广东省高考化学二轮复习 专题17 实验方案设计、实验探究原理分析导学案

化学实验方案设计、实验探究原理分析【考纲要求】考试大纲提到“化学实验是科学探究过程中的一种重要方法；能对常见的物质进行检验、分离和提纯；能根据实验试题要求设计、评价或改进实验方案；了解控制实验条件的方法…”。

2015年（广东卷）理科综合考试大纲说明中5道实验综合题中有2题示例涉及实验方案设计和探究：28题选择是2014年广东高考理综化学33题，探究的是H2O2浓度对H2O2分解反应速率的影响，要求设计合理方案并拟定实验表格完整体现实验方案；29题对反应所得气体和固体产物进行实验和探究。

历年高考表明实验方案设计部分得分率普遍偏低，反映出学生审题不清，心态混乱，基础知识应用能力不足，没有透彻理解实验设计和控制变量的思想，思维混乱，方案设计不严谨，表述能力欠缺等。

【知识点拨】一、化学实验设计的基本要求⑴科学性：所谓科学性是指实验原理、实验操作程序和方法必须正确。

例如，在操作程序的设计上，应取少量固体先溶解，然后再取少量配成的溶液并再加入试剂，而不能将样品全部溶解或在溶解后的全部溶液中加入试剂。

⑵安全性：实验设计时应尽量避免使用有毒药品和进行具有一定危险性的实验操作。

⑶可行性：实验设计应切实可行，所选用的化学药品、仪器、设备和方法等在中学现有的实验条件下能够得到满足。

⑷简约性：实验设计应尽可能简单易行，应采用简单的实验装置，用较少的实验步骤和实验药品，并能在较短的时间内完成实验。

⑸经济性：在能达到实验目的的前提下尽量选用常见、容易得到的、低价格的仪器和药品。

二、化学实验方案设计的基本思路⑴明确目的原理：首先必须认真审题，明确实验的目的要求，弄清题目有哪些新的信息，综合已学过的知识，通过类比、迁移、分析，从而明确实验原理。

⑵选择仪器药品：根据实验的目的和原理以及反应物和生成物的性质、反应条件，如反应物和生成物的状态、能否腐蚀仪器和橡皮、反应是否加热及温度是否控制在一定范围等，从而选择合理的化学仪器和药品。

试题一般限定实验仪器药品，审题一定要细心。

⑶设计装置步骤：根据上述实验目的和原理，以及所选用的实验仪器和药品，设计出合理的实验装置和实验操作步骤，学生应具备识别和绘制典型的实验仪器装置图的能力，实验步骤应完整而又简明。

⑷记录现象数据：认真观察实验现象，全面准确地记录实验过程中的现象和数据。

⑸分析得出结论：根据实验中观察到的现象和记录的数据，通过分析、计算、图表、推理，得出正确的结论。

此外，如有必要还要设计对照实验组：空白对照：对照组不作任何处理。

条件对照：给对照组所作的处理与实验组相同，但不是所要研究的处理。

相互对照：不单设对照组，而是几个实验组相互对照。

前后对照：观察记录实验材料在实验前后的变化情况。

化学实验方案设计试题主要的类型如下：一、化学反应原理方案设计【例1】（2015广东理综33.）H2O2是一种绿色氧化还原试剂，在化学研究中应用广泛。

（1）某小组拟在同浓度Fe3+的催化下，探究H2O2浓度对H2O2分解反应速率的影响。

限选试剂与仪器：30% H2O2、0.1mol∙L-1Fe2(SO4)3、蒸馏水、锥形瓶、双孔塞、水槽、胶管、玻璃导管、量筒、秒表、恒温水浴槽、注射器②设计实验方案：在不同H2O2浓度下，测定____________________________________（要求所测得的数据能直接体现反应速率大小）。

④参照下表格式，拟定实验表格，完整体现实验方案（列出所选试剂体积、需记录的待测物【解析】本题首先要求学生完成相应的反应原理即H2O2的分解反应，根据所涉及的物质设计合理的测定方案。

②不少同学刻板理解反应速率，认为只有单位时间物质浓度变化才能体现反应速率或审题不清，没有看到“所测得的数据能直接体现反应速率大小”，缺乏控制变量的思想，直接测定H2O2浓度变化或测量气体体积或H2O2分解所需的时间…④由于方案设计错误，导致连带错误，表格物理量和设计数据不符和变量控制的要求。

根据实验要求，应该控制硫酸铁浓度和混合总体积不变（通过蒸馏水体积调节），时间（或O2体积）相同，变量为H2O2浓度，应变量为O2体积（或时间），据此可知另需补充四个变量：H2O2浓度、蒸馏水体积、时间、O2体积，设计合理数据即可。

（1）② 收集相同体积的氧气所需时间或者相同时间所收集氧气的体积此外如2014年广州模拟《学习与评价》P216，4—3【强化训练1】某探究小组两位同学用KMnO4酸性溶液与H2C2O4溶液反应过程中溶液紫色消失的方法，分别进行实验研究影响反应速率的因素。

Ⅰ．甲同学探究温度和浓度对化学反应速率的影响。

（1）该反应的离子方程式为（提示：H2C2O4的一级电离常数为5.4×10－2）__________________________________________________________________。

（2）拟定实验表格，完整体现实验方案。

（表格列数自定；列出所用试剂的用量、待测物理量和拟定的数据；数据可用字母a、b、c、d等表示）限选试剂与用品：0.05mol/L KMnO4溶液、3 mol/L稀硫酸、0.6 mol/LH2C2O4溶液、蒸馏水、实验1 a …… 3探究反应物浓度增大到原来的2倍后对反应速率的影响实验2a …… 实验3 a …… 【例2】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0.1 mol ·L －1的溶液100 mL ；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100 mL ；②分别取这两种溶液各10 mL ，加水稀释为100 mL ；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。

(2)甲方案中，说明HA 是弱电解质的理由是测得溶液的pH_______________1(选填“＞”“＜”“=”)，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H 2的速率快b.装HA 溶液的试管中放出H 2的速率快c.两个试管中产生气体速率一样快(3)请你评价：乙方案中难以实现之处和不妥之处_______________、_______________。

(4)请你再提出一个合理而比较容易进行的方案(药品可任取)，作简明扼要表述。

【解析】本题是证明某酸HA 是否是弱电解质的实验设计方案的评价。

证明HA 是否弱电解质，关键在于要了解弱电解质存在电离平衡。

弱电解质加水稀释后pH 变化程度小、与Zn 反应的速率快［因为稀释过程中弱电解质的电离平衡发生了移动，c (H +)减小程度反而比相同情况下强电解质小］。

对照此，就可对甲、乙两个方案加以评价。

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(0.1 mol·L －1)相同体积(10 mL)分别稀释相同的倍数(都稀释到100 mL)，分别与纯度相同的锌粒反应，观察放出H 2速率的快慢：若装HA 溶液的试管中放出H 2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 的溶解性有所了解，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有关。

想到此，难实现之处和不妥之处就明朗了。

第(4)小问要再提出一个合理而比较容易进行的方案，实际上是一个开放性的命题。

证明一种物质是否是弱电解质，当然可根据上述两同学的思路进行，还可以用测定其强碱盐溶液的pH 和比较溶液的导电能力等加以说明。

答案（2）＞ b （3）配制pH ＝l 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（4）配制NaA 的溶液，测其pH 值＞7，即证明HA 是弱电解质。

【强化训练2】(2014安徽理综)某研究小组为探究弱酸性条件下铁发生电化学腐蚀类型的影响因素，将混合均匀的新制铁粉和碳粉置于锥形瓶底部，塞上瓶塞(如图1)。

从胶头滴管中滴入几滴醋酸溶液，同时测量容器中的压强变化。

(1)请完成以下实验设计表(表中不要留空格):编号 实验目的 碳粉/g 铁粉/g 醋酸/%① 为以下实验作参照0.5 2.0 90.0 ② 醋酸浓度的影响 0.5 36.0③ 0.2 2.0 90.0(2)编号①实验测得容器中压强随时间变化如图2。

t 2时，容器中压强明显小于起始压强，其原因是铁发生了 腐蚀。

请在图3中用箭头标出发生该腐蚀时电子流动方向；此时,碳粉表面发生了 (“氧化”或“还原”)反应，其电极反应式是 。

(3)该小组对图2中0~t1时压强变大的原因提出了如下假设,请你完成假设二:假设一:发生析氢腐蚀产生了气体；假设二: ；……(4)为验证假设一,某同学设计了检验收集的气体中是否含有H2的方案。

请你再设计一个实验方案验证假设一,写出实验步骤和结论。

实验步骤和结论(不要求写具体操作过程):二、物质性质检验实验设计例3、为了检验Pb(NO3)2热分解的产物，有人用示意图中的装置进行实验。

(图中铁架台、铁夹和加热设备均略去)实验时在试管中放入研细的Pb(NO3)2晶体；实验结束后，试管中得到黄色粉末(PbO)，U 型管下部有少量液体X，集气瓶中收集到无色气体Y。

(如图)(1)液体X可能是；气体Y可能是；(2)请设计实验证实(1)中的判断：①对X的判断；②对Y的判断。

【解析】解此题的两个关键知识点是：①硝酸盐分解规律，活泼金属硝酸盐分解生成亚硝酸盐和氧气，较活泼金属如Pb(NO3)2等，一般分解为金属氧化物、NO2、O2，硝酸银等不活泼金属硝酸盐受热分解为金属单质、NO2、O2；②2NO2N2O4。

由此可知X为N2O4，Y为O2。

(2)设计应该包括如何取样、实验方法、现象、结论等。

①在通风橱中取下U型管放置，观察到U型管中液体迅速消失，管中充满红棕色气体，证明X是液态N2O4。

(其他合理答案同样给分)②在水槽中，用玻璃片盖住集气瓶口，按住玻璃片，小心把集气瓶移出水面，正放在桌上，用带火星的木条插入瓶口，木条迅速燃烧，证明Y是O2。

【强化训练3】氢化钙固体登山运动员常用的能源提供剂。

某兴趣小组制备氢化钙后，同学取少量产物，小心加入水中，观察到有气泡冒出，溶液中加入酚酞后显红色，该同学据此断，上述实验确有 CaH2生成。

①写出 CaH2与水反应的化学方程式 _________________________________；②该同学的判断是否正确，原因是___________________________ ；③请你设计一个实验，用化学方法区分钙与氢化钙，写出实验简要步骤及观察到的现象______________________________________；④登山运动员常用氢化钙作为能源提供剂，与氢气相比，其优点是______________________________________________。