实验方案设计与评价题解法指导及实例分析

王廷虎

对实验方案的设计与实验方案的评价，基本上是一回事。前者需要根据实验目的独立地设计出实验步骤，并预估实验现象及由此得出的结论；后者是对已有实验方案的正确与否、合理与否、简明与否进行评价。显然，前者的难度要比后者大得多。实验方案的设计常以实验报告的形式呈现。

一、化学实验方案设计的基本要求

1.科学性

实验原理、实验方法和操作过程必须科学、严谨、合理。

2.安全性

实验操作要尽量防止带有危险性的操作，尽量避免与有毒物质接触。若无法避免有毒物质，则应采取安全措施，以防造成环境污染和人身伤害。

3.可行性

设计的实验方案要真正切实可行，所选药品、仪器、装置经济可靠。

4.简约性

实验设计应简单易行，要求实验装置简单，实验操作简便，实验现象明显。

对实验方案的评价也应以上述要求为标准。

二、化学实验方案设计题的一般解题思路

1.认真审题，明确实验目的，找出实验的关键。

2.根据实验目的，确定实验基本原理，进而选择仪器及药品，设计好实验步骤。

3.运用基本知识和操作原理，将实验连成一个整体，一般由具体装置和具体操作两部分组成。

具体装置一般是：气体发生装置→气体除杂装置→气体干燥装置→物质性质的实验装置→尾气处理装置。

（1）气体除杂装置，如果用洗气装置除杂，一般是先除杂，后干燥；如果用加热装置除杂，一般是先干燥，后除杂。

（2）尾气处理方法：有毒气体应利用溶液吸收（如Cl2、SO2用NaOH溶液吸收）或点燃（如CO）；无毒气体可以直接排入空气中。

（3）注意多种杂质的除杂顺序和多种物质的检验顺序，如鉴定H2、CO、CH4燃烧产物时，应先检验水蒸气，再检验CO2。

（4）注意某一装置的重复使用。

（5）注意多余装置的筛选。

具体操作一般是：装置的连接→气密性的检查→装入固体药品→加入液体药品→固定装置→加热。

（1）加热前一般是先通入原料气赶走装置内的空气，然后才点燃酒精灯，目的是为了防止发生爆炸（如用H2、CO还原CuO）。

（2）实验结束时，用排水法收集气体（或通入溶液中反应时），要先从水槽中移出导管然后再熄灭酒精灯，以防止产生水的倒吸而炸裂仪器；熄灭酒精灯时，还要注意先灭后关，如用启普发生器制取H2来还原CuO时，要先熄灭酒精灯，待Cu冷却后再关掉启普发生器导气管上的活塞，以防止反应生成的Cu又被空气中的氧气氧化成CuO。

三、中考化学实验方案设计与评价题的常见题型

1.有关化学实验操作步骤的设计与评价

例1（2014年陕西）实验室制取CO2的有关操作如图1，不正确的是（ ）。

解析用图中装置检查气密性时，拉注射器活塞，若装置的气密性良好，则在长颈漏斗的下端会有气泡冒出，A正确；制取二氧化碳时不能用稀硫酸，因为稀硫酸与碳酸钙发生反应，会生成微溶于水的硫酸钙，它能覆盖在大理石的表面阻碍反应的进一步进行，使反应进行一段时间就停止了，B错误；二氧化碳密度比空气大，用图中装置收集时应将进气管伸到集气瓶的底部，C正确；验满二氧化碳时应将燃着的木条放在集气瓶口，若用图D中装置收集，燃着的木条应放在刚伸出瓶塞的导管一边，D正确。答案 B

2.有关物质制备和性质的实验设计与评价

例2（2014年济宁）轻质碳酸钙广泛应用于橡胶、塑料、油漆、水性涂料以及造纸等行业，日常生活中的牙膏也常用它作摩擦剂。目前轻质碳酸钙的生产主要是碳化法，工艺流程见图2：

请分析轻质碳酸钙的生产流程，回答下列问题：

（1）物质B的化学式为；

（2）在A→B之间，过滤操作的目的是

；

（3）在B+C→CaCO3的过程中，应控制物质C的流量，原因是（用化学方程式表示）；

（4）生产轻质碳酸钙的方法很多，请再设计一种制备方法（用化学方程式表示）。

解析石灰石（主要成分碳酸钙）高温能分解生成氧化钙和二氧化碳，氧化钙能与水反应生成氢氧化钙，故A是氧化钙，C是二氧化碳，B是氢氧化钙，氢氧化钙能与二氧化碳反应生成碳酸钙和水。（1）氢氧化钙的化学式为Ca（OH）2；（2）Ca（OH）2在常温下的溶解度很小，需过滤出不溶的Ca（OH）2。（3）生成CaCO3的过程中，CO2过多会继续和CaCO3反应生成Ca（HCO3）2。（4）用可溶性的碳酸盐和含钙的可溶性盐或碱，也能生成碳酸钙。

答案：（1）Ca（OH）2 （2）将Ca（OH）2与水分离 （3）CaCO3+CO2+H2OCa（HCO3）2 （4）Na2CO3+CaCl2CaCO3↓+2NaCl

3.有关物质分离和提纯的实验设计与评价

例3（2014年汕尾）木炭还原氧化铜实验后的混合粉末中含有铜、氧化铜、木炭粉，某化学实验小组设计回收铜的方案如图3所示：

图3

（1）过滤操作中必须用到的玻璃仪器有烧杯、玻璃棒和，其中玻璃棒的作用是。

（2）反应①的化学方程式为。

（3）滤液Ⅱ中的溶质为。

（4）试剂A最好选用下列溶液（填序号）。

①H2SO4 ②CuSO4 ③MgSO4

（5）为了完善实验方案，可对滤渣Ⅰ中的进行回收。

解析（1）根据过滤时所用仪器可知，必须用到的玻璃仪器有烧杯、玻璃棒和漏斗，其中玻璃棒的作用是引流。（2）氧化铜与硫酸反应生成硫酸铜和水，而铜、木炭与硫酸不反应。（3）反应①后，滤液Ⅰ中的溶质是硫酸和硫酸铜，加入过量铁粉，硫酸和铁粉反应生成硫酸亚铁和氢气，硫酸铜和铁粉反应生成硫酸亚铁和铜，过滤后滤液Ⅱ中的溶质为硫酸亚铁。（4）滤渣Ⅱ中含有剩余的铁粉，经过③后得到铜，可知除去过量的铁粉，最好用硫酸铜溶液；（5）开始混合粉末中的铜没有和硫酸反应，进入滤渣Ⅰ中，为了回收更多的铜，可将滤渣Ⅰ中的铜回收。

答案：（1）漏斗 引流 （2）H2SO4+CuOCuSO4+H2O （3）硫酸亚铁（或FeSO4） （4）② （5）铜（或Cu）

4.有关物质鉴别的实验设计与评价

例4（2014年兰州）为了鉴别碳酸钾溶液和氢氧化钾溶液，同学们进行了探究实验，分别取两种溶液于两支试管中，各滴入一定量的氯化钙溶液，观察到一支试管中出现白色浑浊，实验结束后，同学们将废液倒入同一个干净的烧杯中，发现废液变浑浊，同学们对废液进行了过滤，并对滤液的成分进行了探究。

【提出问题】滤液中除水外还含有那些物质？

【猜想】A.可能含有氢氧化钾、氯化钾和碳酸钾

B.可能含有氢氧化钾、氯化钾

C.可能含有氢氧化钾、氯化钾、碳酸钾和氯化钙

你认为还可能是（写出一种猜想）。

【讨论】你认为猜想不合理（填字母），请说明理由。

【实验设计】设计一个简单的实验，证明你的猜想正确。

实验步骤实验现象实验结论

取样于试管中，猜想正确

【反思交流】写出碳酸钾与氯化钙反应的化学方程式。在分析化学反应后所得物质的成分时，除考虑生成物外还需考虑。

解析【猜想】氯化钙如果过量，此时滤液中还可能含有氯化钙，所以猜想为可能含有氢氧化钾、氯化钾和氯化钙。【讨论】C不合理，因为碳酸钾和氯化钙能发生反应，即碳酸钾和氯化钙不能共存。【实验设计】在鉴别实验过程中，氢氧化钾没有被消耗，故滤液中一定存在氢氧化钾；因碳酸钾与氯化钙发生反应生成碳酸钙沉淀和氯化钾，故滤液中一定存在氯化钾；向滤液中加入可溶性碳酸盐（如碳酸钾、碳酸钠等）溶液，若产生白色沉淀，则可证明滤液中存在氯化钙，综上可证明猜想正确。【反思交流】碳酸钾与氯化钙反应的化学方程式为K2CO3+CaCl2CaCO3↓+2KCl。在分析化学反应后所得物质的成分时，除了考虑生成物外还需考虑反应物是否过量，即反应后是否有剩余。

答案：【猜想】氢氧化钾、氯化钾和氯化钙

【讨论】C 碳酸钾和氯化钙能发生反应，生成沉淀

【实验设计】滴入碳酸钾溶液（或碳酸钠溶液等答案合理均可 产生白色沉淀）

【反思交流】K2CO3+CaCl2CaCO3↓+2KCl 反应物是否剩余

5.综合实验设计与评价

例5（2014年枣庄）某化学兴趣小组的四位同学对氢氧化钠溶液与稀盐酸混合后，所得溶液中溶质的成分进行了探究。

【作出猜想】小马猜想：溶质有NaCl、HCl、NaOH

小程猜想：溶质只有NaCl

小宫猜想：溶质有NaCl、HCl

小尚猜想：溶质有NaCl、NaOH

（1）老师认为小马的猜想是错误的，她的理由是。

【方案设计】小程和小宫分别设计了如下方案验证各自的猜想。

方案设计者方案步骤方案预估现象方案结论

小程用一根洁净的玻璃棒蘸取反应后的溶液沾在试纸上，把试纸所呈现的颜色与标准比色卡进行对照pH=7小程猜想正确

小宫取少量反应的溶液于一支试管中，再向试管中滴加稀硝酸和硝酸银溶液有白色沉淀生成 小宫猜想正确

【方案评价】（2）两位同学中的方案正确。

【方案反思】（3）请分析错误方案的原因（都正确，不作答）。

【拓展研究】（4）请你再设计一个实验方案验证小尚的猜想正确，填写下列实验报告。

方案步骤方案预估现象方案结论

小尚猜想正确

解析（1）盐酸与氢氧化钠不能共存，因为如果二者都有会继续反应。（2）稀盐酸呈酸性，pH<7，氢氧化钠溶液呈碱性，pH>7，氯化钠溶液呈中性，pH=7，因此用测pH的方法来判断反应后溶液中的溶质是正确的。（3）稀盐酸和氢氧化钠反应会生成氯化钠，氯化钠溶液与硝酸银溶液反应也会生成不溶于稀硝酸的白色沉淀，因此小宫的方法是错误的。（4）小尚的猜想是溶液中有氯化钠和氢氧化钠，氯化钠是反应的生成物，是肯定有的，因此只要验证出有氢氧化钠即可，可根据氢氧根离子的性质进行验证。

答案：（1）盐酸与氢氧化钠溶液能发生反应（水溶液中H+、OH-不能大量共存） （2）小程 （3）中和反应产物有NaCl（Cl-），加入硝酸银溶液会生成白色沉淀，不能说明是否有HCl （4）方案步骤：取少量反应后的溶液于一支试管中，再向试管中滴加硫酸铜溶液（或其它可溶性铜盐溶液）预估现象：有蓝色沉淀生成 （或取少量反应后的溶液于一支试管中，再向试管中滴加无色酚酞试液 酚酞试液变红色 或用一根洁净的玻璃棒蘸取反应后的溶液沾在pH试纸上，把试纸所呈现的颜色与标准比色卡进行对照 pH>7 或其它合理答案）

跟踪练习

1.（2014·莱芜）下列实验方案中，不能达到实验目的是（ ） .

选项实验目的实验方案

A鉴别硬水和软水加肥皂水搅拌

B除去氯化钠固体中的少量碳酸钠加入适量稀盐酸，充分反应后，蒸发

C分离碳酸钠和氢氧化钠的混合物加入过量氯化钙溶液，过滤

D区分羊毛与合成纤维点燃，闻气味

2.（2014·东营）下列实验装置进行的相应实验，达不到实验目的是（ ）。

A.用图1所示装置除去CO2中含有的少量HCl气体

B.用图2所示的装置加热蒸发NaCl饱和溶液制备NaCl晶体

C.用图3所示装置制取少量CO2气体

D.在实验室中，用图4所示装置除去少量黄河水中的泥沙

3.（2014·绵阳）用如图Ⅰ装置测定空气中氧气的含量，证明空气中氧气的体积分数为1/5，a、b两种物质可选用（填序号）。

A.红磷、水 B.木炭、水

C.硫、NaOH溶液 D.小蜡烛、NaCl溶液

思敏同学对该实验进行反思后，提出了改进方法（如图Ⅱ所示），你认为改进后的优点是（任写两点）。

4.（2014·杭州）无标签试剂瓶中的一种黑色不溶于水的固体可能是硫化铜或者是硫化亚铜。查资料可知：硫化铜（CuS）和硫化亚铜（Cu2S）在空气中灼烧分别发生下列化学反应：

2CuS+3O2灼烧2CuO+2SO2

Cu2S+O2灼烧CuO+SO2（没配平）

（1）请写出配平后的Cu2S在空气中灼烧的化学方程式。如要确定灼烧的Cu2S是否完全反应，依据的实验现象是。

（2）根据这两个反应的化学方程式中固体物质的质量变化，某同学仅用天平、酒精灯、坩埚、三角架等常用仪器（无其它试剂），通过三个实验步骤鉴别出某黑色固体是硫化铜还是硫化亚铜。他的实验步骤一：用天平准确称量一定质量的待测黑色固体。

请写出后两个实验步骤：

实验步骤二：。

实验步骤三：。

5.（2014·安徽）某化学兴趣小组设计了一组“吹气球”实验，三套装置如下图：

（1）甲装置：

①仪器a的名称为。

②向a中加水会看到气球胀大，一段时间内气球大小没有变化，说明该装置气密性。

（2）乙装置：

①若生成O2使气球胀大，则锥形瓶中所装的固体物质可以是。

②若生成H2使气球胀大，则反应的化学方程式为。

③若锥形瓶中装有NaOH固体，分液漏斗中加入少量水，则气球胀大的主要原因是。

（3）丙装置：

若锥形瓶中盛满CO2，欲使气球胀大，则分液漏斗中的液体可以是。

答案：1.C 2.A 3.AC 操作简便，无污染，提高了测定数据的准确性

4.（1）Cu2S+2O22CuO+SO2 不再产生刺激性气味的气体或将湿润的蓝色石蕊试纸悬于灼烧容器上方，试纸不变色（其他合理答案也可） （2）将称量好的黑色固体分别置于坩埚中充分灼烧 冷却至室温后称量其剩余固体的质量

5.（1）①长颈漏斗 ②良好 （2）①MnO2（其他合理答案均可） ②Zn+H2SO4ZnSO4+H2↑（其他合理答案均可） ③NaOH固体溶于水放热，空气受热膨胀 （3）NaOH溶液（其他合理答案均可）

（收稿日期：2014-12-08）