1、实验方案设计与评价一、实验设计1.设计要求 实验设计要科学,安全可靠,操作简便,药品经济,现象明显。2.一般流程(1)根据某一主题,“发现问题”“提出猜想”“确定假设”;(2)根据假设设计实验方案;(3)通过实验收集证据或实验现象;(4)得出假设是否成立的结论;(5)对结论进行反思与评价。3.解题方法(1)分析题给条件,明确实验目的;(2)根据反应原理,选择恰当的仪器和药品;(3)对仪器装置进行科学的连接;(4)制定操作步骤;(5)结合物质性质,根据实验现象,得出正确的结论。注意在进行实验方案设计时要特别注意水的处理。(1)水作为杂质要除去:要先除去其他杂质,后干燥。(2)水作为产物的检验:先
2、检验水,再检验其他产物。(3)水的定量测量:前后都要排除外来水的干扰。二、实验评价1.评价内容实验方案的评价包括实验原理的评价、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。2.评价方法(1)科学性:反应能否发生,即方案在理论上是否科学、合理、严密;(2)简约性:操作是否简便易行、优化,反应条件是否易达到;(3)可行性:所有原料是否常见、易得、廉价;(4)安全性:操作是否安全可靠;(5)注意环保:反应过程是否节能与环保;(6)要有创意:操作更简单,实验误差更小。考向一探究物质成分的实验设计【例1】 亮亮同学做镁条在空气中燃烧的实验时,发现镁条燃烧除生成白色固体(
3、MgO)外,还有少量的淡黄色固体生成。这种淡黄色固体是什么呢?亮亮在老师的指导下进行有关实验探究。【实验探究】将该淡黄色固体投入到盛有水的烧杯中。【实验现象】在烧杯中产生白色沉淀,并有刺激性的氨味气体产生。【教师指导】上述反应产生的白色沉淀为Mg(OH)2,生成的气体为NH3;反应过程中没有任何元素化合价的改变。【问题解决】此淡黄色固体中肯定含有镁元素和元素,判断的依据是;若该物质仅由2种元素组成,其化学式为,此物质与水反应的化学方程式为。【相关结论】空气中氮气(N2)和氧气(O2)的体积比约为 ,但镁条在空气中燃烧只生成少量的淡黄色固体,由此得出的一个结论是 。解析：【问题解决】由于淡黄色固
4、体与水反应产生的白色沉淀为Mg(OH)2,生成的气体为NH3,反应过程中没有任何元素化合价的改变,由质量守恒定律可知,此淡黄色固体中肯定含有镁元素和氮元素,若该物质仅由2种元素组成,由于镁显+2价,氮为-3价,其化学式为Mg3N2,此物质与水反应的化学方程式为Mg3N2+6H2O3Mg(OH)2+2NH3;【相关结论】氮气(N2)约占空气体积的45,氧气(O2)约占空气体积的15,故它们体积比约为41,但镁条在空气中燃烧只生成少量的淡黄色固体,说明只有少量氮气与镁发生反应,由此得出的一个结论是氮气化学性质稳定,不易发生化学反应。 答案：【问题解决】氮质量守恒定律Mg3N2 Mg3N2+6H2O
5、3Mg(OH)2+2NH3 【相关结论】41氮气化学性质稳定,不易发生化学反应考向二气体制取的实验设计【例2】 下面的实验仪器省去了固定装置,请根据要求回答问题:甲图 乙图 丙图(1)甲图中仪器的名称为 。(2)乙图中的微型装置H可用于实验室制备CO2,此微型装置在操作上的优点是 ;在甲图中可选择 (填序号)代替装置H中的注射器可得到功能相同的装置。用稀盐酸和大理石制取的二氧化碳常含有少量的氯化氢气体和水蒸气,可用丙图装置将其除去,得到干燥纯净的二氧化碳,则丙图中的A、B两瓶分别应该盛装和 。(3)装配用KClO3制备O2的发生装置,甲图中除固定装置外还差的仪器是 (写名称);该反应的化学方程
6、式为 。(4)用铁片和稀硫酸在微型装置H中制取氢气,其化学方程式为 ;I是医用输液观察滴液快慢的滴壶,若用它作微型洗气装置,则气体应从 (填“a”或“b”)进入,其中所装洗气的液体不能装满的原因是 。解析：(2)乙图中可以通过注射器来控制滴加液体的速率从而控制反应速率,图甲中的分液漏斗也能控制滴加液体的速率。要得到纯净干燥的二氧化碳,可先通过盛有饱和碳酸氢钠溶液的洗气瓶除去氯化氢气体,再通过盛有浓硫酸的洗气瓶除去水蒸气。(3)用KClO3制备O2需要加热,故缺少的仪器是酒精灯。(4)用I作为洗气装置,则气体应该从b端进入,以使气体和液体充分接触达到洗气的目的。所装洗气的液体如果太满就会被气体压
7、入a端,从a处流出来。答案：(1)长颈漏斗(2)可控制反应速率D饱和碳酸氢钠溶液浓硫酸(3)酒精灯2KClO32KCl+3O2(4)Fe+H2SO4FeSO4+H2b液体会被压往a处流出考向三综合性实验探究【例3】 “一般不用K、Ca、Na等活泼金属来置换盐溶液中的其他金属元素。”小科对这种说法进行了思考,并查阅资料,对金属钠和硫酸铜溶液的反应进行探究。【查阅资料】钠常温下就能与水发生剧烈反应,反应方程式为2Na+2H2O = 2NaOH+H2。【提出猜想】猜想一:金属钠与硫酸铜溶液反应会有铜生成。猜想二:金属钠与硫酸铜溶液反应,生成的沉淀只有氢氧化铜。【实验及现象】切取不同大小的钠块分别投入
8、到两种不同浓度的硫酸铜溶液中,有关产生沉淀的现象如表所示。实验编号钠块大小硫酸铜溶液实验中产生沉淀的现象绿豆大小稀溶液10 mL产生蓝绿色沉淀绿豆大小浓溶液10 mL产生蓝色絮状沉淀豌豆大小稀溶液10 mL产生蓝色絮状沉淀豌豆大小浓溶液10 mL产生蓝色絮状沉淀,并出现黑色固体小科咨询老师后得知蓝绿色沉淀为碱式铜盐。【实验结论】(1)上述实验中均未观察到色固体生成,由此判断猜想一错误。(2)实验中观察到的沉淀是蓝绿色的,由此判断猜想二也错误。【实验反思】(1)实验中生成氢氧化铜沉淀的原理是 。(2)由上述实验可知,导致钠与硫酸铜溶液反应的产物不同的因素有 。(3)为了用钠置换硫酸铜中的铜元素,
9、小科设计了如下实验方案。方案一:把钠块和无水硫酸铜直接混合,在干燥的空气中加热。方案二:把钠块和无水硫酸铜直接混合,隔绝空气加热。请从两个方案中选出合理的方案,并说明理由。解析：【实验结论】(1)猜想一是反应会有铜生成,铜是红色金属,由实验结论,猜想一错误,因上述实验中均未观察到红色固体生成。【实验反思】(1)由题意,钠常温下就能与水发生剧烈反应,生成氢氧化钠,生成的氢氧化钠与硫酸铜溶液反应生成氢氧化铜蓝色沉淀和硫酸钠。(2)由实验及现象,切取不同大小的钠块分别投入到两种不同浓度的硫酸铜溶液中,由产生沉淀的现象可知,钠块大小相同,硫酸铜溶液浓度不同,产生的沉淀不同;钠块大小不同,硫酸铜溶液浓度相同,产生的沉淀不同。则导致钠与硫酸铜溶液反应的产物不同的因素有钠块的大小、硫酸铜溶液的浓度。(3)钠的金属活动性很强,能与空气中的氧气反应,方案二隔绝空气加热,能避免钠在空气中被氧化,故方案二是合理的。答案：【实验结论】(1)红【实验反思】(1)钠与水先反应生成氢氧化钠,生成的氢氧化钠与硫酸铜溶液反应生成氢氧化铜蓝色沉淀(2)钠块的大小、硫酸铜溶液的浓度(3)方案二。隔绝空气加热,能避免钠在空气中被氧化
