實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)與評(píng)價(jià)題解法指導(dǎo)及實(shí)例分析

王廷虎

對(duì)實(shí)驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)方案的評(píng)價(jià)，基本上是一回事。前者需要根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)康莫?dú)立地設(shè)計(jì)出實(shí)驗(yàn)步驟，并預(yù)估實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象及由此得出的結(jié)論；后者是對(duì)已有實(shí)驗(yàn)方案的正確與否、合理與否、簡(jiǎn)明與否進(jìn)行評(píng)價(jià)。顯然，前者的難度要比后者大得多。實(shí)驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)常以實(shí)驗(yàn)報(bào)告的形式呈現(xiàn)。

一、化學(xué)實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)的基本要求

1.科學(xué)性

實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)方法和操作過(guò)程必須科學(xué)、嚴(yán)謹(jǐn)、合理。

2.安全性

實(shí)驗(yàn)操作要盡量防止帶有危險(xiǎn)性的操作，盡量避免與有毒物質(zhì)接觸。若無(wú)法避免有毒物質(zhì)，則應(yīng)采取安全措施，以防造成環(huán)境污染和人身傷害。

3.可行性

設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)方案要真正切實(shí)可行，所選藥品、儀器、裝置經(jīng)濟(jì)可靠。

4.簡(jiǎn)約性

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)應(yīng)簡(jiǎn)單易行，要求實(shí)驗(yàn)裝置簡(jiǎn)單，實(shí)驗(yàn)操作簡(jiǎn)便，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象明顯。

對(duì)實(shí)驗(yàn)方案的評(píng)價(jià)也應(yīng)以上述要求為標(biāo)準(zhǔn)。

二、化學(xué)實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)題的一般解題思路

1.認(rèn)真審題，明確實(shí)驗(yàn)?zāi)康模页鰧?shí)驗(yàn)的關(guān)鍵。

2.根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)康?，確定實(shí)驗(yàn)基本原理，進(jìn)而選擇儀器及藥品，設(shè)計(jì)好實(shí)驗(yàn)步驟。

3.運(yùn)用基本知識(shí)和操作原理，將實(shí)驗(yàn)連成一個(gè)整體，一般由具體裝置和具體操作兩部分組成。

具體裝置一般是：氣體發(fā)生裝置→氣體除雜裝置→氣體干燥裝置→物質(zhì)性質(zhì)的實(shí)驗(yàn)裝置→尾氣處理裝置。

（1）氣體除雜裝置，如果用洗氣裝置除雜，一般是先除雜，后干燥；如果用加熱裝置除雜，一般是先干燥，后除雜。

（2）尾氣處理方法：有毒氣體應(yīng)利用溶液吸收（如Cl2、SO2用NaOH溶液吸收）或點(diǎn)燃（如CO）；無(wú)毒氣體可以直接排入空氣中。

（3）注意多種雜質(zhì)的除雜順序和多種物質(zhì)的檢驗(yàn)順序，如鑒定H2、CO、CH4燃燒產(chǎn)物時(shí)，應(yīng)先檢驗(yàn)水蒸氣，再檢驗(yàn)CO2。

（4）注意某一裝置的重復(fù)使用。

（5）注意多余裝置的篩選。

具體操作一般是：裝置的連接→氣密性的檢查→裝入固體藥品→加入液體藥品→固定裝置→加熱。

（1）加熱前一般是先通入原料氣趕走裝置內(nèi)的空氣，然后才點(diǎn)燃酒精燈，目的是為了防止發(fā)生爆炸（如用H2、CO還原CuO）。

（2）實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)，用排水法收集氣體（或通入溶液中反應(yīng)時(shí)），要先從水槽中移出導(dǎo)管然后再熄滅酒精燈，以防止產(chǎn)生水的倒吸而炸裂儀器；熄滅酒精燈時(shí)，還要注意先滅后關(guān)，如用啟普發(fā)生器制取H2來(lái)還原CuO時(shí)，要先熄滅酒精燈，待Cu冷卻后再關(guān)掉啟普發(fā)生器導(dǎo)氣管上的活塞，以防止反應(yīng)生成的Cu又被空氣中的氧氣氧化成CuO。

三、中考化學(xué)實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)與評(píng)價(jià)題的常見(jiàn)題型

1.有關(guān)化學(xué)實(shí)驗(yàn)操作步驟的設(shè)計(jì)與評(píng)價(jià)

例1（2014年陜西）實(shí)驗(yàn)室制取CO2的有關(guān)操作如圖1，不正確的是（ ）。

解析用圖中裝置檢查氣密性時(shí)，拉注射器活塞，若裝置的氣密性良好，則在長(zhǎng)頸漏斗的下端會(huì)有氣泡冒出，A正確；制取二氧化碳時(shí)不能用稀硫酸，因?yàn)橄×蛩崤c碳酸鈣發(fā)生反應(yīng)，會(huì)生成微溶于水的硫酸鈣，它能覆蓋在大理石的表面阻礙反應(yīng)的進(jìn)一步進(jìn)行，使反應(yīng)進(jìn)行一段時(shí)間就停止了，B錯(cuò)誤；二氧化碳密度比空氣大，用圖中裝置收集時(shí)應(yīng)將進(jìn)氣管伸到集氣瓶的底部，C正確；驗(yàn)滿二氧化碳時(shí)應(yīng)將燃著的木條放在集氣瓶口，若用圖D中裝置收集，燃著的木條應(yīng)放在剛伸出瓶塞的導(dǎo)管一邊，D正確。答案 B

2.有關(guān)物質(zhì)制備和性質(zhì)的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與評(píng)價(jià)

例2（2014年濟(jì)寧）輕質(zhì)碳酸鈣廣泛應(yīng)用于橡膠、塑料、油漆、水性涂料以及造紙等行業(yè)，日常生活中的牙膏也常用它作摩擦劑。目前輕質(zhì)碳酸鈣的生產(chǎn)主要是碳化法，工藝流程見(jiàn)圖2：

請(qǐng)分析輕質(zhì)碳酸鈣的生產(chǎn)流程，回答下列問(wèn)題：

（1）物質(zhì)B的化學(xué)式為；

（2）在A→B之間，過(guò)濾操作的目的是

；

（3）在B+C→CaCO3的過(guò)程中，應(yīng)控制物質(zhì)C的流量，原因是（用化學(xué)方程式表示）；

（4）生產(chǎn)輕質(zhì)碳酸鈣的方法很多，請(qǐng)?jiān)僭O(shè)計(jì)一種制備方法（用化學(xué)方程式表示）。

解析石灰石（主要成分碳酸鈣）高溫能分解生成氧化鈣和二氧化碳，氧化鈣能與水反應(yīng)生成氫氧化鈣，故A是氧化鈣，C是二氧化碳，B是氫氧化鈣，氫氧化鈣能與二氧化碳反應(yīng)生成碳酸鈣和水。（1）氫氧化鈣的化學(xué)式為Ca（OH）2；（2）Ca（OH）2在常溫下的溶解度很小，需過(guò)濾出不溶的Ca（OH）2。（3）生成CaCO3的過(guò)程中，CO2過(guò)多會(huì)繼續(xù)和CaCO3反應(yīng)生成Ca（HCO3）2。（4）用可溶性的碳酸鹽和含鈣的可溶性鹽或堿，也能生成碳酸鈣。

答案：（1）Ca（OH）2 （2）將Ca（OH）2與水分離 （3）CaCO3+CO2+H2OCa（HCO3）2 （4）Na2CO3+CaCl2CaCO3↓+2NaCl

3.有關(guān)物質(zhì)分離和提純的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與評(píng)價(jià)

例3（2014年汕尾）木炭還原氧化銅實(shí)驗(yàn)后的混合粉末中含有銅、氧化銅、木炭粉，某化學(xué)實(shí)驗(yàn)小組設(shè)計(jì)回收銅的方案如圖3所示：

圖3

（1）過(guò)濾操作中必須用到的玻璃儀器有燒杯、玻璃棒和，其中玻璃棒的作用是。

（2）反應(yīng)①的化學(xué)方程式為。

（3）濾液Ⅱ中的溶質(zhì)為。

（4）試劑A最好選用下列溶液（填序號(hào)）。

①H2SO4 ②CuSO4 ③MgSO4

（5）為了完善實(shí)驗(yàn)方案，可對(duì)濾渣Ⅰ中的進(jìn)行回收。

解析（1）根據(jù)過(guò)濾時(shí)所用儀器可知，必須用到的玻璃儀器有燒杯、玻璃棒和漏斗，其中玻璃棒的作用是引流。（2）氧化銅與硫酸反應(yīng)生成硫酸銅和水，而銅、木炭與硫酸不反應(yīng)。（3）反應(yīng)①后，濾液Ⅰ中的溶質(zhì)是硫酸和硫酸銅，加入過(guò)量鐵粉，硫酸和鐵粉反應(yīng)生成硫酸亞鐵和氫氣，硫酸銅和鐵粉反應(yīng)生成硫酸亞鐵和銅，過(guò)濾后濾液Ⅱ中的溶質(zhì)為硫酸亞鐵。（4）濾渣Ⅱ中含有剩余的鐵粉，經(jīng)過(guò)③后得到銅，可知除去過(guò)量的鐵粉，最好用硫酸銅溶液；（5）開(kāi)始混合粉末中的銅沒(méi)有和硫酸反應(yīng)，進(jìn)入濾渣Ⅰ中，為了回收更多的銅，可將濾渣Ⅰ中的銅回收。

答案：（1）漏斗 引流 （2）H2SO4+CuOCuSO4+H2O （3）硫酸亞鐵（或FeSO4） （4）② （5）銅（或Cu）

4.有關(guān)物質(zhì)鑒別的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與評(píng)價(jià)

例4（2014年蘭州）為了鑒別碳酸鉀溶液和氫氧化鉀溶液，同學(xué)們進(jìn)行了探究實(shí)驗(yàn)，分別取兩種溶液于兩支試管中，各滴入一定量的氯化鈣溶液，觀察到一支試管中出現(xiàn)白色渾濁，實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，同學(xué)們將廢液倒入同一個(gè)干凈的燒杯中，發(fā)現(xiàn)廢液變渾濁，同學(xué)們對(duì)廢液進(jìn)行了過(guò)濾，并對(duì)濾液的成分進(jìn)行了探究。

【提出問(wèn)題】濾液中除水外還含有那些物質(zhì)？

【猜想】A.可能含有氫氧化鉀、氯化鉀和碳酸鉀

B.可能含有氫氧化鉀、氯化鉀

C.可能含有氫氧化鉀、氯化鉀、碳酸鉀和氯化鈣

你認(rèn)為還可能是（寫(xiě)出一種猜想）。

【討論】你認(rèn)為猜想不合理（填字母），請(qǐng)說(shuō)明理由。

【實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)】設(shè)計(jì)一個(gè)簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)，證明你的猜想正確。

實(shí)驗(yàn)步驟實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象實(shí)驗(yàn)結(jié)論

取樣于試管中，猜想正確

【反思交流】寫(xiě)出碳酸鉀與氯化鈣反應(yīng)的化學(xué)方程式。在分析化學(xué)反應(yīng)后所得物質(zhì)的成分時(shí)，除考慮生成物外還需考慮。

解析【猜想】氯化鈣如果過(guò)量，此時(shí)濾液中還可能含有氯化鈣，所以猜想為可能含有氫氧化鉀、氯化鉀和氯化鈣。【討論】C不合理，因?yàn)樘妓徕浐吐然}能發(fā)生反應(yīng)，即碳酸鉀和氯化鈣不能共存?！緦?shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)】在鑒別實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，氫氧化鉀沒(méi)有被消耗，故濾液中一定存在氫氧化鉀；因碳酸鉀與氯化鈣發(fā)生反應(yīng)生成碳酸鈣沉淀和氯化鉀，故濾液中一定存在氯化鉀；向?yàn)V液中加入可溶性碳酸鹽（如碳酸鉀、碳酸鈉等）溶液，若產(chǎn)生白色沉淀，則可證明濾液中存在氯化鈣，綜上可證明猜想正確?！痉此冀涣鳌刻妓徕浥c氯化鈣反應(yīng)的化學(xué)方程式為K2CO3+CaCl2CaCO3↓+2KCl。在分析化學(xué)反應(yīng)后所得物質(zhì)的成分時(shí)，除了考慮生成物外還需考慮反應(yīng)物是否過(guò)量，即反應(yīng)后是否有剩余。

答案：【猜想】氫氧化鉀、氯化鉀和氯化鈣

【討論】C 碳酸鉀和氯化鈣能發(fā)生反應(yīng)，生成沉淀

【實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)】滴入碳酸鉀溶液（或碳酸鈉溶液等答案合理均可 產(chǎn)生白色沉淀）

【反思交流】K2CO3+CaCl2CaCO3↓+2KCl 反應(yīng)物是否剩余

5.綜合實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與評(píng)價(jià)

例5（2014年棗莊）某化學(xué)興趣小組的四位同學(xué)對(duì)氫氧化鈉溶液與稀鹽酸混合后，所得溶液中溶質(zhì)的成分進(jìn)行了探究。

【作出猜想】小馬猜想：溶質(zhì)有NaCl、HCl、NaOH

小程猜想：溶質(zhì)只有NaCl

小宮猜想：溶質(zhì)有NaCl、HCl

小尚猜想：溶質(zhì)有NaCl、NaOH

（1）老師認(rèn)為小馬的猜想是錯(cuò)誤的，她的理由是。

【方案設(shè)計(jì)】小程和小宮分別設(shè)計(jì)了如下方案驗(yàn)證各自的猜想。

方案設(shè)計(jì)者方案步驟方案預(yù)估現(xiàn)象方案結(jié)論

小程用一根潔凈的玻璃棒蘸取反應(yīng)后的溶液沾在試紙上，把試紙所呈現(xiàn)的顏色與標(biāo)準(zhǔn)比色卡進(jìn)行對(duì)照pH=7小程猜想正確

小宮取少量反應(yīng)的溶液于一支試管中，再向試管中滴加稀硝酸和硝酸銀溶液有白色沉淀生成 小宮猜想正確

【方案評(píng)價(jià)】（2）兩位同學(xué)中的方案正確。

【方案反思】（3）請(qǐng)分析錯(cuò)誤方案的原因（都正確，不作答）。

【拓展研究】（4）請(qǐng)你再設(shè)計(jì)一個(gè)實(shí)驗(yàn)方案驗(yàn)證小尚的猜想正確，填寫(xiě)下列實(shí)驗(yàn)報(bào)告。

方案步驟方案預(yù)估現(xiàn)象方案結(jié)論

小尚猜想正確

解析（1）鹽酸與氫氧化鈉不能共存，因?yàn)槿绻叨加袝?huì)繼續(xù)反應(yīng)。（2）稀鹽酸呈酸性，pH<7，氫氧化鈉溶液呈堿性，pH>7，氯化鈉溶液呈中性，pH=7，因此用測(cè)pH的方法來(lái)判斷反應(yīng)后溶液中的溶質(zhì)是正確的。（3）稀鹽酸和氫氧化鈉反應(yīng)會(huì)生成氯化鈉，氯化鈉溶液與硝酸銀溶液反應(yīng)也會(huì)生成不溶于稀硝酸的白色沉淀，因此小宮的方法是錯(cuò)誤的。（4）小尚的猜想是溶液中有氯化鈉和氫氧化鈉，氯化鈉是反應(yīng)的生成物，是肯定有的，因此只要驗(yàn)證出有氫氧化鈉即可，可根據(jù)氫氧根離子的性質(zhì)進(jìn)行驗(yàn)證。

答案：（1）鹽酸與氫氧化鈉溶液能發(fā)生反應(yīng)（水溶液中H+、OH-不能大量共存） （2）小程 （3）中和反應(yīng)產(chǎn)物有NaCl（Cl-），加入硝酸銀溶液會(huì)生成白色沉淀，不能說(shuō)明是否有HCl （4）方案步驟：取少量反應(yīng)后的溶液于一支試管中，再向試管中滴加硫酸銅溶液（或其它可溶性銅鹽溶液）預(yù)估現(xiàn)象：有藍(lán)色沉淀生成 （或取少量反應(yīng)后的溶液于一支試管中，再向試管中滴加無(wú)色酚酞試液 酚酞試液變紅色 或用一根潔凈的玻璃棒蘸取反應(yīng)后的溶液沾在pH試紙上，把試紙所呈現(xiàn)的顏色與標(biāo)準(zhǔn)比色卡進(jìn)行對(duì)照 pH>7 或其它合理答案）

跟蹤練習(xí)

1.（2014·萊蕪）下列實(shí)驗(yàn)方案中，不能達(dá)到實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖牵?） .

選項(xiàng)實(shí)驗(yàn)?zāi)康膶?shí)驗(yàn)方案

A鑒別硬水和軟水加肥皂水?dāng)嚢?/p>

B除去氯化鈉固體中的少量碳酸鈉加入適量稀鹽酸，充分反應(yīng)后，蒸發(fā)

C分離碳酸鈉和氫氧化鈉的混合物加入過(guò)量氯化鈣溶液，過(guò)濾

D區(qū)分羊毛與合成纖維點(diǎn)燃，聞氣味

2.（2014·東營(yíng)）下列實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行的相應(yīng)實(shí)驗(yàn)，達(dá)不到實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖牵?）。

A.用圖1所示裝置除去CO2中含有的少量HCl氣體

B.用圖2所示的裝置加熱蒸發(fā)NaCl飽和溶液制備NaCl晶體

C.用圖3所示裝置制取少量CO2氣體

D.在實(shí)驗(yàn)室中，用圖4所示裝置除去少量黃河水中的泥沙

3.（2014·綿陽(yáng)）用如圖Ⅰ裝置測(cè)定空氣中氧氣的含量，證明空氣中氧氣的體積分?jǐn)?shù)為1/5，a、b兩種物質(zhì)可選用（填序號(hào)）。

A.紅磷、水 B.木炭、水

C.硫、NaOH溶液 D.小蠟燭、NaCl溶液

思敏同學(xué)對(duì)該實(shí)驗(yàn)進(jìn)行反思后，提出了改進(jìn)方法（如圖Ⅱ所示），你認(rèn)為改進(jìn)后的優(yōu)點(diǎn)是（任寫(xiě)兩點(diǎn)）。

4.（2014·杭州）無(wú)標(biāo)簽試劑瓶中的一種黑色不溶于水的固體可能是硫化銅或者是硫化亞銅。查資料可知：硫化銅（CuS）和硫化亞銅（Cu2S）在空氣中灼燒分別發(fā)生下列化學(xué)反應(yīng)：

2CuS+3O2灼燒2CuO+2SO2

Cu2S+O2灼燒CuO+SO2（沒(méi)配平）

（1）請(qǐng)寫(xiě)出配平后的Cu2S在空氣中灼燒的化學(xué)方程式。如要確定灼燒的Cu2S是否完全反應(yīng)，依據(jù)的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象是。

（2）根據(jù)這兩個(gè)反應(yīng)的化學(xué)方程式中固體物質(zhì)的質(zhì)量變化，某同學(xué)僅用天平、酒精燈、坩堝、三角架等常用儀器（無(wú)其它試劑），通過(guò)三個(gè)實(shí)驗(yàn)步驟鑒別出某黑色固體是硫化銅還是硫化亞銅。他的實(shí)驗(yàn)步驟一：用天平準(zhǔn)確稱量一定質(zhì)量的待測(cè)黑色固體。

請(qǐng)寫(xiě)出后兩個(gè)實(shí)驗(yàn)步驟：

實(shí)驗(yàn)步驟二：。

實(shí)驗(yàn)步驟三：。

5.（2014·安徽）某化學(xué)興趣小組設(shè)計(jì)了一組“吹氣球”實(shí)驗(yàn)，三套裝置如下圖：

（1）甲裝置：

①儀器a的名稱為。

②向a中加水會(huì)看到氣球脹大，一段時(shí)間內(nèi)氣球大小沒(méi)有變化，說(shuō)明該裝置氣密性。

（2）乙裝置：

①若生成O2使氣球脹大，則錐形瓶中所裝的固體物質(zhì)可以是。

②若生成H2使氣球脹大，則反應(yīng)的化學(xué)方程式為。

③若錐形瓶中裝有NaOH固體，分液漏斗中加入少量水，則氣球脹大的主要原因是。

（3）丙裝置：

若錐形瓶中盛滿CO2，欲使氣球脹大，則分液漏斗中的液體可以是。

答案：1.C 2.A 3.AC 操作簡(jiǎn)便，無(wú)污染，提高了測(cè)定數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性

4.（1）Cu2S+2O22CuO+SO2 不再產(chǎn)生刺激性氣味的氣體或?qū)駶?rùn)的藍(lán)色石蕊試紙懸于灼燒容器上方，試紙不變色（其他合理答案也可） （2）將稱量好的黑色固體分別置于坩堝中充分灼燒 冷卻至室溫后稱量其剩余固體的質(zhì)量

5.（1）①長(zhǎng)頸漏斗 ②良好 （2）①M(fèi)nO2（其他合理答案均可） ②Zn+H2SO4ZnSO4+H2↑（其他合理答案均可） ③NaOH固體溶于水放熱，空氣受熱膨脹 （3）NaOH溶液（其他合理答案均可）

（收稿日期：2014-12-08）