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
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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(包括干燥气体)装置（图4）
注意事项：
⑴ 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。
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⑵ 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。
⑶ 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）
⑴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。
⑵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：
⑴ a用于NaOH吸收CO2（气体溶解或反应速度不很快，不易引起倒吸）；
⑵ b用于收集少量气体然后处理；如多余的CO的处理。
⑶ 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。
⑷ 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
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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（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。
①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 ；
②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。
①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 ；
②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) ；
③……，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(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：
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（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：假设孔雀石加热分解的产物是H2O、CO2和CuO。
设计实验：实验①：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②
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：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(用图示或文字说明均可)： 。
现象和结论：实验①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②中(你设计的)：因为有 现象，所以黑色固体中有铜元素；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，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 。
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参考答案
典例精讲：
1.【解析】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)①镁粉有剩余，溶液中不再有气泡产生 Mg+H2SO4==MgSO4+H2↑②过滤，蒸发 (2)①不再生成沉淀 H2SO4+2NaOH==Na2SO4+2H2O MgSO4+2NaOH==Mg(OH)2↓+Na2SO4②过滤，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：2H2O22H2O+O2↑，反应物是一种，生成物是两种，属于分解反应．
【答案】2H2O22H2O+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，则该装置的气密性良好。
4、[分析]
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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：①d 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；气体通过澄清石灰水时须遵循长进短出的原则。 ②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：①H2O(水) 澄清石灰水变浑浊 ②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②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；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+Fe2O32Fe+3CO2 （3）80％ （4）原装置中空气含有的二氧化碳被
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