专题十六 化学实验方案的设计

张海洋

高考动向

在全国高考新课标化学大纲中，对于化学实验方案设计的要求是“能根据实验试题要求，做到设计、评价或改进实验方案”。纵观当前的高考化学试题，对化学实验方案设计的考查越来越关注，逐渐在呈现上升的趋势。

能根据实验试题绘制和识别典型的实验仪器装置图。

考点分析

考点1. 化学实验方案设计的基本环节

化学实验方案设计包括实验目的、实验原理、实验用品以及装置、实验操作及规程、实验结果处理、实验程序等六个要素，这些要素之间存在紧密的逻辑关系。

（1）实验目的。实验目的要求是实验的出发点和归宿，因此在实验设计前，必须对实验的目的要求相当明确。

（2）实验原理。只有明确实验原理和方法，才能对实验设计作出合理的规划。在明确实验目的的基础上，综合运用学过的知识，通过类比、迁移、分析，从而确定（选择或拟出）实验原理。

（3）实验用品。根据实验的目的和原理，以及实验需要控制的条件等，合理选择实验所需要的仪器和药品。

（4）实验装置与步骤。根据实验目的和原理，以及选用的实验仪器和用品，设计合理的实验装置和实验操作步骤，能绘制或识别相应的实验装置图。

（5）预测实验现象与数据。根据实验目的、原理和过程，预测实验将观察到的现象，以及实现实验目的将要记录那些数据等。

（6）预测实验结论。预测根据实验观察的现象和数据，通过分析、计算、图表、推理等处理，得出正确的实验结论。

考点2. 化学实验方案设计的基本思路

化学实验方案设计是在准确理解实验目的和要求，熟练掌握常见实验仪器使用，融会贯通各部分化学知识，敏锐把握实验手段优劣的基础上，按照一定的实验思路对实验的原理、仪器、装置、步骤和方法等进行合理安排与规划。一般的思路是：

（1）发现问题（明确实验目标）。设计实验前，一定要知道解决的是什么问题，通过实验要达到什么样的目的，为实验设计明确清晰的方向。

（2）提出实验假设。根据实验目的和要求，结合已有的化学知识与技能，尊重当前已有的实验条件，对实验整体设计提出初步的设想。

（3）确定实验原理。根据前面提出的实验假设，遵循有关实验要求和基本原则，结合已有的知识经验和实验经历，确定合适的实验原理。

（4）控制实验变量。围绕实验假设和实验原理确定被试和变量，通过分析影响实验进行的各种变量，对其中的有关变量进行合理控制和安排，以达到实验目的。

（5）选择实验方法。要对实验变量进行合理的控制，就需要利用最基础的化学实验知识，选择本实验最合适的实验方法。

（6）制订实验步骤。按照实验变量的控制和安排，依据所选择的实验原理和方法，遵循一定的实验逻辑顺序，依次制订实验步骤。

（7）选择用品和设计装置。根据实验步骤的要求选择适合的实验用品，并按照实验要求将实验仪器设计成实验装置。

（8）评价与修正实验方案。回顾实验方案设计，反思实验过程，修正检验假设，对结果评价。

考点3. 化学实验方案设计的基本类型

从实验研究的侧重点和中学化学实验实际来看，化学实验方案设计的类型主要包括：

（1）定性实验方案设计：①制取某种物质的实验；②物质性质的实验；③物质检验实验；④分离混合物或从混合物中提取某物质的实验；⑤验证化学原理、化学概念或化学反应的实验。

（2）定量实验方案设计：①测定某些中学化学常用计量（某元素的相对原子质量、阿伏加德罗常数）的实验；②确定物质组成（混合物各组分质量分数、某化合物的定量组成）的实验；③测定化学反应中能量变化（如反应热、中和热）的实验。

（3）结构分析实验方案设计：用以测定物质微观结构的实验，包含测定分子结构和晶体结构的实验等。

考点突破

综合分析化学实验设计考查的高考题型，可从设问的形式将题型分为三类，包括实验步骤型方案设计题、实验装置型方案设计题和实验变量型方案设计题。尽管它们设问的形式不同，但解题的思路是一样的。

1. 实验步骤型方案设计题。

化学实验方案设计题型多以实验步骤设计的形式进行考查，以前高考只要求学生完成部分实验步骤的设计，现在比较多地要求学生完成全部实验步骤的设计，说明考查的要求在不断地提高。

【例1】（2015·上海）甲醛和新制氢氧化铜的反应显示了甲醛的还原性，发生反应的化学方程式通常表示如下：

若向足量新制氢氧化铜中加入少量甲醛，充分反应，甲醛的氧化产物不是甲酸或甲酸盐，设计一个简单实验验证这一判断。

①主要仪器：试管、酒精灯。

②可供选用的试剂：硫酸铜溶液、甲醛、甲酸、氢氧化钠溶液

【解析】按照化学实验方案设计的基本思路进行解题。

（1）确定实验目的：通过实验证明醛的氧化产物不是甲酸或甲酸盐。

（2）提出初步假设：甲酸和甲酸盐都含有醛基，通过检验是否存在醛基进行验证。

（3）确定实验原理：检验醛基的存在常用银氨溶液或新制氢氧化铜等试剂，根据本题所给条件，应选择新制氢氧化铜。

（4）控制实验变量：对醛基进行检验。

（5）选择实验方法：采用物质检验的方法，通过判断是否有砖红色沉淀产生进行判断。

（6）制订实验步骤：第一步要新制氢氧化铜悬浊液，第二步是将反应后的溶液与新制氢氧化铜反应。

……

【答案】向试管中加入2ml10%的NaOH溶液，然后向其中滴加2%的硫酸铜溶液CuSO4溶液4-6滴，产生Cu（OH）2蓝色絮状沉淀；取少量反应后的溶液，加入到新制Cu（OH）2悬浊液中，加热煮沸，观察有无砖红色沉淀产生，若有证明含有甲酸或甲酸盐，否则不含有甲酸或甲酸盐。

2. 实验装置型方案设计题。

实验装置的设计也是化学实验方案设计考查的常见形式，有时候是考查一组仪器或装置的链接，有时候是考查部分装置的作图，都比较有利于考查化学实验方案设计的能力。

【例2】（2015·北京）研究CO2在海洋中的转移和归宿，是当今海洋科学研究的前沿领域。海水中溶解无机碳占海水总碳的95%以上，其准确测量是研究海洋碳循环的基础。测量溶解无机碳，可采用如下方法：

①气提、吸收CO2。用N2从酸化后的海水中吹出CO2并用碱液吸收（装置示意图如下）。将虚线框中的装置补充完整并标出所用试剂。

②滴定。将吸收液吸收后的无机碳转化为NaHCO3，再用x mol/L HCl溶液滴定，消耗y mL HCl 溶液，海水中溶解无机碳的浓度= mol/L。

【解析】按照化学实验方案设计的基本思路进行解题——

（1）明确实验目的：通过实验测定海水中溶解无机碳的含量。

（2）提出初步假设：将海水中的无机碳转化为CO2，将CO2用NaOH吸收，并转化为NaHCO3，最后用盐酸滴定来计算溶解无机碳的浓度。

（3）确定实验原理：通过海水中HCO3-与酸反应、CO2与NaOH反应、NaHCO3与盐酸反应等三个反应来达到实验的目的。

（4）控制实验变量：海水中HCO3-的转化情况，CO2的吸收情况，NaHCO3滴定消耗盐酸的情况。

（5）选择实验方法：采用物质转化和分离、滴定等实验方法。

（6）制订实验步骤：①组装无机碳转化装置和CO2吸收装置；②检验气密性；③添加药品；④开始无机碳转化实验；⑤滴定（略）；⑥计算。

（7）选择实验用品和装置：要用硫酸来酸化海水，不能用盐酸等挥发性的酸，否则会影响后续的滴定；无机碳转化装置中的导管要“长进短出”，还需要添加硫酸的分液漏斗。（其它略）

……

【答案】①见右图。②xy/z。

3. 实验变量型实验方案设计题。

构建实验设计中的变量控制，也能整体反映实验的设计。以实验变量控制的形式命题，已经成为化学实验方案设计的新方向。

【例5】（2015·广东）NH3及其盐都是重要的化工原料。设计实验，探究某一种因素对溶液中NH4Cl水解程度的影响。

限制试剂与仪器：固体NH4Cl，蒸馏水、100mL容量瓶、烧杯、胶头滴管、玻璃棒、药匙、天平、PH计、温度计、恒温水浴槽（可控制温度）。

①实验目的：探究 对溶液中NH4Cl水解程度的影响。

②设计实验方案，拟定实验表格，完整体现实验方案（列出能直接读取数据的相关物理量及需拟定的数据，数据用字母表示；表中V（溶液）表示所配制溶液的体积）。

③按实验序号I所拟数据进行实验，若读取的待测物理量的数值为Y，则NH4Cl水解反应得平衡转化率为 （只列出算式，忽略水自身电离的影响）。

（本题只选取了高考原题的一部分）

【解析】按照化学实验方案设计的基本思路进行解题。

（1）明确实验目的：探究温度（或浓度）对溶液中NH4Cl水解程度的影响。

（2）提出初步假设：盐类水解程度外部影响因素主要是温度、浓度及外加物质等。根据题目已给条件，可以选择从改变温度或改变浓度的角度进行探究，“外加物质”不作为研究变量。

（3）确定实验原理：温度会影响盐类的水解平衡常数，改变温度必然会影响盐的水解程度；浓度尽管不影响盐类的水解平衡常数，但改变浓度会引起平衡移动，故最后影响盐的水解程度。

（4）控制实验变量：实验变量包括浓度、温度和溶液pH（反应水解程度的变量），其中浓度和温度为控制变量，溶液pH为待测物理量。当研究温度的影响时，则要控制NH4Cl的浓度不变，通过改变温度来研究对NH4Cl水解程度的影响；当研究浓度的影响时，则要控制温度不变，通过改变NH4Cl的浓度来研究对自身水解程度的影响。

填写表格时，字母相同表示对应条件一样，字母不同表示对应条件不一样；本表没有直接表示浓度变量，但溶液体积V都是100mL，那么溶液中NH4Cl的质量情况即可反映浓度。

……

【答案】①温度或浓度（只选一种情况进行研究）。②见下表。

决胜高考

1.（2015·安徽）某研究小组将纯净的SO2气体通入0.1 mol/L的Ba（NO3）2溶液中，得到了BaSO4沉淀，为探究上述溶液中何种微粒能氧化通入的SO2，该小组突出了如下假设：

假设一：溶液中的NO3-；假设二：溶液中溶解的O2。

（1）验证假设一

该小组涉及实验验证了假设一，请在下表空白处填写相关实验现象。

实验2：在盛有不含O2的25mL 0.1 mol/L的Ba（NO3）2溶液的烧杯中，缓慢通入纯净的SO2气体

（2）为深入研究该反应，该小组还测得上述两个实验中溶液的pH随通入SO2体积的变化曲线入下图。

实验1中溶液pH变小的原因是

；

V1时，实验2中溶液pH小于实验1的原因是（用离子方程式表示

。

（3）验证假设二

请设计实验验证假设二，写出实验步骤，预期现象和结论。

（4）若假设二成立，请预测：在相同条件下，分别用足量的O2和KNO3，氧化相同的H2SO3溶液（溶液体积变化忽略不计），充分反应后两溶液的pH前者 （填大于或小于）后者，理由是 。

2.（2015·全国新课标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。草酸的钠盐和钾盐易溶于水，而其钙盐难溶于水。草酸晶体（H2C2O4·2H2O）无色，熔点为101℃，易溶于水，受热脱水、升华，170℃以上分解。回答下列问题：

（1）甲组同学按照如图4所示的装置，通过实验检验草酸晶体的分解产物。装置C中可观察到的现象是 ，由此可知草酸晶体分解的产物中有 。装置B的主要作用是 。

（2）乙组同学认为草酸晶体分解的产物中含有CO，为进行验证，选用甲组实验中的装置A、B和图5所示的部分装置（可以重复选用）进行实验。

①乙组同学的实验装置中，依次连接的合理顺序为A、B、 。装置H反应管中盛有的物质是 。②能证明草酸晶体分解产物中有CO的现象是 。

（3）设计实验证明：①草酸的酸性比碳酸的强

；②草酸为二元酸

。

3.（2015·福建）某化学兴趣小组制取氯酸钾和氯水并进行有关探究实验。

实验一：制取氯酸钾和氯水

利用图6所示的实验装置进行实验。

（1）制取实验结束后，取出B中试管冷却结晶、过滤、洗涤。该实验操作过程需要的玻璃仪器有

。

（2）若对调B和C装置的位置， （填“能”或 “不能”）提高B中氯酸钾的产率。

实验二 氯酸钾与碘化钾反应的探究

（3）在不同条件下KClO3可将KI氧化为I2或KIO3。该小组设计了系列实验研究反应条件对反应产物的影响，其中系列a实验的记录表如下（实验在室温下进行）：

①系列a实验的实验目的是 。

②设计1号试管实验的作用是 。

③若2号试管实验现象为“黄色溶液”，取少量该溶液加入淀粉溶液显蓝色；假设氧化产物唯一，还原产物为KCl，则此反应的离子方程式为

。

实验三 测定饱和氯水中氯元素的总量

（4）该小组设计的实验方案为：使用图7装置，加热15.0ml饱和氯水试样，测定产生气体的体积。此方案不可行的主要原因是

。（不考虑实验装置及操作失误导致不可行的原因）

（5）根据下列资料，为该小组设计一个可行的实验方案（不必描述操作过程的细节）：

。

资料：ⅰ.次氯酸会破坏酸碱指示剂；

ⅱ.次氯酸或氯水可被SO2、H2O2、FeCl2等物质还原成Cl-。

4.（2014·广东）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

①写出本实验H2O2分解反应方程式并标明电子转移的方向和数目：

。

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）。

③设计实验装置，完成图8的装置示意图。

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、需记录的待测物理量和所拟定的数据；数据用字母表示）。

（2）利用下图（a）和（b）中的信息，按（c）装置（连能的A、B瓶中已充有NO2气体）进行实验。可观察到B瓶中气体颜色比A瓶中的 （填“深”或“浅”），其原因是

。

答案点拨

1.（1）实验1：无现象；实验2：生产白色沉淀。（2）SO2溶于水后生成H2SO3；3SO2+2H2O+2NO3-=2NO+4H++3SO42-。（3）实验方案见下表。

（4）小于；反应的离子方程式表明，足量的O2和NO3-分别氧化相同的H2SO3，生成的H+的物质的量前者大于后者反应的离子方程式表明，足量的O2和NO3-分别氧化相同的H2SO3，生成的H+的物质的量前者大于后者。

解析：（1）根据强酸制取弱酸的原理，二氧化硫溶于水后生成H2SO3，亚硫酸是弱酸不能制备盐酸，故实验1无现象；二氧化硫溶于水后生成H2SO3，亚硫酸电离出氢离子（H2SO3·2H++SO32-），NO3-在酸性条件下具有强的氧化性，将SO32-氧化成SO42+，从而与Ba2+反应生成BaSO4白色沉淀。（2）实验1中，二氧化硫溶于水后生成H2SO3，H2SO3是一种弱酸，所以溶液的pH减小；实验2中，经过反应后生成H2SO4，H2SO4是一种强酸，与H2SO3相同浓度时，H2SO4溶液酸性更强，所以pH更小。（3）要设计实验验证假设二，同样要设计一组对比实验，即在有O2和无O2两种条件下，将SO2通入到BaCl2溶液中，若有白色沉淀生成，则假设二成立。（4）H2SO3分别与O2、KNO3反应的离子方程式为：2H2SO3+O2=4H++2SO42-和3H2SO3+2NO3-=2NO↑+4H++H2O+3SO42-，根据两个离子方程式可以判断，当参加反应的H2SO3相同时，与O2反应生成的H+要多，故溶液的pH要小。

2.（1）有气泡逸出、澄清石灰水变混浊；CO2；冷凝（水蒸气、草酸等），防止草酸进入装置C反应生成沉淀，干扰CO2的检验。（2）①F、D、G、H、D、I； CuO（氧化铜）；②H中黑色粉末变为红色，其后的D中澄清石灰水变浑浊。（3）① 向盛有少量NaHCO3的试管里滴加草酸溶液，有气泡产生；②用NaOH标准溶液滴定草酸溶液，消耗NaOH的物质的量为草酸的2倍。

解析：（1）根据草酸晶体分子结构，结合碳元素化合价，并综合分析实验装置图设计意图，可以推断草酸受热分解会产生CO2，从而使烧杯中澄清石灰水变浑浊；由于草酸易升华，且其钙盐难溶于水，B装置温度较低，有冷凝作用，防止升华的草酸干扰C装置实验。（2）①要检验生成CO，在A、B装置之后，“用浓氢氧化钠除去CO2→用澄清石灰水检验CO2的除去情况→用碱石灰干燥CO→CO还原CuO得到CO2→再利用澄清石灰水检验生成的CO2→用排水法收集剩余的CO”，这样就有了装置连接的顺序了，H装置中盛放的物质就是CuO；②常用CuO来检验CO，现象就是黑色CuO变成红色的Cu，生成的气体能使澄清石灰水变浑浊。（3）①要证明草酸酸性大于碳酸，可以利用强酸制取弱酸；②利用酸碱中和滴定酸碱物质的量比确定草酸是二元酸。

3.（1）烧杯、漏斗、玻璃棒、胶头滴管。（2）能。（3）① 研究反应体系中硫酸浓度对反应产物的影响；② 硫酸浓度为0的对照实验；③ ClO3+6I-+6H+=Cl+3I2+3H2O。（4）因存在Cl2的重新溶解、HClO分解等，此方案无法测算试样含氯总量（或其他合理答案）。（5）量取一定量的试样，加入足量的H2O2溶液，加热除去过量的H2O2，冷却，再加入足量的硝酸银溶液，称量沉淀质量（或其他合理答案）。

解析：（1）进行冷却结晶操作需要烧杯，进行过滤操作需要烧杯、漏斗和玻璃棒，进行洗涤操作需要胶头滴管，故答案为烧杯、漏斗、玻璃棒、胶头滴管。（2）二氧化锰与浓盐酸来制取氯气，制得的氯气常含有氯化氢，氯化氢能与KOH反应而降低B中的氯酸钾产率，若对调B和C装置，水能吸收氯化氢，从而除去氯化氢的影响，提高B中氯酸钾的产率。（3）①根据实验数据表，对比试管1、2、3、4中数据发现，KI和KClO3的量是系统的，混合后溶液的体积是相同的，但不同的是H2SO4的用量，所以H2SO4的浓度时要控制的变量，实验的目的就是研究反应体系中硫酸浓度对反应产物的影响；②1号试管中没有H2SO4，其作用就是当硫酸浓度为0的对照实验；③知道反应物和生成物即可写出离子反应方程式，本反应中的反应物是KI、KClO3和H2SO4，产物为I2、KCl，还有H2O。（4）氯水中存在Cl2、HClO和HCl，而且中间又会发生HClO分解和Cl2的再溶解，所以其中氯主要会以Cl2和HCl形式存在，此方案无法测算试样含氯总量。（5）根据题目所给信息，要测算氯的含量的思路就是，将氯全部转化为Cl，然后用AgNO3将Cl-转化为AgCl沉淀，再通过称取沉淀的质量来求算氯的含量。但在将氯全部转化为Cl-，如果选SO2，要考虑生成SO42-对后面转化为沉淀的干扰，如果选FeCl2又会引进Cl-而产生影响，故最好选择H2O2。

4.（1）① 。②同时间内产生氧气的体积多少，或生成相同体积的氧气所需时间的多少。③ 。④见下表：

（2）深；2NO2（红棕色）？葑N2O4（无色）；△H<0，是放热反应，且双氧水的分解反应也是放热反应.当右边双氧水分解时放出的热量会使B瓶升温，使瓶中反应朝逆反应方向移动，即向生成NO2移动，故B瓶颜色更深。

解析：（1）①在过氧化氢分解反应中，过氧化氢既作氧化剂又做还原剂，发生化合价变化的只有氧元素，可以用“双线桥”法或“单线桥”法标明电子转移方向和数目。②可以通过氧气产生的速率来反映过氧化氢反应的速率，因此需要测定相同时间内产生氧气的体积多少，或生成相同体积的氧气所需时间的多少。③测量气体的体积情况，常用测量排出液体体积的法，根据题目已给出的仪器，可用盛满水的量筒倒立于盛水的水槽中，并用导管与气体发生装置连接。④实验探究的是H2O2浓度对H2O2分解反应速率的影响，控制的变量是H2O2的浓度，其它的变量要控制不变，不变的量包括Fe2（SO4）3的用量和混合后溶液的体积，混合后溶液的体积不变要通过加蒸馏水的方式来实现。因此，实验的数据就包括Fe2（SO4）3的用量、H2O2的用量、蒸馏水的用量、实验时间和氧气体积。（2）由图a和b可知，H2O2的分解反应和NO2转化为N2O4的反应都是放热反应，所以c装置中右侧烧杯的温度高于左侧，升高温度，2NO2（红棕色）？葑N2O4（无色）； △H<0向逆反应方向移动，故B瓶颜色更深。

（作者单位：佛山市教育局教研室）

责任编校 李平安