化学实验方案设计典例分析

编辑: 逍遥路 关键词: 高二 来源: 高中学习网

 

化学实验方案的设计,包括物质检验实验方案的设计、物质制备实验方案的设计、物质性质实验方案的设计、物质结构实验方案的设计。

 

一、物质检验实验方案的设计

1.离子检验的设计方案

进行溶液中未知离子的检验时,要注意以下几点:

(1)首先是外表观察,着重注意其溶液颜色。

(2)对水溶液的pH的测定,可帮助我们初步判断试样中某些离子的存在。

(3)离子的检验一般是通过溶液中发生化学反应来实现。用来鉴定离子的化学反应不仅要速率大,灵敏度高,并且要有明显的反应现象。

(4)根据检验过程中所观察到的现象确定试样中存在哪些离子,必须把可能存在的离子全部包含,根据每步检验的现象,肯定或否定某种离子的存在,逐步缩小范围,最终得出正确结论。

现在我们介绍一种离子检验的另一种设计形式——树状设计方案。

 

例1.某澄清、透明的浅黄色溶液中,可能含有下列离子:K+、NH4+、Fe3+、Ba2+、Al3+、SO42-、HCO3-、Cl-。试设计实验,检验溶液中存在或可能存在的离子。

 

分析:溶液中未知离子检验,并不是想到那里就做到那里,应根据离子的性质,进行全盘考虑,先做什么,后做什么,条理要分明,逻辑性要强。为了便于理解本实验设计,下列实验设计每个操作步骤中都留有填空,请在每个横线上填上一种离子符号。“检验完毕”是指所有未知物已全部检出,本实验到此结束。

 

方案:

(1)首先通过对溶液颜色的观察确定:有        离子,从而确定无        离子。

(2)试样 确定有或无        离子。

 

(3)

 

 

 

(4)

 

 

 

 

 

 

(5)若上述(4)中无白色沉淀产生,还需要进行如下操作:

 

 

 

 

 

 

 

 

答案:

(1)Fe3+   HCO3-

(2)K+

(3)Al3+   Al3+  NH4+

(4)Ba2+  SO42-  Cl-  Ba2+

(5)SO42-  Cl-   SO42-   Cl-   SO42-   Cl-

 

评价:树状设计方案可减少操作步骤。本实验设计,最少取样3次,最多取样4次便可结束实验。树状设计方案能简单明确地揭示未知离子检验的一般方法和步骤。更能清楚准确反映实验设计的意图。树状设计方案能避免条理化实验步骤中交叉实验的不足,提供简单快捷实验方法和步骤。

 

2.单质、化合物检验的设计方案  

通过实验探究进行化学物质的推断,主要是根据物质所具有的性质来确定。然而,通过

质量的变化来确定是何种物质,也是一种切实可行的定量分析方法。

 

例2.某同学对课本实验结论:“葡萄糖与新制氢氧化铜共热生成红色的Cu2O沉淀”提出质疑,认为红色沉淀不一定就是氧化亚铜。为了确定红色沉淀的成分,开展了研究。

第一步 提出猜想:红色物质可能是Cu或Cu2O

第二步 查阅资料:①Cu2O属于碱性氧化物; ②Cu+在酸性条件下能发生自身氧化还原反

应,产生Cu 和Cu2+;③在空气中灼烧Cu2O能生成CuO。

第三步 制备红色沉淀:①制备氢氧化铜悬浊液②氢氧化铜悬浊液与葡萄糖共热。③过滤、洗涤、低温烘干得红色粉末。

第四步 红色沉淀探究:该同学设计了三种方案如下。

方案Ⅰ:取该红色粉末溶于足量稀硝酸中,观察溶液颜色变化。

方案Ⅱ:取该红色粉末溶于足量稀硫酸中,观察是否有残渣。

方案Ⅲ:称得干燥坩埚a g ,取红色粉末置于坩埚中再称得质量为b g,在空气中充分灼

烧至完全变黑,并在干燥器中冷却,再称量,反复多次直到质量不变,称得最后质量为c

g,比较a、b、c的关系。

 

试回答下列问题:

(1)请你评价方案Ⅰ和方案Ⅱ。如果你认为该方案合理,请简述其原理,如果你认为该方案不合理,请简述原因。                                                     。

(2)方案Ⅲ中,如果a、b、c的关系符合c=              可确认红色粉末是Cu2O。

 

分析:资料中提供的信息,Cu2O+2H+===Cu +Cu2++H2O   2Cu2O+O24CuO。方案Ⅰ:

稀硝酸有氧化性,Cu与硝酸反应的产物是硝酸铜,溶液呈蓝色;Cu2O在稀硝酸中,首先

发生反应Cu2O+2H+===Cu +Cu2++H2O ,产物中的铜还要被硝酸溶解,最终产物也是硝酸铜,

溶液也呈蓝色;无法确定红色固体是Cu还是Cu2O。方案Ⅱ:Cu与稀硫酸不反应,Cu2O与

稀硫酸反应Cu2O+2H+===Cu +Cu2++H2O,但产物中仍有固体铜,都有残渣,也无法确定红

色固体是Cu还是Cu2O。

方案Ⅲ:若红色固体为铜,则有

 c=  g  也就是说,当c=  g 可确认红

色粉末是Cu。

若红色固体为氧化亚铜,则有

 c= (10b-a)g  这就是说,当c= (10b-a)g

可确认红色粉末是Cu2O。

 

答案:(1)方案Ⅰ不合理,铜和氧化亚铜都能和硝酸生成Cu2+;方案Ⅱ不合理,Cu+在酸性

条件下能发生自身氧化还原反应,也生成了铜单质。

(2)c= (10b-a)

 

评价:物质的推断探究方案,应充分考虑到不同物质的性质差异,通过反应中质量的变化来确定物质的存在,这是一种通过定量分析法确定是何种物质的重要手段。

 

二、物质制备实验方案的设计 

无机物质的制备,常与物质分离与提纯联系在一起,制备的目标物质要容易分离出来。物质分离与提纯有多种方法,总的说有物理方法和化学方法两大类。物理方法有过滤、蒸发、蒸馏、分液、萃取、结晶、重结晶、渗析等。化学方法有沉淀法、热分解法、电解法、氧化还原法等。要根据目标物质的性质和特点来选择适宜的制备、分离方法。

 

例3.将粗制的CuO(含少量FeO)粉慢慢加入到30℃的浓盐酸中,并充分搅拌使之溶解得溶液Ⅰ。为了制得不含杂质的CuCl2溶液并制得CuCl2·2H2O晶体。查阅到的相关材料如下表:

 

金属离子

pH

开始沉淀

完全沉淀

Fe2+

7.6

9.6

Cu2+

4.4

6.4

Fe3+

2.7

3.7

 

 

 

 

 

 

 

化学合作小组的同学请设计了如下两个实验方案:

方案Ⅰ

 

方案Ⅱ

请你参与以下问题讨论:

(1)方案Ⅰ中,调pH的Y        (填“能”或“不能”)用NaOH溶液,pH调节的范

围是大于      而小于      ;X的名称是         。

(2)方案Ⅱ中,氧化剂X的化学式可以是        或        ;调pH的Y是             ;

pH调节的范围是大于      而小于      。

(3)从原子利用率的角度来看,你认为方案Ⅰ中的Y最好选用           。从环保的角度来看,方案Ⅱ中的X最好选用           。

 

分析:溶液Ⅰ中除了有CuCl2外,还有FeCl2杂质,据查阅到的相关材料中的有关数据,可通过形成金属氢氧化物沉淀来实现分离与提纯。

方案Ⅰ,它是将溶液pH调至大于6.4而小于7.6,Fe2+不沉淀,使Cu2+转化为氢氧化铜沉淀,经洗涤,再加入浓盐酸得CuCl2溶液,然后,结晶过滤得CuCl2·2H2O晶体。

方案Ⅱ,它是先加入氧化剂X,将FeCl2氧化为 FeCl3,为了不引入杂质,氧化剂要用H2O2或Cl2;加入Y的目的是调溶液的pH,为了不引入杂质,Y可以是CuO、CuCO3、Cu2(OH)2CO3, 将溶液的pH调节到3.7~4.3之间,从而形成Fe(OH)3沉淀,而CuCl2不形成沉淀。然后,结晶过滤得CuCl2·2H2O晶体。从环保的角度看氧化剂用H2O2,H2O2是绿色氧化剂。方案Ⅰ的Y最好选用CuO,CuCO3、Cu2(OH)2CO3与酸反应产生CO2,不能进入目标产物,原子利用率不高。

 

答案:(1)能。6.4;7.6;浓盐酸。

(2)Cl2;H2O2;CuO、CuCO3、Cu2(OH)2CO3;3.7;4.4。

(3)CuO;H2O2。

 

评价:通过调节溶液的pH,形成金属氢氧化物沉淀,也可以实现溶液中金属离子的分离。上述两方案都可以实现目标产物的制备,都是合理方案。物质的制备中所用试剂也要考虑到经济、环保和原子利用率。

 

三、物质性质实验方案的设计

    溶液中有多种存在微粒,在溶液中的一个化学反应的发生,到底是哪一种微粒的作用,

我们就必须通过实验来探究各种不同情况下的现象,最终得出结论。

 

例4.氧化铜是一种黑色固体,可溶于稀硫酸。某同学想知道是稀硫酸中的哪种粒子(H2O、H+、SO42-)能使氧化铜溶解。请你和他一起通过如图Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ三个实验完成探究活动。

 

 

 

 

 

 

(1)某同学提出的假设是                        ;

(2)通过实验Ⅰ可以证明                        ;

(3)要证明另外两种粒子能否溶解氧化铜,还需要进行

实验Ⅱ和Ⅲ,在Ⅱ中加入稀硫酸后氧化铜溶解,则

进一步所做的确认为:在Ⅲ中先加入           ,

再加入                   。

(4)探究结果为                               。

 

分析:由图Ⅰ可知该同学想知道H2O能否溶解氧化铜,实验的结果当然是不溶。图Ⅱ可以说明不是SO42-离子溶解了氧化铜,就是H+离子溶解了氧化铜。图Ⅲ就是要说明SO42-离子不能溶解氧化铜,所以,可加入含有SO42-离子的Na2SO4(或K2SO4等),这时氧化铜不能溶解,再加入稀硫酸溶解氧化铜,就可以说明是H+离子溶解了氧化铜。值得注意,“再加入”不能是硝酸或盐酸,否则还要证明NO3-、Cl-离子能否溶解氧化铜。

 

答案:

(1)H2O、H+、SO42-中的某一种粒子能够使CuO溶解。

(2)水不能使氧化铜溶解,而是另外的H+、SO42-两种粒子中的一种粒子使CuO溶解。

(3)Na2SO4(或K2SO4等),稀硫酸。

(4)氧化铜固体溶于稀H2SO4是稀硫酸H+在起作用,而H2O,SO42-两种粒子都不能使CuO溶解。 

 

评价:溶液中哪种粒子参与反应,可以通过实验确定其它离子不能反应,从而确定是某种粒子的性质。

 

四、物质结构实验的设计方案

物质结构的也可以用化学实验进行探究,根据反应产物的不同,以及产物的性质,反过来确定物质结构。

 

例5.科学家对H2O2结构的认识经历了较为漫长的过程,最初,科学家提出了两种观点:

 

①、②H-O-O-H。式中O→O表示配位键,即共用电子对由某原子单方面提供。有资料显示,在化学反应中氧氧键(O-O或O→O)遇到还原剂时易断裂。

化学家Baeyer和Villiyer为研究H2O2的结构,设计并完成了下列实验:

a、将C2H5OH与浓H2SO4反应,生成(C2H5)2SO4和水;

b、将制得的(C2H5)2SO4与H2O2反应,只生成A和H2SO4;

c、将生成的A与H2反应(已知该反应中H2作还原剂)。

(1)用电子式表示①、②两种结构:①______________、②_____________。

(2)如果H2O2的结构如①或②所示,实验c中化学反应方程式分别为(A写结构简式)

___________________________________                                 。

(3)为了进一步确定H2O2的结构,还需要在实验c后添加一步实验d,请设计d的实验方案:__________________________________________________________。

 

分析:a、C2H5OH与浓H2SO4的反应是酯化反应:

b、(C2H5)2SO4与H2O2反应:

c、A与H2反应:

C2H5?O-O?C2H5+H22C2H5OH

两种不同结构的A分别与H2反应的产物有所不同,前者有水产生,而后者却没有水,因此,只要检验反应产物中有无水,就可以确定过氧化氢的结构。

 

答案:

(1)    

 (2) 

C2H5?O-O?C2H5+H22C2H5OH

 (3)用无水硫酸铜检验c的反应产物中有没有水(或其他合理答案)。

 

    评价:物质的结构决定性质,物质的性质可以反映结构。虽然现在物质结构的确定,多借助于物理方法,也就是物理仪器来确定,但是,它总是以化学方法为基础的。

 

物质检验实验方案的设计、物质制备实验方案的设计、物质性质实验方案的设计、物质结构实验方案的设计,它们都是以物质的性质为基础而展开的实验探究活动,是人类研究和生产化学物质的基本方法。

 


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