高考不仅考查考生实验知识、技能的掌握情况,更注重考查考生的实验能力,考查考生是否能运用化学实验手段和方法来研究物质的组成、性质变化、实验方案设计等等。本文拟对性质实验方案设计所考查的内容作一粗浅赏析。
1、性质实验方案设计的一般原则
(1)科学性原则
它指设计的实验原理、操作方法、操作程序都必须与化学理论知识以及化学实验方法相一致。是实验方案设计的首要原则。
例如:验证氯酸钾(KClO3)中存在氯元素,不应采取将其溶于水再加AgNO3溶液的方法,因为KClO3中不存在Cl-。而应先让固体与MnO2混合,充分反应后,冷却。再将固体溶于水,取上面的清液滴入少量的AgNO3溶液,产生白色沉淀,再加入稀硝酸,振荡,沉淀不溶解,这样才能证明氯酸钾中存在氯元素。
(2)可行性原则
指设计实验方案时,所运用的实验原理在实施时切实可行,而且所选用的化学药品、仪器、设备和方法等在现有条件下能够满足。
例如:鉴别NaCl和Na2SO4:选用AgNO3溶液就不行,因为尽管溶解性表明AgCl难溶而Ag2SO4微溶,但事实上我们难以将它们区分。
(3)简约性原则
是指实验设计尽可能采用简单的装置或方法,用较少的实验步骤及药品,在较短的时间内完成实验,且效果明显。
例如:除去铜表面的氧化铜杂质,初学者很容易想到用还原剂(H2、C或CO)还原的方法,此法需要加热甚至高温条件下才反应,因此对装置及操作的要求比较高,不宜采用.简便易行的方法是:用稀盐酸或稀硫酸在常温下清洗铜片。
(4)安全性原则
是指实验操作尽量防止带有危险性的操作,尽量避免与有毒物质接触,若无法避免应采取安全措施。
例如:鉴别稀溴水和稀碘水(均呈浅黄色),就不能采用加热蒸发,通过观察蒸气颜色的方法来区分,因为溴气、碘气均有毒,是危险的不安全的。应该采用加入有机溶剂(如CCl4)萃取的方法,则很快就可将两者区别开来。因此,构成环境污染、造成人身伤害的思路及操作是不安全的,在实验方案设计中也是不可取的。
综上所述:实验方案设计的优选标准:原理恰当、效果明显、装置简单、操作安全、节约药品、步骤简单、误差较小。更要符合“绿色化学”的要求。
2、性质实验方案设计的规律
(1)证明酸性:pH试纸或酸碱指示剂;与碳酸钠溶液反应;与锌等活泼金属反应。
(2)证明弱酸性:证明存在电离平衡;测定对应盐溶液酸碱性;测量稀释后pH变化。
(3)证明氧化性:与还原剂(如KI、、等)反应,产生明显的现象。
(4)证明还原性:与氧化剂(如、浓等)反应,产生明显的现象。
(5)比较金属的活动性:与水反应;与酸反应;置换反应;原电池;电解放电顺序;最高价氧化物的水化物的碱性强弱;对应盐的酸碱性强弱。
(6)比较非金属的活动性:置换反应;与氢气反应快慢;气态氢化物的稳定性、还原性;最高价氧化物的水化物的酸性强弱;对应盐的酸碱性强弱。
(7)比较酸(碱)的酸(碱)性强弱;较强的酸(碱)能制得较弱的酸(碱),此外还必须掌握常见的阳离子、阴离子的特征反应。
3、考点例析
(1)探究性质实验方案的设计
基本思路:①分析其物质结构特点或找出所属类型的典型代表物;②推测物质可能具有的一系列性质;③由此设计出合理的实验方案,去探究它所具有的性质。
例1:某班学生在野炊时用石灰石堆成简易灶台做饭,野炊后有同学从灶台内侧敲下几小块石片,带回实验室研究灼烧过程中是否有新物质生成,请你参与此项研究。
(1)根据你的知识和经验提出假设,反应中可能有________________生成,支持这个假设的依据是(用化学方程式表示)______________。
(2)请你设计实验验证假设:
(3)如果要研究某块石片中参加反应的碳酸钙的质量,请你设计一个简单的实验方案(写出简要步骤,不要具体计算):
步骤一:_____________________;
步骤二:_____________________;
步骤三:_____________________;
步骤四:_____________________;
解析:石灰石(CaCO3)在高温时会分解生成生石灰(CaO),生石灰与水反应生成熟石灰[Ca(OH)2],根据这个性质既可以检验生石灰的存在,又可以除去石灰石中的生石灰,从而测定石片中参加反应的碳酸钙的质量。
答案:(1)CaO;CaCO3 CaO+CO2↑
(2)
(3)步骤一:称量石片的质量;
步骤二:将石片放在大量水中浸泡或用水洗涤;
步骤三:将石片洗净、烘干、称量;
步骤四:计算(注:其它合理方法均可)
点评:这是一道探究性试题,扣紧实验的目的、明确实验原理是解题的关键。
(2)验证性质实验方案的设计
基本思路:①根据物质的组成、结构特征,结合已有知识及实验经验预测可能具有的性质;②设计具体实验方案来验证物质所具有的性质;③选择适宜的试剂、仪器、装置、反应条件实验方案;④最后得出结论。
例2:碱式碳酸镁有多种不同组成,请你设定一个测定碱式碳酸镁组成的实验方案。包括:(1)测定原理;(2)测定实验的装置图;(3)操作步骤。
可使用的仪器、试剂和用品如下:
仪器:天平(附砝码)、大试管(附带有短玻璃管的橡皮塞)、酒精灯、洗气瓶、球形干燥管(附带有短玻璃管的橡皮塞)、铁架台、铁夹、角匙。
试剂:碱式碳酸镁(粉末)、浓硫酸、石灰水、无水氯化钙、碱石灰。
其它:火柴、棉花、短橡皮管、弹簧夹。
注意:①上述仪器和试剂只需应用其中一部分;②仪器、试剂、用品的数量不限。
解析:可加热碱式碳酸镁,通过测定生成的MgO、CO2H2O的物质的量之比来确定碱式碳酸镁的组成.用浓硫酸来吸收水,根据浓硫酸增加的质量,求出水的物质的量;用碱石灰来吸收CO2,根据碱石灰增加的质量,求出CO2的物质的量。
答案:(1)测定原理 :通过测定生成的MgO、CO2,H2O的物质的量之比来确定碱式碳酸镁的组成。
(2)测定实验的装置图:
(3)操作步骤:
①将装置按图连接好,检查装置的气密性;
②称取一定量(W1g)样品于大试管中;
③加热,至样品完全分解;
④实验结束后,称量洗气瓶和干燥管增加的质量(分别设为W2gW3g);
⑤计算MgO、CO2H2O 的物质的量之比为:
n(MgO):n(CO2):n(H2O)=(W1-W2-W3)/40:W3/44:W2/18
由比值可确定碱式碳酸镁的组成.
点评:设计一般实验都要讲究实验的科学性、可行性、简约性、安全性等原则。
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