专题十六 实验设计与评价
【备考策略】实验设计和实验评价是综合实验考题的呈现方式之一，近3年的江苏高考试题中非择题实验部分（制备实验、理论运用实验等）都有体现，一般多有实验的评价，而2010、2012年出现了实验步骤的完整设计，
预示着实验部分难度的加大。展望2013年江苏高考，将延续近几年的模式，实验设计和评价一定伴随二卷实验题的考查。关注以下各类背景的实验： （1）以物质制备为背景的实验题； （2）以实验探究为背景的实验题； （3）以实验方案设计为背景的实验题； （4）以定性、定量分析为背景的实验题； 解题之道首先了解实验流程的目的和反应原理、其次分析反应条件控制的目的。
类型一、实验探究 例1．（2012·北京理综卷有删改）有文献记载:在强碱条件下，加热银氨溶液可能析出银镜。某同学进行如下验证和对比实验。 装置 实验序号 试管中的药品 现象  
[来源:学,科,网Z,X,X,K]  实验Ⅰ  2mL银氨溶液和数 滴较浓NaOH溶液  有气泡产生: 一段时间后，溶液 逐渐变黑:试管壁 附着银镜    实验Ⅱ  2mL银氮溶液和 数滴浓氨水 有气泡产生: 一段时间后，溶液 无明显变化  该同学欲分析实验Ⅰ和实验Ⅱ的差异，查阅资料: a．
b．AgOH不稳定，极易分解为黑色Ag2O (I)配制银氨溶液所需的药品是 。 (2)经检验，实验Ⅰ的气体中有NH3,黑色物质中有Ag2O. ①用湿润的红色石蕊试纸检验NH3产生的现象是 。 ②产生Ag2O的原因是
。 (3)该同学对产生银镜的原因提出瑕设:可能是NaOH还原Ag2O。实验及现象:向AgNO3溶液中加入 ，出现黑色沉淀;水浴加热，未出现银镜。 (4)重新假设:在NaOH存在下.可能是NH3，还原Ag2O。将氨气通入含NaOH的潮湿Ag2O并水浴加热，而后出现银镜。 (5)该同学认为在(4)的实验中会有Ag(NH3)2OH生成.由此又提出假设:在NaOH存在下，可能是Ag(NH3)2OH也参与了NH3还原Ag2O的反应.进行如下实验:
有部分Ag2O溶解在氨水中，该反应的化学方程式是 。 验结果证实假设成立，依据的现象是 。 （6）用HNO3,消洗试管壁上的Ag，该反应的化学方程式是 。 【知识总结】化学实验中常探究的物质性质 (1)氯气、次氯酸盐或次氯酸、高氯酸都有不同程度的氧化性，而盐酸或氯化物中的氯元素则具有还原性。 (2)硝酸、双氧水、氯水常体现氧化性和不稳定性。 (3)铁具有较强的还原性，Fe3+具有氧化性，而Fe2+则具有强的还原性。 (4)铝既能与酸液反应放出H2，又能与强碱液反应放出H2，A12O3和AI(OH)3都具有两性。 (5)烃中饱和烃(包括烷烃、环烷烃)以及苯遇溴水或高锰酸钾酸性溶液都不褪色。烯烃、二烯烃、炔烃以及苯乙烯遇以上试剂都褪色，而苯的同系物甲苯、乙苯、二甲苯等只遇高锰酸钾酸性溶液褪色。二氧化硫、硫化氢、亚硫酸钠遇上述试剂都褪色。但应弄清苯、甲苯、液态烷或环烷甚至乙醚等都能萃取溴，产生水层褪色的现象并不是发生了反应。 (6)新制的氢氧化铜能与具有羧基的有机物如甲酸、乙酸等反应形成蓝色溶液；遇醛基有机物如甲醛、乙醛、葡萄糖，在受热时产生红色Cu2O。 (7)具有
羟基、醛基、羧基、氨基结构有机物质都有对应的性质。 【变式训练1】硫代硫酸钠(Na2S2O3)可看成是一个S原子取代了Na2SO4中的一个O原子而形成。某校化学研究性学习小组运用类比学习的思想，通过实验探究Na2S2O3的化学性质。 【提出问题】Na2S2O3是否与Na2SO4相似具备下列性质呢？ 猜想①： ； 猜想②：溶液呈中性，且不与酸反应； 猜想③：无还原性，不能被氧化剂氧化。 【实验探究】基于上述猜想②、③，设计实验方案。 实验操作 实验现象或 预期实验现象 现象解释 （用离子方程式表示）  猜想②  溶液pH＝8 —   向pH=2的硫酸中滴加Na2S2O3溶液  S2O32—+2H＋=S↓+SO2↑+H2O  猜想③ 向新制氯水(pH<2)中滴加少量Na2S2O3溶液 氯水颜色变浅   【实验结论】Na2S2O3能与酸反应，具有还原性，与Na2SO4的化学性质不相似。 【问题讨论】 ⑴甲同学向探究“猜想③”反应后的溶液中滴加硝酸银溶液，观察到有白色沉淀产生，并据此认为氯水可将Na2S2O3氧化。你认为该方案是否正确并说明理由 。 ⑵请重新设计一个实验方案，证明Na2S2O3被氯水氧化。该实验方案是 。 类型二、流程性制备评价 例2．（2012年镇江期末）用金属钴板（含少量Fe、Ni）制备应用广泛的氯化钴的工艺流程如下：
注：钴与盐酸反应极慢，需加入催化剂硝酸才可能进行实际生产。 有关钴、镍和铁化合物的性质见下表： 化学式 沉淀完全时的pH 钴镍性质  Co(OH)2 9.4 Co＋2HCl＝CoCl2＋H2↑ Co2＋＋2NH3·H2O＝Co(OH)2↓＋2NH4＋ Co2＋＋2H2O
Co(OH)2＋2H＋ Ni＋2HCl＝NiCl2＋H2↑ Ni2＋＋6NH3·H2O＝[Ni(NH3)6]2＋＋6H2O  Fe(OH)2 9.6   Fe (OH)3 3.7    （1）“除镍”步骤中，NH3·H2O用量对反应收率的影响见下表，从表中可知x＝ 时，除镍效果最好。 加NH3·H2O调pH 收率/% Ni2＋含量/%  9 98.1 0.08  9.5 98 0.05  10 97.6 0.005  10.3 94 0.005  （2）“除镍”步骤必须控制
在一定的时间内完成，否则沉淀中将有部分Co(OH)2转化为Co(OH)3，此反应的化学方程式为 。 （3）“除铁”步骤中加入双氧水发生反应的离子方程式是 。 （4）“除铁”步骤中加入的纯碱作用是 。 （5）在“调pH”步骤
中，加盐酸的作用是 。 【知识总结】 （1）易溶物质的获取 实验室或工业制备（或合成）的物质，都需要经过分离和提纯，其中易溶物质的提取或提纯常有 ①加入试剂，促进析出（降低目标物质的溶解性），所加试剂多是有机溶剂。 ②蒸发溶剂，结晶过滤。 （2）结晶水化物的获取 如胆钒晶体、碳酸钠晶体等一般通过蒸发浓缩、结晶过滤得到，一般不采用加热蒸干，否则，得到的晶体少含结晶水或不含结晶水。 （3）易水解物质的获取 在蒸发获取易水解物质时，必须加以保护，抑止它的水解。比如MgCl2溶液蒸发时，是在HCl气流中蒸发获取MgCl2晶体。 【变式训练2】（2012·浙江理综卷)过碳酸
钠（2Na2CO3·3H2O2）是一种集洗涤、漂白、杀菌于一体的氧系漂白剂。某兴趣小组制备过碳酸钠的实验方案和装置示意图如下：
已知：主反应 2Na2CO3 (aq) + 3H2O2 (aq)
2Na2CO3·3H2O2 (s) ΔH < 0 副反应 2H2O2 = 2H2O + O2↑ 滴定反应 6KMnO4 + 5(2Na2CO3·3H2O2) +19H2SO4 = 3K2SO4 + 6MnSO4 +10Na2SO4 + 10CO2 ↑ + 15O2↑ + 34H2O 50℃时 2Na2CO3·3H2O2 (s) 开始分解 请回答下列问题： （1）图中支管的作用是 。 （2）步骤①的关键是控制温度，其措施有 、 和 。 （3）在滤液X中加入适量NaCl固体或无水乙醇，均可析出过碳酸钠，原因是 。 （4）步骤③中选用无水乙醇洗涤产品的目的是 。 （5）下列物质中，会引起过碳酸钠分解的有 。 A．Fe2O3 B．CuO C．Na2SiO3 D．MgSO4 （6）准确称取0.2000 g 过碳酸钠于250 mL 锥形瓶中，加50 mL 蒸馏水溶解，再加50 mL 2.0 mol·L-1 H2SO4，用2.000×10-2 mol·L-1 KMnO4 标准溶液滴定至终点时消耗30.00 mL，则产品中H2O2的质量分数为 。 类型三、实验设计 例3．（2012阜宁、大丰、栟茶联考）NiSO4·6H2O
是一种绿色易溶于水的晶体，广泛用于化学镀镍、生产电池等，可由电镀废渣（除含镍外，还含有：Cu、Zn、Fe、Cr等杂质）为原料获得。操作步骤如下： ①用稀硫酸溶液溶解废渣，保持pH约1.5，搅拌30min，过滤。 ②向滤液中滴入适量的Na2S，除去Cu2+、Zn2+，过滤。 ③保持滤液在40℃左右，用6%的H2O2氧化Fe2+，再在95℃加入NaOH调节pH，除去铁和铬。 ④在③的滤液中加入足量Na2CO3溶液，搅拌，得NiCO3沉淀。 ⑤________________________________________________________________________。 ⑥________________________________________________________________________。 ⑦蒸发、冷却结晶并从溶液中分离出晶体。 ⑧用少量乙醇洗涤并凉干。 （1）步骤②除可观察到黑色沉淀外，还可嗅到臭鸡蛋气味，用离子方程式说明气体的产生：_______________________________________________。 （2）步骤③中，加6%的H2O2时，温度不能过高，其原因是：______________________ _____________________________。 （3）除铁方法有两种，一是用H2O2作氧化剂，控制pH值2～4范围内生成氢氧化铁沉淀； 另一种方法常用NaClO3作氧化剂，在较小的pH条件下水解，最终生成一种浅黄色的黄铁矾钠［Na2Fe6(SO4)4(OH)12］沉淀除去。下图是温度-pH值与生成的沉淀关系图，图中阴影部分是黄铁矾稳定存在的区域（已知25℃时，Fe(OH)3的Ksp= 2.64×10?39）。 下列说法正确的是______________（选填序号）。 a．FeOOH中铁为+2价 b．若在25℃时，用H2O2氧化Fe2+，再在pH=4时除去铁，此时溶液中c(Fe3+)=2.64×10?29 c．用氯酸钠在酸性条
件下氧化Fe2+离子方程式为：6Fe2++ClO3－+6H+=6Fe3++Cl－+3H2Od．工业生产中温度常保持在85～95℃生成黄铁矾钠，此时水体的pH约为1.2～1.8 （4）确定步骤④中Na2CO3溶液足量，碳酸镍已完全沉淀的简单方法是：_____________ _________________________________________________________。 （5）补充上述步骤⑤和⑥[可提供的试剂有6mol/L的H2SO4溶液，蒸馏水、pH试纸]。 【特别提醒】制备实验方案的设计，对巩固元素化合物知识和掌握好各类有机物之间的相互转化关系，全面训练实验技能，培养分析问题和解决问题的能力是有益的。 制备实验方案的设计，应遵循以下原则： ①条件合适，操作方便；②原理正确，步骤简单；③原料丰富，价格低廉；④产物纯净，污染物少。 即从多种路线中选出一种最佳的制备途径，合理地选择化学仪器与药品，设计
合理的实验装置和实验操作步骤。 【变式训练3】(2012·全国大纲理综卷）现拟用下图所示装置（尾气处理部分略）来制取一氧化碳，并用以测定某铜粉样品（混有CuO粉末）中金属铜的含量。
（1）制备一氧化碳的化学方程式是 ； （2）试验中，观察到反应管中发生的现象时 ；尾气的主要成分是 ； （3）反应完成后，正确的操作顺序为 （填字母） a.关闭漏斗开关 b.熄灭酒精1 c.熄灭酒精灯 （4）若试验中称取铜粉样品5.0g，充分反应后，反应管中剩余固体的质量为4.8g，则原样品中单质铜的质量分数为 ； （5）从浓硫酸、浓硝酸、蒸馏水、双氧水中选用合适的试剂，设计一个测定样品中金属铜质量分数的方案； ①设计方案的主要步骤是（不必描述操作过程的细节） ； ②写出有关反应的化学方程式 。
1．下列实验设计能够成功的是 （ ） 实验目的 实验步骤及现象  A 检验亚硫酸钠试样是否变质 
 B 检验某卤代烃是否是氯代烃 
 C 证明酸性条件H2O2氧化性比I2强 
 D 除去氯化钠晶体中少量硝酸钾 
 2．某化学兴趣小组，需要少量的NO2气体，他们查找了相关资料，提出三种方案。 方案 反应物及其反应  甲 Cu和浓HNO3  乙 NH3和O2的催化氧化  丙 浓HNO3光照分解   （1）你认为操作最简单的是 ，理由是 。 （2）某学生设计了如下装置（如图1）制取NO2气体（固定装置已略去）
，虚线内是收集装置，则虚线内的装置是图2中的 （选择①、②、③）
i.实验前，关闭活塞b，试管d中加水至浸没导管口，塞紧试管c和d的胶塞，加热c，其目的是 ； ii.c中发生的化学方程式是 ；实验现象是 ； （3）下表是制取硝酸铜的三种方案，能体现绿色化学理念的最佳方案是 ，理由是 。 方案 反应物  甲 Cu和浓HNO3  乙 Cu和稀HNO3  丙 Cu、O2和稀HNO3  3．（2012·南京盐城一模）三聚磷酸钠（Na5P3O10）是一种优异的清洁剂添加剂。一种以黄磷（着
火点40°C）为原料生产三聚磷酸钠的主要工艺如下：
（1）工业上黄磷放
在铁桶中加水封盛装，其目的是 ；燃磷时，通入足量的空气，其目的是 。 （2）在三聚磷酸钠的生产过程中，有大量的含磷废水产生，经过处理后才排放，其目的是 ； 。 （3）上述工艺中，循环使用的物料除各种冷却水外，还有 。 （4）在中和釜中按计量比生成磷酸的两种酸式盐。这两种酸式盐在高温聚合时可生成三聚磷酸钠和另一种产物，该反应的化学方程式为 。 专题十六　实验设计与评价 【例1】　(1) AgNO3溶液和氨水　 (2) ①试纸变蓝　② 在NaOH存在下，加热促进NH3·H2O分解，逸出氨气，促使Ag(NH3)＋2H2OAg＋＋2NH3·H2O平衡向正向移动，c(Ag＋)增大，Ag＋与OH－反应立即转化为Ag2O：2OH－＋2Ag＋===Ag2O↓＋H2O (3) 过量NaOH溶液 (5) ① Ag2O＋4NH3·H2O===Ag(NH3)2OH＋3H2O　② 与溶液接触的试管壁上析出银镜 (6) Ag＋2HNO3(浓)===AgNO3＋NO2↑＋H2O 解析：(1) 实验室用AgNO3溶液和氨水配置银氨溶液。 (2)氨气遇湿润的红色石蕊试纸会变蓝色；由于银氨溶液中存在如下平衡：Ag(NH3)＋2H2OAg＋＋2NH3·H2O，加热会促使NH3·H2O分解，生成物浓度减小，平衡向右移动，Ag＋与氢氧化钠反应生成不稳定的AgOH，AgOH分解为黑色Ag2O。 (3)既然假设NaOH还原Ag2O，那么溶液中必然要存在NaOH，所以向AgNO3溶液中加入过量的NaOH溶液，才可能验证假设是否成立。 (5)依据题意，Ag2O溶解在氨水中应该形成Ag(NH3)2OH；假设成立必然会在试管上形成银镜。 【变式训练1】　【提出问题】与BaCl2溶液反应有沉淀生成　【实验探究】用玻璃棒蘸取Na2S2O3溶液，点滴到pH试纸的中央，将试纸呈现的颜色与标准比色卡对照　有淡黄色沉淀和无色刺激性气味气体产生　S2O＋4Cl2＋ 5H2O===2SO＋8Cl－＋10H＋ 【问题讨论】(1) 不正确，因氯水过量，氯水中同样含有Cl－　 (2) 取少量反应后的溶液，向其中滴入氯化钡溶液，若观察到有白色沉淀产生，则说明Na2S2O3能被氯水氧化 解析：作为新课标极力倡导的学习方式，探究试题是关注的重点合热点，其步骤一般为“确定课题→提出假设→实
验探究→结论分析”等。最后【问题讨论】(1)注意Cl－可能带来干扰；(2)中实验方案设计是重点内容，注意回答问题简明扼要、准确到位，这要平时训练，有很深的实验基础，书本实验要重视。 【例2】　(1) 10 (2) 4Co(OH)2＋O2＋2H2O===4Co(OH)3 (3) 2Fe2＋＋H2O2＋2H＋===2Fe3＋＋2H2O (4) 使铁离子转化为氢氧化铁沉淀而除去，或2Fe3＋＋3CO＋6H2O===2Fe(OH)3↓＋3CO2↑ (5) 防止Co2＋水解 解析：(1) pH＝10时，收率最高，Ni2＋含量最低。 (2) Co(OH)2被O2氧化。 (3) Fe2＋被H2O2氧化。 (4) Fe3＋和CO强烈双水解。 【变式训练2】　(1) 平衡压强 (2) 冷水浴　磁力搅拌　缓慢滴加H2O2溶液 (3) 降低产品的溶解度(盐析作用或醇析作用) (4) 洗去水分，利于干燥 (5) AB (6) 25.50 %　(或0.255 0) 解析：(1) 恒压滴液漏斗一般用于封闭体系，恒压滴液漏斗的支管是为了使反应体系的压力不会由于滴加液体而增加。如果没有支管，反应体系只有一个口，不断加液体就会造成反应体系压力增加，会使液体滴不下来。所以支管的作用是平衡压强。 (2) 由于50°C时，2Na2CO3·3H2O2 (s) 开始分解，所以步骤①(控温反应)的关键是控制温度，由于主反应是放热反应，所以控制温度的措施有：采用冷水浴、不断搅拌使反应产生的热量快速地散去，缓慢地滴加H2O2溶液，使反应缓慢进行、缓慢放热。 (3) 滤液X主要是过碳酸钠溶液，加入固体NaCl(电解质)或无水乙醇，能降低过碳酸钠的溶解度，使过碳酸钠析出(盐析作用或醇析作用)。 (4) 步骤③是洗涤，选用无水乙醇洗涤产品的目的是为了冲洗掉固体表面的水分，有利于干燥，可以防止产品溶解，提高产率。 (5) Fe2O3、CuO是H2O2 分解的催化剂，分析过碳酸钠的组成2Na2CO3·3H2O2，可以推知Fe2O3、CuO也会引起过碳酸钠分解。 (6) 根据关系式： 　　　　　　6KMnO4　　～5(2Na2CO3·3H2O2) 　　　　　　6mol　　　　　　　　　　5mol (2.000×10－2mol·L－1×30.00 mL×10－3 L/mL)　　n n(2Na2CO3·3H2O2) ＝ 0.000 5mol m (2Na2CO3·3H2O2) ＝ 0.000 5mol×
314g/mol ＝ 0.517g m(H2O2)＝0.517g×＝0.517g×＝0.051g，w(H2O2)＝×100%＝25.50% 【例3】　(1) S2－＋2H＋===H2S↑ (2) 减少过氧化氢的分解 (3) cd (4) 上层清液呈无色(或静置后向上层液中再加入Na2CO3溶液后没有沉淀生成) (5) ⑤ 过滤，并用蒸馏水洗涤沉淀2～3次，直至流出液用pH试纸检验呈中性　⑥ 向沉淀中加6mol/L的H2SO4溶液，直至恰好完全溶解 解析：(1) H2S是挥发性物质。 (2) H2O2加热能分解，低温可以减少过氧化氢的分解。 (3) FeOOH中铁为＋3价；pH＝4时，c(OH－)＝10－10mol/L，则c(Fe3＋)＝2.64×10－9mol/L，ab错误。 【变式训练3】　(1) HCOOHCO ＋H2O (2) 黑色粉末变红　CO、CO2 (3) cba (4) 0.96 (5) ① 将浓硫酸用蒸馏水稀释，将样品与稀硫酸充分反应后，过滤，干燥，称量剩余固体铜的质量　② CuO＋H2SO4===CuSO4＋H2O 解析：(1) 制备一氧化碳的化学方程式是HCOOHCO ＋H2O。 (2) 试验中，观察到反应管中发生的现象是黑色粉末变红；尾气的主要成分是CO、CO2；实验步骤： 先通入CO一会儿后，加热后停止加热，然后继续通入CO到玻璃管冷却为止，故反应完成后，正确的操作顺序为熄灭酒精灯2，然后关闭漏斗开关，最后熄灭酒精1。 (4) 若试验中称取铜粉样品5.0g，充分反应后，反应管中剩余固体的质量为4.8g, 剩余固体全部为铜，原样品中单质铜的质量分数为 4.8÷5＝0.96。 (5) 要测定铜的质量分数，可以把浓硫酸稀释，铜和稀硫酸不反应，氧化铜和稀硫酸反应，即可求出铜的质量分数。设计方案的主要步骤是将浓硫酸用蒸馏水稀释，将样品与稀硫酸充分反应后，过滤，干燥，称量剩余固体铜的质量即可。反应的化学方程式为CuO＋H2SO4===CuSO4＋H2O。 随堂训练 1. D　解析：选项A中HNO3的氧化性干扰了SO的检验；选项B中SO干扰了Cl－的检验；选项C中HNO3的氧化性干扰了对H2O2氧化性的判断。 2. (1) 甲　乙方案还需制备氨气；丙方案产物中含O2，不易分离 (2)　③　i. 检查装置气密性　ii. Cu＋4HNO3(浓)===Cu(NO3)2＋2NO2↑＋2H2O　产生红棕色气体，溶液由无色变蓝色 (3) 丙　甲、乙方案都产生有毒的氮氧化物，硝酸利用率低 解析：(2)NO2能与水反应，故不选择①；NO2的密度大于空气，故不选择③。 3. (1) 防止黄磷在空气中氧化　使黄磷充分氧化 (2) 减少磷资源流失(充分利用磷资源)　防止含磷废水引发水体富营养化(对水体造成严重污染) (3) Na3CO3(碳酸钠溶液) (4) 2Na2HPO4＋NaH2PO4Na5P3O10＋2H2O

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