专题升级训练十三 实验设计与探究实验
(时间：45分钟 满分：100分)
1．(16分)已知FeSO4在不同条件下分解得到的产物不同，可能是FeO和SO3，也可能是Fe2O3、SO3和SO2。某研究小组探究在酒精喷灯加热条件下FeSO4分解的气体产物。已知SO3的熔点是16.8 ℃，沸点是44.8 ℃。
(1)装置Ⅱ的试管中不装任何试剂，其作用是______________________________，
试管浸泡在50 ℃的水浴中，目的是_______________________________________。
(2)装置Ⅲ和装置Ⅳ的作用是探究本实验气体产物成分。请完成实验设计，填写检验试剂、预期现象与结论。
限选试剂：3 mol·L－1H2SO4、6 mol·L－1NaOH、0.5 mol·L－1BaCl2、0.5 mol·L－1Ba(NO3)2、0.01 mol·L－1酸性KMnO4溶液、0.01 mol·L－1溴水。
检验试剂
预期现象和结论
装置Ⅲ的试管中加入________
产生大量白色沉淀，证明气体产物中含有SO3
装置Ⅳ的试管中加入________
(3)装置Ⅴ的作用是防止尾气污染环境，烧杯中应加入的试剂是________。
2．(16分)纯碱、烧碱等是重要的化工原料。
(1)利用下图所示装置可间接证明二氧化碳与烧碱溶液发生了反应：将A与B连接，打开止水夹，将胶头滴管中的液体挤入烧瓶，此时的实验现象是__________________，反应的离子方程式是____________________________。
(2)向100 mL 2 mol·L－1的NaOH溶液中通入一定量CO2，充分反应后将溶液在一定条件下蒸发结晶，得到少量的白色固体。试设计实验确认该白色固体的成分。
①提出合理假设。假设1：该白色固体为NaOH和Na2CO3；假设2：该白色固体为只有Na2CO3；假设3：该白色固体为只有NaHCO3；假设4：该白色固体为____________。
②基于假设1，设计实验方案进行实验证明固体的成分是NaOH和Na2CO3。请在答卷纸上写出实验步骤及预期现象和结论。(步骤可不填满也可增加)限选实验试剂及仪器：1 mol·L－1HCl溶液、1 mol·L－1MgCl2溶液、0.5 mol·L－1BaCl2溶液、1 mol·L－1Ba(OH)2溶液、甲基橙试液、酚酞试液、试管、胶头滴管、过滤装置。
实验步骤
预期现象和结论
步骤1：
步骤2：
步骤3：
3．(18分)某化学兴趣小组为探究铁与浓硫酸反应，设计了如下图所示装置进行实验，回答相关问题。
(1)用“可抽动的铁丝”代替“直接投入铁片”的优点是
________________________________________________________________________。
(2)能说明有SO2气体产生的实验现象是_______________________________________。
(3)反应后，不需要打开胶塞，就可使装置中残留气体完全被吸收，应当采取的操作是________________________________________________________________________。
(4)反应一段时间后，他们对A中溶液的金属离子进行探究，请完成相关问题。
①提出假设：假设1：只含有Fe3＋；假设2：______________；假设3：既有Fe2＋，又有Fe3＋。
②设计实验方案验证假设3。在答卷纸上写出实验步骤、预期现象和结论。限选试剂及仪器：稀硫酸、KMnO4溶液、NaOH溶液、淀粉KI溶液、H2O2溶液。
实验步骤
预期现象和结论
步骤一：用胶头滴管取A试管中的溶液，用水稀释并分装试管Ⅰ、Ⅱ备用
—
步骤二：往试管Ⅰ中，______________
步骤三：
4．(16分)一包白色粉末中一定含有碳酸钠，可能还含有硫酸钠、氯化钠中的一种或两种，为进一步确定白色粉末的成分，某兴趣小组对白色粉末样品进行了探究。
可选用的仪器：烧杯、试管、玻璃棒、药匙、滴管、酒精灯、试管夹，可选用的药品：1.0 mol·L－1H2SO4、1.0 mol·L－1HNO3、1.0 mol·L－1HCl、NaOH稀溶液、0.1 mol·L－1AgNO3、0.1 mol·L－1BaCl2、0.1 mol·L－1Ba(NO3)2、蒸馏水。
(1)提出假设：假设1：白色粉末为__________________________的混合物；假设2：白色粉末为__________________________的混合物；假设3：白色粉末为碳酸钠、硫酸钠、氯化钠的混合物。
(2)基于假设设计实验方案：某同学取少许样品于试管中，加适量蒸馏水溶解，向试管中滴入0.1 mol·L－1的BaCl2溶液，有白色沉淀产生，他认为样品中含有Na2SO4。你认为他的结论是____(填“对的”或“错的”)，原因是________________________________________
______________________________________________。
(3)基于假设3，根据实验方案进行实验，将实验操作和预期的现象及结论填入下表中：
编号
实验操作
预期现象和结论
①
有气体产生，说明样品中含有Na2CO3
②
向试管中加入0.1 mol·L－1的Ba(NO3)2溶液。若有沉淀产生，则继续加入0.1 mol·L－1Ba(NO3)2至过量
③
若②操作无沉淀，则向试管中加入0.1 mol·L－1AgNO3溶液。若②操作中有沉淀，则将试管静置片刻后，取上层清液于另一支试管中，加入0.1 mol·L－1AgNO3溶液
5．(18分)SO2是重要的化工原料，某学习小组利用如图所示装置探究SO2与Na2O2的反应。
(1)甲同学设计了该实验装置。乙同学认为它有不合理的地方，请指出：________________________________________________________________________。
(2)反应完毕后，大家认为硬质玻璃管中的固体成分有多种可能：假设Ⅰ：全部为Na2SO3；假设Ⅱ：为Na2SO3和Na2O2的混合物；假设Ⅲ：________________；假设Ⅳ：为Na2SO3和Na2SO4的混合物；假设Ⅴ：为Na2O2和Na2SO4的混合物。假设Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ的共同理由是________________________________________________________________________。
(3)现有下列实验用品：几支试管、带胶塞的导管(单孔)、滴管、药匙、品红溶液、蒸馏水、Ba(NO3)2溶液、BaCl2溶液、稀硫酸、稀盐酸、稀硝酸，请你从中选出合适的用品对“假设Ⅳ”进行验证，完成下表(可以不填满)：
实验步骤
预期现象和结论
①待硬质玻璃管冷却到室温后，用药匙取少量白色固体于试管中
②向①的试管中加入________，塞紧带导管的胶塞，并将导管________
③
④
6．(16分)某小组的同学对放置已久的过氧化钠的成分进行探究，请回答下列问题：
(1)反应2Na2O2＋2H2O===4NaOH＋O2↑的还原剂是__________(写化学式)；反应2Na2O2＋2CO2===2Na2CO3＋O2中，每生成1 mol O2，则转移了______ mol电子。
(2)进行探究：①提出假设：假设1：全部是Na2O2；假设2：全部是Na2CO3；假设3：______。
②设计方案，进行实验。请在答卷纸上写出实验步骤以及预期现象和结论(可不填满)。限选实验试剂和仪器：蒸馏水、1 mol·L－1H2SO4、澄清石灰水、淀粉KI溶液、酚酞溶液、火柴、试管、小烧杯。
实验步骤
预期现象和结论
步骤1：取少量固体样品于试管中，滴加足量1 mol·L－1H2SO4至固体溶解，然后将内壁附有澄清石灰水的烧杯罩于试管口
若澄清石灰水未见浑浊，则假设1成立；若澄清石灰水变浑浊，则______________
步骤2：
步骤3：
参考答案
1．答案：(1)防止溶液倒吸入装置Ⅰ 防止SO3液化或凝固
(2)
检验试剂
预期现象和结论
0.5 mol·L－1BaCl2溶液
0.01 mol·L－1酸性KMnO4溶液
若溶液紫色褪去，证明气体产物中含有SO2；若溶液紫色无明显变化，证明气体产物中不含SO2
(3)6 mol·L－1NaOH溶液
解析：该题是与实验装置相结合的实验探究题，实验以FeSO4的分解为素材，考查基本仪器的使用和常见气体的检验。(1)由图可知，装置Ⅰ是用以FeSO4在高温下的分解，分解所得的气体产物可能是SO3或SO3和SO2的混合气，由于SO3的沸点是44.8 ℃，若温度低于44.8 ℃，则会转变为液态，为防止SO3液化，所以把试管浸泡在50 ℃的水浴中；由于SO3和SO2均易与水反应，在通入溶液前连接一个空载装置的目的是为了防止发生倒吸现象。(2)依据试题所提供试剂，探究气体产物中含有SO3可选用0.5 mol·L－1 BaCl2溶液，为防止在酸性条件下HNO3氧化SO2，影响SO2的检验，不得选用0.5 mol·L－1Ba(NO3)2溶液；探究产物中是否含有SO2可选用0.01 mol·L－1酸性KMnO4溶液或0.01 mol·L－1溴水，依据溶液颜色的变化确定是否含有SO2。(3)由于反应产生的酸性气体会污染环境，所以必须用碱性试剂吸收尾气。
2．答案：(1)水沿导管由广口瓶进入烧瓶(或：水倒吸进入烧瓶) 2OH－＋CO2===CO＋H2O(或OH－＋CO2===HCO)
(2)Na2CO3和NaHCO3
实验步骤
预期现象和结论
步骤1：取少量白色固体于试管中，加适量水溶解，再加0.5 mol·L－1BaCl2溶液至过量
产生白色沉淀，说明固体中含有Na2CO3
步骤2：过滤，取少量滤液(或：静置，用胶头滴管取上层清液少许)于试管中，再向试管中滴加1～2滴酚酞试液
溶液变红色，说明固体中含有NaOH
解析：(1)由于NaOH与CO2反应，2OH－＋CO2===CO＋H2O(或OH－＋CO2===HCO)，使得烧瓶内气体的物质的量减少，压强小于外界大气压，所以广口瓶中的水会倒吸进入烧瓶中。(2)由于NaOH和CO2相对用量不同，可能发生不同的反应，所以蒸发结晶所得固体产物可能有四种情况：只有Na2CO3，只有NaHCO3，NaOH和Na2CO3，Na2CO3和NaHCO3，因为NaOH和NaHCO3会相互反应，所以不可能得到NaOH和NaHCO3的混合物。(3)由题给试剂检验NaOH最好用酚酞试液，由于Na2CO3在溶液中水解使溶液显碱性，会干扰NaOH的检验，所以要先加入过量的0.5 mol·L－1BaCl2溶液检验并排除对NaOH检验的干扰。
3．答案：(1)便于控制反应的发生和停止
(2)品红溶液褪色
(3)从D管口向A中大量鼓气
(4)只含有Fe2＋
实验步骤
预期现象和结论
步骤二：滴加少量的淀粉KI溶液
若溶液变蓝色，则原溶液中含有Fe3＋
步骤三：往试管Ⅱ中滴加少量的KMnO4溶液
若溶液褪色(浅红)，则原溶液中含有Fe2＋，结合步骤二溶液变蓝，则假设3正确
解析：(1)若直接投入铁片，则无法控制反应的停止，而可抽动的铁丝可以控制反应的发生和停止。(2)检验二氧化硫气体的方法是将二氧化硫气体通入品红溶液中，观察溶液红色是否褪去。(3)一般可以用鼓入气体的方法使装置中残留气体完全被吸收，所以可以从D管口向A中大量鼓气。(4)检验溶液中的Fe3＋，应防止Fe2＋干扰，同样检验溶液中的Fe2＋，应防止Fe3＋干扰。
4．答案：(1)碳酸钠、氯化钠 碳酸钠、硫酸钠
(2)错的 溶液中若含有CO，也可与BaCl2溶液反应产生BaCO3沉淀，因此无法确定该沉淀是BaSO4
(3)
①
取少许样品于试管中，加蒸馏水溶解。向试管中加足量的1.0 mol·L－1HNO3(或加入1.0 mol·L－1HNO3至溶液中不再有气体放出为止)
②
若有沉淀产生，则含Na2SO4，若没有沉淀产生，则不含Na2SO4
③
有沉淀产生，则含NaCl，若无沉淀，则不含NaCl
5．答案：(1)没有尾气的处理装置(既要防止空气中的二氧化碳和水蒸气进入与过氧化钠反应，还要吸收多余的二氧化硫)
(2)全部为Na2SO4 Na2O2和新产生的O2有强氧化性，能将Na2SO3氧化为Na2SO4
(3)
实验步骤
预期现象和结论
②过量的稀盐酸 通入装少量品红溶液的试管
若品红溶液褪色则固体中含有Na2SO3，若品红溶液不褪色则固体中不含有Na2SO3
③取②充分反应后的溶液于试管中，滴入适量BaCl2溶液
若有白色沉淀生成则固体中含有Na2SO4，若没有白色沉淀生成则固体中不含有Na2SO4
解析：(1)SO2气体有毒，不能直接排空，应该吸收多余的二氧化硫；且空气中的二氧化碳和水蒸气进入反应管中会影响实验。(2)过氧化钠具有强氧化性，可能将亚硫酸钠氧化成硫酸钠。(3)检验Na2SO3和Na2SO4，可加入盐酸，用品红溶液来检验是否产生二氧化硫；可在上述酸化的溶液中加入氯化钡来检验硫酸钠。需要特别注意的是在检验中不能使用硝酸和硝酸钡。
6．答案：(1)Na2O2 2
(2)①是Na2O2与Na2CO3的混合物
②
实验步骤
预期现象和结论
假设2或假设3成立(或假设1不成立)
步骤2：另取少量固体于试管中加适量蒸馏水，再滴入酚酞溶液(或用带火星的火柴伸入试管口)
若滴入酚酞溶液后先变红后褪色(或带火星的火柴复燃)，则假设1或假设3成立；若红色不褪色，则假设2成立
解析：(1)Na2O2与H2O和CO2的反应是歧化反应(或自身氧化还原反应)，Na2O2既是氧化剂又是还原剂，生成1 mol O2(氧元素从－1价到0价)转移的电子数目为2 mol。(2)放置已久的过氧化钠可与空气中二氧化碳和水反应，但注意不可能有NaOH，因为在空气中即使吸水生成有NaOH，但时间长了也与CO2反应生成了Na2CO3，因此假设只能在Na2O2和Na2CO3中组合。检验Na2O2，如果在步骤1后的溶液中加酚酞，原溶液可能显酸性使酚酞不显色；可另取固体加水，然后加酚酞振荡或用带火星的火柴检验。
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