專題十六 化學實驗方案的設計

張海洋

高考動向

在全國高考新課標化學大綱中，對于化學實驗方案設計的要求是“能根據實驗試題要求，做到設計、評價或改進實驗方案”。縱觀當前的高考化學試題，對化學實驗方案設計的考查越來越關注，逐漸在呈現上升的趨勢。

能根據實驗試題繪制和識別典型的實驗儀器裝置圖。

考點分析

考點1. 化學實驗方案設計的基本環節

化學實驗方案設計包括實驗目的、實驗原理、實驗用品以及裝置、實驗操作及規程、實驗結果處理、實驗程序等六個要素，這些要素之間存在緊密的邏輯關系。

（1）實驗目的。實驗目的要求是實驗的出發點和歸宿，因此在實驗設計前，必須對實驗的目的要求相當明確。

（2）實驗原理。只有明確實驗原理和方法，才能對實驗設計作出合理的規劃。在明確實驗目的的基礎上，綜合運用學過的知識，通過類比、遷移、分析，從而確定（選擇或擬出）實驗原理。

（3）實驗用品。根據實驗的目的和原理，以及實驗需要控制的條件等，合理選擇實驗所需要的儀器和藥品。

（4）實驗裝置與步驟。根據實驗目的和原理，以及選用的實驗儀器和用品，設計合理的實驗裝置和實驗操作步驟，能繪制或識別相應的實驗裝置圖。

（5）預測實驗現象與數據。根據實驗目的、原理和過程，預測實驗將觀察到的現象，以及實現實驗目的將要記錄那些數據等。

（6）預測實驗結論。預測根據實驗觀察的現象和數據，通過分析、計算、圖表、推理等處理，得出正確的實驗結論。

考點2. 化學實驗方案設計的基本思路

化學實驗方案設計是在準確理解實驗目的和要求，熟練掌握常見實驗儀器使用，融會貫通各部分化學知識，敏銳把握實驗手段優劣的基礎上，按照一定的實驗思路對實驗的原理、儀器、裝置、步驟和方法等進行合理安排與規劃。一般的思路是：

（1）發現問題（明確實驗目標）。設計實驗前，一定要知道解決的是什么問題，通過實驗要達到什么樣的目的，為實驗設計明確清晰的方向。

（2）提出實驗假設。根據實驗目的和要求，結合已有的化學知識與技能，尊重當前已有的實驗條件，對實驗整體設計提出初步的設想。

（3）確定實驗原理。根據前面提出的實驗假設，遵循有關實驗要求和基本原則，結合已有的知識經驗和實驗經歷，確定合適的實驗原理。

（4）控制實驗變量。圍繞實驗假設和實驗原理確定被試和變量，通過分析影響實驗進行的各種變量，對其中的有關變量進行合理控制和安排，以達到實驗目的。

（5）選擇實驗方法。要對實驗變量進行合理的控制，就需要利用最基礎的化學實驗知識，選擇本實驗最合適的實驗方法。

（6）制訂實驗步驟。按照實驗變量的控制和安排，依據所選擇的實驗原理和方法，遵循一定的實驗邏輯順序，依次制訂實驗步驟。

（7）選擇用品和設計裝置。根據實驗步驟的要求選擇適合的實驗用品，并按照實驗要求將實驗儀器設計成實驗裝置。

（8）評價與修正實驗方案。回顧實驗方案設計，反思實驗過程，修正檢驗假設，對結果評價。

考點3. 化學實驗方案設計的基本類型

從實驗研究的側重點和中學化學實驗實際來看，化學實驗方案設計的類型主要包括：

（1）定性實驗方案設計：①制取某種物質的實驗；②物質性質的實驗；③物質檢驗實驗；④分離混合物或從混合物中提取某物質的實驗；⑤驗證化學原理、化學概念或化學反應的實驗。

（2）定量實驗方案設計：①測定某些中學化學常用計量（某元素的相對原子質量、阿伏加德羅常數）的實驗；②確定物質組成（混合物各組分質量分數、某化合物的定量組成）的實驗；③測定化學反應中能量變化（如反應熱、中和熱）的實驗。

（3）結構分析實驗方案設計：用以測定物質微觀結構的實驗，包含測定分子結構和晶體結構的實驗等。

考點突破

綜合分析化學實驗設計考查的高考題型，可從設問的形式將題型分為三類，包括實驗步驟型方案設計題、實驗裝置型方案設計題和實驗變量型方案設計題。盡管它們設問的形式不同，但解題的思路是一樣的。

1. 實驗步驟型方案設計題。

化學實驗方案設計題型多以實驗步驟設計的形式進行考查，以前高考只要求學生完成部分實驗步驟的設計，現在比較多地要求學生完成全部實驗步驟的設計，說明考查的要求在不斷地提高。

【例1】（2015·上海）甲醛和新制氫氧化銅的反應顯示了甲醛的還原性，發生反應的化學方程式通常表示如下：

若向足量新制氫氧化銅中加入少量甲醛，充分反應，甲醛的氧化產物不是甲酸或甲酸鹽，設計一個簡單實驗驗證這一判斷。

①主要儀器：試管、酒精燈。

②可供選用的試劑：硫酸銅溶液、甲醛、甲酸、氫氧化鈉溶液

【解析】按照化學實驗方案設計的基本思路進行解題。

（1）確定實驗目的：通過實驗證明醛的氧化產物不是甲酸或甲酸鹽。

（2）提出初步假設：甲酸和甲酸鹽都含有醛基，通過檢驗是否存在醛基進行驗證。

（3）確定實驗原理：檢驗醛基的存在常用銀氨溶液或新制氫氧化銅等試劑，根據本題所給條件，應選擇新制氫氧化銅。

（4）控制實驗變量：對醛基進行檢驗。

（5）選擇實驗方法：采用物質檢驗的方法，通過判斷是否有磚紅色沉淀產生進行判斷。

（6）制訂實驗步驟：第一步要新制氫氧化銅懸濁液，第二步是將反應后的溶液與新制氫氧化銅反應。

……

【答案】向試管中加入2ml10%的NaOH溶液，然后向其中滴加2%的硫酸銅溶液CuSO4溶液4-6滴，產生Cu（OH）2藍色絮狀沉淀；取少量反應后的溶液，加入到新制Cu（OH）2懸濁液中，加熱煮沸，觀察有無磚紅色沉淀產生，若有證明含有甲酸或甲酸鹽，否則不含有甲酸或甲酸鹽。

2. 實驗裝置型方案設計題。

實驗裝置的設計也是化學實驗方案設計考查的常見形式，有時候是考查一組儀器或裝置的鏈接，有時候是考查部分裝置的作圖，都比較有利于考查化學實驗方案設計的能力。

【例2】（2015·北京）研究CO2在海洋中的轉移和歸宿，是當今海洋科學研究的前沿領域。海水中溶解無機碳占海水總碳的95%以上，其準確測量是研究海洋碳循環的基礎。測量溶解無機碳，可采用如下方法：

①氣提、吸收CO2。用N2從酸化后的海水中吹出CO2并用堿液吸收（裝置示意圖如下）。將虛線框中的裝置補充完整并標出所用試劑。

②滴定。將吸收液吸收后的無機碳轉化為NaHCO3，再用x mol/L HCl溶液滴定，消耗y mL HCl 溶液，海水中溶解無機碳的濃度= mol/L。

【解析】按照化學實驗方案設計的基本思路進行解題——

（1）明確實驗目的：通過實驗測定海水中溶解無機碳的含量。

（2）提出初步假設：將海水中的無機碳轉化為CO2，將CO2用NaOH吸收，并轉化為NaHCO3，最后用鹽酸滴定來計算溶解無機碳的濃度。

（3）確定實驗原理：通過海水中HCO3-與酸反應、CO2與NaOH反應、NaHCO3與鹽酸反應等三個反應來達到實驗的目的。

（4）控制實驗變量：海水中HCO3-的轉化情況，CO2的吸收情況，NaHCO3滴定消耗鹽酸的情況。

（5）選擇實驗方法：采用物質轉化和分離、滴定等實驗方法。

（6）制訂實驗步驟：①組裝無機碳轉化裝置和CO2吸收裝置；②檢驗氣密性；③添加藥品；④開始無機碳轉化實驗；⑤滴定（略）；⑥計算。

（7）選擇實驗用品和裝置：要用硫酸來酸化海水，不能用鹽酸等揮發性的酸，否則會影響后續的滴定；無機碳轉化裝置中的導管要“長進短出”，還需要添加硫酸的分液漏斗。（其它略）

……

【答案】①見右圖。②xy/z。

3. 實驗變量型實驗方案設計題。

構建實驗設計中的變量控制，也能整體反映實驗的設計。以實驗變量控制的形式命題，已經成為化學實驗方案設計的新方向。

【例5】（2015·廣東）NH3及其鹽都是重要的化工原料。設計實驗，探究某一種因素對溶液中NH4Cl水解程度的影響。

限制試劑與儀器：固體NH4Cl，蒸餾水、100mL容量瓶、燒杯、膠頭滴管、玻璃棒、藥匙、天平、PH計、溫度計、恒溫水浴槽（可控制溫度）。

①實驗目的：探究 對溶液中NH4Cl水解程度的影響。

②設計實驗方案，擬定實驗表格，完整體現實驗方案（列出能直接讀取數據的相關物理量及需擬定的數據，數據用字母表示；表中V（溶液）表示所配制溶液的體積）。

③按實驗序號I所擬數據進行實驗，若讀取的待測物理量的數值為Y，則NH4Cl水解反應得平衡轉化率為 （只列出算式，忽略水自身電離的影響）。

（本題只選取了高考原題的一部分）

【解析】按照化學實驗方案設計的基本思路進行解題。

（1）明確實驗目的：探究溫度（或濃度）對溶液中NH4Cl水解程度的影響。

（2）提出初步假設：鹽類水解程度外部影響因素主要是溫度、濃度及外加物質等。根據題目已給條件，可以選擇從改變溫度或改變濃度的角度進行探究，“外加物質”不作為研究變量。

（3）確定實驗原理：溫度會影響鹽類的水解平衡常數，改變溫度必然會影響鹽的水解程度；濃度盡管不影響鹽類的水解平衡常數，但改變濃度會引起平衡移動，故最后影響鹽的水解程度。

（4）控制實驗變量：實驗變量包括濃度、溫度和溶液pH（反應水解程度的變量），其中濃度和溫度為控制變量，溶液pH為待測物理量。當研究溫度的影響時，則要控制NH4Cl的濃度不變，通過改變溫度來研究對NH4Cl水解程度的影響；當研究濃度的影響時，則要控制溫度不變，通過改變NH4Cl的濃度來研究對自身水解程度的影響。

填寫表格時，字母相同表示對應條件一樣，字母不同表示對應條件不一樣；本表沒有直接表示濃度變量，但溶液體積V都是100mL，那么溶液中NH4Cl的質量情況即可反映濃度。

……

【答案】①溫度或濃度（只選一種情況進行研究）。②見下表。

決勝高考

1.（2015·安徽）某研究小組將純凈的SO2氣體通入0.1 mol/L的Ba（NO3）2溶液中，得到了BaSO4沉淀，為探究上述溶液中何種微粒能氧化通入的SO2，該小組突出了如下假設：

假設一：溶液中的NO3-；假設二：溶液中溶解的O2。

（1）驗證假設一

該小組涉及實驗驗證了假設一，請在下表空白處填寫相關實驗現象。

實驗2：在盛有不含O2的25mL 0.1 mol/L的Ba（NO3）2溶液的燒杯中，緩慢通入純凈的SO2氣體

（2）為深入研究該反應，該小組還測得上述兩個實驗中溶液的pH隨通入SO2體積的變化曲線入下圖。

實驗1中溶液pH變小的原因是

；

V1時，實驗2中溶液pH小于實驗1的原因是（用離子方程式表示

。

（3）驗證假設二

請設計實驗驗證假設二，寫出實驗步驟，預期現象和結論。

（4）若假設二成立，請預測：在相同條件下，分別用足量的O2和KNO3，氧化相同的H2SO3溶液（溶液體積變化忽略不計），充分反應后兩溶液的pH前者 （填大于或小于）后者，理由是 。

2.（2015·全國新課標Ⅰ卷）草酸（乙二酸）存在于自然界的植物中，其K1=5.4×10-2，K2=5.4×10-5。草酸的鈉鹽和鉀鹽易溶于水，而其鈣鹽難溶于水。草酸晶體（H2C2O4·2H2O）無色，熔點為101℃，易溶于水，受熱脫水、升華，170℃以上分解。回答下列問題：

（1）甲組同學按照如圖4所示的裝置，通過實驗檢驗草酸晶體的分解產物。裝置C中可觀察到的現象是 ，由此可知草酸晶體分解的產物中有 。裝置B的主要作用是 。

（2）乙組同學認為草酸晶體分解的產物中含有CO，為進行驗證，選用甲組實驗中的裝置A、B和圖5所示的部分裝置（可以重復選用）進行實驗。

①乙組同學的實驗裝置中，依次連接的合理順序為A、B、 。裝置H反應管中盛有的物質是 。②能證明草酸晶體分解產物中有CO的現象是 。

（3）設計實驗證明：①草酸的酸性比碳酸的強

；②草酸為二元酸

。

3.（2015·福建）某化學興趣小組制取氯酸鉀和氯水并進行有關探究實驗。

實驗一：制取氯酸鉀和氯水

利用圖6所示的實驗裝置進行實驗。

（1）制取實驗結束后，取出B中試管冷卻結晶、過濾、洗滌。該實驗操作過程需要的玻璃儀器有

。

（2）若對調B和C裝置的位置， （填“能”或 “不能”）提高B中氯酸鉀的產率。

實驗二 氯酸鉀與碘化鉀反應的探究

（3）在不同條件下KClO3可將KI氧化為I2或KIO3。該小組設計了系列實驗研究反應條件對反應產物的影響，其中系列a實驗的記錄表如下（實驗在室溫下進行）：

①系列a實驗的實驗目的是 。

②設計1號試管實驗的作用是 。

③若2號試管實驗現象為“黃色溶液”，取少量該溶液加入淀粉溶液顯藍色；假設氧化產物唯一，還原產物為KCl，則此反應的離子方程式為

。

實驗三 測定飽和氯水中氯元素的總量

（4）該小組設計的實驗方案為：使用圖7裝置，加熱15.0ml飽和氯水試樣，測定產生氣體的體積。此方案不可行的主要原因是

。（不考慮實驗裝置及操作失誤導致不可行的原因）

（5）根據下列資料，為該小組設計一個可行的實驗方案（不必描述操作過程的細節）：

。

資料：ⅰ.次氯酸會破壞酸堿指示劑；

ⅱ.次氯酸或氯水可被SO2、H2O2、FeCl2等物質還原成Cl-。

4.（2014·廣東）H2O2是一種綠色氧化還原試劑，在化學研究中應用廣泛。

（1）某小組擬在同濃度Fe3+的催化下，探究H2O2濃度對H2O2分解反應速率的影響。

限選試劑與儀器：30% H2O2、0.1mol·L-1Fe2（SO4）3、蒸餾水、錐形瓶、雙孔塞、水槽、膠管、玻璃導管、量筒、秒表、恒溫水浴槽、注射器

①寫出本實驗H2O2分解反應方程式并標明電子轉移的方向和數目：

。

②設計實驗方案：在不同H2O2濃度下，測定

（要求所測得的數據能直接體現反應速率大小）。

③設計實驗裝置，完成圖8的裝置示意圖。

④參照下表格式，擬定實驗表格，完整體現實驗方案（列出所選試劑體積、需記錄的待測物理量和所擬定的數據；數據用字母表示）。

（2）利用下圖（a）和（b）中的信息，按（c）裝置（連能的A、B瓶中已充有NO2氣體）進行實驗。可觀察到B瓶中氣體顏色比A瓶中的 （填“深”或“淺”），其原因是

。

答案點撥

1.（1）實驗1：無現象；實驗2：生產白色沉淀。（2）SO2溶于水后生成H2SO3；3SO2+2H2O+2NO3-=2NO+4H++3SO42-。（3）實驗方案見下表。

（4）小于；反應的離子方程式表明，足量的O2和NO3-分別氧化相同的H2SO3，生成的H+的物質的量前者大于后者反應的離子方程式表明，足量的O2和NO3-分別氧化相同的H2SO3，生成的H+的物質的量前者大于后者。

解析：（1）根據強酸制取弱酸的原理，二氧化硫溶于水后生成H2SO3，亞硫酸是弱酸不能制備鹽酸，故實驗1無現象；二氧化硫溶于水后生成H2SO3，亞硫酸電離出氫離子（H2SO3·2H++SO32-），NO3-在酸性條件下具有強的氧化性，將SO32-氧化成SO42+，從而與Ba2+反應生成BaSO4白色沉淀。（2）實驗1中，二氧化硫溶于水后生成H2SO3，H2SO3是一種弱酸，所以溶液的pH減小；實驗2中，經過反應后生成H2SO4，H2SO4是一種強酸，與H2SO3相同濃度時，H2SO4溶液酸性更強，所以pH更小。（3）要設計實驗驗證假設二，同樣要設計一組對比實驗，即在有O2和無O2兩種條件下，將SO2通入到BaCl2溶液中，若有白色沉淀生成，則假設二成立。（4）H2SO3分別與O2、KNO3反應的離子方程式為：2H2SO3+O2=4H++2SO42-和3H2SO3+2NO3-=2NO↑+4H++H2O+3SO42-，根據兩個離子方程式可以判斷，當參加反應的H2SO3相同時，與O2反應生成的H+要多，故溶液的pH要小。

2.（1）有氣泡逸出、澄清石灰水變混濁；CO2；冷凝（水蒸氣、草酸等），防止草酸進入裝置C反應生成沉淀，干擾CO2的檢驗。（2）①F、D、G、H、D、I； CuO（氧化銅）；②H中黑色粉末變為紅色，其后的D中澄清石灰水變渾濁。（3）① 向盛有少量NaHCO3的試管里滴加草酸溶液，有氣泡產生；②用NaOH標準溶液滴定草酸溶液，消耗NaOH的物質的量為草酸的2倍。

解析：（1）根據草酸晶體分子結構，結合碳元素化合價，并綜合分析實驗裝置圖設計意圖，可以推斷草酸受熱分解會產生CO2，從而使燒杯中澄清石灰水變渾濁；由于草酸易升華，且其鈣鹽難溶于水，B裝置溫度較低，有冷凝作用，防止升華的草酸干擾C裝置實驗。（2）①要檢驗生成CO，在A、B裝置之后，“用濃氫氧化鈉除去CO2→用澄清石灰水檢驗CO2的除去情況→用堿石灰干燥CO→CO還原CuO得到CO2→再利用澄清石灰水檢驗生成的CO2→用排水法收集剩余的CO”，這樣就有了裝置連接的順序了，H裝置中盛放的物質就是CuO；②常用CuO來檢驗CO，現象就是黑色CuO變成紅色的Cu，生成的氣體能使澄清石灰水變渾濁。（3）①要證明草酸酸性大于碳酸，可以利用強酸制取弱酸；②利用酸堿中和滴定酸堿物質的量比確定草酸是二元酸。

3.（1）燒杯、漏斗、玻璃棒、膠頭滴管。（2）能。（3）① 研究反應體系中硫酸濃度對反應產物的影響；② 硫酸濃度為0的對照實驗；③ ClO3+6I-+6H+=Cl+3I2+3H2O。（4）因存在Cl2的重新溶解、HClO分解等，此方案無法測算試樣含氯總量（或其他合理答案）。（5）量取一定量的試樣，加入足量的H2O2溶液，加熱除去過量的H2O2，冷卻，再加入足量的硝酸銀溶液，稱量沉淀質量（或其他合理答案）。

解析：（1）進行冷卻結晶操作需要燒杯，進行過濾操作需要燒杯、漏斗和玻璃棒，進行洗滌操作需要膠頭滴管，故答案為燒杯、漏斗、玻璃棒、膠頭滴管。（2）二氧化錳與濃鹽酸來制取氯氣，制得的氯氣常含有氯化氫，氯化氫能與KOH反應而降低B中的氯酸鉀產率，若對調B和C裝置，水能吸收氯化氫，從而除去氯化氫的影響，提高B中氯酸鉀的產率。（3）①根據實驗數據表，對比試管1、2、3、4中數據發現，KI和KClO3的量是系統的，混合后溶液的體積是相同的，但不同的是H2SO4的用量，所以H2SO4的濃度時要控制的變量，實驗的目的就是研究反應體系中硫酸濃度對反應產物的影響；②1號試管中沒有H2SO4，其作用就是當硫酸濃度為0的對照實驗；③知道反應物和生成物即可寫出離子反應方程式，本反應中的反應物是KI、KClO3和H2SO4，產物為I2、KCl，還有H2O。（4）氯水中存在Cl2、HClO和HCl，而且中間又會發生HClO分解和Cl2的再溶解，所以其中氯主要會以Cl2和HCl形式存在，此方案無法測算試樣含氯總量。（5）根據題目所給信息，要測算氯的含量的思路就是，將氯全部轉化為Cl，然后用AgNO3將Cl-轉化為AgCl沉淀，再通過稱取沉淀的質量來求算氯的含量。但在將氯全部轉化為Cl-，如果選SO2，要考慮生成SO42-對后面轉化為沉淀的干擾，如果選FeCl2又會引進Cl-而產生影響，故最好選擇H2O2。

4.（1）① 。②同時間內產生氧氣的體積多少，或生成相同體積的氧氣所需時間的多少。③ 。④見下表：

（2）深；2NO2（紅棕色）？葑N2O4（無色）；△H<0，是放熱反應，且雙氧水的分解反應也是放熱反應.當右邊雙氧水分解時放出的熱量會使B瓶升溫，使瓶中反應朝逆反應方向移動，即向生成NO2移動，故B瓶顏色更深。

解析：（1）①在過氧化氫分解反應中，過氧化氫既作氧化劑又做還原劑，發生化合價變化的只有氧元素，可以用“雙線橋”法或“單線橋”法標明電子轉移方向和數目。②可以通過氧氣產生的速率來反映過氧化氫反應的速率，因此需要測定相同時間內產生氧氣的體積多少，或生成相同體積的氧氣所需時間的多少。③測量氣體的體積情況，常用測量排出液體體積的法，根據題目已給出的儀器，可用盛滿水的量筒倒立于盛水的水槽中，并用導管與氣體發生裝置連接。④實驗探究的是H2O2濃度對H2O2分解反應速率的影響，控制的變量是H2O2的濃度，其它的變量要控制不變，不變的量包括Fe2（SO4）3的用量和混合后溶液的體積，混合后溶液的體積不變要通過加蒸餾水的方式來實現。因此，實驗的數據就包括Fe2（SO4）3的用量、H2O2的用量、蒸餾水的用量、實驗時間和氧氣體積。（2）由圖a和b可知，H2O2的分解反應和NO2轉化為N2O4的反應都是放熱反應，所以c裝置中右側燒杯的溫度高于左側，升高溫度，2NO2（紅棕色）？葑N2O4（無色）； △H<0向逆反應方向移動，故B瓶顏色更深。

（作者單位：佛山市教育局教研室）

責任編校 李平安