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版课时分层训练31化学实验方案的设计与评价
课时分层训练(三十一)
化学实验方案的设计与评价
(建议用时:
45分钟)
(对应学生用书第325页)
A级 基础达标
1.(2018·济南联考)硫铁矿(主要成分为FeS2)焙烧产生的尾气中主要含N2、O2、SO2和少量的CO2、H2O,取标准状况下的尾气VL测定SO2含量:
方案一:
让尾气缓慢通过如图装置。
(1)C装置的名称是________,该装置的作用是________________________
________________________________________________________________。
(2)实验时先通入尾气,再通入一定量的氮气。
若通过装置B的增重量来测量SO2的体积分数,你认为该方案是否合理:
________(填“是”或“否”),请说明理由_________________________________________________________
_______________________________________(若方案合理,该空不必填写)。
方案二:
将尾气缓慢通过足量溴水,在所得的溶液中加入过量氯化钡溶液后,过滤,将沉淀洗涤、干燥,称得其质量为mg。
(3)加入过量氯化钡溶液的目的是____________________________________
________________________________________________________________。
(4)洗涤沉淀的方法是______________________________________________
_______________________________________________________________。
(5)尾气中SO2的体积分数的表达式是_______________________________
(用含m、V的代数式表示)。
【解析】
(1)C装置为干燥管,该装置的作用是防止空气中的水蒸气、CO2被装置B吸收。
(2)尾气中的CO2也能被装置B吸收,会影响SO2的测定,使所测体积分数偏大。
方案二:
此方案利用溴水将SO2氧化为SO
,加入过量BaCl2溶液产生BaSO4沉淀,根据所得沉淀的质量,计算出SO2的含量。
(3)加入过量BaCl2溶液的目的是使生成的SO
完全转化为沉淀。
(4)洗涤沉淀的方法为在漏斗中加蒸馏水至恰好浸没沉淀,待水自然流下后再重复2~3次此操作。
(5)n(SO2)=n(BaSO4)=
mol,SO2的体积分数为
×100%=
%。
【答案】
(1)干燥管 防止空气中的水蒸气、CO2被B装置吸收
(2)否 尾气中的CO2也能被B装置吸收,使所测体积分数偏大
(3)使生成的SO
完全转化为沉淀
(4)在漏斗中加蒸馏水至恰好浸没沉淀,待水自然流下后再重复2~3次此操作
(5)
%
2.(2018·襄阳一调)为探究催化剂对双氧水分解的催化效果,某研究小组做了如下实验:
(1)甲同学欲用如图所示实验来确认MnO2是H2O2分解反应的催化剂。
该实验________(填“能”或“不能”)达到目的,原因是____________________。
(2)为探究MnO2的量对催化效果的影响,乙同学分别量取50mL1%H2O2加入容器中,在一定质量范围内,加入不同质量的MnO2,测量所得气体体积,数据如下:
MnO2的质量/g
0.1
0.2
0.4
40s末O2体积/mL
49
61
86
由此得出的结论是____________________________,原因是_____________
________________________________________________________________。
(3)为分析Fe3+和Cu2+对H2O2分解反应的催化效果,丙同学设计如下实验(三支试管中均盛有10mL5%H2O2):
试管
Ⅰ
Ⅱ
Ⅲ
滴加
试剂
5滴0.1mol·L-1FeCl3
5滴0.1mol·L-1CuCl2
5滴0.3mol·L-1NaCl
产生
气泡
情况
较快产生细小气泡
缓慢产生细小气泡
无气泡产生
结论是_______________________________________________________,
实验Ⅲ的目的是_______________________________________________。
(4)查阅资料得知:
将作为催化剂的FeCl3溶液加入H2O2溶液后,溶液中会发生两个氧化还原反应,且两个反应中H2O2均参加了反应,试从催化剂的角度分析,这两个氧化还原反应的化学方程式分别是_______________________
__________________________和________________(按反应发生的顺序写)。
(5)在上述实验过程中,分别检测出溶液中有二价锰、二价铁和一价铜,由此得出选择作为H2O2分解反应的催化剂需要满足的条件是_______________
_______________________________________________________________。
【解析】
(1)欲证明MnO2是H2O2分解反应的催化剂,必须确认MnO2在反应前后的性质和质量是否改变,故该实验不能达到目的。
(2)根据表中数据可知,在一定质量范围内,增加MnO2的质量,相同时间内所得O2的体积增加,说明反应速率加快,原因是在一定质量范围内,固体质量越大,其表面积也越大,催化效果更好,反应速率加快。
(3)对比试管Ⅰ、Ⅱ和试管Ⅲ中气泡产生情况可知,Cl-对H2O2的分解无催化作用,Fe3+和Cu2+对H2O2的分解均有催化作用,对比试管Ⅰ、Ⅱ中气泡产生情况可知,Fe3+的催化效果好。
(4)根据催化剂参加反应,但反应前后催化剂的质量和性质不变写出化学方程式:
2FeCl3+H2O2===2FeCl2+O2↑+2HCl、2FeCl2+H2O2+2HCl===2FeCl3+2H2O。
(5)溶液中有二价锰、二价铁和一价铜,说明H2O2将MnO2、Fe3+、Cu2+分别还原为Mn2+、Fe2+和Cu+,而Mn2+、Fe2+和Cu+又可被H2O2分别氧化为MnO2、Fe3+、Cu2+,由此得出H2O2分解反应的催化剂需具有氧化性,且其氧化性强于H2O2;催化剂被还原后所得物质又能被H2O2氧化生成催化剂。
【答案】
(1)不能 没有确认MnO2的质量和性质是否改变
(2)在一定质量范围内,MnO2质量越大,反应速率越快 固体质量越大,其表面积也越大,催化效果越好,反应速率越快
(3)Fe3+和Cu2+对H2O2的分解均有催化作用,且Fe3+比Cu2+催化效果好 对比实验,证明Cl-对H2O2的分解没有催化作用
(4)2FeCl3+H2O2===2FeCl2+O2↑+2HCl 2FeCl2+H2O2+2HCl===2FeCl3+2H2O
(5)H2O2分解反应的催化剂需具有氧化性,且其氧化性强于H2O2;催化剂被还原后所得物质又能被H2O2氧化生成催化剂
3.将绿矾(FeSO4·7H2O)在隔绝空气条件下加强热分解。
已知产物全部为氧化物。
为探究绿矾分解的产物,某同学进行了以下实验:
【实验一】为探究固体产物中铁元素的价态,该同学将固体产物溶于足量的稀硫酸得到相应溶液,进行以下猜想和实验:
猜想
实验操作
预期现象
猜想一:
铁元素只显____价
①向所得溶液中滴入KSCN溶液;
②向酸性KMnO4溶液中滴入所得溶液
KSCN溶液无明显现象;酸性KMnO4溶液颜色________
猜想二:
铁元素只显____价
KSCN溶液呈________色;酸性KMnO4溶液颜色________
猜想三:
铁元素既有+2价又有+3价
KSCN溶液呈________色;酸性KMnO4溶液颜色________
【实验二】为进一步探究该反应的产物,进行了如下图所示的实验:
(1)实验开始时,点燃B处酒精喷灯之前应先打开A处活塞通CO2,其目的是________________________________________________________________
________________________________________________________________。
(2)装置图中C的作用是____________________________________________。
(3)该组同学称取了55.6g绿矾按如图装置进行实验,待绿矾分解完全后,测得D瓶中沉淀的质量为23.3g,根据这些数据,可以得知,绿矾分解的化学方程式为______________________________________________。
(4)该组同学设计的装置存在着一个明显的缺陷是______________________
_______________________________________________________________。
【解析】 【实验一】由题意知绿矾分解的产物全为氧化物,则铁元素可能为+2价,也可能为+3价,或者既有+2价又有+3价。
+2价铁具有还原性,可使酸性高锰酸钾溶液褪色,+3价铁遇KSCN溶液生成血红色物质,利用这些性质可以检验铁元素的价态。
【实验二】
(1)FeSO4具有还原性,能够被空气中的氧气氧化,实验开始时先通CO2的目的是排净装置内的空气防止FeSO4·7H2O被氧化。
(2)本实验有加热装置,反应产生气体,气体与氯化钡溶液反应产生白色沉淀,导气管内压强减小,容易发生倒吸,C为防倒吸装置。
(3)55.6g绿矾的物质的量为
=0.2mol,那么分解前硫元素的物质的量为0.2mol,白色沉淀为硫酸钡,其物质的量为
=0.1mol,所以除了SO3以外还应有SO2,其物质的量也为0.1mol,因此绿矾分解的化学方程式是2FeSO4·7H2O
Fe2O3+SO2↑+SO3↑+14H2O。
(4)二氧化硫会污染环境,应添加尾气处理装置。
【答案】 【实验一】猜想一:
+2 褪色
猜想二:
+3 血红 无变化
猜想三:
血红 褪色
【实验二】
(1)排净装置内的空气
(2)防止产生倒吸
(3)2FeSO4·7H2O
Fe2O3+SO2↑+SO3↑+14H2O
(4)未进行尾气处理
4.CuCl2广泛应用于工业生产,溶于水形成绿色溶液。
CuCl晶体呈白色,难溶于水,露置于潮湿空气中易被氧化。
实验室用如图所示的实验仪器及药品来制备纯净、干燥的氯气并与粗铜(含杂质铁)反应制备氯化铜(铁架台、铁夹及酒精灯省略)。
回答下列问题:
【导学号:
91720347】
(1)完成该实验,按气流方向连接各仪器接口的顺序是a→______、________→________、________→________、________→________;实验时,圆底烧瓶中发生反应的离子方程式为_______________________________。
盛粗铜粉的试管中现象是____________________________________________
_______________________________________________________________。
(2)实验完毕,取试管中的固体用盐酸溶解后,欲提纯氯化铜,可向溶液中加入过量__________________。
(填物质化学式,已知室温下Fe(OH)3沉淀完全的pH为3.2)
(3)向制得的氯化铜溶液中通入SO2,加热一段时间即可制得CuCl,写出该反应的离子方程式:
__________________________________________________
_________________________________________________________________。
(4)已知:
ⅰ.CuCl的盐酸溶液能吸收CO形成Cu(CO)Cl·H2O
ⅱ.保险粉(Na2S2O4)和KOH的混合溶液能吸收氧气
某同学利用如图所示装置,测定某混合气体中H2、CO、SO2和O2的质量分数:
①D瓶测定的气体是________。
②E瓶中发生反应的离子方程式为______________________________________
_______________________________________________________________。
③为了准确读取H中量气管的数据,读数时除了视线与凹液面最低处相平以外,还要注意_____________________________________________________
______________________________________________________________。
【解析】
(1)KMnO4与浓盐酸反应制得的氯气中含有HCl、水蒸气,通过饱和食盐水、浓硫酸后可得到纯净、干燥的氯气,纯净、干燥的氯气与粗铜(含杂质铁)反应后,过量的氯气用NaOH溶液吸收,故按气流方向连接各仪器接口的顺序是a→d、e→j、h→f、g→b。
KMnO4与浓盐酸反应,MnO
被还原为Mn2+,Cl-被氧化为Cl2,反应的离子方程式为2MnO
+10Cl-+16H+===2Mn2++5Cl2↑+8H2O。
(2)实验完毕,试管中的固体用盐酸溶解后,得到CuCl2和FeCl3的混合溶液,欲除去FeCl3,可以向混合溶液中加入CuO[或CuCO3或Cu(OH)2或Cu2(OH)2CO3],降低溶液中c(H+),使Fe3++3H2O
Fe(OH)3↓+3H+不断向正向进行,从而将Fe3+转化为Fe(OH)3沉淀除去,同时不引入新的杂质离子。
(3)向氯化铜溶液中通入SO2,CuCl2转化为CuCl,SO2转化为SO
,根据得失电子守恒、电荷守恒和元素守恒配平离子方程式:
2Cu2++2Cl-+SO2+2H2O
2CuCl↓+4H++SO
。
(4)由于保险粉(Na2S2O4)和KOH的混合溶液也可以吸收SO2,CuCl的盐酸溶液能被O2氧化,故D瓶中可以盛放强碱溶液用来吸收SO2,E瓶中盛放保险粉(Na2S2O4)和KOH的混合溶液用来吸收O2,F瓶中盛放CuCl的盐酸溶液用来吸收CO,H中量气管用来测定H2的体积。
①D瓶测定的气体是SO2。
②E瓶吸收O2,发生反应的离子方程式为2S2O
+3O2+4OH-===4SO
+2H2O。
③为了准确读取H中量气管的数据,读数时除了视线与凹液面最低处相平以外,还要注意将实验装置恢复到室温,上下调节量气管,使左、右管中液面高度相平。
【答案】
(1)d e j h f g b
2MnO
+10Cl-+16H+===2Mn2++5Cl2↑+8H2O 产生大量棕黄色的烟
(2)CuO[或CuCO3或Cu(OH)2或Cu2(OH)2CO3]
(3)2Cu2++2Cl-+SO2+2H2O
2CuCl↓+4H++SO
(4)①SO2 ②2S2O
+3O2+4OH-===4SO
+2H2O ③将实验装置恢复到室温,上下调节量气管,使左、右管中液面高度相平
B级 能力提升
5.现有一包红色粉末,某化学实验小组欲通过实验来探究是否由Cu、Fe2O3组成,过程如下:
(1)提出假设:
假设1.红色粉末是Cu和Fe2O3的混合物;
假设2.红色粉末是Fe2O3;
假设3.红色粉末是Cu。
(2)设计探究实验:
取少量粉末放入足量稀硝酸中,在所得溶液中滴加KSCN试剂。
①若假设3成立,则实验现象是红色粉末全部溶解,溶液变为蓝色。
②为了探究假设1和假设2哪一个成立,继续向所得溶液中加入足量的铁粉,若观察到现象为__________________________________________________
_________________________________________________,则假设1成立。
③有同学提出,若混合物中Cu含量较少,可能加入铁粉后实验现象不明显。
查阅资料:
Cu2+与足量氨水反应生成深蓝色溶液:
Cu2++4NH3·H2O===Cu(NH3)
+4H2O。
为进一步探究假设1和假设2哪一个成立,另取少量粉末加稀硝酸充分溶解后,再加入足量氨水,若假设1成立,则现象为________________________;若假设2成立,则现象为_______________________________________________________________。
【解析】 ②若假设1成立,由于之前反应的溶液中生成了Cu2+,加入足量铁粉后发生反应:
Fe+Cu2+===Fe2++Cu,故可观察到有红色固体析出。
③若假设1成立,取少量粉末加稀硝酸充分溶解后,溶液中含有Fe3+和Cu2+,再加入足量氨水,发生反应:
Cu2++4NH3·H2O===Cu(NH3)
(深蓝色)+4H2O、Fe3++3NH3·H2O===Fe(OH)3↓(红褐色)+3NH
,故观察到的现象为产生红褐色沉淀,同时溶液呈深蓝色;若假设2成立,取少量粉末加稀硝酸充分溶解后,溶液中只含有Fe3+,再加入足量氨水,溶液中产生红褐色沉淀,同时溶液呈无色。
【答案】
(2)②有红色固体析出 ③产生红褐色沉淀,同时溶液呈深蓝色 产生红褐色沉淀,同时溶液呈无色
6.(2018·江西九校联考)2017年1月9日,中国中医科学院青蒿素专家屠呦呦研究员获得2016年度国家科学技术奖最高奖。
青蒿素是烃的含氧衍生物,为无色针状晶体,易溶于丙酮、氯仿和苯中,在甲醇、乙醇、乙醚、石油醚中可溶解,在水中几乎不溶,熔点为156~157℃,热稳定性差,青蒿素是高效的抗疟药。
已知:
乙醚沸点为35℃。
从青蒿中提取青蒿素的方法主要有乙醚浸取法和汽油浸取法。
乙醚浸取法的主要工艺为:
请回答下列问题:
(1)操作Ⅱ的名称是________。
(2)操作Ⅲ的主要过程可能是________________________________(填字母)。
A.加水溶解,蒸发浓缩、冷却结晶
B.加95%的乙醇,浓缩、结晶、过滤
C.加入乙醚进行萃取分液
(3)用下列实验装置测定青蒿素分子式的方法如下:
将28.2g青蒿素样品放在硬质玻璃管C中,缓缓通入空气数分钟后,再充分燃烧,精确测定装置E和F实验前后的质量,根据所测数据计算。
①装置D的作用是________________________________________________,
装置E中吸收的物质是________,装置F中盛放的物质是_______________。
②实验装置可能会产生误差,造成测定含氧量偏低,改进方法是_______________________________________________________________。
③用合理改进后的装置进行实验,称得:
装置
实验前/g
实验后/g
E
22.6
42.4
F
80.2
146.2
则测得青蒿素的实验式是________。
(4)某学生对青蒿素的性质进行探究。
将青蒿素加入含有NaOH、酚酞的水溶液中,青蒿素的溶解量较小,加热并搅拌,青蒿素的溶解量增大,且溶液红色变浅,说明青蒿素与________(填字母)具有相同的性质。
A.乙醇B.乙酸
C.乙酸乙酯D.葡萄糖
【解析】
(2)青蒿素在水中几乎不溶,A项错误;获得的精品应是固体,C项错误。
(3)青蒿素分子式的测定原理为,燃烧一定质量的青蒿素样品,使其完全转化为CO2和H2O,然后测量CO2和H2O的质量,据此求出样品中C、H、O三种元素的质量,进而可确定青蒿素的实验式(最简式),若已知青蒿素的相对分子质量,则可确定其分子式。
②测定的含氧量偏低是由于外界空气中的CO2和水蒸气进入装置F中引起测定的含碳量偏高而造成的,因此改进方法是在装置F后再连接一个防止空气中CO2和水蒸气进入F的装置(如盛有碱石灰的干燥管)。
③由实验数据可知,m(H2O)=42.4g-22.6g=19.8g,m(CO2)=146.2g-80.2g=66g,则n(H2O)=1.1mol,n(CO2)=1.5mol,n(H)=2.2mol,n(C)=1.5mol,m(H)=2.2g,m(C)=18.0g,m(O)=m(样品)-m(C)-m(H)=28.2g-18.0g-2.2g=8.0g,n(O)=0.5mol,所以n(C)∶n(H)∶n(O)=1.5∶2.2∶0.5=15∶22∶5,即青蒿素的实验式是C15H22O5。
【答案】
(1)蒸馏
(2)B
(3)①将可能生成的CO氧化为CO2 H2O(水蒸气) 碱石灰
②在装置F后连接一个防止空气中的CO2和水蒸气进入F的装置
③C15H22O5
(4)C
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