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2019届高考化学二轮复习【人教版】化学实验方案的设计与评价模拟训练(教师版)

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高中化学审核员

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                  化学实验方案的设计与评价模拟训练

                           (时间:45   分钟 分值:100      分)


1.(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===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   均为止水夹,夹持装置已
   略去)。


   (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:____________________。
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(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。


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)
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   (6)①EDBDF ②2NO2+Na2O2===2NaNO3


2.(18 分)TiO2 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 (s)+CCl (g)   △     TiCl (g)+CO (g),在无水无氧条件下制
                       2       4  = = = = =    4       2

   备  TiCl4,实验装置示意图如下:


   有关物质性质如下表:

         物质          熔点/℃          沸点/℃                  其他


         CCl4         -23            76              与  TiCl4 互溶


         TiCl4        -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              N2 一段时间后点燃酒精灯。反应结束后的操

   作包括:①停止通         N2 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(FeTiO3)(含      Fe2O3、SiO2 等杂质)制备     TiO2 的有关反应包括:


   酸溶 FeTiO3(s)+2H2SO4(aq)===  FeSO4(aq)+TiOSO4(aq)+2H2O(l)

                              90 ℃
   水解 TiOSO4(aq)+2H2O(l)   = = = = = H2TiO3(s)+H2SO4(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              TiO2 产率
   降低,原因是__________________________。


   ②取少量酸洗后的         H2TiO3,加入盐酸并振荡,滴加          KSCN  溶液后无明显现象,再加

   H2O2 后出现微红色,说明         H2TiO3 中存在的杂质离子是________。这种           H2TiO3 即使用

   水充分洗涤,煅烧后获得的            TiO2 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,N2                必须进行干燥处理(干燥管)。然后通过               N2 排除

   系统内的空气(O2),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                N2。在   D 中冷凝的液体有       CCl4 和 TiCl4,根据沸
   点不同,可采用分馏的方法分离。


                                                           +     3+
   (2)①加入   H2SO4,除发生     FeTiO3 酸溶外,还发生反应        Fe2O3+6H  === 2Fe +3H2O,为

          3+        2+
   了使   Fe  转化成   Fe  ,所以应加入      Fe 粉(A),钛液中含有      FeSO4 和 TiOSO4,考虑到

   温度越高,TiOSO4      的水解程度越大,造成          TiOSO4 提前水解生成     H2TiO3 沉淀,在过滤
   时,造成钛损失。

            2+                                        2+
   ②由于    Fe  不可能全部结晶生成绿矾,造成             H2TiO3 中含  Fe  ,滴入   H2O2 发生反应

      2+     +           3+
   2Fe  +2H   +H2O2=== 2Fe +2H2O,所以当加入       KSCN  后,显红色,由于在         H2TiO3 中

        2+
   含  Fe  ,所以煅烧后会发生反应生成             Fe2O3,造成   TiO2 发黄。


   答案 (1)干燥管 浓        H2SO4 检查气密性 ②③① 分馏(或蒸馏) (2)①Fe 温度过

                                                2+
   高会导致     TiOSO4 提前水解,产生      H2TiO3 沉淀 ②Fe      Fe2O3


3.(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
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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):


(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(NO2)2 可溶于水。不可能

是丙,因为丙中        Mg3N2 能与水反应产生      NH3 和  Mg(OH)2 沉淀。


只能是乙,Mg(NO3)2 ~ MgO
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             148            40

             3.7 g            m

           3.7 g
   m=40×   148 =1.0 g

   氧化镁难溶于水,且符合质量变化。


   ②Na2SO3  具有还原性,能被        O2 氧化;NO2   和 O2 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   O2 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 ②2Na2SO3+O2===2Na2SO4 O2    在通过装置     B 时已参与反应(或其他合理答案)

4.(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(BCl3)可用于制取乙硼烷(B2H6),也可作有机合成的催化剂。


   【查阅资料】            ①BCl3 的沸点为     12.5     ℃,熔点为-107.3           ℃;②2B+

   6HCl     △     2BCl ↑+3H  ↑;③硼与铝的性质相似,也能与氢氧化钠溶液反应。
        = = = = =     3      2

   【设计实验】 某同学设计如图所示装置制备三氯化硼:


   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。
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(4)三氯化硼遇水剧烈反应生成硼酸(H3BO3)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      Cl2 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                H3BO3,类似铝酸(H3AlO3)。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,O2                           会与硼反应:
4B+3O       △     2B O 。(6)由题给材料知硼与氢氧化钠溶液反应:2B+2H                  O+
       2 = = = = =  2 3                                           2

2NaOH===     2NaBO2+3H2↑,三氯化硼溶于氢氧化钠溶液发生反应:BCl3+4NaOH===

NaBO2+2H2O+3NaCl。

              -      -      +     2+
答案 (1)2MnO    4 +10Cl  +16H  ===2Mn +8H2O+5Cl2↑

(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      △    2BCl  碱石灰
          2 = = = = =   3

(4)BCl3+3H2O===H3BO3+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                     B2O3
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   (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

                                                                       2-
5.(16 分)某酸性工业废水中含有           K2Cr2O7。光照下,草酸(H2C2O4)能将其中的           Cr2O 7 转

         3+
   化为  Cr  。某课题组研究发现,少量铁明矾[Al2Fe(SO4)4·24H2O]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)。

                                                        蒸馏水
             实验      初始      废水样品体         草酸溶液
             编号                积           体积
                      pH         /mL           /mL     体积/mL

              ①        4         60           10          30

              ②        5         60           10          30

              ③        5         60


                             2-
   测得实验①和②溶液中的           Cr2O 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+
   (3)实验①和②的结果表明________;实验①中              0~t1 时间段反应速率       v(Cr )=
   ________mol·L-1·min-1(用代数式表示)。


   (4)该课题组对铁明矾[Al2Fe(SO4)4·24H2O]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:Fe2+起催化作用:

   假设二:________;
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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                    K2SO4、FeSO4、
                                            2-
K2SO4·Al2(SO4)3·24H2O、Al2(SO4)3 等。溶液中   Cr2O 7 的浓度可用仪器测定)

                                               预期实验结果和结
            实验方案(不要求写具体操作过程)
                                                      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         K2Cr2O7 反应后,草酸应被氧化为          CO2。(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
                                        c0-c1
                                  2-              -1    -1         3+
一定的影响;在        0~t1 时间段内,v(Cr2O    7 )=   t1 mol·L  ·min ,由   Δc(Cr  )=
                        2c0-c1
        2-          3+                 -1    -1
2Δc(Cr2O 7 )所以  v(Cr  )=    t1    mol·L  ·min  。(4)根据铁明矾组成离子可知,
起催化作用的离子可能为           Fe2+、Al3+、SO24-。(5)可通过在其他条件不变时,加入等

                                                                    2+
物质的量的      K2SO4·Al2(SO4)3·24H2O 替代实验中的铁明矾,此时溶液中不存在               Fe  ,但

         2-     3+                2-
仍存在    SO 4 和  Al ,通过测定      c(Cr2O 7 )看是否仍然有催化效果来判断。

答案 (1)

                                                        蒸馏水
        实验      初始      废水样品体积          草酸溶液体
        编号                                 积
                 pH          /mL             /mL       体积/mL

         ③                                  20            20


(2)CO2
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                                  2c0-c1
   (3)溶液  pH 对该反应的速率有影响               t1

   (4)Al3+起催化作用 SO24-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

                                        反应进行相同时间后,若溶液中
用等物质的量的       K2SO4·Al2(SO4)3·24H2O 代
                                             2-                     2-
                                        c(Cr2O 7 )大于实验①中的      c(Cr2O 7 )则假
替实验①中的铁明矾,控制其他条件与实验
                                                                   2-
                                        设一成立,若两溶液中的          c(Cr2O 7 )相同,
①相同,进行对比实验
                                        则假设一不成立

   (本题属于开放性试题合理答案均可)

6.(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:
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实验方案                    实验操作                      实验现象             结论

           取少量白色物质于试管中,加入适量水,
                                                                白色物质为
 方案  1      振荡,样品全部溶于水,向其中加入无                    溶液变成红色
                                                                   Na2O
                       色酚酞试液

           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                     出现白色沉淀

           入过量的    CaCl 溶液
 方案  2                 2

           ②静置片刻,取上层清液于试管中,滴
                                                 无明显现象
           加无色酚酞试液

 【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
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(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)Na2CO3

(6)假设  2 方案   2 的①中出现的白色沉淀说明有             CO23-,②中加酚酞无明显现象说明

无  Na2O

(7)4Na+3CO     燃烧     2Na CO +C
            2 = = = = =  2   3

(8)不同意,因为反应体系中无氢元素(或其他合理答案)
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