化学自习室移动版

化学实验方案的设计是指在实施化学实验之前，根据化学实验的目的和要求，运用相关的化学知识和实验技能，对实验的仪器、装置和方法所进行的一种规划。需要从科学性、安全性、可行性、简约性、经济性几个角度进行考虑。

化学实验方案的评价则是通过对设计的实验方案进行分析，对实验方案的优劣进行评价。主要从实验原理是否科学合理、操作与装置是否简单可行、实验方案是否符合绿色化学要求、实验操作是否安全等方面进行评价。

一、实验方案的设计

1．物质制备实验方案设计

(1)列出可能的几种制备方法和途径，从方法是否可行，装置和操作是否简单、是否经济与安全等方面进行分析和比较，从中选取最佳的实验方法。

(2)制备实验应注意防污染、防倒吸、防氧化、防潮解、防爆炸。

(3)要求产品易分离、易收集；杂质少、步骤少。

(4)反应物：要尽可能价廉易得、无毒无腐蚀性；反应条件：要易于控制；装置简单。

2、物质性质验证实验方案的设计

(1)根据物质的结构、用途预测可能的性质

(2)利用物质的性质设计验证性实验方案。

3．物质检验实验方案的设计

(1)先对试样进行外观观察其颜色、状态、气味等。

(2)若样品是固体，一般先取少量配成溶液；并注意观察试样的溶解情况：是否溶解、有无气体产生、有无明显的热效应、所得水溶液的颜色等

(3)进行检验：每次均应移取少量溶液进行检验

(4)一般通过离子的检验来实现

二、实验方案设计的评价方法

1．实验方案是否科学可行，实验方案是否遵循化学原理。

2.在实际操作时能否做到可控易行。

3．实验方案要符合”绿色化学”要求。

4.反应原料是否易得、安全、无毒；反应速率是否较快；原料利用率及合成物质的产率是否较高；合成过程是否造成环境污染。

5．从”安全性”方面对实验方案做出评价。

典例1、从实验原理可行性评价

实验室制备Al₂S₃，下列方案可行的是(　　)

A．将AlCl₃溶液与Na₂S溶液混合

B．将H₂S气体通入Al₂(SO₄)₃溶液中

C．将Al(NO₃)₃固体与K₂S固体混合

D．将金属铝与硫黄混合加热

解析：该题首先从原理角度辨析了Al₂S₃的制备，要注意可溶性的铝盐和硫化物溶液相遇会发生相互促进的水解反应，水解的离子方程式为2Al^3＋＋3S^2-＋6H₂O===2Al(OH)₃↓＋3H₂S↑，同理将H₂S气体通入Al₂(SO₄)₃溶液也无法制备Al₂S₃，只有将金属铝与硫黄混合加热，方可制得。

答案：D

典例2、从原料的用量多少评价

以Al、稀H₂SO₄和NaOH为原料制取Al(OH)₃，甲、乙、丙3个学生分别用3种不同的途径制备：

解析：现将甲、乙、丙三个方案制取1 mol Al(OH)₃消耗的硫酸和氢氧化钠的物质的量剖析如下：

丙方案最好，产生等量Al(OH)₃时所用原料最省。

答案：　丙

典例3、从是否符合“绿色化学”观念评价

下表是制取硝酸铜的三种方案，能体现绿色化学理念的最佳方案是____________，理由是________________________________。

解析：　甲方案中Cu与浓HNO₃反应生成污染环境的气体NO₂，乙方案中铜与稀HNO₃反应生成有毒气体NO，这两种方案中硝酸的利用率低。丙方案中Cu与O₂反应生成CuO，然后用CuO与稀HNO₃反应生成Cu(NO₃)₂，不产生污染环境的气体，且硝酸利用率高，故丙方案体现绿色化学理念。

答案：　丙　甲、乙两方案都产生有毒的氮氧化物，丙方案硝酸利用率高

典例4、从不同装置的优化组合进行评价

　某化学课外小组研究乙醇氧化的实验并验证其产物，设计了甲、乙、丙三套装置(图中的支撑仪器均未画出，“Δ”表示酒精灯热源)，每套装置又划分为①②③三部分。仪器中盛放的试剂：A.无水乙醇(沸点：78℃)；B.铜丝；C.无水硫酸铜；D.新制氢氧化铜悬浊液。

(1)简述三套方案各自的优点。

甲：________________________________；

乙：_______________________________；

丙：________________________________。

(2)集中三套方案的优点，组成一套比较合理完善的实验装置，可按气流由左到右的顺序表示为　　　　(例如：甲①，乙②，丙③)。

解析：(1)甲的优点在于②，水浴加热能较好地控制温度，使气流平稳、反应充分。乙的优点在于两干燥管考虑了溶液中水汽对产物H₂O检验的干扰，丙的优点在①，无水生成，且装置简单。(2)将三套方案的优点组合：取丙①、甲②、乙③可组成一套完善的装置。

答案：

(1)

甲：②中用热水浴加热，可形成较平稳的乙醇气流，使反应更充分；②中的斜长导管起到冷凝回流乙醇的作用

乙：①与③中的干燥管可防止溶液中的水与无水硫酸铜反应，避免干扰对生成物的验证

丙：①中氧气发生装置中无水生成，且装置简单

(2)丙①，甲②，乙③

典例5、从实验方案的优劣对比进行评价

某纯碱样品中含有氯化钠，测定纯碱样品纯度的方案有：

方案1：称样品质量，加入足量稀硫酸，用碱石灰吸收二氧化碳，称重；

方案2：称样品质量，溶于水，加入过量氯化钙溶液，过滤烘干后称量沉淀质量；

方案3：称样品质量，加入过量盐酸，充分反应，蒸干，称固体质量；

方案4：称样品质量，加入硫酸，排水法收集并测定二氧化碳体积；

你认为最优方案是　　　　。

解析：

方案1：碱石灰吸收的除CO₂的质量外，还有稀H₂SO₄挥发出的水蒸气，故测得Na₂CO₃的纯度偏高；

方案2：碳酸钙烘干时易分解，且碳酸钙表面吸附杂质，称量的质量不准确。

方案3：氯化钠稳定，将NaCl溶液蒸干后即得NaCl固体质量，可通过前后质量差测定Na₂CO₃的纯度。

方案4：CO₂能溶于水，且能与水发生反应，故测定CO₂的体积不准确。

答案：方案3

实战演练

某化学课外活动小组通过实验研究NO₂的性质，已知：2NO₂＋2NaOH＝NaNO₃＋NaNO₂＋H₂O。

任务1：利用如图所示装置探究NO₂能否被NH₃还原(K₁、K₂为止水夹，夹持固定装置略去)。

(1)E装置中制取NO₂反应的化学方程式是                           。

(2)若NO₂能够被NH₃还原，预期观察到C装置中的现象是                           。

(3)实验过程中，未能观察到C装置中的预期现象。该小组同学从反应原理的角度分析了原因，认为可能是：

①NH₃还原性较弱，不能将NO₂还原；

②在此条件下，NO₂的转化率极低；

③                                                     。

(4)此实验装置存在一个明显的缺陷是                           。

任务2：探究NO₂能否与Na₂O₂发生氧化还原反应。

(5)实验前，该小组同学提出三种假设。

假设1：二者不反应；

假设2：NO₂能被Na₂O₂氧化；

假设3：　　　　　　　　　　　。

(6)为了验证假设2，该小组同学选用任务1中的B、D、E装置，将b中的药品更换为Na₂O₂，另选F装置(如图所示)，重新组装，进行实验。

①装置的合理连接顺序是                                   。

②实验过程中，B装置中淡黄色粉末逐渐变成白色。经检验，该白色物质为纯净物，且无其他物质生成。推测B装置中反应的化学方程式为　　　　　。

答案：(1)Cu＋4HNO₃(浓)Cu(NO₃)₂＋2NO₂↑＋2H₂O

(2)C装置中混合气体颜色变浅

(3)在此条件下，该反应的化学反应速率极慢

(4)缺少尾气吸收装置

(5)NO₂能被Na₂O₂还原

(6)①EDBF　②2NO₂＋Na₂O₂==2NaNO₃

解析：(1)浓硝酸在加热条件下与铜片反应制取NO₂：Cu＋4HNO₃(浓)==Cu(NO₃)₂＋2NO₂↑＋2H₂O。

(2)由于NO₂气体是红棕色的，若NO₂能够被NH₃还原，随NO₂的消耗，气体颜色会变浅。

(3)①从反应能否发生角度作出假设；②从化学平衡角度作了假设；③可以从反应速率作出假设，也可能是二者反应速率极慢，短时间内无法观察到气体颜色的变化。

(4)NO₂与NH₃都是有毒气体，即使二者能够发生反应，也会反应不完全，剩余气体逸散到空气中造成污染。应该增加尾气处理装置。

(5)由于Na₂O₂中的氧元素处于－1价，既有氧化性，也有还原性，所以NO₂也可能被Na₂O₂还原。

(6)①整个实验的设计原理为：利用E制取NO₂气体，通过D装置进行干燥，然后进入b装置进行验证实验，最后通过F装置吸收未反应的NO₂气体，所以装置的连接顺序是EDBF。

②白色物质为纯净物，且无其他物质生成，只可能是NO₂被氧化为了N₂O₅，与生成的Na₂O化合为NaNO₃。