高考不僅考查考生實驗知識、技能的掌握情況,更注重考查考生的實驗能力,考查考生是否能運用化學實驗手段和方法來研究物質(zhì)的組成、性質(zhì)與變化,本文擬對性質(zhì)實驗方案設計所考查的內(nèi)容作一粗淺賞析。
1、性質(zhì)實驗方案設計的一般原則
(1)科學性原則
是實驗方案設計的首要原則。它指設計的實驗原理、操作方法、操作程序都必須與化學理論知識以及化學實驗方法相一致。
例如:驗證氯酸鉀(KClO3)中存在氯元素,不應采取將其溶于水再加AgNO3溶液的方法,因為KClO3中不存在Cl-。而應先讓固體與MnO2混合,充分反應后,冷卻。再將固體溶于水,取上面的清液滴入少量的AgNO3溶液,產(chǎn)生白色沉淀,再加入稀硝酸,振蕩,沉淀不溶解,這樣才能證明氯酸鉀中存在氯元素。
(2)可行性原則
指設計實驗方案時,所運用的實驗原理在實施時切實可行,而且所選用的化學藥品、儀器、設備和方法等在現(xiàn)有條件下能夠滿足。
例如:鑒別NaCl和Na2SO4:選用AgNO3溶液就不行,因為盡管溶解性表明AgCl難溶而Ag2SO4微溶,但事實上我們難以將它們區(qū)分。
(3)簡約性原則
是指實驗設計盡可能采用簡單的裝置或方法,用較少的實驗步驟及藥品,在較短的時間內(nèi)完成實驗,且效果明顯。
例如:除去銅表面的氧化銅雜質(zhì),初學者很容易想到用還原劑(H2、C或CO)還原的方法,此法需要加熱甚至高溫條件下才反應,因此對裝置及操作的要求比較高,不宜采用.簡便易行的方法是:用稀鹽酸或稀硫酸在常溫下清洗銅片。
(4)安全性原則
是指實驗操作盡量防止帶有危險性的操作,盡量避免與有毒物質(zhì)接觸,若無法避免應采取安全措施。
例如:鑒別稀溴水和稀碘水(均呈淺黃色),就不能采用加熱蒸發(fā),通過觀察蒸氣顏色的方法來區(qū)分,因為溴氣、碘氣均有毒,是危險的不安全的。應該采用加入有機溶劑(如CCl4)萃取的方法,則很快就可將兩者區(qū)別開來。因此,構成環(huán)境污染、造成人身傷害的思路及操作是不安全的,在實驗方案設計中也是不可取的。
由以上原則可知:要符合“綠色化學”的要求。實驗方案設計的優(yōu)選標準有以下幾個方面:
①原理恰當 ②效果明顯 ③裝置簡單 ④操作安全 ⑤節(jié)約藥品 ⑥步驟簡單 ⑦誤差較小
2、性質(zhì)實驗方案設計的規(guī)律
(1)證明酸性:pH試紙或酸堿指示劑;與碳酸鈉溶液反應;與鋅等活潑金屬反應。
(2)證明弱酸性:證明存在電離平衡;測定對應鹽溶液酸堿性;測量稀釋后pH變化。
(3)證明氧化性:與還原劑(如KI、、等)反應,產(chǎn)生明顯的現(xiàn)象。
(4)證明還原性:與氧化劑(如、濃等)反應,產(chǎn)生明顯的現(xiàn)象。
(5)比較金屬的活動性:與水反應;與酸反應;置換反應;原電池;電解放電順序;最高價氧化物的水化物的堿性強弱;對應鹽的酸堿性強弱。
(6)比較非金屬的活動性:置換反應;與氫氣反應快慢;氣態(tài)氫化物的穩(wěn)定性、還原性;最高價氧化物的水化物的酸性強弱;對應鹽的酸堿性強弱。
(7)比較酸(堿)的酸(堿)性強弱;較強的酸(堿)能制得較弱的酸(堿),此外還必須掌握常見的陽離子、陰離子的特征反應。
3、考點例析
(1)探究性質(zhì)實驗方案的設計
基本思路:①分析其物質(zhì)結(jié)構特點或找出所屬類型的典型代表物;②推測物質(zhì)可能具有的一系列性質(zhì);③由此設計出合理的實驗方案,去探究它所具有的性質(zhì)。
例1:某班學生在野炊時用石灰石堆成簡易灶臺做飯,野炊后有同學從灶臺內(nèi)側(cè)敲下幾小塊石片,帶回實驗室研究灼燒過程中是否有新物質(zhì)生成,請你參與此項研究。
(1)根據(jù)你的知識和經(jīng)驗提出假設,反應中可能有________________生成,支持這個假設的依據(jù)是(用化學方程式表示)______________。
(2)請你設計實驗驗證假設:
(3)如果要研究某塊石片中參加反應的碳酸鈣的質(zhì)量,請你設計一個簡單的實驗方案(寫出簡要步驟,不要具體計算):
步驟一:_____________________;
步驟二:_____________________;
步驟三:_____________________;
步驟四:_____________________;
解析:石灰石(CaCO3)在高溫時會分解生成生石灰(CaO),生石灰與水反應生成熟石灰[Ca(OH)2],根據(jù)這個性質(zhì)既可以檢驗生石灰的存在,又可以除去石灰石中的生石灰,從而測定石片中參加反應的碳酸鈣的質(zhì)量。
答案:(1)CaO;CaCO3 CaO+CO2↑
(2)
(3)步驟一:稱量石片的質(zhì)量;
步驟二:將石片放在大量水中浸泡或用水洗滌;
步驟三:將石片洗凈、烘干、稱量;
步驟四:計算(注:其它合理方法均可)
點評:這是一道探究性試題,扣緊實驗的目的、明確實驗原理是解題的關鍵。
(2)驗證性質(zhì)實驗方案的設計
基本思路:①根據(jù)物質(zhì)的組成、結(jié)構特征,結(jié)合已有知識及實驗經(jīng)驗預測可能具有的性質(zhì);②設計具體實驗方案來驗證物質(zhì)所具有的性質(zhì);③選擇適宜的試劑、儀器、裝置、反應條件實驗方案;④最后得出結(jié)論。
例2:堿式碳酸鎂有多種不同組成,如Mg2(OH)2CO3 Mg4(OH)2(CO3)3,Mg5(OH)2(CO3)4等。請你設定一個測定堿式碳酸鎂組成的實驗方案。包括:(1)測定原理;(2)測定實驗的裝置圖;(3)操作步驟。
可使用的儀器、試劑和用品如下:
儀器:天平(附砝碼)、大試管(附帶有短玻璃管的橡皮塞)、酒精燈、洗氣瓶、球形干燥管(附帶有短玻璃管的橡皮塞)、鐵架臺、鐵夾、角匙。
試劑:堿式碳酸鎂(粉末)、濃硫酸、石灰水、無水氯化鈣、堿石灰。
其它:火柴、棉花、短橡皮管、彈簧夾。
注意:①上述儀器和試劑只需應用其中一部分;②儀器、試劑、用品的數(shù)量不限。
解析:可加熱堿式碳酸鎂,通過測定生成的MgO、CO2H2O的物質(zhì)的量之比來確定堿式碳酸鎂的組成.用濃硫酸來吸收水,根據(jù)濃硫酸增加的質(zhì)量,求出水的物質(zhì)的量;用堿石灰來吸收CO2,根據(jù)堿石灰增加的質(zhì)量,求出CO2的物質(zhì)的量。
答案:(1)測定原理:通過測定生成的MgO、CO2 H2O的物質(zhì)的量之比來確定堿式碳酸鎂的組成。
(2)測定實驗的裝置圖:
(3)操作步驟:
①將裝置按圖連接好,檢查裝置的氣密性;
②稱取一定量(W1 g)樣品于大試管中;
③加熱,至樣品完全分解;
④實驗結(jié)束后,稱量洗氣瓶和干燥管增加的質(zhì)量(分別設為W2 g W3 g);
⑤計算MgO、CO2H2O 的物質(zhì)的量之比為:
n(MgO):n(CO2):n(H2O)=(W1-W2-W3)/40:W3/44:W2/18
由比值可確定堿式碳酸鎂的組成.
點評:設計一般實驗都要講究實驗的科學性、可行性、簡約性、安全性等原則。
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