逍遥学能 2014-01-24 06:47
综合实验方案设计的探究和评价是综合应用实验基础知识、基本操作，结合化学基本理论、元素化合物的知识以及化学计算等相关知识，解决相关的实验问题，近年来高考的命题方向主要表现在以下几个方面：①制备实验装置的选择与仪器的连接、装置气密性的检查、实验现象的描述、尾气的处理等。如2008年天津理综28题、重庆理综27题；再如2009年宁夏26题、全国Ⅱ卷28题等；②给定实验目的、实验情景或性质，要求选择实验仪器装置、药品等确定实验程序，评价实验方案等。如2008年广东卷20、21题；再如2009年山东卷30题、福建卷25题、重庆卷25题等；③对教材实验进行重组、优化和创新。如2008年北京理综27题、再如2009年全国I卷27题、北京卷27题等。因此在高考复习时要重视基本仪器的使用和基本操作的基础知识的巩固，重视对物质的制备、分离、提纯和检验的考查，重视对课本涉及的常见物质以及与生产生活密切相关的物质的制备，重视对课本实验的改进的探究与评价，重视综合性实验的考查。
一、综合实验装置的一般连接顺序是：
发生装置→除杂→干燥→核心实验→收集装置→防倒吸装置→尾气吸收装置
1. 气体发生装置的选择：要根据反应物的状态和反应条件可分为以下三类：
2.除杂、干燥装置的选择：主要有洗气瓶、干燥管等：
洗气瓶：气体长管进，短管出。
干燥管：气体大口进，小口出。
3.几种常见气体的收集：
气体的收集方法有：口向上排空气集气法（如：CO2、Cl2等相对分子质量比空气大且又不与空气中的成分反应的气体）；口向下排空气集气法（如：H2、NH3等相对分子质量比空气小且又不与空气中的成分反应的气体）；排水集气法（如：CH2＝CH2、NO等难溶于水或与空气成分反应或相对分子质量与空气很接近且的气体）。
口向上排空气集气法的收集装置，如果气体是从右进，那么也可以看成是口向下排空气集气法的收集装置。当然此装置还可以作洗气瓶用，但要注意长进短出。还可以用作安全瓶，但要注意此时是短进长出。
4.几种常见尾气的处理：
为了保护环境，防止中毒，对有毒、有害的气体必须用适当的溶液予以吸收或点燃，将其转变为无无害的气体，然后在排放到空气中。如Cl2、SO2、NO2等可用NaOH溶液吸收；NH3可用浓H2SO4吸收；尾气的处理时要注意防倒吸，可采用防倒吸装置，而CO尾气则可在导管口处点燃，将其转化为CO2。对于那些无毒、无害的气体（如N2、O2、 H2 、CO2等）可以直接排放到空气中。
5.各种物质的验证：确认物质成分后选择试剂，逐一验证各物质时要注意反应的先后顺序，防止相互之间的干扰。如检验A，除去A，确认A被除尽等等。
二、综合实验方案设计要求：条件合适，操作方便；原理正确，步骤简单；原料丰富，价格低廉；产物纯净，污染物少等。
具体表现在以下几点：
1.注意检验气体的纯度，点燃或加热通有可燃性气体的装置前，必须检验气体的纯度。如用H2、CO等气体还原金属氧化物时，需要加热金属氧化物，在操作中，不能先加热，后通气，应当先通入气体，将装置内的空气排净后，在检查气体是否纯净，等验证纯后，再点燃酒精灯加热金属氧化物。
2.注意加热操作先后顺序的选择，若气体发生需加热，应先用酒精灯加热发生气体装置，等产生气体后，再给实验需要加热的固体物质加热。其目的一则防止爆炸（如H2还原CuO）；二则保证产品的纯度，防止反应物或生成物与空气中的其他物质反应。例如用浓硫酸和甲酸共热产生CO，再用CO还原Fe2O3，实验时应首先点燃CO发生装置的酒精灯，生成的CO赶走空气后，再点燃加热Fe2O3的酒精灯，而熄灭酒精灯的顺序则相反，原因是：在还原性气体中冷却Fe可防止灼热的Fe再被空气中的O2氧化，并防止石灰水倒吸。
3.冷凝回流装置，有易挥发的液体反应物，为了避免反应物的损耗且充分利用原料，要在发生装置上设计冷凝回流装置（可在发生装置上安装长玻璃管等）。
4.特殊实验的装置要做好改进，如为防止分液漏斗中的液体不能顺利流出，用橡皮管连接成连通装置等。
5.冷却问题，有的实验为了防止气体冷凝不充分而受损失，需用冷凝管或冷水或冰水冷凝气体（物质蒸汽），使物质蒸汽冷凝液态以便于收集。
6.气体易溶于水的、实验过程中用到加热操作的要做好放止倒吸工作。洗气时长进短出，干燥除杂时大进小出等。
7.实验仪器的柴拆卸要注意安全性和科学性，有些实验为防止“爆炸”或“氧化”，应想到什么时间停止加热或通气，如有尾气吸收，必须将尾气导管提出液面后才能熄灭酒精灯，以免造成倒吸。拆下的仪器要清洗、干燥、放回原处。
【例题1】（2009年全国高考理综Ⅱ 28）已知氨可以与灼热的氧化铜反应得到氮气和金属铜，用示意图中的装置可以实现该反应。
回答下列问题：
（1）A中加入的物质是___________，发生反应的化学方程式是_____________；
（2）B中加入的物质是___________，其作用是_____________________；
（3）实验时在C中观察到得现象是_________，发生反应的化学方程式是______；
（4）实验时在D中观察到得现象是_________，D中收集到的物质是_______，检验该物质的方法和现象是_________。
解析：本题考查化学实验和有关化学方程式，注意化学实验现象的描述和试剂的选择。根据反应原理，反应物为氨气和氧化铜，可以判断试管A为制取氨气的装置，因此装入的药品应该为氯化铵和氢氧化钙，氨气要使用碱石灰。加热后，黑色氧化铜变为红色的铜，还有生成氮气和水，水留在了D中，而氮气通过排水法进行收集。检验氨气可利用其碱性，检验水可以用无水硫酸铜。
答案：（1）固体NH4Cl和Ca(OH)2 2NH4Cl + Ca(OH)2 CaCl2 + 2NH3↑ + 2H2O
（2）碱石灰（或CaO） 除去NH3气流中的水蒸气
（3）黑色粉末部分逐渐变为红色 2NH3 + 3CuO N2 + 3Cu + 3H2O
（4）出现无色液体 氨水 用红色石蕊试纸检验、试纸变蓝，用无水硫酸铜检验、无水硫酸铜变蓝
【例题2】三草酸合铁酸钾晶体K3 [Fe(C2O4 )3]·3H2O可用于摄影和蓝色印刷。某小组将无水三草酸合铁酸钾在一定条件下加热分解，对所得气体产物和固体产物进行实验和探究。请利用实验室常用仪器、用品和以下限选试剂完成验证和探究过程。限选试剂：浓硫酸、1.0 mol·L－1 HNO3、1.0 mol·L－1盐酸、1.0 mol·L－1 NaOH、3% H2O2、0.1mol·L－1 KI、0.1 mol·L－1CuSO4、20% KSCN、澄清石灰水、氧化铜、蒸馏水。
（1）将气体产物依次通过澄清石灰水（A）、浓硫酸、灼热氧化铜（B）、澄清石灰水（C），观察到A、C中澄清石灰水都变浑浊，B中有红色固体生成，则气体产物是 。
（2）该小组同学查阅资料后推知，固体产物中，铁元素不可能以三价形式存在，而盐只有K2CO3。验证固体产物中钾元素存在的方法是 ，现象是 。
（3）固体产物中铁元素存在形式的探究。
①提出合理假设：假设1： ； 假设2： ；假设3： 。
②设计实验方案证明你的假设
③实验过程：根据②中方案进行实验。按下表的格式写出实验步骤、预期现象与结论。
实验步骤
预期现象与结论
步骤1：
步骤2：
步骤3：
……
解析：该实验的目的是探究无水三草酸合铁酸钾在一定的条件下加热分解所得其气体的产物和固体产物。（1）将产生的气体产物依次通过澄清石灰水，石灰水变混浊，说明产生的气体中含有CO2，然后再通过灼热氧化铜、澄清石灰水，观察到有红色固体生成，澄清石灰水都变浑浊，说明气体中含有CO；（2）碱金属元素的检验一般采用焰色反应；（3）依据信息：固体产物中，铁元素不可能以三价形式存在，而盐只有K2CO3，可推测铁元素只能以亚铁及铁单质的形式存在；在设计实验时，应注意Fe与FeO的性质的不同点。
答案：（1）CO2、CO
（2）焰色反应 透过蓝色钴玻璃，观察到紫色的火焰
（3）①FeO FeO、Fe Fe
实验步骤
预期现象与结论
步骤1：取适量固体产物与试管中，加入足量蒸馏水，充分振荡使碳酸钾完全溶解。分离不容固体与溶液，用蒸馏水充分洗涤不溶固体
固体产物部分溶解
步骤2：向试管中加入适量硫酸铜溶液，再加入少量不溶固体，充分振荡
（1）若蓝色溶液颜色及加入的不溶固体无明显变化，则假设2成立。
（2）若蓝色溶液颜色明显改变，且有暗红色固体生成，则证明有铁单质存在
步骤3：继续步骤2中的（2）,进行固液分离，用蒸馏水洗涤固体至洗涤液无色。取少量固体与试管中，滴加过量HCl，静置，取上层清液，滴加适量H2O2 ,充分振荡后滴加KSCN
结合步骤2中的（2）：
（1）若溶液基本无色，则假设1成立
（2）若溶液呈血红色，则假设3成立
③步骤1：将固体产物加入1.0 mol·L-1盐酸中 观察有无气体 若有气泡产生、说明固体产物中含有单质铁，反之，则不含单质铁
步骤2：将固体产物加入足量的0.1 mol·L-1CuSO4中充分反应后过滤、洗涤后，将沉淀物溶于1.0 mol·L-1盐酸，再加入20% KSCN，最后加入3% H2O2，若最终溶液显红色，说明固体产物中含有FeO，若不出现红色、说明不含有FeO
点拨：解答综合性实验题，首先要明确实验目的，然后结合实验目的、所给装置或步骤分析反应原理，最后整理思路，选择合适的仪器、药品，找出适当的连接方式，更要考虑到方案是否完整合理，有无干扰现象，经济上是否合算，是否存在环境污染等问题。
【例题3】（2009年北京高考27题）某学习小组探究浓、稀硝酸氧化性的相对强弱，按下图装置进行试验（夹持仪器的装置已略去）。实验表明浓硝酸能将NO氧化成NO2，而稀硝酸不能氧化NO。由此得出的结论是浓硝酸的氧化性强于稀硝酸。
可选药品：浓硝酸、3 mol/L稀硝酸、蒸馏水、浓硫酸、氢氧化钠溶液及二氧化碳
已知：氢氧化钠溶液不与NO反应，能与NO2反应
2NO2 + 2NaOH === NaNO3 + NaNO2 + H2O
（1）实验应避免有害气体排放到空气中，装置③、④、⑥中盛放的药品依次是
（2）滴加浓硝酸之前的操作是检验装置的气密性，加入药品，打开弹簧夹后
（3）装置①中发生反应的化学方程式是
（4）装置②的作用是 ，发生反应的化学方程式是
（5）该小组得出的结论以据的试验现象是
（6）试验结束后，同学们发现装置①中溶液呈绿色，而不显蓝色。甲同学认为是该溶液中硝酸铜的质量分数较高所致，而乙同学认为是该溶液中溶解了生成的气体。同学们分别设计了以下4个试验来判断两种看法是否正确。这些方案中可行的是（选填序号字母）
a.加热该绿色溶液，观察颜色变化
b.加水稀释绿色溶液，观察颜色变化
c.向该绿色溶液中通入氮气，观察颜色变化
d.向饱和硝酸铜溶液中通入浓硝酸与铜反应产生的气体，观察颜色变化
解析：本题主要考查HNO3的性质、化学基本实验设计和评价能力。（1）根据装置特点和实验目的，装置⑤是收集NO，装置⑥中盛放NaOH溶液吸收NO2，因为要验证稀HNO3不能氧化NO，所以装置③中应该盛放稀硝酸。
（2）由于装置中残存的空气能氧化NO而对实验产生干扰，所以滴加浓HNO3之前需要通入一段时间CO2赶走装置中的空气，同时也需将装置⑤中导管末端伸入倒置的烧瓶内防止反应产生的NO气体逸出。
（3）Cu与浓HNO3反应生成Cu(NO3)2、NO2、H2O：
Cu + 4HNO3(浓)＝Cu(NO3)2 + 2NO2↑ +2 H2O。
（4）装置②中盛放H2O，使NO2与H2O反应生成NO：3NO2 + H2O === 2HNO3 + NO。
（5）NO通过稀HNO3溶液后，若无红棕色NO2产生，说明稀HNO3不能氧化NO，所以盛放稀HNO3装置的液面上方没有颜色变化即可说明之。装置④中盛放的是浓HNO3，若浓HNO3能氧化NO则装置④液面的上方会产生红棕色气体。
（6）要证明是Cu(NO3)2浓度过高或是溶解了NO2导致装置①中溶液呈绿色，可设计将溶解的NO2赶走（a、c方案）再观察颜色变化。也可在Cu(NO3)2的浓溶液中通入NO2进行比较观察反应后的颜色变化（d方案），确定是否是因为溶有NO2引起的。方案b由于Cu(NO3)2和溶解在其中的NO2浓度均可发生变化，故无法确定是哪一种因素引起的。
答案：（1）3mol/L稀硝酸、浓硝酸、氢氧化钠溶液
（2）通入CO2一段时间，关闭弹簧夹，将装置⑤中导管末端伸入倒置的烧瓶内
（3）Cu + 4HNO3（浓）=== Cu(NO3)2 + 2NO2↑ + 2H2O
（4）将NO2转化为NO 3NO2 + H2O === 2HNO3 + NO
（5）装置③中液面上方气体仍为无色，装置④中液面上方气体由无色变为红棕色
（6）a c d
练习.（2008天津）Ⅰ.化学实验室制取氯化氢气体的方法之一是将浓硫酸滴入浓盐酸中。请从下图中挑选所需仪器，画出用该方法制备、收集干燥氯化氢气体的装置简图，并在图中标明所用试剂。（仪器可重复使用，固定装置不必画出）
Ⅱ.实验室制备少量硫酸亚铁晶体的实验步骤如下：取过量洁净的铁屑，加入20%－30%的稀硫酸溶液，在50℃－80℃水浴中加热至不再产生气泡。将溶液趁热过滤，滤液移至试管中，用橡胶塞塞紧试管口，静置、冷却一段时间后收集产品。
（1）写出该实验制备硫酸亚铁的化学方程式：_________________。
（2）硫酸溶液过稀会导致_________________。
（3）采用水浴加热的原因是_________________。
（4）反应时铁屑过量的目的是（用离子方程式表示）_________________。
（5）溶液趁热过滤的原因是______________。塞紧试管口的目的是_____________。
（6）静置冷却一段时间后，在试管中观察到的现象是_________________。
解析：Ⅰ.浓硫酸和浓盐酸反应制取HCl气体，不需要加热，即：液＋液 → 气，可采用分液漏斗和圆底烧瓶组成发生装置；干燥HCl可以用装有浓硫酸的洗瓶，收集HCl用向上排空气法，由于HCl气体极易溶于水，故在水面上用倒扣的漏斗的方法来吸收尾气。整个装置为：
Ⅱ. ⑴铁和稀硫酸反应的化学方程式为：Fe + H2SO4(稀)FeSO4 + H2↑。
（2）硫酸如果浓度过稀，那么反应时速率就过慢；又由于溶液中含有较多的水，这样也不利于硫酸亚铁晶体的析出。
（3）水浴加热受热均匀，温度容易控制。
（4）铁屑过量的目的是防止Fe2＋ 被氧化成Fe3＋，即使被氧化，Fe还可以使Fe3＋ 还原：
Fe + 2Fe3＋ === 3Fe2＋。
(5) 溶液趁热过滤的目的是为了减少FeSO4的损失；塞紧试管口的目的是防止空气中的氧气将FeSO4氧化。
（6）硫酸亚铁热溶液在冷却过程中，溶解度降低，在静止冷却一段时间后会有浅绿色硫酸亚铁晶体析出。
答案：Ⅰ.见解析。Ⅱ.（1）Fe + H2SO4（稀） FeSO4 + H2↑ （2）反应速率慢 不利于晶体析出（3）水浴加热受热均匀，温度容易控制（4）Fe3++2Fe＝3Fe2+（5）减少FeSO4的损失 防止空气进入试管将Fe2+氧化为Fe3+ （6）有浅绿色晶体析出