實驗方案設計與評價題解法指導及實例分析

王廷虎

對實驗方案的設計與實驗方案的評價，基本上是一回事。前者需要根據(jù)實驗目的獨立地設計出實驗步驟，并預估實驗現(xiàn)象及由此得出的結論；后者是對已有實驗方案的正確與否、合理與否、簡明與否進行評價。顯然，前者的難度要比后者大得多。實驗方案的設計常以實驗報告的形式呈現(xiàn)。

一、化學實驗方案設計的基本要求

1.科學性

實驗原理、實驗方法和操作過程必須科學、嚴謹、合理。

2.安全性

實驗操作要盡量防止帶有危險性的操作，盡量避免與有毒物質接觸。若無法避免有毒物質，則應采取安全措施，以防造成環(huán)境污染和人身傷害。

3.可行性

設計的實驗方案要真正切實可行，所選藥品、儀器、裝置經濟可靠。

4.簡約性

實驗設計應簡單易行，要求實驗裝置簡單，實驗操作簡便，實驗現(xiàn)象明顯。

對實驗方案的評價也應以上述要求為標準。

二、化學實驗方案設計題的一般解題思路

1.認真審題，明確實驗目的，找出實驗的關鍵。

2.根據(jù)實驗目的，確定實驗基本原理，進而選擇儀器及藥品，設計好實驗步驟。

3.運用基本知識和操作原理，將實驗連成一個整體，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→物質性質的實驗裝置→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：有毒氣體應利用溶液吸收（如Cl2、SO2用NaOH溶液吸收）或點燃（如CO）；無毒氣體可以直接排入空氣中。

（3）注意多種雜質的除雜順序和多種物質的檢驗順序，如鑒定H2、CO、CH4燃燒產物時，應先檢驗水蒸氣，再檢驗CO2。

（4）注意某一裝置的重復使用。

（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的空氣，然后才點燃酒精燈，目的是為了防止發(fā)生爆炸（如用H2、CO還原CuO）。

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

三、中考化學實驗方案設計與評價題的常見題型

1.有關化學實驗操作步驟的設計與評價

例1（2014年陜西）實驗室制取CO2的有關操作如圖1，不正確的是（ ）。

解析用圖中裝置檢查氣密性時，拉注射器活塞，若裝置的氣密性良好，則在長頸漏斗的下端會有氣泡冒出，A正確；制取二氧化碳時不能用稀硫酸，因為稀硫酸與碳酸鈣發(fā)生反應，會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的進一步進行，使反應進行一段時間就停止了，B錯誤；二氧化碳密度比空氣大，用圖中裝置收集時應將進氣管伸到集氣瓶的底部，C正確；驗滿二氧化碳時應將燃著的木條放在集氣瓶口，若用圖D中裝置收集，燃著的木條應放在剛伸出瓶塞的導管一邊，D正確。答案 B

2.有關物質制備和性質的實驗設計與評價

例2（2014年濟寧）輕質碳酸鈣廣泛應用于橡膠、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。目前輕質碳酸鈣的生產主要是碳化法，工藝流程見圖2：

請分析輕質碳酸鈣的生產流程，回答下列問題：

（1）物質B的化學式為；

（2）在A→B之間，過濾操作的目的是

；

（3）在B+C→CaCO3的過程中，應控制物質C的流量，原因是（用化學方程式表示）；

（4）生產輕質碳酸鈣的方法很多，請再設計一種制備方法（用化學方程式表示）。

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生成碳酸鈣和水。（1）氫氧化鈣的化學式為Ca（OH）2；（2）Ca（OH）2在常溫下的溶解度很小，需過濾出不溶的Ca（OH）2。（3）生成CaCO3的過程中，CO2過多會繼續(xù)和CaCO3反應生成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.有關物質分離和提純的實驗設計與評價

例3（2014年汕尾）木炭還原氧化銅實驗后的混合粉末中含有銅、氧化銅、木炭粉，某化學實驗小組設計回收銅的方案如圖3所示：

圖3

（1）過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①的化學方程式為。

（3）濾液Ⅱ中的溶質為。

（4）試劑A最好選用下列溶液（填序號）。

①H2SO4 ②CuSO4 ③MgSO4

（5）為了完善實驗方案，可對濾渣Ⅰ中的進行回收。

解析（1）根據(jù)過濾時所用儀器可知，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）氧化銅與硫酸反應生成硫酸銅和水，而銅、木炭與硫酸不反應。（3）反應①后，濾液Ⅰ中的溶質是硫酸和硫酸銅，加入過量鐵粉，硫酸和鐵粉反應生成硫酸亞鐵和氫氣，硫酸銅和鐵粉反應生成硫酸亞鐵和銅，過濾后濾液Ⅱ中的溶質為硫酸亞鐵。（4）濾渣Ⅱ中含有剩余的鐵粉，經過③后得到銅，可知除去過量的鐵粉，最好用硫酸銅溶液；（5）開始混合粉末中的銅沒有和硫酸反應，進入濾渣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.有關物質鑒別的實驗設計與評價

例4（2014年蘭州）為了鑒別碳酸鉀溶液和氫氧化鉀溶液，同學們進行了探究實驗，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，實驗結束后，同學們將廢液倒入同一個干凈的燒杯中，發(fā)現(xiàn)廢液變渾濁，同學們對廢液進行了過濾，并對濾液的成分進行了探究。

【提出問題】濾液中除水外還含有那些物質？

【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

你認為還可能是（寫出一種猜想）。

【討論】你認為猜想不合理（填字母），請說明理由。

【實驗設計】設計一個簡單的實驗，證明你的猜想正確。

實驗步驟實驗現(xiàn)象實驗結論

取樣于試管中，猜想正確

【反思交流】寫出碳酸鉀與氯化鈣反應的化學方程式。在分析化學反應后所得物質的成分時，除考慮生成物外還需考慮。

解析【猜想】氯化鈣如果過量，此時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，因為碳酸鉀和氯化鈣能發(fā)生反應，即碳酸鉀和氯化鈣不能共存。【實驗設計】在鑒別實驗過程中，氫氧化鉀沒有被消耗，故濾液中一定存在氫氧化鉀；因碳酸鉀與氯化鈣發(fā)生反應生成碳酸鈣沉淀和氯化鉀，故濾液中一定存在氯化鉀；向濾液中加入可溶性碳酸鹽（如碳酸鉀、碳酸鈉等）溶液，若產生白色沉淀，則可證明濾液中存在氯化鈣，綜上可證明猜想正確。【反思交流】碳酸鉀與氯化鈣反應的化學方程式為K2CO3+CaCl2CaCO3↓+2KCl。在分析化學反應后所得物質的成分時，除了考慮生成物外還需考慮反應物是否過量，即反應后是否有剩余。

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，生成沉淀

【實驗設計】滴入碳酸鉀溶液（或碳酸鈉溶液等答案合理均可 產生白色沉淀）

【反思交流】K2CO3+CaCl2CaCO3↓+2KCl 反應物是否剩余

5.綜合實驗設計與評價

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

【作出猜想】小馬猜想：溶質有NaCl、HCl、NaOH

小程猜想：溶質只有NaCl

小宮猜想：溶質有NaCl、HCl

小尚猜想：溶質有NaCl、NaOH

（1）老師認為小馬的猜想是錯誤的，她的理由是。

【方案設計】小程和小宮分別設計了如下方案驗證各自的猜想。

方案設計者方案步驟方案預估現(xiàn)象方案結論

小程用一根潔凈的玻璃棒蘸取反應后的溶液沾在試紙上，把試紙所呈現(xiàn)的顏色與標準比色卡進行對照pH=7小程猜想正確

小宮取少量反應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

【方案評價】（2）兩位同學中的方案正確。

【方案反思】（3）請分析錯誤方案的原因（都正確，不作答）。

【拓展研究】（4）請你再設計一個實驗方案驗證小尚的猜想正確，填寫下列實驗報告。

方案步驟方案預估現(xiàn)象方案結論

小尚猜想正確

解析（1）鹽酸與氫氧化鈉不能共存，因為如果二者都有會繼續(xù)反應。（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pH的方法來判斷反應后溶液中的溶質是正確的。（3）稀鹽酸和氫氧化鈉反應會生成氯化鈉，氯化鈉溶液與硝酸銀溶液反應也會生成不溶于稀硝酸的白色沉淀，因此小宮的方法是錯誤的。（4）小尚的猜想是溶液中有氯化鈉和氫氧化鈉，氯化鈉是反應的生成物，是肯定有的，因此只要驗證出有氫氧化鈉即可，可根據(jù)氫氧根離子的性質進行驗證。

答案：（1）鹽酸與氫氧化鈉溶液能發(fā)生反應（水溶液中H+、OH-不能大量共存） （2）小程 （3）中和反應產物有NaCl（Cl-），加入硝酸銀溶液會生成白色沉淀，不能說明是否有HCl （4）方案步驟：取少量反應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）預估現(xiàn)象：有藍色沉淀生成 （或取少量反應后的溶液于一支試管中，再向試管中滴加無色酚酞試液 酚酞試液變紅色 或用一根潔凈的玻璃棒蘸取反應后的溶液沾在pH試紙上，把試紙所呈現(xiàn)的顏色與標準比色卡進行對照 pH>7 或其它合理答案）

跟蹤練習

1.（2014·萊蕪）下列實驗方案中，不能達到實驗目的是（ ） .

選項實驗目的實驗方案

A鑒別硬水和軟水加肥皂水攪拌

B除去氯化鈉固體中的少量碳酸鈉加入適量稀鹽酸，充分反應后，蒸發(fā)

C分離碳酸鈉和氫氧化鈉的混合物加入過量氯化鈣溶液，過濾

D區(qū)分羊毛與合成纖維點燃，聞氣味

2.（2014·東營）下列實驗裝置進行的相應實驗，達不到實驗目的是（ ）。

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.在實驗室中，用圖4所示裝置除去少量黃河水中的泥沙

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

A.紅磷、水 B.木炭、水

C.硫、NaOH溶液 D.小蠟燭、NaCl溶液

思敏同學對該實驗進行反思后，提出了改進方法（如圖Ⅱ所示），你認為改進后的優(yōu)點是（任寫兩點）。

4.（2014·杭州）無標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)生下列化學反應：

2CuS+3O2灼燒2CuO+2SO2

Cu2S+O2灼燒CuO+SO2（沒配平）

（1）請寫出配平后的Cu2S在空氣中灼燒的化學方程式。如要確定灼燒的Cu2S是否完全反應，依據(jù)的實驗現(xiàn)象是。

（2）根據(jù)這兩個反應的化學方程式中固體物質的質量變化，某同學僅用天平、酒精燈、坩堝、三角架等常用儀器（無其它試劑），通過三個實驗步驟鑒別出某黑色固體是硫化銅還是硫化亞銅。他的實驗步驟一：用天平準確稱量一定質量的待測黑色固體。

請寫出后兩個實驗步驟：

實驗步驟二：。

實驗步驟三：。

5.（2014·安徽）某化學興趣小組設計了一組“吹氣球”實驗，三套裝置如下圖：

（1）甲裝置：

①儀器a的名稱為。

②向a中加水會看到氣球脹大，一段時間內氣球大小沒有變化，說明該裝置氣密性。

（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可以是。

②若生成H2使氣球脹大，則反應的化學方程式為。

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 操作簡便，無污染，提高了測定數(shù)據(jù)的準確性

4.（1）Cu2S+2O22CuO+SO2 不再產生刺激性氣味的氣體或將濕潤的藍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量

5.（1）①長頸漏斗 ②良好 （2）①MnO2（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）