、 设计 实验去 探讨 和解 决实 际问 题并得 出科 学的 发现 和结 论， 它 包
2、括 物质 的制 备 、 物质的鉴 别、 物质的 分离 、物质的 组成 分析 、 气体 的净化与 转化 等的实 验方 案的设计 。设 计实验 方 案的试题大多思考性、综 合性较强，解答时必须联 系自己掌握的基础知识和 技能，在进行适当的类 比、迁 移、 重组 后从 已知 条件出 发， 找到 解决 问题 的突破 口， 设计 出合 理的 实验步 骤。 2. 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 这几个方面入手： 理论上是否正确、操作上 是否简便、会不会造成环 境的污
3、染、所需药品或原 料的来源是否丰富、实 验方案 是否 安全 等等 。 实 验评价 的考 查范 围包 括对 课本中 重要 的 化 学实 验方 案的 评价 ，对 为解 决科 学研究 、生 产、 生活 、环 境保护 中所 出现 的实 际问 题所设 计出 的实 验方 案的 评价。 （二） 气体的发生装 置 1. 固 固（ 加热 ）（ 图 1 ）：适 用于 制备 气体 ：O2 (KClO3 和MnO2 共 热、KMnO4 加热) 、NH3 2 2. 固 液体 （不加 热） （ 图 2、图 3） ： 适 用于 制 CO2 、H2 、O2 （用 Na2O2 和H2O 、H2O2 和 MnO2 制取 O2 也
4、用此 装置 ） （三）气体的净化（ 干燥 ）装置 1、 常见 干 燥剂及 气体的 干 燥 液态干 燥剂 固态干 燥剂 常见干 燥 剂 浓硫酸 无水氯 化钙 氢氧化 钠、 氧化 钙、 碱石灰 （NaOH 与 CaO 混 合 物） 装置 可干燥 气体 H2 、 O2 、 CO2 、 N2 、 CO 、 HCl 、 CH4 H2 、O2 、CO2 、N2 、CO 、HCl 、 CH4 H2 、O2 、NH3 、N2 、CO 、CH4 不可干 燥气 体 NH3 NH3 HCl、CO2 注意事 项 a 进b 出（ 长进 短出 ） a 进 b 出（ 大进 小出 ） 左进右 出 2、常 见净 化(包 括干
5、燥气 体)装 置（ 图4 ） 注意事 项： A 为加 热固 态试 剂以 除 去气体 中杂 质的 装置 。如 用灼热 的铜 丝除 氧气 。 3 B、C 一般盛液体药品，用于洗液。如用浓硫酸 除水蒸气，氢 氧化钠溶液 除酸性气体。气体 由 a 进b 出。 D 一般 盛固 体药 品。 如 用碱石 灰吸 收水 或二 氧化 碳。 （ 四）气体的收集装置（图 5） 1. 排水法：难溶或不易 溶 于水且不与水发生化学 反 应的气体。例如：H2 、O2 、CO、CH4 等。排 水 法的装 置 是a， 注意 导管 只能伸 入集 气瓶 内少 许， 便于导 管的 取出 。 2. 排气法：不与空气反应且密度与空气相差
6、较大的 气体；又可分为向上排空 气法和向下排空气 法。用排气法收集气体时 ，导气管一定要伸入集气 瓶底部，把空气尽量排出 。为了减少空气扩散， 集气瓶 口可 盖上 毛玻 璃片 （如 图 b） ；试 管口 轻轻 塞上一 小团 疏松 的 棉 花（ 如图d ） 向上 排空 气法 ：相 对分 子质量 大 于29 的气 体。 如 O2 、CO2 等 ，典 型装 置是b 。 向下 排空 气法 ：相 对分 子质量 小 于29 的气 体。 如 H2 、CH4 、NH3 等 ，典 型装 置是 c 。 （ 五）尾气处理装置（图 7 ） 通常有 毒和 有污 染的 尾气 必须适 当处 理。 常用 仪器 有： a 用于
7、NaOH 吸收CO2 （ 气体溶 解或 反应 速度 不很 快，不 易引 起倒 吸） ； b 用于 收集 少量 气体 然 后处理 ；如 多余 的 CO 的 处 理。 c 收 集极 易溶 且溶 解很 快的气 体。 如 NH3 等 ，这 种装 置可以 增大 气体 与吸 收液的 接触 面积 ， 有利于 吸收 液体 对气 体的 吸收。 由于 漏 斗 容积 较大 ，从而 防止 吸收 液的 倒吸 。 d 用于 处理 难以 吸收 （ 有毒） 且可 燃的 气体 。 如H2 、CO 等。 （六） 一般 实验 步骤 及气 体的净 化 4 实验室 制取 气体 的一 般顺 序是： 连接 装置 检 查气 密性 装药 品（
8、 先固 体， 后液体 ） 反应 收集气 体（ 应等 到装 置中 空气排 净后 再收 集） 。 气体的 净化 原则 ：净 化时 所需气 体不 能参 加化 学反 应或因 溶解 而损 失， 也不 能引入 新的 杂质 。 净化的 顺序 一般 是除 杂在 前，干 燥在 后， 干燥 后的 气体不 能再 通过 水溶 液。 二、题型、方法归纳 ： 本单元 复习 本课 题复 习常 见气体 的制 取及 检验 、 净 化， 学 生要 掌握 发生 装置 、 收集 装置 的选 择 ， 气体检验的方法、净化的 方法等内容，通过实验活 动，探讨研究并解决科学 研究、生产、生活、环 境保护 中面 临的 一些 问题 是化学 学
9、科 永恒 的主 题。 在学习 中， 要求 同学 们能 根据实 际情 况提 出问 题 、 设计实 验研 究问 题 、 解 决 问题 ， 在 实践 活动 中巩 固 知识 、 提 高认 识、 增强 能 力。 常见 题型 有选 择题、 填空题 、实 验探 究题 。 三、典例精讲： 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。 他们 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。 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
10、； 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 。 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 ； 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) ； ，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(
11、写 化学 式) ；该 试剂 发生 反应 的化 学方程 式是 。 2、如 图是 实验 室制 取氧 气 常用的 装置 ，根 据装 置图 回答下 列问 题： 5 （1 ） 写出 图中 标号 仪器 的 名称 a b ； （2 ） 实验 室用 高锰 酸钾 制 取氧气 ，气 体发 生装 置应 选 （填 字母 标号 ，下 同） （3 ） 写出 实验 室用 过氧 化 氢和二 氧化 锰制 氧气 的化 学方程 式 ， 该反 应的 基本类 型 （4 ） 实验 室用 大理 石和 稀 盐酸反 应制 取 CO2 ， 气体 收 集装置 选 ： 若要 值得 干燥 的 CO2 ，还 应将气 体通 过 装 置 3、下 列为 实验
12、 室常 用的 实 验装置 示意 图， 请回 答下 列问题 ： （1 ） 若实验 室需 制取 干燥 的 CO2 气体,你 选择 的干 燥 装置是 （写装 置编 号， 下 同） ， 收集 装置 是 ； （2 ） 若实 验室 制取 的 X 气 体只适 用B 装置 进行 收集 ，请推 测 X 气体 一 条 可能 的性 质： ； （3 ）D 装 置在 装药 品之 前 需检查 气密 性 。 在 不与 其 他装置 连接 时 ， 请 说明 其 检验方 法及 气密 性 良好的 标志 ； 4、 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
13、设 孔雀 石加 热分 解 的产 物 是H2O 、CO2 和CuO 。 设计实验： 实 验 ：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 ： 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 6 说明均 可) ： 。 现象 和结论： 实验 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 中( 你设 计的) ： 因 为有 现象， 所以 黑色 固 体 中有铜
14、元素；因为有 现象，所以黑色固体中有氧元素 ；由此 可得到结论：产物 中 有 CuO 。 5. 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 通过讨 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
15、， 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 置可 以检 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 还可以 测定 氧化铁 样品 中氧 化铁 的质 量分数 。 他 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
16、 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 。 7 参考答案 典例精讲： 1. 【 解析
17、】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) 镁粉有剩余，溶液 中不再有气泡产生 Mg+H2SO4=MgSO4+H2 过 滤 ， 蒸 发 (2) 不再生成沉淀 H2SO4+2NaOH=Na2SO4+2H2O MgSO4+2NaOH=Mg(OH)2 +Na2SO4 过
18、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) 。 2、 【 解析 】a 是试 管， 常用 作反应 容器 ；b 是分 液漏 斗 ， 通 过分 液漏 斗可 以向 反 应容器 中注 入液 体药品 故 填： 试管 ；分 液漏斗 （2 ） 实验 室用 高锰 酸钾 制 取氧气 时需 要加 热， 气体 发生装 置应 选 A 装置 故 填：A （3 ） 实验 室用 过氧 化氢 和 二氧化 锰制 氧气 的化 学方 程式为 ：2H2O2 2H2O+O2
19、 ， 反应物 是 一种， 生成 物是 两种 ，属 于分解 反应 【答案 】2H2O2 2H2O+O2 ； 分解反 应 （4 ） 二 氧化 碳能 够溶 于水 ， 不能 用排 水法 收集， 密 度比空 气大 ， 可 以 用向上 排空气 法收 集， 即 用 D 装 置收 集； 若要 制取 干燥 的 CO2 ，还 应将 气体 通 过 F 装 置 故填 ：D ；F 3、 【解 析】 此题 是一 道综 合的实 验探 究题 。若 实验 室需制 取干 燥 的CO2 气体, 选择的 干燥 装置 是 A， 不 能用F， 因为 碱石 灰 会和二 氧化 碳反 应； 实验 室制取 的 X 气体 只适 用B 装置进 行收
20、 集， 则该 气 体密度 比空 气小 或能 溶于 水；D 装置 在装 药品 之前 需检查 气密 性。 在不 与其 他装置 连接 时， 其检 验 方法及 气密 性良 好的 标志 用弹簧 夹（ 或 止水夹 ）夹 紧胶皮 管， 从长 颈漏 斗中 加水至 使长 颈中 形成 一 段水柱 ，若 在一 段时 间内 水柱液 面不 下降 ，则 该装 置的气 密性 良好 。 【答案 】 （1 ）A E (2) 密 度比 空气 小或 能溶于 水 （3 ） 用弹簧 夹 （或 止水 夹 ） 夹 紧胶皮 管 ， 从 长颈 漏斗 中 加水至 使长 颈中 形成 一段 水柱 ， 若 在 一 段时间 内水 柱液 面不 下降 ，则
21、该 装置 的气 密性 良好 。 4、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 8 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 ： d e b ( 或e ，d，b) 必 须 先通过 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 体通 过澄
22、清石灰 水时 须遵 循长 进 短出的 原则 。 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 他合 理 解答均 可) 现 象和 结论 ： H2O( 水) 澄 清石 灰水 变浑浊 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 验相 匹配) 5. 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
23、 ； 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+Fe2O3高温 2Fe+3CO2 （3）80 （4） 原装 置 中空气 含有 的二 氧化 碳被
