劉海燕

實(shí)驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)與評價(jià)

實(shí)驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)與評價(jià)能力是進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的基本能力，是高考考查的重點(diǎn)。在高考中主要以物質(zhì)的制備或性質(zhì)實(shí)驗(yàn)為載體，結(jié)合實(shí)驗(yàn)操作、物質(zhì)性質(zhì)探究等命題。通常是針對綜合實(shí)驗(yàn)中的某一環(huán)節(jié)或某一步驟進(jìn)行方案的設(shè)計(jì)與評價(jià)，解題的關(guān)鍵是根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮蛯?shí)驗(yàn)原理設(shè)計(jì)多種實(shí)驗(yàn)方案并對多種方案進(jìn)行分析評價(jià)選出最佳方案。

例1 某研

究小組為探究弱酸性條件下鐵發(fā)生電化學(xué)腐蝕類型的影響因素，將混合均勻的新制鐵粉和碳粉置于錐形瓶底部，塞上瓶塞（如圖1）。從膠頭滴管中滴入幾滴醋酸溶液，同時(shí)測量容器中的壓強(qiáng)變化。

（1）請完成以下實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)表（表中不要留空格）：

（2）編號(hào)①實(shí)驗(yàn)測得容器中壓強(qiáng)隨時(shí)間變化如圖2。t2時(shí)，容器中壓強(qiáng)明顯小于起始壓強(qiáng)，其原因是鐵發(fā)生了

（3）該小組對圖2中0～t1時(shí)壓強(qiáng)變大的原因提出了如下假設(shè)，請你完成假設(shè)二。

假設(shè)一：發(fā)生析氫腐蝕產(chǎn)生了氣體；

假設(shè)二： 。

（4）為驗(yàn)證假設(shè)一，某同學(xué)設(shè)計(jì)了檢驗(yàn)收集的氣體中是否含有H2的方案。請你再設(shè)計(jì)一個(gè)實(shí)驗(yàn)方案驗(yàn)證假設(shè)一，寫出實(shí)驗(yàn)步驟和結(jié)論。

解析 （1）根據(jù)控制變量法可知，在探究影響鐵粉腐蝕的因素時(shí)，需控制其他條件不變，只改變某一個(gè)條件，再探究這一條件對鐵粉腐蝕的影響。實(shí)驗(yàn)②探究醋酸濃度的影響時(shí)，要控制碳粉、鐵粉的質(zhì)量與參照實(shí)驗(yàn)①相同，故鐵粉質(zhì)量為2 g。實(shí)驗(yàn)③中碳粉的質(zhì)量與參照實(shí)驗(yàn)①不同，而其他條件相同，故實(shí)驗(yàn)③的目的為探究碳粉質(zhì)量的影響。

（2）根據(jù)圖2知，0～t1壓強(qiáng)增大，則發(fā)生析氫腐蝕，t1后壓強(qiáng)減小，則發(fā)生吸氧腐蝕。發(fā)生電化學(xué)腐蝕時(shí)，F(xiàn)e失去電子，電子沿導(dǎo)體由Fe流向C，碳作正極，碳粉表面發(fā)生還原反應(yīng)，電極反應(yīng)為O2+2H2O+4e-=4OH-。

（3）使密閉容器內(nèi)氣壓增大的原因有：一是通過化學(xué)反應(yīng)生成了氣體；二是化學(xué)反應(yīng)過程中放出了熱量，使容器內(nèi)溫度升高，氣體膨脹，壓強(qiáng)增大。

（4）略

化學(xué)實(shí)驗(yàn)綜合探究

探究類綜合實(shí)驗(yàn)題是一類思維開放性試題，能夠綜合考查大家發(fā)現(xiàn)問題和解決問題的能力，命題角度靈活、涵蓋知識(shí)面廣，該類試題是近幾年高考命題的熱點(diǎn)。特別是有機(jī)化學(xué)綜合實(shí)驗(yàn)題，它通常以有機(jī)化合物的制備為載體考查常見化學(xué)實(shí)驗(yàn)儀器的使用方法，物質(zhì)的分離、提純等基本實(shí)驗(yàn)操作和注意事項(xiàng)，以及實(shí)驗(yàn)條件的控制、產(chǎn)率計(jì)算等。

例2 為了探究AgNO3的氧化性和熱穩(wěn)定性，某化學(xué)興趣小組設(shè)計(jì)了如下實(shí)驗(yàn)。

Ⅰ. AgNO3的氧化性

將光亮的鐵絲伸入AgNO3溶液中，一段時(shí)間后將鐵絲取出。為檢驗(yàn)溶液中Fe的氧化產(chǎn)物，將溶液中的Ag+除盡后，進(jìn)行了如下實(shí)驗(yàn)?？蛇x用的試劑：KSCN溶液、K3[Fe（CN）6]溶液、氯水。

（1）請完成下表：

【實(shí)驗(yàn)結(jié)論】 Fe的氧化產(chǎn)物為Fe2+和Fe3+。

Ⅱ. AgNO3的熱穩(wěn)定性

用下圖所示的實(shí)驗(yàn)裝置A加熱AgNO3固體，產(chǎn)生紅棕色氣體，在裝置D中收集到無色氣體。當(dāng)反應(yīng)結(jié)束后，試管中殘留固體為黑色。

A B C D

（2）裝置B的作用是 。

（3）【查閱資料】 Ag2O和粉末狀的Ag均為黑色；Ag2O可溶于氨水。

【提出設(shè)想】 試管中殘留的黑色固體可能是：i.Ag；ⅱ.Ag2O；ⅲ.Ag和Ag2O。

【實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證】 該小組為驗(yàn)證上述設(shè)想，分別取少量黑色固體放入試管中，進(jìn)行了如下實(shí)驗(yàn)。

[實(shí)驗(yàn)編號(hào)＼&操作＼&現(xiàn)象＼&a＼&加入足量氨水，振蕩＼&黑色固體不溶解＼&b＼&加入足量稀硝酸，振蕩＼&黑色固體溶解，并有氣體產(chǎn)生＼&]

【實(shí)驗(yàn)評價(jià)】 根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)，不能確定固體產(chǎn)物成分的實(shí)驗(yàn)是 （填實(shí)驗(yàn)編號(hào)）。

【實(shí)驗(yàn)結(jié)論】 根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果，該小組得出AgNO3固體受熱分解的產(chǎn)物有 。

解析 （1）Fe3+遇KSCN顯血紅色；鐵氰化鉀與Fe2+生成藍(lán)色的鐵氰化亞鐵沉淀。

（2）AgNO3加熱分解生成的紅棕色氣體為NO2，易溶于水，所以裝置B的作用為安全瓶，由于兩側(cè)的導(dǎo)管較短，故不可能倒吸到裝置A中。

（3）根據(jù)信息，Ag2O可溶于氨水，由實(shí)驗(yàn)a知，黑色固體不溶，則黑色固體為?。ˋg），而不是ⅱ和ⅲ。由實(shí)驗(yàn)b知，有氣體生成，則一定含有Ag，故不能判斷出黑色固體成分。綜上，AgNO3熱分解的產(chǎn)物有NO2、O2和Ag。

工藝流程型綜合實(shí)驗(yàn)題

工藝流程型綜合實(shí)驗(yàn)題是以工業(yè)生產(chǎn)流程為命題背景，融合元素化合物知識(shí)、化學(xué)反應(yīng)原理和化學(xué)實(shí)驗(yàn)等內(nèi)容為一體的綜合性試題，與實(shí)際聯(lián)系密切，是近幾年高考的熱點(diǎn)題型，應(yīng)引起足夠的重視。

例3 LiPF6是鋰離子電池中廣泛應(yīng)用的電解質(zhì)。某工廠用LiF、PCl5為原料，低溫反應(yīng)制備LiPF6，其流程如下：

已知：HCl的沸點(diǎn)是-85.0 ℃，HF的沸點(diǎn)是19.5 ℃。

（1）第①步反應(yīng)中無水HF的作用是 、 。反應(yīng)設(shè)備不能用玻璃材質(zhì)的原因是 （用化學(xué)方程式表示）。無水HF有腐蝕性和毒性，工廠安全手冊提示：如果不小心將HF沾到皮膚上，可立即用2%的 溶液沖洗。

（2）該流程需在無水條件下進(jìn)行，第③步反應(yīng)中PF5極易水解，其產(chǎn)物為兩種酸，寫出PF5水解的化學(xué)方程式 。

（3）第④步分離采用的方法是 ；第⑤步分離尾氣中的HF、HCl采用的方法是 。

（4）LiPF6產(chǎn)品中通?；煊猩倭縇iF。取樣品w g，測得Li的物質(zhì)的量為n mol，則該樣品中LiPF6的物質(zhì)的量為 mol（用含w、n的代數(shù)式表示）。

解析 （1）LiF（s）+HF（l）=LiHF2（aq），即生成的LiHF2溶于無水液態(tài)HF中得飽和LiHF2溶液，故無水HF的作用是作反應(yīng)物和溶劑。由于玻璃材質(zhì)的主要成分是SiO2，SiO2能和HF反應(yīng)，故反應(yīng)設(shè)備不能用玻璃材質(zhì)。由于NaHCO3溶液呈堿性能中和HF，且對皮膚腐蝕性小，故可用2%的NaHCO3溶液沖洗。

（2）PF5中P、F元素的化合價(jià)分別為+5價(jià)和-1價(jià)，故水解產(chǎn)物分別為H3PO4、HF，其水解反應(yīng)為PF5+4H2O=H3PO4+5HF。

（3）第④步分離的是固態(tài)LiPF6和液態(tài)HF，則采用的方法是過濾。由于HCl和HF的沸點(diǎn)差別較大，故分離尾氣中HF和HCl應(yīng)采用冷凝液化的方法（HF冷凝為液體時(shí)，HCl仍為氣體）。

（4）設(shè)w g樣品中含有LiPF6、LiF的物質(zhì)的量分別為x、y，則有：x+y=n，152x+26y=w，解得：x=[w-26n126]mol。