【新】2019高考化学第10章(化学实验)第3节物质的制备、实验方案的设计与评价考点(2)实验方案的设计讲与

第十章化学实验
李仕才
第三节物质的制备、实验方案的设计与评价
考点二实验方案的设计
一、探究型实验方案设计
探究型实验题的解题策略
(1)明确目标，根据题目要求，找出该题需要解决的最终目标。

(2)论证原理，根据探究的目的，需要用哪些原理，如证明某物质具有氧化性，那就需要用氧化还原反应原理。

(3)结合信息，合理利用题目中的信息，以便于方便选择仪器和试剂。

(4)分析问题，根据上述目标，结合题目所给信息，分析解决该问题可能涉及的所学知识，即利用所学知识，分析解决该问题。

(5)注意细节，在解决该类问题时，注意分析实验原理是否正确可行，实验操作是否安全合理，实验步骤是否简单方便，实验现象是否突出明显。

【对点训练】
1．将绿矾(FeSO4·7H2O)隔绝空气条件下加强热分解，已知产物全部为氧化物，为探究绿矾分解的反应产物，某同学进行了以下实验：
【实验一】为探究固体产物中铁元素的价态，该同学将固体产物溶于足量的稀硫酸得到相应的溶液，进行以下猜想和实验：
【实验二】为进一步探究该反应的产物，进行了如图所示的实验：
(1)实验开始时，点燃C处酒精喷灯之前应先打开活塞通CO2，其目的是
__________________________________________________
__________________________________________________________。

(2)饱和NaHCO3的作用是_____________________________，
其水溶液呈碱性的原因是_________________________________
________________________________________________________________________(用离子方程式表示)。

(3)该组同学称取了55.6 g绿矾按如图装置进行实验，待绿矾分解完全后，E瓶中只出
现白色沉淀且质量为23.3 g；C中固体产物加入足量稀硫酸中，固体产物全部溶解，取溶液
样品，加入KSCN ，溶液呈红色，取另一份溶液，加入酸性KMnO 4溶液，不褪色。

根据这些实验现象和数据，可以得知绿矾分解的化学方程式为
____________________________________________________________
__________________________________________________________。

(4)该组同学设计的装置存在着一个明显的缺陷是
____________________________________________________________
__________________________________________________________。

解析：[实验一]根据猜想三，结合预期现象，猜想一：铁元素只显＋2价，酸性KMnO 4溶液褪色；猜想二：铁元素只显＋3价，加入KSCN 溶液呈红色。

[实验二](1)实验开始时，点燃C 处酒精喷灯之前应先打开活塞通CO 2，目的是赶走装置内的空气，避免影响测定结果。

(2)由石灰石和盐酸反应制取的CO 2气体中有HCl 杂质，必须除去，所以饱和碳酸氢钠溶液的作用是除去CO 2中的HCl ；NaHCO 3溶液是弱酸的酸式盐，HCO －3的水解程度大于其电离程度，导致其水溶液呈碱性，用离子方程式表示为HCO －3＋H 22CO 3＋OH －。

(3)55.6 g 绿矾FeSO 4·7H 2O 的物质的量是0.2 mol ，由于CO 2、SO 2不会和氯化钡反应，所以，产生的沉淀就只能是硫酸钡，即n(SO 3)＝0.1 mol ，根据硫原子守恒，结合产物全部为氧化物，则反应中还有0.1 mol SO 2产生，0.1 mol SO 2得0.2 mol 电子，故0.2 mol Fe 2＋失0.2 mol 电子生成Fe 3＋
，即产物中还有Fe 2O 3，依据电子守恒配平书写化学方程式为
2FeSO 4·7H 2O=====△Fe 2O 3＋SO 2↑＋SO 3↑＋14H 2O 。

(4)二氧化硫有毒不能排放到空气中去，需要尾气吸收。

答案：[实验一]＋2 褪去 ＋3 红
[实验二](1)赶走装置内的空气
(2)除去CO 2中的HCl HCO －3＋H 2
2CO 3＋OH －
(3)2FeSO 4·7H 2O=====△
Fe 2O 3＋SO 2↑＋SO 3↑＋14H 2O
(4)未进行尾气处理
2．(NH 4)2SO 4是常用的化肥和化工原料，受热易分解。

某兴趣小组拟探究其分解产物。

[查阅资料] (NH 4)2SO 4在260 ℃和400 ℃时分解产物不同。

[实验探究] 该小组拟选用如下列各图所示装置进行实验(夹持和加热装置略)。

实验1：连接装置A—B—C—D，检查气密性，按图示加入试剂(装置B盛0.500 0 mol·L －1盐酸70.00 mL)。

通入N
2排尽空气后，于260 ℃加热装置A一段时间，停止加热，冷却，停止通入N2。

品红溶液不褪色。

取下装置B，加入指示剂，用0.200 0 mol·L－1 NaOH溶液滴定剩余盐酸，终点时消耗NaOH溶液25.00 mL。

经检验滴定后的溶液中无SO2－4。

(1)仪器X的名称是________。

(2)滴定前，下列操作的正确顺序是________(填字母编号)。

a．盛装0.200 0 mol·L－1 NaOH溶液
b．用0.200 0 mol·L－1 NaOH溶液润洗
c．读数、记录
d．查漏、清洗
e．排尽滴定管尖嘴的气泡并调整液面
(3)装置B内溶液吸收气体的物质的量是________mol。

实验2：连接装置A—D—B，检查气密性，按图示重新加入试剂。

通过N2排尽空气后，于400 ℃加热装置A至(NH4)2SO4完全分解无残留物，停止加热，冷却，停止通入N2。

观察到装置A、D之间的导气管内有少量白色固体。

经检验，该白色固体和装置D内溶液中有SO2－3，无SO2－4。

进一步研究发现，气体产物中无氮氧化物。

(4)检查装置D内溶液中有SO2－3、无SO2－4的实验操作和现象是
__________________________________________________________。

(5)装置B内溶液吸收的气体是________。

(6)(NH4)2SO4在400 ℃分解的化学方程式是_________________
_________________________________________________________。

解析：(1)仪器X为圆底烧瓶。

(2)对滴定管的使用：先查漏、清洗干净，再用待装液润洗，赶走气泡再调零，最后读数，故顺序为dbaec。

(3)0.200 0 mol·L－1 NaOH溶液滴定剩余盐酸，终点时消耗NaOH溶液25.00 mL，故消耗的盐酸为0.200 0 mol·L－1×0.025 L＝0.005 mol，装置B盛0.500 0 mol·L－1盐酸70.00 mL，n(HCl)＝0.500 0 mol·L－1×0.07 L＝0.035 mol，因此B装置吸收的氨气为0.035 mol －0.005 mol＝0.03 mol。

(4)检验溶液中有SO 2－3、无SO 2－
4的操作：取少量装置D 内溶液于试管中，滴加BaCl 2溶液，生成白色沉淀；加入足量稀盐酸后沉淀完全溶解，放出无色刺激性气体。

(5)根据观察到装置A 、D 之间的导气管内有少量白色固体，则说明白色固体只能是(NH 4)2SO 3，即气体中含有NH 3和SO 2，SO 2被NaOH 溶液吸收，故B 装置中的稀盐酸吸收的是氨气。

(6)根据实验现象和氧化还原反应的原理可知，产物有NH 3、N 2、H 2O 和SO 2，故反应的化
学方程式为3(NH 4)2SO 4=====400 ℃
3SO 2↑＋4NH 3↑＋N 2↑＋6H 2O↑。

答案：(1)圆底烧瓶 (2)dbaec (3)0.03 (4)取少量装置D 内溶液于试管中，滴加BaCl 2溶液，生成白色沉淀；加入足量稀盐酸后沉淀完全溶解，放出无色刺激性气体 (5)NH 3
或氨气 (6)3(NH 4)2SO 4=====400 ℃
3SO 2↑＋4NH 3↑＋N 2↑＋6H 2O↑
二、物质制备型实验方案设计
物质制备型实验的解题策略
(1)认真阅读题干，提取有用信息。

(2)仔细观察装置图(或框图)，联想熟悉的实验，观察装置图(或框图)，找出每件仪器(或步骤)与熟悉的某一实验相似的地方，分析每件仪器中所装药品的作用。

(3)通读问题，整合信息，把所有的问题进行综合分析，运用题给信息和化学基础知识做出正确答案。

【对点训练】
3．用二氧化氯(ClO 2)可制备用途广泛的亚氯酸钠(NaClO 2)，实验室可用下列装置(略去部分夹持仪器)制备少量的亚氯酸钠。

装置C 中发生反应：2NaClO 3＋SO 2===2ClO 2＋Na 2SO 4(Ⅰ)
装置D 中发生反应：2ClO 2＋H 2O 2＋2NaOH===2NaClO 2＋2H 2O ＋O 2(Ⅱ)
(1)仪器组装完毕，关闭两个弹簧夹，打开A 中活塞，向A 中注入水可检验装置气密性，
装置气密性良好的现象是____________。

实验开始时，打开A的活塞，两个弹簧夹的开关操作是__________，F中盛有的液体为________。

(2)装置B中进行的是用硫酸与亚硫酸钠制备二氧化硫的反应，该处使用的是70%～80%的硫酸，而不是98%的浓硫酸或极稀的硫酸，原因是________________________。

(3)装置C的作用是________________________，装置E的作用是
________________________。

(4)在碱性溶液中NaClO2比较稳定，所以装置D中应维持NaOH稍过量，判断NaOH是否过量所需要的试剂是________。

a．稀盐酸B．品红溶液
c．石蕊溶液D．酚酞溶液
(5)一次实验制备中，通过检验发现制备的NaClO2中含有NaOH、Na2SO3，出现这些杂质的可能原因是_____________________。

检验产物中含有Na2SO3杂质的实验操作和现象是
____________________
____________________________________________________________
__________________________________________________________。

(供选择的试剂有Ba(OH)2溶液、H2O2溶液、AgNO3溶液、品红溶液、H2SO4溶液)
解析：(1)若装置气密性良好，水滴的速度会越来越慢，直到最后不滴。

弹簧夹甲打开后的作用是调节装置内气压与大气压平衡，弹簧夹乙打开后，可以使装置F中的NaOH溶液吸收尾气。

(2)硫酸与亚硫酸钠反应制备二氧化硫的反应为离子反应，70%～80%的硫酸能提供该反应所需的足够的H＋。

(3)装置C的作用是制备ClO2气体，并可通过观察气泡判断反应的快慢，由此可调节反应进行的快慢；装置E可起到安全瓶的作用，即防止液体倒吸入装置D中。

(4)检验碱液的存在可用酸碱指示剂。

(5)过量的SO2和过量的NaOH反应生成Na2SO3；Na2SO3与Ba(OH)2反应生成白色沉淀BaSO3。

答案：(1)水滴的速度逐渐变慢，最后停止滴入打开两个弹簧夹NaOH溶液
(2)70%～80%的硫酸能提供反应所需的足够的H＋
(3)制备气体ClO2、观察反应快慢并调节反应进行的快慢安全瓶(防止液体倒吸)
(4)c、d
(5)制备的SO2和装置D中的NaOH同时过量取少量溶液于试管中，加入Ba(OH)2溶液，有白色沉淀生成
4．无水氯化亚铁用于制造铁系催化剂、印染的媒染剂和染料还原剂，还可用于冶金、医药、照相等行业。

一实验小组模仿工业方法制取氯化亚铁，设计装置如下：
通过查阅相关资料可知：
①在持续高温500 ℃时，铁与纯净、干燥Cl2反应可生成FeCl2，在温度较低时可生成FeCl3；
②FeCl3熔沸点低，易升华。

根据以上信息回答相关的问题：
(1)a、b、c仪器组合成制取氯气的装置，反应无需加热，请写出a容器内所发生的化学反应方程式：____________________________
_________________________________________________________。

(2)d、e盛装的药品分别是________和________，f、g的作用是
_________________________________________________________。

(3)反应器为硬质玻璃管，纯净铁粉与氯气在500 ℃左右反应。

①化学反应方程式为_______________________________。

②实验操作顺序是：组装仪器、________、装入药品、________、________、停止加热、关闭c的活塞。

(4)实验小组记录的实验现象如下：
___________________________________________。

②第二次实验，g瓶有红棕色的烟，其原因是_________________
__________________________________________________________。

(5)第三次实验得到的固体，最可能含有的微量杂质是________，如果需要配制约2～3
mol·L －1的染料还原剂溶液，则无需除去，理由是
___________________________________________________。

解析：(1)实验室中，在常温下一般用高锰酸钾溶液和浓盐酸发生反应来制取氯气。

反应的方程式为2KMnO 4＋16HCl(浓)===2KCl ＋2MnCl 2＋5Cl 2↑＋8H 2O 。

(2)由于浓盐酸有挥发性，而且反应是在溶液中制取的，所以氯气中含有杂质HCl 和水蒸气。

在装置d 中用饱和的食盐水来除去HCl ；在装置e 中盛装浓硫酸来对氯气进行干燥。

f 、g 的作用是作为安全瓶来防止倒吸现象的发生。

(3)①纯净铁粉与氯气在500 ℃左右反应制取FeCl 2，化学反应方程式为
Fe ＋Cl 2=====500 ℃
FeCl 2。

②有气体参加的反应或制取气体的反应，在实验前一定要先检查装置的气密性，然后再进行实验。

实验操作顺序是：组装仪器、检查装置的气密性、装入药品、先加热、再打开c 的活塞、停止加热、关闭c 的活塞。

(4)①第一次实验，发现e 瓶没有盛装任何药品，则氯气没有干燥，生成的盐发生水解，首先生成了Fe(OH)2，在空气中被氧化为Fe(OH)3，在灼烧时发生分解反应，最终得到红棕色的Fe 2O 3。

②第二次实验，加热时温度没有维持在500 ℃左右，在温度较低时生成了FeCl 3，由于FeCl 3熔沸点低，受热时变成气体进入到g 瓶中，使g 瓶有红棕色的烟。

(5)第三次实验得到的固体，最可能含有的微量杂质是金属Fe 的单质。

如果需要配制约2～3 mol·L －1的染料还原剂溶液，由于Fe 2＋容易被空气中的氧气氧化，而铁单质可以防止Fe 2＋被氧化，因此该杂质无需除去。

答案：(1)2KMnO 4＋16HCl(浓)===2KCl ＋2MnCl 2＋5Cl 2↑＋8H 2O(用次氯酸盐也可) (2)饱和食盐水 浓硫酸
安全、防止倒吸 (3)①Fe＋Cl 2=====500 ℃
FeCl 2 ②检查装置的气密性 先加热 再打开c 的活塞 (4)①氯气没有干燥，生成的盐发生水解，生成了氢氧化物，最终分解得到Fe 2O 3 ②加热时温度没有维持在500 ℃左右，在温度较低时生成了氯化铁，由于氯化铁熔沸点低，受热时变成气体进入到g 瓶中
(5)铁单质 铁单质可以防止Fe 2＋被氧化
5．某实验小组用下图所示的装置制备一硝基甲苯(包括邻硝基甲苯和对硝基甲苯)：
反应原理：
可能用到的有关数据如下：
(1)实验前需要先在三颈瓶中加入少许______________，目的是____________。

(2)冷凝管的作用是________；冷却水从冷凝管的________(填“a”或“b”)端进入。

(3)仪器A的名称是________，在使用之前必须进行的操作是________。

(4)分离产品的方案如下：
操作1的名称是________；操作2必需的玻璃仪器有酒精灯、温度计、锥形瓶、牛角管(接液管)和________、________。

(5)本实验中一硝基甲苯的产率为________。

A ．77.5%
B ．68.7%
C ．62.3%
D ．53.0%
解析：(2)甲苯易挥发，冷凝管可使挥发出的甲苯冷凝回流，从而提高了反应物的利用率。

(4)题中涉及的有机物不溶于水而无机物溶于水，所以分离有机混合物和无机混合物的方法是分液。

产品1、2的沸点不同，可用蒸馏的方法进行分离。

(5)13 g 甲苯理论上可生成1392×137 g 一硝基甲苯，故产率为15 g 1392×137 g ×100%＝77.5%。

答案：(1)碎瓷片(或沸石) 防止暴沸 (2)冷凝回流 a
(3)分液漏斗 检漏 (4)分液 蒸馏烧瓶 冷凝管
(5)A
三、化工流程型实验方案设计
化工流程型实验的解题策略
工艺流程题一般由多步连续的操作组成，每一步操作都有其具体的目标、任务。

审题的重点要放在与题设有关操作的目标、任务上，分析时要从成本角度(原料是否廉价易得)、环保角度(是否符合绿色化学的要求)、现实角度等方面考虑；解答时要看框内，看框外，里外结合；边分析，边思考，易处着手；先局部，后全盘，逐步深入。

(1)明确原料和产品(包括副产品)，即箭头进出方向。

(2)依据流程图分析反应原理，紧扣信息，搞清流程中每一步发生了什么反应——知其然，弄清有关反应原理，明确目的(如沉淀反应、除杂、分离)——知其所以然。

(3)联系储存的知识，有效地进行信息的利用，准确表述和工整书写。

【对点训练】
6．信息时代产生的大量电子垃圾对环境构成了极大的威胁。

某“变废为宝”学生探究小组将一批废弃的线路板简单处理后，得到含70% Cu 、25% Al 、4% Fe 及少量Au 、Pt 等金属的混合物，并设计出如下制备硫酸铜和硫酸铝晶体的路线：
请回答下列问题：
(1)第①步Cu与酸反应的离子方程式为_____________________
_________________________________________________________；
得到滤渣1的主要成分为________。

(2)第②步加H2O2的作用是________________________，使用H2O2的优点是
________________________；调溶液pH的目的是使________________________生成沉淀。

(3)用第③步所得CuSO4·5H2O制备无水CuSO4的方法是________________。

(4)由滤渣2制取Al2(SO4)3·18H2O，探究小组设计了三种方案：
上述三种方案中，________方案不可行，原因是______________
_________________________________________________________；
从原子利用率角度考虑，________方案更合理。

(5)探究小组用滴定法测定CuSO4·5H2O(M r＝250)含量。

取a g试样配成100 mL溶液，每次取20.00 mL，消除干扰离子后，用c mol·L－1 EDTA(H2Y2－)标准溶液滴定至终点，平均
消耗EDTA 溶液b mL 。

滴定反应如下：
Cu 2＋
＋H 2Y 2－
===CuY 2－
＋2H ＋
写出计算CuSO 4·5H 2O 质量分数的表达式w ＝__________________________；下列操作会导致CuSO 4·5H 2O 含量的测定结果偏高的是________。

a ．未干燥锥形瓶
b ．滴定终点时滴定管尖嘴中产生气泡
c ．未除净可与EDTA 反应的干扰离子
解析：(1)将金属混合物处理时，铜和浓硝酸、稀硫酸的混合酸，开始发生：Cu ＋2NO －
3＋4H ＋
=====△
Cu 2＋
＋2NO 2↑＋2H 2O ，最后发生：3Cu ＋2NO －
3＋8H ＋
=====△
3Cu 2＋
＋2NO↑＋4H 2O ；金属混合物中只有Au 和Pt 不溶于硝酸，其是滤渣1的主要成分。

(2)第②步加入过氧化氢的目的是将Fe 2＋
氧化为Fe 3＋
；过氧化氢氧化亚铁离子时生成的是铁离子和水，不引入杂质，对环境无污染；调整pH ，使溶液中的Fe 3＋
、Al 3＋
转化为沉淀。

(3)用第③步中所得的五水硫酸铜制取无水硫酸铜的方法是加热脱水。

(4)滤渣2的主要成分是氢氧化铁和氢氧化铝，以此为基础分析该探究小组设计的三种方法，其中方案甲中制得产品中一定含有较多的Fe 2(SO 4)3杂质；方案乙和丙中，从原子利用的角度考虑，乙方案最合理。

(5)根据探究小组的方案，可知计算五水硫酸铜质量分数的表达式为
c mol·L －1
×b×10－3
L×250 g·mol －1
×5a g ×100%；滴定过程中，未干燥锥形瓶，对结果无影响，排除a ；滴定终点时滴定管尖嘴中产生气泡，造成消耗EDTA 的读数偏小，测定结果偏低，排除b ；未除净干扰离子，造成EDTA 消耗偏多，测定结果偏高，选c 。

答案：(1)Cu ＋2NO －
3＋4H ＋
=====△
Cu 2＋
＋2NO 2↑＋2H 2O 、3Cu ＋2NO －
3＋8H ＋
=====△
3Cu 2＋
＋2NO↑＋4H 2O Au 、Pt
(2)将Fe 2＋
氧化为Fe 3＋
不引入杂质，对环境无污染 Fe 3＋
、Al 3＋
(3)加热脱水
(4)甲 所得产品中含有较多的Fe 2(SO 4)3杂质 乙 (5)c mol·L －1
×b×10－3
L×250 g·mol －1
×5a g
×100% c
7．毒重石的主要成分为BaCO 3(含Ca 2＋
、Mg 2＋
、Fe 3＋
等杂质)，实验室利用毒重石制备BaCl 2·2H 2O 的流程如下：
(1)毒重石用盐酸浸取前需充分研磨，目的是______________
__________________________________________________________。

实验室用37%的盐酸配制15%的盐酸，除量筒外还需使用下列仪器中的________。

a．烧杯b．容量瓶c．玻璃棒d．滴定管
(2)加入NH3·H2O调pH＝8可除去________(填离子符号)，滤渣Ⅱ中含
____________________(填化学式)。

加入H2C2O4时应避免过量，原因是
___________________________________。

已知：K sp(BaC24sp24
(3)利用间接酸碱滴定法可测定Ba2＋的含量，实验分两步进行。

已知：2CrO2－4＋2H＋===Cr2O2－7＋H2O
Ba2＋＋CrO2－4===BaCrO4↓
步骤Ⅰ：移取x mL一定浓度的Na2CrO4溶液于锥形瓶中，加入酸碱指示剂，用b mol·L －1盐酸标准液滴定至终点，测得滴加盐酸的体积为V
0 mL。

步骤Ⅱ：移取y mL BaCl2溶液于锥形瓶中，加入x mL与步骤Ⅰ相同浓度的Na2CrO4溶液，待Ba2＋完全沉淀后，再加入酸碱指示剂，用b mol·L－1盐酸标准液滴定至终点，测得滴加盐酸的体积为V1 mL。

滴加盐酸标准液时应使用酸式滴定管，“0”刻度位于滴定管的________(填“上方”或“下方”)。

BaCl2溶液的浓度为_____________mol·L－1。

若步骤Ⅱ中滴加盐酸时有少量待测液溅出，Ba2＋浓度测量值将________(填“偏大”或“偏小”)。

解析：(1)把毒重石充分研磨的目的是增大接触面积使反应速率加快；用37%的盐酸配制15%的盐酸需用量筒、烧杯、玻璃棒。

(2)由表格中信息可知pH＝8时Fe3＋可完全沉淀，Mg2＋、Ca2＋未开始沉淀；pH＝12.5时Mg2＋完全沉淀，Ca2＋部分沉淀；K sp(CaC2O4)<K sp(BaC2O4)，向含有Ca2＋和Ba2＋的溶液中加入H2C2O4，Ca2＋先形成CaC2O4沉淀，但H2C2O4不能过量，否则Ba2＋也会被沉淀。

(3)滴定管“0”刻度位于滴定管的上方；由关系式：CrO2－4～H＋、CrO2－4～
Ba 2＋可知，与Ba 2＋
结合生成BaCrO 4沉淀的Na 2CrO 4的物质的量等于(V 0－V 1) mL 盐酸中HCl 的物质的量，故BaCl 2溶液的浓度为
－V 1y
mol·L －1。

若步骤Ⅱ中滴加盐酸时有少量待测液溅出，会导致所测盐酸体积V 1 mL 偏小，若V 1偏小，则V 0b －V 1b 偏大，Ba 2＋
浓度测量值将偏大。

答案：(1)增大接触面积从而使反应速率加快 a 、c
(2)Fe 3＋
Mg(OH)2、Ca(OH)2 H 2C 2O 4过量会导致生成BaC 2O 4沉淀，产品产量减少
(3)上方 0
－V 1
y
偏大。