陈世明——实验方案设计与评价

实验方案设计与评价

化学实验是化学学科理解物质化学组成、结构、性质及变化规律的重要方法。高考对实验操作技能、化学实验方案的实施无法实地考查，但通过根据实验要求设计实验方案，及根据实验现象，观察、记录、分析或处理数据，得出准确结论等考查，能很好地考查学生的观察水平、思维水平、分析问题和解决问题的水平，所以实验方案的设计与评价一直是高考的热点。而其独特的切入点的选择，新颖的信息又使之成为学生应试的一大难点。

一、实验设计方案与评价的基本要求

1．科学性。即要求实验方案原理准确、流程合理。

例1．氨跟氧化铜反应制备氮气（2NH3＋3CuO

△

3Cu＋3H2O＋N2），而氮气跟镁在高温下反应可得到氮化镁，但氮化镁遇水即反应生成Mg（OH）2和NH3。如图是甲、乙两位学生提出的制备氮化镁的两种实验方案示意框图（实验前系统内的空气已排除；图中箭头表示气体流向）。填空和回答以下问题：

⑴甲、乙两学生提出的实验方案是否能制得氮化镁？甲 乙 （填“能”或“不能”）。

⑵具体说明不能制得氮化镁的原因（假如两个方案都能制得氮化镁，此小题不用回答）。

答

分析：甲方案制得的NH3，经过碱石灰干燥，再经过浓硫酸时，将与之反应生成（NH4）2SO4，使得反应到此终结，不会得到氮化镁，设计的方案在科学性上存有问题。乙方案NH3被氧化铜氧化成N2后，经过水洗除去未反应的NH3，最后N2经浓硫酸干燥后与高温镁粉反应可制得氮化镁，是可行的方案。

答案：⑴甲不能；乙能

⑵甲方案中反应产生的NH3全部被浓硫酸吸收，不能实行后续反应。

2．安全性。要做到人身不受伤害、仪器不受损害、环境不受污染。特别是环境污染问题易被无视。

例2．实验室可用氯气与金属铁反应制备无水三氯化铁，该化合物是棕红色，易潮解，100℃左右时升华。以下图是两个学生设计的实验装置，左边的反应装置相同，而右边的产品收集装置则不同，分别如（Ⅰ）和（Ⅱ）所示。

试回答：

⑴B中反应的化学方程式为： NH4Cl固体和

Ca（OH）2固体共热 碱石灰 浓H2SO4 CuO粉末（灼热） 镁粉

（高温） （以下从略）

NH4Cl固体和

Ca（OH）2固体共热 水 浓H2SO4 CuO粉末（灼热） 镁粉

（高温） （以下从略）

浓硫酸 浓硫酸 NaOH溶液 （Ⅰ） （Ⅱ） ⑵D中的反应开始前，需排除装置中的空气，应采取的方法是

⑶D中反应的化学方程式为：

⑷装置（Ⅰ）的主要缺点是：

⑸装置（Ⅱ）的主要缺点是：

假如选用此装置来完成实验，则必须采取的改进措施是：

分析：此题涉及到管口堵塞及多余氯气污染环境等安全问题。

因为题中已经告诉了我们，氯化铁易升华，所以D管中FeCl3容易升华而出，却又特别容易重新冷凝，在装置Ⅰ中D管出口可能被堵塞，多余的氯气并不能被浓H2SO4吸收，排放尾气时将导致污染。

而装置Ⅱ和D管出口是广口瓶，可免受堵塞，尾气排放前有碱液吸收，这都是好的。但FeCl3溶液被潮解，碱液缺乏以抵挡潮气，应在E、F之间加入干燥装置。

答案：⑴ 4HCl（浓）＋MnO2 △

MnCl2＋Cl2↑＋2H2O

或16HCl＋2KMnO4==2KCl＋2MnCl2＋5Cl2↑＋8H2O

⑵B中的反应实行一段时间后，看到黄绿色气体充满装置，再开始加热D

⑶2Fe＋3Cl2 △

2FeCl3

⑷导管易被产品堵塞；尾气排入空气，易造成环境污染

⑸产品易潮解 在E和F之间连接装有干燥剂的装置

3．可行性。要做到条件允许、效果明显、操作准确。

例3．用实验确定某酸HA是弱电解质。两同学的方案是：

甲：①称取一定质量的HA配制0.1mol·L－1的溶液100mL；

②用pH试纸测出该溶液的pH，即可证明HA是弱电解质。

乙：①用已知物质的量浓度的HA溶液、盐酸，分别配制pH＝1的两种酸溶液各100mL；

②分别取这两种溶液各10mL，加水稀释为100mL；

③各取相同体积的两种稀释液装入两个试管，同时加入纯度相同的锌粒，观察现象，即可证明HA是弱电解质。

⑴在两个方案的第①步中，都要用到的定量仪器是 。

⑵甲方案中，说明HA是弱电解质的理由是测得溶液的pH 1 （填“＞”“＜”或“＝”），乙方案中，说明HA是弱电解质的现象是 。

a． 装HCl溶液的试管中放出H2的速率快。

b． 装HA溶液的试管中放出H2的速率快。

c． 两个试管中产生气体速率一样快。

⑶请你评价：乙方案中难以实现之处和不妥之处 、 。

⑷请你再提出一个合理而比较容易实行的方案（药品可任取），作简明扼要表述。

分析：甲方案直接测定HA溶液的pH，若测定溶液的pH大于1，则可证明HA是弱电解质。乙方案是用间接的比较法，用相同浓度（0.1mol·L－1）相同体积（10mL）分别稀释相同的倍数（都稀释到100mL），分别与纯度相同的锌粒反应，观察放出H2速率的快慢：若装HA溶液的试管中放出H2的速率快，则可证明HA为弱电解质。要评价乙方案中难以实现之处和不妥之处，关键要对HA的溶解性有所理解，pH＝1的溶液能否配制？题述中锌粒仅是纯度相同，实际上反应速率与固体表面积的大小也相关。想到此，难实现之处和不妥之处就明朗了。

答案：⑴100mL容量瓶 ⑵＞ b

⑶配制pH＝1的HA溶液难以实现，不妥之处在于加入的锌粒难以做到表面积相同 ⑷配制NaA溶液，测其pH＞7即证明HA是弱电解质。

4．简约性。要做到步骤少、时间短、效果好。

例4．现有一定量含有Na2O杂质的Na2O2试样。请从图中选用适当的实验装置，设计一个最简单．．．的实验，测定Na2O2试样的纯度（可供选用的反应物只有CaCO3固体、6mol/L盐酸和蒸馏水）。请填写以下空白：

⑴写出在实验中Na2O2和Na2O分别发生反应的化学方程式

。

⑵应选用的装置是（只要求写出图中装置的标号） 。

⑶所选用装置的连接顺序应是（填各接口的字母；连接胶管省略） 。

分析：此题目的是要测定Na2O2的含量，而Na2O2 产生气体（O2），

Na2O 无气体产生，所以只需测出产生的O2体积即可求得一定量固体中Na2O2的含量。根据题目要求，设计的实验应是最简单的，采用固体混合物与水反应，而不是与CO2反应（还需增加CO2的制取、净化等）。

答案：⑴2Na2O2＋2H2O＝4NaOH＋O2↑ Na2O＋H2O＝2NaOH

⑵⑤①④

⑶G接A，B接F

二、实验方案设计与评价的解题思路。

实验方案的设计与评价覆盖知识面广，水平要求高，所以在确定实验方案时必须按一定的思路。即：分析实验目的、要求；确定实验原理、依据；构思实验方法、步骤；选择实验仪器、药品；记录现象数据，分析得出结论。

1．分析实验目的、要求。

首先必须迅速、全面地吸收题干中的新信息，并归类、分析评估各信息，明确实验的目的和设计要求。这里是解题的关键。

例5．某中学化学小组查阅资料发现金属氧化物A也能催化氯酸钾的分解，且A和二氧化锰的最正确催化温度均在500℃左右。于是对Ａ和二氧化锰的催化性能实行了定量对照实验。实验时均以收满500mLO2为准（其他可能影响实验的因素均已忽略）。

表一、用MnO2作催化剂

表二、用A作催化剂 实验序号 KClO3质量（g） MnO2质量（g） 反应温度（℃） 待测数据

1 8.00 2.00 500

2 8.00 2.00 500

实验序号 KClO3质量（g） A质量（g） 反应温度（℃） 待测数据 H2O或CO2

H2O或CO2

请回答：

上述实验中的待测数据应是： 。

完成此研究后，他们准备发表一篇研究报告，请你替他们拟一个报告的题目： 。

分析：根据题意，此实验的目的是为了比较MnO2和A的催化水平。而催化水平的强弱能够用单位时间内产生气体的量，或者用产生一定量气体需要的时间来表示。题目中已指明“以收满500mLO2为准”，所以实验报告中应记录产生这些气体需要的时间。

答案：时间 催化效果的对照研究

2．确定实验原理、依据。

根据实验目的，结合题中新给信息和已经学过的基础知识，通过类比、迁移、分析，准确确定实验原理、依据，使之符合科学性、可行性等实验原则。

如上例4中，此题的目的是要测定Na2O2的含量，而

Na2O2

产生气体（O2）， Na2O 不产生气体

若能测出产生氧气的体积，也就确定了一定量固体中Na2O2的量，再结合所给药品及题干要求，可得到其实验原理为：依据一定量固体与水反应产生的氧气的体积，求得Na2O2的量。

相关方程式为：2Na2O2＋2H2O＝4NaOH＋O2，Na2O＋H2O＝2NaOH。这里，倘若将“水”换成“二氧化碳”，依据下面两个方程式：2Na2O2＋2CO2＝2Na2CO3＋O2↑，Na2O＋CO2＝Na2CO3，也能达到“测定含量”这个目的，但与上面比较起来，多了CO2气体的制取、净化及生成的O2中多余CO2的除去等装置或操作，与题目要求“最简单．．．”不相符，与简约性要求是相背的。

3．构思实验方法、步骤。

根据上述实验目的和原理，结合题给仪器、药品等条件，设计出合理的实验方法和实验操作步骤。

例6．测量一定质量的铝锌合金与强酸溶液反应产生的氢气的体积，能够求得合金中铝和锌的质量分数。现有以下实验用品：中学化学实验常用仪器、800mL烧杯、100mL量筒、短颈玻璃漏斗、铜网、铝锌合金样品、浓盐酸（密度为1.19g/cm3）、水。按图示装置实行实验，回答以下问题（设合金样品全部反应，产生的气体不超过100mL）

⑴补充以下实验步骤，直到反应开始实行。

①将称量后的合金试样用铜网小心包裹好，放在800mL烧杯底部，把短颈漏斗倒扣在样品上面。

② 。