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化学实验方案设计典例分析

化学实验方案的设计，包括物质检验实验方案的设计、物质制备实验方案的设计、物质性质实验方案的设计、物质结构实验方案的设计。

 

一、物质检验实验方案的设计

1．离子检验的设计方案

进行溶液中未知离子的检验时，要注意以下几点：

（1）首先是外表观察，着重注意其溶液颜色。

（2）对水溶液的pH的测定，可帮助我们初步判断试样中某些离子的存在。

（3）离子的检验一般是通过溶液中发生化学反应来实现。用来鉴定离子的化学反应不仅要速率大，灵敏度高，并且要有明显的反应现象。

（4）根据检验过程中所观察到的现象确定试样中存在哪些离子，必须把可能存在的离子全部包含，根据每步检验的现象，肯定或否定某种离子的存在，逐步缩小范围，最终得出正确结论。

现在我们介绍一种离子检验的另一种设计形式——树状设计方案。

 

例1．某澄清、透明的浅黄色溶液中，可能含有下列离子：K⁺、NH₄⁺、Fe³⁺、Ba²⁺、Al³⁺、SO₄^2-、HCO₃^-、Cl^-。试设计实验，检验溶液中存在或可能存在的离子。

 

分析：溶液中未知离子检验，并不是想到那里就做到那里，应根据离子的性质，进行全盘考虑，先做什么，后做什么，条理要分明，逻辑性要强。为了便于理解本实验设计，下列实验设计每个操作步骤中都留有填空，请在每个横线上填上一种离子符号。“检验完毕”是指所有未知物已全部检出，本实验到此结束。

 

方案：

（1）首先通过对溶液颜色的观察确定：有        离子，从而确定无        离子。

（2）试样 确定有或无        离子。

 

（3）

 

     

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（4）

 

     

 

 

 

 

（5）若上述（4）中无白色沉淀产生，还需要进行如下操作：

 

 

 

 

     

 

 

 

答案：

（1）Fe³⁺   HCO₃^-

（2）K⁺

（3）Al³⁺   Al³⁺  NH₄⁺

（4）Ba²⁺  SO₄^2-  Cl^-  Ba²⁺

（5）SO₄^2-  Cl^-   SO₄^2-   Cl^-   SO₄^2-   Cl^-

 

评价：树状设计方案可减少操作步骤。本实验设计，最少取样3次，最多取样4次便可结束实验。树状设计方案能简单明确地揭示未知离子检验的一般方法和步骤。更能清楚准确反映实验设计的意图。树状设计方案能避免条理化实验步骤中交叉实验的不足，提供简单快捷实验方法和步骤。

 

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2．单质、化合物检验的设计方案  

通过实验探究进行化学物质的推断，主要是根据物质所具有的性质来确定。然而，通过

质量的变化来确定是何种物质，也是一种切实可行的定量分析方法。

 

例2．某同学对课本实验结论：“葡萄糖与新制氢氧化铜共热生成红色的Cu₂O沉淀”提出质疑，认为红色沉淀不一定就是氧化亚铜。为了确定红色沉淀的成分，开展了研究。

第一步 提出猜想：红色物质可能是Cu或Cu₂O

第二步 查阅资料：①Cu₂O属于碱性氧化物； ②Cu⁺在酸性条件下能发生自身氧化还原反

应，产生Cu 和Cu^2＋；③在空气中灼烧Cu₂O能生成CuO。

第三步 制备红色沉淀：①制备氢氧化铜悬浊液②氢氧化铜悬浊液与葡萄糖共热。③过滤、洗涤、低温烘干得红色粉末。

第四步 红色沉淀探究：该同学设计了三种方案如下。

方案Ⅰ：取该红色粉末溶于足量稀硝酸中，观察溶液颜色变化。

方案Ⅱ：取该红色粉末溶于足量稀硫酸中，观察是否有残渣。

方案Ⅲ：称得干燥坩埚a g ，取红色粉末置于坩埚中再称得质量为b g，在空气中充分灼

烧至完全变黑，并在干燥器中冷却，再称量，反复多次直到质量不变，称得最后质量为c

g，比较a、b、c的关系。

 

试回答下列问题：

（1）请你评价方案Ⅰ和方案Ⅱ。如果你认为该方案合理，请简述其原理，如果你认为该方案不合理，请简述原因。                                                     。

（2）方案Ⅲ中，如果a、b、c的关系符合c=              可确认红色粉末是Cu₂O。

 

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

稀硝酸有氧化性，Cu与硝酸反应的产物是硝酸铜，溶液呈蓝色；Cu₂O在稀硝酸中，首先

发生反应Cu₂O+2H^＋₌₌₌Cu +Cu^2＋+H₂O ，产物中的铜还要被硝酸溶解，最终产物也是硝酸铜，

溶液也呈蓝色；无法确定红色固体是Cu还是Cu₂O。方案Ⅱ：Cu与稀硫酸不反应，Cu₂O与

稀硫酸反应Cu₂O+2H^＋₌₌₌Cu +Cu^2＋+H₂O，但产物中仍有固体铜，都有残渣，也无法确定红

色固体是Cu还是Cu₂O。

方案Ⅲ：若红色固体为铜，则有

 c=  g  也就是说，当c=  g 可确认红

色粉末是Cu。

若红色固体为氧化亚铜，则有

 c= （10b－a）g  这就是说，当c= （10b－a）g

可确认红色粉末是Cu₂O。

 

答案：（1）方案Ⅰ不合理，铜和氧化亚铜都能和硝酸生成Cu²⁺；方案Ⅱ不合理，Cu⁺在酸性

条件下能发生自身氧化还原反应，也生成了铜单质。

（2）c= （10b-a）

 

评价：物质的推断探究方案，应充分考虑到不同物质的性质差异，通过反应中质量的变化来确定物质的存在，这是一种通过定量分析法确定是何种物质的重要手段。

 

二、物质制备实验方案的设计 

无机物质的制备，常与物质分离与提纯联系在一起，制备的目标物质要容易分离出来。物质分离与提纯有多种方法，总的说有物理方法和化学方法两大类。物理方法有过滤、蒸发、蒸馏、分液、萃取、结晶、重结晶、渗析等。化学方法有沉淀法、热分解法、电解法、氧化还原法等。要根据目标物质的性质和特点来选择适宜的制备、分离方法。

 

例3．将粗制的CuO（含少量FeO）粉慢慢加入到30℃的浓盐酸中,并充分搅拌使之溶解得溶液Ⅰ。为了制得不含杂质的CuCl₂溶液并制得CuCl₂·2H₂O晶体。查阅到的相关材料如下表：

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金属离子

pH

开始沉淀

完全沉淀

Fe²⁺

7.6

9.6

Cu²⁺

4.4

6.4

Fe³⁺

2.7

3.7

 

 

 

 

 

 

 

化学合作小组的同学请设计了如下两个实验方案：

方案Ⅰ

 

方案Ⅱ

请你参与以下问题讨论：

（1）方案Ⅰ中，调pH的Y        （填“能”或“不能”）用NaOH溶液，pH调节的范

围是大于      而小于      ；X的名称是         。

（2）方案Ⅱ中，氧化剂X的化学式可以是        或        ；调pH的Y是             ；

pH调节的范围是大于      而小于      。

（3）从原子利用率的角度来看，你认为方案Ⅰ中的Y最好选用           。从环保的角度来看，方案Ⅱ中的X最好选用           。

 

分析：溶液Ⅰ中除了有CuCl₂外，还有FeCl₂杂质，据查阅到的相关材料中的有关数据，可通过形成金属氢氧化物沉淀来实现分离与提纯。

方案Ⅰ，它是将溶液pH调至大于6.4而小于7.6，Fe²⁺不沉淀，使Cu²⁺转化为氢氧化铜沉淀，经洗涤，再加入浓盐酸得CuCl₂溶液，然后，结晶过滤得CuCl₂·2H₂O晶体。

方案Ⅱ，它是先加入氧化剂X，将FeCl₂氧化为 FeCl₃，为了不引入杂质，氧化剂要用H₂O₂或Cl₂；加入Y的目的是调溶液的pH，为了不引入杂质，Y可以是CuO、CuCO₃、Cu₂(OH)₂CO₃， 将溶液的pH调节到3.7～4.3之间，从而形成Fe(OH)₃沉淀，而CuCl₂不形成沉淀。然后，结晶过滤得CuCl₂·2H₂O晶体。从环保的角度看氧化剂用H₂O₂，H₂O₂是绿色氧化剂。方案Ⅰ的Y最好选用CuO，CuCO₃、Cu₂(OH)₂CO₃与酸反应产生CO₂，不能进入目标产物，原子利用率不高。

 

答案：（1）能。6.4；7.6；浓盐酸。

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

（3）CuO；H₂O₂。

 

评价：通过调节溶液的pH，形成金属氢氧化物沉淀，也可以实现溶液中金属离子的分离。上述两方案都可以实现目标产物的制备，都是合理方案。物质的制备中所用试剂也要考虑到经济、环保和原子利用率。

 

三、物质性质实验方案的设计

    溶液中有多种存在微粒，在溶液中的一个化学反应的发生，到底是哪一种微粒的作用，

我们就必须通过实验来探究各种不同情况下的现象，最终得出结论。

 

例4．氧化铜是一种黑色固体，可溶于稀硫酸。某同学想知道是稀硫酸中的哪种粒子（H₂O、H⁺、SO₄^2-）能使氧化铜溶解。请你和他一起通过如图Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ三个实验完成探究活动。

 

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（1）某同学提出的假设是                        ；

（2）通过实验Ⅰ可以证明                        ；

（3）要证明另外两种粒子能否溶解氧化铜，还需要进行

实验Ⅱ和Ⅲ，在Ⅱ中加入稀硫酸后氧化铜溶解，则

进一步所做的确认为：在Ⅲ中先加入           ，

再加入                   。

（4）探究结果为                               。

 

分析：由图Ⅰ可知该同学想知道H₂O能否溶解氧化铜，实验的结果当然是不溶。图Ⅱ可以说明不是SO₄^2-离子溶解了氧化铜，就是H⁺离子溶解了氧化铜。图Ⅲ就是要说明SO₄^2-离子不能溶解氧化铜，所以，可加入含有SO₄^2-离子的Na₂SO₄（或K₂SO₄等），这时氧化铜不能溶解，再加入稀硫酸溶解氧化铜，就可以说明是H⁺离子溶解了氧化铜。值得注意，“再加入”不能是硝酸或盐酸，否则还要证明NO₃^－、Cl^－离子能否溶解氧化铜。

 

答案：

（1）H₂O、H⁺、SO₄^2-中的某一种粒子能够使CuO溶解。

（2）水不能使氧化铜溶解，而是另外的H⁺、SO₄^2-两种粒子中的一种粒子使CuO溶解。

（3）Na₂SO₄（或K₂SO₄等），稀硫酸。

（4）氧化铜固体溶于稀H₂SO₄是稀硫酸H⁺在起作用，而H₂O，SO₄^2-两种粒子都不能使CuO溶解。 

 

评价：溶液中哪种粒子参与反应，可以通过实验确定其它离子不能反应，从而确定是某种粒子的性质。

 

四、物质结构实验的设计方案

物质结构的也可以用化学实验进行探究，根据反应产物的不同，以及产物的性质，反过来确定物质结构。

 

例5．科学家对H₂O₂结构的认识经历了较为漫长的过程，最初，科学家提出了两种观点：

 

①、②H－O－O－H。式中O→O表示配位键，即共用电子对由某原子单方面提供。有资料显示，在化学反应中氧氧键（O－O或O→O）遇到还原剂时易断裂。

化学家Baeyer和Villiyer为研究H₂O₂的结构，设计并完成了下列实验：

a、将C₂H₅OH与浓H₂SO₄反应，生成(C₂H₅)₂SO₄和水；

b、将制得的(C₂H₅)₂SO₄与H₂O₂反应，只生成A和H₂SO₄；

c、将生成的A与H₂反应（已知该反应中H₂作还原剂）。

（1）用电子式表示①、②两种结构：①______________、②_____________。

（2）如果H₂O₂的结构如①或②所示，实验c中化学反应方程式分别为（A写结构简式）

___________________________________                                 。

（3）为了进一步确定H₂O₂的结构，还需要在实验c后添加一步实验d，请设计d的实验方案：__________________________________________________________。

 

分析：a、C₂H₅OH与浓H₂SO₄的反应是酯化反应：

b、(C₂H₅)₂SO₄与H₂O₂反应:

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c、A与H₂反应：

C₂H₅―O－O―C₂H₅＋H₂2C₂H₅OH

两种不同结构的A分别与H₂反应的产物有所不同，前者有水产生，而后者却没有水，因此，只要检验反应产物中有无水，就可以确定过氧化氢的结构。

 

答案：

（1）    

 （2） 

C₂H₅―O－O―C₂H₅＋H₂2C₂H₅OH

（3）用无水硫酸铜检验c的反应产物中有没有水（或其他合理答案）。



评价：物质的结构决定性质，物质的性质可以反映结构。虽然现在物质结构的确定，多借助于物理方法，也就是物理仪器来确定，但是，它总是以化学方法为基础的。



物质检验实验方案的设计、物质制备实验方案的设计、物质性质实验方案的设计、物质结构实验方案的设计，它们都是以物质的性质为基础而展开的实验探究活动，是人类研究和生产化学物质的基本方法。

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