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化學(xué)實(shí)驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)，包括物質(zhì)檢驗(yàn)實(shí)驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)、物質(zhì)制備實(shí)驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)、物質(zhì)性質(zhì)實(shí)驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)、物質(zhì)結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)。

 

一、物質(zhì)檢驗(yàn)實(shí)驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)

1．離子檢驗(yàn)的設(shè)計(jì)方案

進(jìn)行溶液中未知離子的檢驗(yàn)時(shí)，要注意以下幾點(diǎn)：

（1）首先是外表觀察，著重注意其溶液顏色。

（2）對(duì)水溶液的pH的測(cè)定，可幫助我們初步判斷試樣中某些離子的存在。

（3）離子的檢驗(yàn)一般是通過溶液中發(fā)生化學(xué)反應(yīng)來實(shí)現(xiàn)。用來鑒定離子的化學(xué)反應(yīng)不僅要速率大，靈敏度高，并且要有明顯的反應(yīng)現(xiàn)象。

（4）根據(jù)檢驗(yàn)過程中所觀察到的現(xiàn)象確定試樣中存在哪些離子，必須把可能存在的離子全部包含，根據(jù)每步檢驗(yàn)的現(xiàn)象，肯定或否定某種離子的存在，逐步縮小范圍，最終得出正確結(jié)論。

現(xiàn)在我們介紹一種離子檢驗(yàn)的另一種設(shè)計(jì)形式——樹狀設(shè)計(jì)方案。

 

例1．某澄清、透明的淺黃色溶液中，可能含有下列離子：K+、NH4+、Fe3+、Ba2+、Al3+、SO42-、HCO3-、Cl-。試設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，檢驗(yàn)溶液中存在或可能存在的離子。

 

分析：溶液中未知離子檢驗(yàn)，并不是想到那里就做到那里，應(yīng)根據(jù)離子的性質(zhì)，進(jìn)行全盤考慮，先做什么，后做什么，條理要分明，邏輯性要強(qiáng)。為了便于理解本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，下列實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)每個(gè)操作步驟中都留有填空，請(qǐng)?jiān)诿總�(gè)橫線上填上一種離子符號(hào)。“檢驗(yàn)完畢”是指所有未知物已全部檢出，本實(shí)驗(yàn)到此結(jié)束。

 

方案：

（1）首先通過對(duì)溶液顏色的觀察確定：有        離子，從而確定無        離子。

（2）試樣 確定有或無        離子。

 

（3）

 

 

 

（4）

 

 

 

 

 

 

（5）若上述（4）中無白色沉淀產(chǎn)生，還需要進(jìn)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-

 

評(píng)價(jià)：樹狀設(shè)計(jì)方案可減少操作步驟。本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，最少取樣3次，最多取樣4次便可結(jié)束實(shí)驗(yàn)。樹狀設(shè)計(jì)方案能簡(jiǎn)單明確地揭示未知離子檢驗(yàn)的一般方法和步驟。更能清楚準(zhǔn)確反映實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的意圖。樹狀設(shè)計(jì)方案能避免條理化實(shí)驗(yàn)步驟中交叉實(shí)驗(yàn)的不足，提供簡(jiǎn)單快捷實(shí)驗(yàn)方法和步驟。

 

2．單質(zhì)、化合物檢驗(yàn)的設(shè)計(jì)方案  

通過實(shí)驗(yàn)探究進(jìn)行化學(xué)物質(zhì)的推斷，主要是根據(jù)物質(zhì)所具有的性質(zhì)來確定。然而，通過

質(zhì)量的變化來確定是何種物質(zhì)，也是一種切實(shí)可行的定量分析方法。

 

例2．某同學(xué)對(duì)課本實(shí)驗(yàn)結(jié)論：“葡萄糖與新制氫氧化銅共熱生成紅色的Cu2O沉淀”提出質(zhì)疑，認(rèn)為紅色沉淀不一定就是氧化亞銅。為了確定紅色沉淀的成分，開展了研究。

第一步 提出猜想：紅色物質(zhì)可能是Cu或Cu2O

第二步 查閱資料：①Cu2O屬于堿性氧化物； ②Cu+在酸性條件下能發(fā)生自身氧化還原反

應(yīng)，產(chǎn)生Cu 和Cu2＋；③在空氣中灼燒Cu2O能生成CuO。

第三步 制備紅色沉淀：①制備氫氧化銅懸濁液②氫氧化銅懸濁液與葡萄糖共熱。③過濾、洗滌、低溫烘干得紅色粉末。

第四步 紅色沉淀探究：該同學(xué)設(shè)計(jì)了三種方案如下。

方案Ⅰ：取該紅色粉末溶于足量稀硝酸中，觀察溶液顏色變化。

方案Ⅱ：取該紅色粉末溶于足量稀硫酸中，觀察是否有殘?jiān)��?/p>

方案Ⅲ：稱得干燥坩堝a g ，取紅色粉末置于坩堝中再稱得質(zhì)量為b g，在空氣中充分灼

燒至完全變黑，并在干燥器中冷卻，再稱量，反復(fù)多次直到質(zhì)量不變，稱得最后質(zhì)量為c

g，比較a、b、c的關(guān)系。

 

試回答下列問題：

（1）請(qǐng)你評(píng)價(jià)方案Ⅰ和方案Ⅱ。如果你認(rèn)為該方案合理，請(qǐng)簡(jiǎn)述其原理，如果你認(rèn)為該方案不合理，請(qǐng)簡(jiǎn)述原因。                                                     。

（2）方案Ⅲ中，如果a、b、c的關(guān)系符合c=              可確認(rèn)紅色粉末是Cu2O。

 

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

稀硝酸有氧化性，Cu與硝酸反應(yīng)的產(chǎn)物是硝酸銅，溶液呈藍(lán)色；Cu2O在稀硝酸中，首先

發(fā)生反應(yīng)Cu2O+2H＋===Cu +Cu2＋+H2O ，產(chǎn)物中的銅還要被硝酸溶解，最終產(chǎn)物也是硝酸銅，

溶液也呈藍(lán)色；無法確定紅色固體是Cu還是Cu2O。方案Ⅱ：Cu與稀硫酸不反應(yīng)，Cu2O與

稀硫酸反應(yīng)Cu2O+2H＋===Cu +Cu2＋+H2O，但產(chǎn)物中仍有固體銅，都有殘?jiān)�，也無法確定紅

色固體是Cu還是Cu2O。

方案Ⅲ：若紅色固體為銅，則有

 c=  g  也就是說，當(dāng)c=  g 可確認(rèn)紅

色粉末是Cu。

若紅色固體為氧化亞銅，則有

 c= （10b－a）g  這就是說，當(dāng)c= （10b－a）g

可確認(rèn)紅色粉末是Cu2O。

 

答案：（1）方案Ⅰ不合理，銅和氧化亞銅都能和硝酸生成Cu2+；方案Ⅱ不合理，Cu+在酸性

條件下能發(fā)生自身氧化還原反應(yīng)，也生成了銅單質(zhì)。

（2）c= （10b-a）

 

評(píng)價(jià)：物質(zhì)的推斷探究方案，應(yīng)充分考慮到不同物質(zhì)的性質(zhì)差異，通過反應(yīng)中質(zhì)量的變化來確定物質(zhì)的存在，這是一種通過定量分析法確定是何種物質(zhì)的重要手段。

 

二、物質(zhì)制備實(shí)驗(yàn)方案的設(shè)計(jì) 

無機(jī)物質(zhì)的制備，常與物質(zhì)分離與提純聯(lián)系在一起，制備的目標(biāo)物質(zhì)要容易分離出來。物質(zhì)分離與提純有多種方法，總的說有物理方法和化學(xué)方法兩大類。物理方法有過濾、蒸發(fā)、蒸餾、分液、萃取、結(jié)晶、重結(jié)晶、滲析等。化學(xué)方法有沉淀法、熱分解法、電解法、氧化還原法等。要根據(jù)目標(biāo)物質(zhì)的性質(zhì)和特點(diǎn)來選擇適宜的制備、分離方法。

 

例3．將粗制的CuO（含少量FeO）粉慢慢加入到30℃的濃鹽酸中,并充分?jǐn)嚢枋怪�溶解得溶液Ⅰ。為了制得不含雜質(zhì)的CuCl2溶液并制得CuCl2·2H2O晶體。查閱到的相關(guān)材料如下表：

 

金屬離子

pH

開始沉淀

完全沉淀

Fe2+

7.6

9.6

Cu2+

4.4

6.4

Fe3+

2.7

3.7

 

 

 

 

 

 

 

化學(xué)合作小組的同學(xué)請(qǐng)?jiān)O(shè)計(jì)了如下兩個(gè)實(shí)驗(yàn)方案：

方案Ⅰ

 

方案Ⅱ

請(qǐng)你參與以下問題討論：

（1）方案Ⅰ中，調(diào)pH的Y        （填“能”或“不能”）用NaOH溶液，pH調(diào)節(jié)的范

圍是大于      而小于      ；X的名稱是         。

（2）方案Ⅱ中，氧化劑X的化學(xué)式可以是        或        ；調(diào)pH的Y是             ；

pH調(diào)節(jié)的范圍是大于      而小于      。

（3）從原子利用率的角度來看，你認(rèn)為方案Ⅰ中的Y最好選用           。從環(huán)保的角度來看，方案Ⅱ中的X最好選用           。

 

分析：溶液Ⅰ中除了有CuCl2外，還有FeCl2雜質(zhì)，據(jù)查閱到的相關(guān)材料中的有關(guān)數(shù)據(jù)，可通過形成金屬氫氧化物沉淀來實(shí)現(xiàn)分離與提純。

方案Ⅰ，它是將溶液pH調(diào)至大于6.4而小于7.6，F(xiàn)e2+不沉淀，使Cu2+轉(zhuǎn)化為氫氧化銅沉淀，經(jīng)洗滌，再加入濃鹽酸得CuCl2溶液，然后，結(jié)晶過濾得CuCl2·2H2O晶體。

方案Ⅱ，它是先加入氧化劑X，將FeCl2氧化為 FeCl3，為了不引入雜質(zhì)，氧化劑要用H2O2或Cl2；加入Y的目的是調(diào)溶液的pH，為了不引入雜質(zhì)，Y可以是CuO、CuCO3、Cu2(OH)2CO3， 將溶液的pH調(diào)節(jié)到3.7～4.3之間，從而形成Fe(OH)3沉淀，而CuCl2不形成沉淀。然后，結(jié)晶過濾得CuCl2·2H2O晶體。從環(huán)保的角度看氧化劑用H2O2，H2O2是綠色氧化劑。方案Ⅰ的Y最好選用CuO，CuCO3、Cu2(OH)2CO3與酸反應(yīng)產(chǎn)生CO2，不能進(jìn)入目標(biāo)產(chǎn)物，原子利用率不高。

 

答案：（1）能。6.4；7.6；濃鹽酸。

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

（3）CuO；H2O2。

 

評(píng)價(jià)：通過調(diào)節(jié)溶液的pH，形成金屬氫氧化物沉淀，也可以實(shí)現(xiàn)溶液中金屬離子的分離。上述兩方案都可以實(shí)現(xiàn)目標(biāo)產(chǎn)物的制備，都是合理方案。物質(zhì)的制備中所用試劑也要考慮到經(jīng)濟(jì)、環(huán)保和原子利用率。

 

三、物質(zhì)性質(zhì)實(shí)驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)

    溶液中有多種存在微粒，在溶液中的一個(gè)化學(xué)反應(yīng)的發(fā)生，到底是哪一種微粒的作用，

我們就必須通過實(shí)驗(yàn)來探究各種不同情況下的現(xiàn)象，最終得出結(jié)論。

 

例4．氧化銅是一種黑色固體，可溶于稀硫酸。某同學(xué)想知道是稀硫酸中的哪種粒子（H2O、H+、SO42-）能使氧化銅溶解。請(qǐng)你和他一起通過如圖Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ三個(gè)實(shí)驗(yàn)完成探究活動(dòng)。

 

 

 

 

 

 

（1）某同學(xué)提出的假設(shè)是                        ；

（2）通過實(shí)驗(yàn)Ⅰ可以證明                        ；

（3）要證明另外兩種粒子能否溶解氧化銅，還需要進(jìn)行

實(shí)驗(yàn)Ⅱ和Ⅲ，在Ⅱ中加入稀硫酸后氧化銅溶解，則

進(jìn)一步所做的確認(rèn)為：在Ⅲ中先加入           ，

再加入                   。

（4）探究結(jié)果為                               。

 

分析：由圖Ⅰ可知該同學(xué)想知道H2O能否溶解氧化銅，實(shí)驗(yàn)的結(jié)果當(dāng)然是不溶。圖Ⅱ可以說明不是SO42-離子溶解了氧化銅，就是H+離子溶解了氧化銅。圖Ⅲ就是要說明SO42-離子不能溶解氧化銅，所以，可加入含有SO42-離子的Na2SO4（或K2SO4等），這時(shí)氧化銅不能溶解，再加入稀硫酸溶解氧化銅，就可以說明是H+離子溶解了氧化銅。值得注意，“再加入”不能是硝酸或鹽酸，否則還要證明NO3－、Cl－離子能否溶解氧化銅。

 

答案：

（1）H2O、H+、SO42-中的某一種粒子能夠使CuO溶解。

（2）水不能使氧化銅溶解，而是另外的H+、SO42-兩種粒子中的一種粒子使CuO溶解。

（3）Na2SO4（或K2SO4等），稀硫酸。

（4）氧化銅固體溶于稀H2SO4是稀硫酸H+在起作用，而H2O，SO42-兩種粒子都不能使CuO溶解。 

 

評(píng)價(jià)：溶液中哪種粒子參與反應(yīng)，可以通過實(shí)驗(yàn)確定其它離子不能反應(yīng)，從而確定是某種粒子的性質(zhì)。

 

四、物質(zhì)結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)方案

物質(zhì)結(jié)構(gòu)的也可以用化學(xué)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行探究，根據(jù)反應(yīng)產(chǎn)物的不同，以及產(chǎn)物的性質(zhì)，反過來確定物質(zhì)結(jié)構(gòu)。

 

例5．科學(xué)家對(duì)H2O2結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)經(jīng)歷了較為漫長(zhǎng)的過程，最初，科學(xué)家提出了兩種觀點(diǎn)：

 

①、②H－O－O－H。式中O→O表示配位鍵，即共用電子對(duì)由某原子單方面提供。有資料顯示，在化學(xué)反應(yīng)中氧氧鍵（O－O或O→O）遇到還原劑時(shí)易斷裂。

化學(xué)家Baeyer和Villiyer為研究H2O2的結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)并完成了下列實(shí)驗(yàn)：

a、將C2H5OH與濃H2SO4反應(yīng)，生成(C2H5)2SO4和水；

b、將制得的(C2H5)2SO4與H2O2反應(yīng)，只生成A和H2SO4；

c、將生成的A與H2反應(yīng)（已知該反應(yīng)中H2作還原劑）。

（1）用電子式表示①、②兩種結(jié)構(gòu)：①______________、②_____________。

（2）如果H2O2的結(jié)構(gòu)如①或②所示，實(shí)驗(yàn)c中化學(xué)反應(yīng)方程式分別為（A寫結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)式）

___________________________________                                 。

（3）為了進(jìn)一步確定H2O2的結(jié)構(gòu)，還需要在實(shí)驗(yàn)c后添加一步實(shí)驗(yàn)d，請(qǐng)?jiān)O(shè)計(jì)d的實(shí)驗(yàn)方案：__________________________________________________________。

 

分析：a、C2H5OH與濃H2SO4的反應(yīng)是酯化反應(yīng)：

b、(C2H5)2SO4與H2O2反應(yīng):

c、A與H2反應(yīng)：

C2H5?O－O?C2H5＋H22C2H5OH

兩種不同結(jié)構(gòu)的A分別與H2反應(yīng)的產(chǎn)物有所不同，前者有水產(chǎn)生，而后者卻沒有水，因此，只要檢驗(yàn)反應(yīng)產(chǎn)物中有無水，就可以確定過氧化氫的結(jié)構(gòu)。

 

答案：

（1）    

 （2） 

C2H5?O－O?C2H5＋H22C2H5OH

 （3）用無水硫酸銅檢驗(yàn)c的反應(yīng)產(chǎn)物中有沒有水（或其他合理答案）。

 

    評(píng)價(jià)：物質(zhì)的結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)，物質(zhì)的性質(zhì)可以反映結(jié)構(gòu)。雖然現(xiàn)在物質(zhì)結(jié)構(gòu)的確定，多借助于物理方法，也就是物理儀器來確定，但是，它總是以化學(xué)方法為基礎(chǔ)的。

 

物質(zhì)檢驗(yàn)實(shí)驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)、物質(zhì)制備實(shí)驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)、物質(zhì)性質(zhì)實(shí)驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)、物質(zhì)結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)，它們都是以物質(zhì)的性質(zhì)為基礎(chǔ)而展開的實(shí)驗(yàn)探究活動(dòng)，是人類研究和生產(chǎn)化學(xué)物質(zhì)的基本方法。

 

本文來自：逍遙右腦記憶 http://www.douzifanli.com/gaoer/75764.html

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