专题10实验设计与实验探究分析

专题10 实验室设计与实验探究

【考点解密】

一、实验方案

1.实验方案的构成

一个完整的方案包括“七个内容”。这七个内容是：实验名称（有名，万物之母也）；实验目的（包括分离、制备、性质探究，是实验题的题眼）；实验原理（完成一个实验往往有多种原理，需要我们根据下面涉及的实验设计的四原则去甄选）；实验用品（包括一定规格的仪器、一定规格的药品）；实验步骤（包括装置的装备、安装和拆卸、实验的实施）；现象和结果（定性实验要观察记录现象、定量实验要记录和处理数据）；问题和讨论（定性实验要分析各种现象产生的原因、定量实验要对数据进行误差分析）。

从以上分析可以看出：实验有两条经络，不可不知，那就是定性和定量。其实定性是一种感性思维，比较符合早期化学的特点。但是，定量是化学的终极目标——精确地认识、分析、利用、创造世界。所以，大家头脑中要时刻有一根弦：我们如何精确地描述这个世界。

2.实验设计的原则

在进行实验设计时必须遵循四个原则，它们是：科学性（原理正确，有效地遏制副反应）、简约性（原理简单、方法简便）、可行性（在中学实验室中易于实施）、安全性（原料和产品尽量无毒无污染，步骤合理安全系数高）。

接下来就要绘制一个实验的蓝图了。有些省份的考试说明中要求识别和绘制仪器及装置图，这是实验的基本功，是非常重要的。有了这张宝图，就可以进实验室真刀真枪地做了。

3.实验装置的设计

记住：实验设计有一个纲领：找目的→挖原理→填试剂→选装置→操作→得结论→有反思。有了这个纲，实验就没有大问题了。

首先抓住实验题的实验目的。实验目的无非就是性质探究、制备物质或测定数据等。接下来寻找完成目标的原理（有关反应）。这些反应分两类：一类有利于实验目的的完成，称为正原理；一类阻碍实验的完成，可称为副原理。我们要学会利用正原理的反应，选择有关试剂，以合适的顺序放于仪器中，再把仪器搭成装置，搭好装置就开始“干活”了，干活时要注意克服“副原理”对反应的干扰，这是实验素质的体现。让我们细细道来。首先每涉及一个操作你都要想到它可能的不良后果。比如，你配制溶液时，就要考虑蒸馏水的质量，其实蒸馏水里有太多的成分，其中的Cl-、Ca2+,O2、CO2、H2S等对实验结果都有一定的影响。再说说仪器的洗涤，因为实验是在仪器中完成的，仪器对实验的结果页有影响，玻璃仪器必须洗净（器壁上形成均匀的水膜，无任何条纹或水珠，就算洗净了），当然玻璃里面的成分对实验也有一定的干扰；再有就是基准物质了，虽不是中学考查的重点，但知道一点有好处。选修4中出现过的亚铁氰化钾、硫代硫酸钠以及硼砂等都是重要的基准物质。酸碱滴定时用的标准酸、碱也不是从天上掉下来的，所以，大家要明白，在我们做的学生实验后面有很多背景知识。

你平时比较困惑的其实是“关键步骤的实验完成”。我们都知道英语中有完形填空题，其实，完成化学实验更需要一个缜密的过程，它包括实验的准备，实验的实施和实验的后处理。其中实施是关键。要注意的问题其实很多，比如：制备实验时往往要遇到这样的问题，气体需要在加强热的条件下反应，但气体反应物中有水及其他杂质，怎么办？可概括为“先除杂、再干燥、后加热”。另外，如果几种待检验的物质性质有干扰，比如：CO2、SO2，不能直接用澄清石灰水检验，怎么办？应该先验SO2，再彻底除去它，最后检验CO2。可概括为“A、B混，先验A，再除A，除尽A，后验B”。

4.几条规律

（1）实验的操作顺序：装置连接→气密性检查→装固体药品→加液体药品→开始反应（一般需要点火）→观察和记录→停止实验（要考虑熄火）→拆卸装置→清洗归柜。

（2）装置连接的原则：先从下往上，

把左侧的搭好，再从左往右搭；拆卸时反过来。

（3）加药品的原则：①如果是固液反应物的话。应该先固（固体一般在固定装置前加入）后液，大家想想Cl2制备就知道了。当然，为了控制实验的速率或者便于观察，固体也可以固定在铜丝一类的物品上，用时插入；或者将固体用干燥管固定后放入液体中；或者事先用水粘在仪器内壁上，在另一侧加入液体并盖好塞子后，将固体滑入液体中，等等；②如果是两种液体的话。可以事先混合好，但要注意混合放热问题（想想制乙烯和制硝基苯）；也可将像浓硫酸这样的溶解放热的液体加入其它物质中（如浓硫酸滴入浓盐酸中制氯化氢）；③如果是固气反应物的话。有时要通入保护气体将固体周围的空气赶尽，并将气体干燥后通入。

（4）注意相似装置：比如一瓶多用。带双孔胶塞的广口瓶，可用于气体收集瓶、洗气瓶、干燥瓶、除杂瓶、安全瓶、尾气处理瓶。

（5）抓住题眼。题目中一般总有几个关键字，看穿了，能牵一发而动全身。看不到就是一头雾水，即便能做对几问，也很难全身而退。越是难题，看穿“题眼”越重要！

二、实验探究

1.物质的性质和反应原理的探究

大致分为非金属性质综合实验、金属性质综合实验、反应原理探究实验（包括反应速率、化学平衡、电解质溶液、电化学等）（见夺冠精炼5）。

2.定量探究实验

（1）重量分析法。

重量分析法是根据可测量物的质量来确定被测物质组分含量的方法，一般是先使被测组分从试样中分离出来，转化为一定的可称量的形式，然后用称量的方法测定该成分的含量。根据被测成分与试样中其他成分分离的不同途径，将重量分析法分为沉淀法、气化法等。

沉淀法是利用沉淀反应使被测成分生成溶解度很小的沉淀，再将沉淀过滤、洗涤、烘干或灼烧后得到组成一定的物质，最后称其重量，计算被测成分的含量，这是重量分析的主要方式。

用沉淀法进行分离，以重量分析测定某组分的含量，通常包括以下程序：称样及溶解；沉淀、过滤、洗涤；沉淀的干燥、灼烧以及称重；结果的计算。

气化是用加热或其他化学方法使试样中被测成分转化为气体逸出，然后根据气体逸出前后的试样重量之差来计算被测成分的含量。如“硫酸铜晶体结晶水含量的测定（参看专题9）”设计原理中就利用了气化法。

（2）滴定分析法。

滴定分析法是传统化学分析法中重要的方法之一，是将一种已知其准确浓度的试液加到被测物质的溶液中，通过指示剂的变化判断反应完全，从而根据所用试剂的浓度和体积求得被测组分的含量。滴定分析法要求发生的反应要完全、反应速率要快、所以要选择恰当的指示剂。

根据反应类型不同可以分为酸碱中和滴定、氧化还原滴定、沉淀滴定、络合滴定。中学化学主要介绍的是酸碱的直接中和滴定，有可能拓展到氧化还原滴定（参看专题9 夺冠精炼第二大题的3,4小题）。

（3）气体质量测定法。

一般有两种方法：一是利用量差法，即通过测定体系反应前后质量差异，确定气体的质量（反应体系反应前的质量减反应后的质量即为气体质量）。另一种方法是利用所测气体的某些性质（如酸碱性或溶解性）采用合适的吸收剂（如浓硫酸、碱石灰）和实验装置（如洗气瓶、干燥管）来吸收，通过测量吸收装置吸收前后质量差得到气体的质量（吸收装置吸收后的质量减去吸收前的质量即为气体质量）。

对于气体体积的测定，一般也有两种方法：一是通过上述方法测其质量，再利用密度或气体摩尔体积进行换算；二是对于无法采用吸收方法测定其质量的气体（如氢气、氧气、一氧化碳等），通常采用排水量气法测量它们的体积，根据排出的水的体积来确定气体的体积。

三、评价实验方案