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(重庆专用)2014届高考化学二轮复习 第13讲 化学实验方案的设计与评价训练试题

第13讲化学实验方案的设计与评价

(重庆专用)2014届高考化学二轮复习 第13讲 化学实验方案的设计与评价训练试题

(时间:45分钟分值:100分)

(共6个题,共100分)

1.(2013·福建理综,25)(16分)固体硝酸盐加热易分解且产物较复杂。某学习小组以Mg(NO3)2为研究对象,拟通过实验探究其热分解的产物,提出如下4种猜想:

甲:Mg(NO2)2、NO2、O2

乙:MgO、NO2、O2

丙:Mg3N2、O2

丁:MgO、NO2、N2

(1)实验小组成员经讨论认定猜想丁不成立,理由是________________。

查阅资料得知:2NO2+2NaOH===NaNO3+NaNO2+H2O

针对甲、乙、丙猜想,设计如下图所示的实验装置(图中加热、夹持仪器等均省略):

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(2)实验过程

①仪器连接后,放入固体试剂之前,关闭k,微热硬质玻璃管(A),观察到E中有气泡连

续放出,表明__________。

②称取Mg(NO3)2固体3.7 g置于A中,加热前通入N2以驱尽装置内的空气,其目的是

________;关闭k,用酒精灯加热时,正确操作是先________,然后固定在管中固体部位下加热。

③观察到A中有红棕色气体出现,C、D中未见明显变化。

④待样品完全分解,A装置冷却至室温、称量,测得剩余固体的质量为1.0 g。

⑤取少量剩余固体于试管中,加入适量水,未见明显现象。

(3)实验结果分析讨论

①根据实验现象和剩余固体的质量经分析可初步确认猜想______是正确的。

②根据D中无明显现象,一位同学认为不能确认分解产物中有O2,因为若有O2,D中

将发生氧化还原反应:______________(填写化学方程式),溶液颜色会褪去;小组讨论认定分解产物中有O2存在,未检测到的原因是___________________。

③小组讨论后达成的共识是上述实验设计仍不完善,需改进装置进一步探究。

解析 (1)丁产物中只有N 的化合价降低,没有化合价升高的,不符合电子守恒规律。(2)在做有关气体多步连续实验时,首先应检查装置的气密性,还要考虑装置中的空气对产物的生成及检验是否会产生影响,若有干扰必须先排净干扰气体。对玻璃加热时要先均匀预热,再集中加热。(3)①不可能是甲,因为甲中Mg(NO 2)2可溶于水。不可能是丙,因为丙中Mg 3N 2能与水反应产生NH 3和Mg(OH)2沉淀。

只能是乙,Mg(NO 3)2 ~ MgO

148 40

3.7 g m

m =40×3.7 g 148

=1.0 g 氧化镁难溶于水,且符合质量变化。

②Na 2SO 3具有还原性,能被O 2氧化;NO 2和O 2可被NaOH 共同吸收。

答案 (1)不符合氧化还原反应原理(或其他合理答案)(2)①装置气密性良好 ②避免对产物O 2的检验产生干扰(或其他合理答案) 移动酒精灯预热硬质玻璃管

(3)①乙 ②2Na 2SO 3+O 2=== 2Na 2SO 4 O 2在通过装置B 时已参与反应(或其他合理答案)

2.(2013·奉节模拟)(16分)硼位于ⅢA 族,三卤化硼是物质结构化学的研究热点,也是重要

的化工原料。三氯化硼(BCl 3)可用于制取乙硼烷(B 2H 6),也可作有机合成的催化剂。

【查阅资料】 ①BCl 3的沸点为12.5 ℃,熔点为-107.3 ℃;②2B +6HCl=====△2BCl 3↑

+3H 2↑;③硼与铝的性质相似,也能与氢氧化钠溶液反应。

【设计实验】 某同学设计如图所示装置制备三氯化硼:

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请回答下列问题:

(1)常温下,高锰酸钾固体粉末与浓盐酸发生的反应可替代A 装置中的反应,两个反应的产物中锰的价态相同。写出高锰酸钾固体粉末与浓盐酸反应的离子方程式:___________________。

(2)E 装置的作用是__________________________。

如果拆去B 装置,可能的后果是_____________________。

(3)写出D 装置中发生反应的化学方程式:______________________;

实验中可以用一个盛装________(填试剂名称)的干燥管代替F +G 装置,使实验更简便。

(4)三氯化硼遇水剧烈反应生成硼酸(H 3BO 3)和白雾,写出该反应的化学方程式:

____________________;

实验室保存三氯化硼的注意事项是__________________________。

(5)为了顺利完成实验,正确的操作是________(填序号),并解释原因:________。 ①先点燃A 处酒精灯,后点燃D 处酒精灯

②先点燃D 处酒精灯,后点燃A 处酒精灯

③同时点燃A 、D 处酒精灯

(6)请你设计一个简易实验,验证制得的产品中是否含有硼粉:____________________。 解析 本实验属于物质制备与检验综合设计实验,涉及制备气体、净化气体、干燥气体和尾气处理。(1)见答案。(2)三氯化硼的沸点低,易挥发,需要冷却产品。B 装置的作用是吸收Cl 2中混有的HCl ,由题给资料知,硼与氯化氢反应生成的产物中有氢气,加热氢气和氯气的混合气体,易发生爆炸。(3)硼与氯气在加热条件下反应生成三氯化硼。F 装置用于吸收水蒸气,避免G 装置中的水蒸气进入U 形管。G 装置可以盛装氢氧化钠溶液吸收尾气,故实验中可以用一个盛装碱石灰的干燥管来代替F +G 装置。(4)因硼与铝的性质相似,硼酸的化学式为H 3BO 3,类似铝酸(H 3AlO 3)。因三氯化硼遇水能反应,故实验室应密封保存三氯化硼。(5)若不先排尽装置中的空气,O 2会与硼反应:4B +

3O 2=====△2B 2O 3。(6)由题给材料知硼与氢氧化钠溶液反应:2B +2H 2O +2NaOH=== 2NaBO 2+3H 2↑,三氯化硼溶于氢氧化钠溶液发生反应:BCl 3+4NaOH=== N aBO 2+2H 2O +3NaCl 。 答案 (1)2MnO -4+10Cl -+16H +=== 2Mn 2+

+8H 2O +5Cl 2↑ (2)冷却和收集三氯化硼 硼粉与氯化氢反应生成的产物中有氢气,加热氢气与氯气的混合气体,易发生爆炸

(3)2B +3Cl 2=====△2BCl 3 碱石灰

(4)BCl 3+3H 2O=== H 3BO 3+3HCl ↑ 密封保存

(5)① 排尽装置中的空气,避免氧气与硼粉反应生成B 2O 3

(6)取少量样品于试管中,滴加浓氢氧化钠溶液,若有气泡产生,则样品中含有硼粉;若无气泡产生,则样品中无硼粉

3.(2013·山东理综,30)(18分)TiO 2既是制备其他含钛化合物的原料,又是一种性能优异的

白色颜料。

(1)实验室利用反应TiO 2(s)+CCl 4(g)=====△TiCl 4(g)+CO 2(g),在无水无氧条件下制备

TiCl 4,实验装置示意图如下:

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有关物质性质如下表: 物质

熔点/℃ 沸点/℃ 其他 CCl 4

-23 76 与TiCl 4互溶 TiCl 4 -25 136 遇潮湿空气产生白雾

仪器A 的名称是________。装置E 中的试剂是________。反应开始前依次进行如下操作:组装仪器、________、加装药品、通N 2一段时间后点燃酒精灯。反应结束后的操作包括:①停止通N 2 ②熄灭酒精灯 ③冷却至室温。正确的顺序为________(填序号)。欲分离D 中的液态混合物,所采用操作的名称是________。

(2)工业上由钛铁矿(FeTiO 3)(含Fe 2O 3、SiO 2等杂质)制备TiO 2的有关反应包括:

酸溶 FeTiO 3(s)+2H 2SO 4(aq)=== FeSO 4(aq)+TiOSO 4(aq)+2H 2O(l)

水解 TiOSO 4(aq)+2H 2O(l)=====90 ℃H 2TiO 3(s)+H 2SO 4(aq)

简要工艺流程如下:

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①试剂A 为________。钛液Ⅰ需冷却至70 ℃左右,若温度过高会导致产品TiO 2产率降低,原因是__________________________。

②取少量酸洗后的H 2TiO 3,加入盐酸并振荡,滴加KSCN 溶液后无明显现象,再加H 2O 2后出现微红色,说明H 2TiO 3中存在的杂质离子是________。这种H 2TiO 3即使用水充分洗涤,煅烧后获得的TiO 2也会发黄,发黄的杂质是____________________(填化学式)。 解析 (1)注意审题,该反应是在无水无氧条件下制备的;安装完装置,首先检查气密性,然后装入药品。根据反应条件,N 2必须进行干燥处理(干燥管)。然后通过N 2排除系统内的空气(O 2),点燃酒精灯,使反应发生。为了防止倒吸,反应结束后,应先熄灭酒精灯,再冷却到室温,最后停止通N 2。在D 中冷凝的液体有CCl 4和TiCl 4,根据沸点不同,可采用分馏的方法分离。

(2)①加入H 2SO 4,除发生FeTiO 3酸溶外,还发生反应Fe 2O 3+6H +=== 2Fe 3+

+3H 2O ,为了使Fe 3+转化成Fe 2+

,所以应加入Fe 粉(A),钛液中含有FeSO 4和TiOSO 4,考虑到温度越高,TiOSO 4的水解程度越大,造成TiOSO 4提前水解生成H 2TiO 3沉淀,在过滤时,造成钛损失。

②由于Fe 2+不可能全部结晶生成绿矾,造成H 2TiO 3中含Fe 2+

,滴入H 2O 2发生反应2Fe 2++2H ++H 2O 2=== 2Fe 3+

+2H 2O ,所以当加入KSCN 后,显红色,由于在H 2TiO 3中含Fe 2+,所以煅烧后会发生反应生成Fe 2O 3,造成TiO 2发黄。

答案 (1)干燥管 浓H 2SO 4 检查气密性 ②③① 分馏(或蒸馏) (2)①Fe 温度过高会导致TiOSO 4提前水解,产生H 2TiO 3沉淀 ②Fe 2+

Fe 2O 3 4.(2013·安徽理综,28)(16分)某酸性工业废水中含有K 2Cr 2O 7。光照下,草酸(H 2C 2O 4)能将

其中的Cr 2O 2-7转化为Cr 3+

。某课题组研究发现,少量铁明矾[Al 2Fe(SO 4)4·24H 2O]即可对该反应起催化作用。为进一步研究有关因素对该反应速率的影响,探究如下:

(1)在25 ℃下,控制光照强度、废水样品初始浓度和催化剂用量相同,调节不同的初始pH 和一定浓度草酸溶液用量,做对比实验,完成以下实验设计表(表中不要留空格)。 实验

编号

初始pH 废水样品体积/mL 草酸溶液体积/mL 蒸馏水 体积/mL ①

4 60 10 30 ②

5 60 10 30 ③ 5 60

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测得实验①和②溶液中的Cr 2O 2-

7浓度随时间变化关系如图所示。 (2)上述反应后草酸被氧化为________(填化学式)。

(3)实验①和②的结果表明________;实验①中0~t 1时间段反应速率v (Cr 3+)=________mol·L -1·min -

1(用代数式表示)。 (4)该课题组对铁明矾[Al 2Fe(SO 4)4·24H 2O]中起催化作用的成分提出如下假设,请你完成假设二和假设三:

假设一:Fe 2+

起催化作用: 假设二:________;

假设三:________;

……

(5)请你设计实验验证上述假设一,完成下表中内容。

(除了上述实验提供的试剂外,可供选择的药品有K 2SO 4、FeSO 4、K 2SO 4·Al 2(SO 4)3·24H 2O 、Al 2(SO 4)3等。溶液中Cr 2O 2-

7的浓度可用仪器测定) 实验方案(不要求写具体操作过程)

预期实验结果和结论

解析 (1)根据题意要求,调节不同初始pH 和一定浓度草酸溶液用量,做对比实验,由此可知实验③改变的是草酸溶液用量,但应保持溶液总体积不变。(2)草酸中碳的化合价为+3价,与强氧化性物质K 2Cr 2O 7反应后,草酸应被氧化为CO 2。(3)根据实验①、②的曲线对比,在相同草酸用量不同pH 时,反应速率不同,所以pH 对该反应有一定的影响;在0~t 1时间段内,v (Cr 2O 2-7)=c 0-c 1t 1

mol·L -1·min -1,由Δc (Cr 3+)=2Δc (Cr 2O 2-7)所以v (Cr 3+)=2(c 0-c 1)t 1

mol·L -1·min -1。(4)根据铁明矾组成离子可知,起催化作用的离子可能为Fe 2+、Al 3+、SO 2-

4。(5)可通过在其他条件不变时,加入等物质的量的K 2SO 4·Al 2(SO 4)3·24H 2O 替代实验中的铁明矾,此时溶液中不存在Fe 2+,但仍存在SO 2-4和Al 3+,通过测定c (Cr 2O 2-

7)看是否仍然有催化效果来判断。 答案 (1) 实验

编号

初始pH 废水样品体积/mL 草酸溶液体积/mL 蒸馏水 体积/mL ③

20 20 (2)CO 2

(3)溶液pH 对该反应的速率有影响

2(c 0-c 1)t 1 (4)Al 3+起催化作用 SO 2-4起催化作用

(5) 实验方案(不要求写具体操作过程)

预期实验结果和结论 用等物质的量的K 2SO 4·Al 2(SO 4)3·24H 2O 代替

实验①中的铁明矾,控制其他条件与实验①

相同,进行对比实验

反应进行相同时间后,若溶液中c (Cr 2O 2-7)大于实验①中的c (Cr 2O 2-7)则假设一成立,若两溶液中的c (Cr 2O 2-

7)相同,则假设一不成立 (本题属于开放性试题合理答案均可)

5.(2013·重庆市一模,19)(16分)某化学课外活动小组通过实验探究NO2的性质。已知:2NO2+2NaOH===N aNO3+NaNO2+H2O。

任务1:利用如图所示装置探究NO2能否被NH3还原(K1、K2均为止水夹,夹持装置已略去)。

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(1)E装置中制取NO2的化学反应方程式是____________________。

(2)若NO2能够被NH3还原,预期在C装置中观察到的现象是

____________________________。

(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,认为有以下三种可能:

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)此实验装置中一个明显的缺陷是____________________。

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中的药品更换成

Na2O2,另选F装置(如图所示),重新组装进行实验。

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①装置的合理连接顺序是(某些装置可以重复使用)________。

②实验过程中,B装置中的粉末由淡黄色逐渐变成白色。经检验,该白色物质为纯净物,

且无其他物质生成。推测B装置中发生反应的化学方程式为___。

解析(1)E中浓硝酸与铜片发生反应生成NO2:Cu+4HNO3(浓)===Cu(NO3)2+2NO2↑+2H2O。(2)装置A用于制备NH3,NH3被碱石灰干燥后进入装置C中,装置E中生成的NO2经无水CaCl2干燥后也进入装置C中,由于NO2具有氧化性,NH3具有还原性,若NO2能被NH3还原,则在装置C中发生的反应为6NO2+8NH3===7N2+12H2O,随着红棕色的NO2被消耗,装置C中混合气体的颜色逐渐变浅。(3)该同学是从反应原理探究NO2与NH3的反应,若在实验过程中,未能观察到C装置中的预期现象,需从二者是否能发生反应、能反应但NO2的转化率很低或者能反应但反应速率很小,短时间内NO2的消耗量很少,短时间内看不到明显的现象。(4)由于多余的NH3、NO2会从装置C中竖放的玻璃管中逸出,从而会对环境造成影响,所以该实验需在装置C中竖放的玻璃管处连接一个尾气处理装置。(5)根据价态分析,NO2中氮元素处于中间价态,既有氧化性,又有还原性,Na2O2中的O元素也是处于中间价态,也具有氧化性和还原性,所以假设3应该是NO2能被Na2O2还原(或NO2能氧化Na2O2)。(6)①选择E装置制备NO2,选择D装置干燥NO2,选择B装置盛放Na2O2,选择F装置进行尾气处理,为防止F装置中的少量水蒸气对反应产生干扰,最好在B、F装置之间再加装D装置,故装置连接顺序为E→D→B→D→F。②假设2是NO2能被Na2O2氧化,根据B装置中的实验现象“粉末由淡黄色逐渐变成白色”,说明Na2O2与NO2发生了反应,NO2为还原剂,分子中N 元素的化合价升高至+5,反应产物又只有一种,推知为NaNO3,推测B装置中发生反应的化学方程式为2NO2+Na2O2===2NaNO3。

答案(1)Cu+4HNO3(浓)=== Cu(NO3)2+2NO2↑+2H2O(2)C装置中混合气体的颜色变浅(3)在此条件下,该反应的化学反应速率极小(4)缺少尾气吸收装置(5)NO2能被Na2O2还原(其他合理答案也可)

(6)①EDBDF②2NO2+Na2O2===2NaNO3

6.(创新预测题)(18分)某研究性学习小组在网上收集到信息:钾、钙、钠、镁等活泼金属都能在CO2气体中燃烧。他们对钠在CO2气体中燃烧后的产物中的白色物质进行了如下探究:

【实验】将燃烧的钠迅速伸入盛满CO2的集气瓶中,钠在其中继续燃烧,反应后冷却,瓶底附着黑色颗粒,瓶壁上粘附着白色物质。

(1)通过钠在CO2气体中燃烧的实验,你认为燃烧的条件是:______________________。

(2)燃烧的本质是:______________________。

(3)2010年8月初发生的俄罗斯森林大火着火面积比伦敦市的面积还要大。控制森林火

灾是世界性难题。根据燃烧的条件,请你解释为什么设置森林防火隔离带能有效阻止森林火灾的蔓延:____________________________。

【提出假设】

假设1:白色物质是Na2O

假设2:白色物质是Na2CO3。

假设3:白色物质是Na2O和Na2CO3的混合物

【设计实验方案·验证假设】该小组对燃烧后的白色产物进行如下探究:

实验方案实验操作实验现象结论

方案1 取少量白色物质于试管中,加入适量水,

振荡,样品全部溶于水,向其中加入无色

酚酞试液

溶液变成红色

白色物质为

Na2O

方案2 ①取少量白色物质于试管中,加入适量

水,振荡,样品全部溶于水,向其中加入

过量的CaCl2溶液

出现白色沉淀

②静置片刻,取上层清液于试管中,滴加

无色酚酞试液

无明显现象

【思考与交流】

(4)甲同学认为方案1得到的结论不正确,其理由是:_______________。

(5)乙同学认为方案2得到的结论正确,白色物质为:________。

(6)通过方案1和方案2的实验,你认为上述三个假设中,________成立。你的理由是:_________________________。

(7)钠在二氧化碳中燃烧的化学方程式为:___________________________。

(8)丙同学认为白色物质有可能是氢氧化钠。你是否同意丙同学的观点,并简述理由:_____________________________。

解析(1)燃烧必须具备三个要素:要有可燃物;要有助燃物;可燃物的温度必须达到着火点。(2)燃烧不一定要有氧气参加,任何发光发热的剧烈的氧化还原反应都可以看做燃烧。(3)从燃烧的构成要素看,设置森林防火隔离带消除了可燃物的存在,能有效阻止森林火灾的蔓延。(4)Na2O溶于水生成NaOH,溶液显碱性;Na2CO3溶于水时发生水解,溶液也呈碱性。因此,不能根据溶液呈碱性说明固体中含有Na2O。(5)样品中能与CaCl2溶液反应生成白色沉淀的是Na2CO3。(6)向样品溶液中加入CaCl2溶液,有白色沉淀生成,说明样品中有Na2CO3;向样品溶液中加入酚酞试液,无明显现象,说明样品中没有Na2O。所以样品中的白色物质是Na2CO3,假设2正确。(7)由上述实验,确定钠与CO2反应生成Na2CO3和C。(8)在钠与CO2反应的体系中没有氢元素,所以产物中不会有NaOH。

答案(1)要有可燃物;要有助燃物;可燃物的温度必须达到着火点

(2)发光发热的剧烈的氧化还原反应

(3)消除了可燃物的存在

(4)Na2CO3溶液显碱性,也会使酚酞变红

(5)Na 2CO 3

(6)假设2 方案2的①中出现的白色沉淀说明有CO 2-3,②中加酚酞无明显现象说明无Na 2O

(7)4Na +3CO 2=====燃烧2Na 2CO 3+C

(8)不同意,因为反应体系中无氢元素(或其他合理答案)