2025届高三化学一轮专题复习讲义（25）
专题六 化学实验和化学计算
6-2 化学实验的设计与评价（1课时）
【复习目标】
1．能依据实验目的和假设，设计解决简单问题的实验方案，能对实验方案进行评价。
2．能运用实验基本操作实施实验方案，具有安全意识和环保意识。
3．能根据不同类型实验的特点，设计并实施实验。
【重点突破】能对实验方案进行评价，并设计解决简单问题的实验方案
【真题再现】
例1．（2023·辽宁选择考）2-噻吩乙醇（Mr=128）是抗血栓药物氯吡格雷的重要中间体，其制备方法如下：
Ⅰ．制钠砂。向烧瓶中加入300 mL液体A和4.60g金属钠，加热至钠熔化后，盖紧塞子，振荡至大量微小钠珠出现。
Ⅱ．制噻吩钠。降温至10 ℃，加入25 mL噻吩，反应至钠砂消失。
Ⅲ．制噻吩乙醇钠。降温至-10 ℃，加入稍过量的环氧乙烷的四氢呋喃溶液，反应30 min。
Ⅳ．水解。恢复室温，加入70 mL水，搅拌30 min；加盐酸调pH至4~6，继续反应2 h，分液；用水洗涤有机相，二次分液。
Ⅴ．分离。向有机相中加入无水MgSO4，静置，过滤，对滤液进行蒸馏，蒸出四氢呋喃、噻吩和液体A后，得到产品17.92 g。
回答下列问题：
（1）步骤Ⅰ中液体A可以选择________。
a．乙醇 b．水 c．甲苯 d．液氨
（2）噻吩沸点低于吡咯（）的原因是_________________________________。
（3）步骤Ⅱ的化学方程式为___________________________________________。
（4）步骤Ⅲ中反应放热，为防止温度过高引发其它副反应，加入环氧乙烷溶液的方法是 。
（5）步骤Ⅳ中用盐酸调节pH的目的是 。
（6）下列仪器在步骤Ⅴ中无需使用的是 （填名称）；加入无水MgSO4的作用为________________________。
（7）产品的产率为____________（用Na计算，精确至0.1%）。
解析：（1）步骤I制钠砂过程中，液体A不能和Na反应，而乙醇、水和液氨都能和金属Na反应，故选c。（2）噻吩沸点低于吡咯（）的原因是中含有N原子，可以形成分子间氢键，氢键可以使沸点升高。（3）步骤Ⅱ中和Na反应生成2-噻吩钠和H2，化学方程式为2+2Na2+H2↑。（4）步骤Ⅲ中反应放热，为防止温度过高引发副反应，将烧瓶置于冰水浴中，少量多次地滴加环氧乙烷溶液，边加边搅拌，可控制温度。（5）2-噻吩乙醇钠水解生成2-噻吩乙醇的过程中有NaOH生成，用盐酸调节pH的目的是将NaOH中和，使平衡正向移动，增大反应物的转化率。（6）步骤Ⅴ中的操作有过滤、蒸馏，蒸馏的过程中需要直形冷凝管，无需液体回流，不能用球形冷凝管，无需使用的是球形冷凝管、分液漏斗；向有机相中加入无水MgSO4的作用是除去水。（7）步骤Ⅰ中向烧瓶中加入300 mL液体A和4.60 g金属钠，Na的物质的量为=0.2 mol，步骤Ⅱ中Na完全反应，根据反应方程式可知，理论上可以生成0.2 mol 2-噻吩乙醇，产品的产率为×100%=70.0%。
答案:（1）c
（2）中含有N原子，可以形成分子间氢键，氢键可以使沸点升高
（3）2+2Na2+H2↑
（4）将烧瓶置于冰水浴中，少量多次地滴加环氧乙烷溶液，边加边搅拌，可控制温度
（5）将NaOH中和，使平衡正向移动，增大反应物的转化率
（6）球形冷凝管、分液漏斗 除去水
（7）70.0%
例2．（2023·江苏高考）实验室模拟“镁法工业烟气脱硫”并制备MgSO4·H2O，其实验过程可表示为
（1）在搅拌下向氧化镁浆料中匀速缓慢通入SO2气体，生成MgSO3，反应为Mg(OH)2+H2SO3===MgSO3+2H2O，其平衡常数K与Ksp[Mg(OH)2]、Ksp(MgSO3)、Ka1(H2SO3)、K a2(HSO3)的代数关系式为K= ；下列实验操作一定能提高氧化镁料吸收SO2效率的有 （填序号）。
A．水浴加热氧化镁浆料 B．加快搅拌速率
C．降低通入SO2气体的速率 D．通过多孔球泡向氧化镁浆料中通SO2
（2）在催化剂作用下MgSO3被O2氧化为MgSO4。已知MgSO3的溶解度为0.57g(20℃)，O2氧化溶液中SO的离子方程式为 ；在其他条件相同时，以负载钴的分子筛为催化剂，浆料中MgSO3被O2氧化的速率随pH的变化如图甲所示。在pH=6～8范围内，pH增大，浆料中MgSO3的氧化速率增大，其主要原因是 。
（3）制取MgSO4·H2O晶体。在如图乙所示的实验装置中，搅拌下，使一定量的MgSO3浆料与H2SO4溶液充分反应。MgSO3浆料与H2SO4溶液的加料方式是 ；补充完整制取MgSO4·H2O晶体的实验方案：含有少量Fe3+、Al3+的MgSO4溶液中， 。[已知：Fe3+、Al3+在pH≥5 时完全转化为氢氧化物沉淀；室温下从MgSO4饱和溶液中结晶出MgSO4·H2O，MgSO4·H2O在150℃～170℃下干燥得到MgSO4·H2O，实验中需要使用MgO粉末。]
答案：（1） BD
（2）2SO+O22SO
pH增大，抑制SO的水解，反应物SO的浓度增大，故可加快氧化速率
（3）用滴液漏斗向盛有MgSO3浆料的三颈烧瓶中缓慢滴加硫酸溶液
分批加入少量氧化镁粉末，搅拌，直至用pH试纸测得pH≥5，过滤；将滤液蒸发浓缩、降温至室温结晶，过滤，所得晶体在150~170℃干燥。
解析：本实验的目的是为了制取MgSO4·H2O，首先在搅拌下向氧化镁浆料中匀速缓慢通入SO2气体，生成MgSO3，然后使一定量的MgSO3浆料与H2SO4溶液充分反应生成硫酸镁，在硫酸镁的溶液中加入氧化镁调节溶液的pH除去三价铁和三价铝，将滤液蒸发浓缩、降温至室温结晶，过滤，所得晶体在150~170℃干燥即可得到MgSO4·H2O。
（1）已知下列反应：①Mg(OH)2+H2SO3===MgSO3+2H2O 其平衡常数K
②Mg(OH)2(s)Mg2+(aq) +2OH-(aq) Ksp[Mg(OH)2]
③MgSO3(s)Mg2+(aq) + SO(aq) Ksp(MgSO3)
④H2SO3H++ HSO Ka1(H2SO3)
⑤HSOH++SO Ka2(H2SO3)
⑥H2O H++OH Kw
根据盖斯定律，①=②-③+④+⑤-⑥×2，故K＝；
A项，加热可加快反应速率，但温度升高，SO2在水中溶解度降低，且会导致H2SO3受热分解，不一定能提高吸收SO2效率，错误；B项，加快搅拌速率，可以使反应物充分接触，提高吸收SO2效率，正确；C项，降低通入SO2气体的速率，SO2可与MgO浆料充分接触，但会降低反应速率，不一定能提高吸收SO2效率，错误；D项，多孔球泡可以让SO2与MgO浆料充分接触，能提高吸收SO2效率，正确；
（2）根据题意，O2氧化溶液中的SO，SO被氧化为SO，1molO2氧化2mol SO，故O2氧化溶液中SO的离子方程式为：2SO+O22SO；pH增大，抑制SO的水解，反应物SO的浓度增大，故可加快氧化速率；
（3）在进行含固体物质的反应物与液体反应的实验时，应将含固体物质的反应物放在三颈瓶中，通过滴液漏斗滴加液体，H2SO4溶液的滴加速率要慢，以免H2SO4过量；根据题意，首先需要调节pH≥5以除去Fe3+、Al3+杂质，需要用到的试剂为MgO粉末，操作细节为分批加入少量MgO粉末，以免pH过高，不断搅拌进行反应直至检测到pH≥5，然后过滤除去氢氧化铁、氢氧化铝沉淀；接着需要从溶液中得到MgSO4·H2O，根据题目信息，室温下结晶只能得到MgSO4·H2O，因此需要在150～170℃下干燥得到MgSO4·H2O，操作细节为将滤液蒸发浓缩、降温至室温结晶，过滤，所得晶体在150~170℃干燥。
例3．（2023·苏锡常镇一调）对SiO2为载体的加氢废催化剂（主要含有WS2、NiS、Al2S3，少量碳、磷）处理的实验流程如下。
（1）NiS中，基态镍离子的电子排布式为__________________。
（2）高温氧化焙烧时，WS2发生反应的化学方程式为 。
（3）滤渣X的成分为H2SiO3和________________。
（4）Mg(H2PO4)2易溶于水，MgHPO4、Mg3(PO4)2均难溶于水。除磷装置如图1所示，向滤液中先通入NH3，再滴加MgCl2溶液，维持溶液pH为9～10，得到复合肥料NH4MgPO4固体。
①实验中球形干燥管的作用是________________。
②磷酸的分布分数（平衡时某物种的浓度占各物种浓度之和的分数）与pH的关系如图2所示。生成NH4MgPO4的离子方程式为_____________________。
③向滤液中先通入NH3后加入MgCl2溶液的原因是_________________。
（5）已知：①该实验中，pH＝5.0时，Al3＋沉淀完全；pH＝6.0时，Ni2＋开始沉淀。
②实验中须用到的试剂：2 mol·L-1H2SO4溶液、0.1 mol/L NaOH溶液。
浸渣中含NiO、少量的Al2O3和不溶性杂质。请完成以浸渣制备NiSO4·6H2O的实验方案：________________________。
解析：（1）基态Ni原子的价层电子排布式为3d84s2，镍失去2个电子得到镍离子，基态镍离子的电子排布式为[Ar]3d8（或1s22s22p63s23p63d8）。（2）高温氧化焙烧时，WS2和空气中氧气反应生成WO3和二氧化硫，化学方程式为2WS2＋7O22WO3＋4SO2。（3）废催化剂通入空气氧化焙烧时，WS2、NiS、Al2S3转化为相应的金属氧化物，同时生成二氧化硫，加入碳酸钠焙烧，金属氧化物转化钠盐，水浸除去滤渣，将滤液加热煮沸，加入盐酸调节pH，得到硅酸、氢氧化铝沉淀。（4）①氨气极易溶于水，会产生倒吸，实验中球形干燥管的作用是防止倒吸。②维持溶液pH为9～10，得到复合肥料NH4MgPO4固体，由图可知，pH为9～10时磷主要以HPO存在，则反应为NH3·H2O＋HPO＋Mg2＋===NH4MgPO4↓＋H2O。③因为Mg(H2PO4)易溶于水，MgHPO4、Mg3(PO4)2均难溶于水，故向滤液中先通入NH3后加入MgCl2溶液的原因是避免生成MgHPO4沉淀或Mg3(PO4)2沉淀，提升NH4MgPO4产率或纯度。（5）pH＝5.0时，Al3＋沉淀完全，pH＝6.0时，Ni2＋开始沉淀，故实验时先向浸渣中加入稍过量的2 mol·L-1 H2SO4溶液，充分搅拌至固体不再溶解，边搅拌边滴加0.1 mol·L-1 NaOH溶液，调节溶液的pH在5.0～6.0之间，过滤，将滤液加热浓缩、冷却结晶，过滤后可得到NiSO4·6H2O。
答案：（1）[Ar]3d8（或1s22s22p63s23p63d8）
（2）2WS2＋7O22WO3＋4SO2
（3）Al(OH)3
（4）①防止倒吸
②NH3·H2O＋HPO＋Mg2＋===NH4MgPO4↓＋H2O
③避免生成MgHPO4[或Mg3（PO4）2]沉淀，得不到复合肥料NH4MgPO4
（5）将浸渣加入稍过量的2 mol·L-1 H2SO4溶液中，充分搅拌；边搅拌边滴加0.1 mol·L-1 NaOH溶液，调节溶液的pH在5.0～6.0，过滤；洗涤滤渣2～3次，将洗涤后的滤液与原滤液合并，加热浓缩（蒸发）、降温结晶，过滤
小结：探究性实验要综合迁移其他学科的知识应用。
【知能整合】
综合实验这类试题主要考查实验的完整性和实验探究的过程，近几年高考中的实验试题较好地体现了如下问题：
1．具有较强的问题意识，能够在给定的情景中通过分析、判断提出有探究价值的化学问题的能力。
2．能设计解决简单化学问题的探究方案，能运用观察、实验、阅读资料等多种手段收集证据，能运用比较、分析、归纳、概括等方法形成探究结论。
3．能对探究方案、探究过程、探究结论等进行分析、比较和评价，能准确地表述探究结果，并应用探究结果解决相关问题，进行相关的计算。
【体系再构】
【巩固练习】
基础训练
1．下列实验操作能达到实验目的的是
选项 实验目的 实验操作
A 制备Fe(OH)3胶体 将NaOH浓溶液滴加到饱和FeCl3溶液中
B 由MgCl2溶液制备无水MgCl2 将MgCl2溶液加热蒸干
C 除去Cu粉中混有的CuO 加入稀硝酸溶解，过滤、洗涤、干燥
D 比较水与乙醇中氢的活泼性 分别将少量钠投入到盛有水和乙醇的烧杯中
2．实验室制取乙烯（C2H4）并进行有关性质检验时，下列装置能达到相应实验目的的是
3．下列实验操作能达到实验目的的是
A．用乙醇萃取碘水中的碘
B．用装置甲制取纯净的NO2
C．用装置乙除去Cl2中的少量HCl
D．中和滴定时，用待测液润洗锥形瓶，减小实验误差
4．实验室可用SiC与Cl2反应（SiC＋2Cl2SiCl4＋C）制取少量SiCl4（沸点57.6 ℃，易水解）。下列实验原理和装置不能达到实验目的的是
甲乙丙丁
A．用装置甲制取氯气
B．用装置乙净化氯气，气体从接口①进入
C．用装置丙制取四氯化硅
D．用装置丁收集四氯化硅粗产品
5． 下列制取、净化Cl2，验证其氧化性并进行尾气吸收的装置和原理能达到实验目的的是
A． 制取Cl2 B． 除去HCl C． 验证Cl2的氧化性 D． 吸收尾气
6． 硫酸亚铁晶体（FeSO4·7H2O）可用于生产聚合硫酸铁。以钕铁硼二次废渣（主要含Fe2O3、Fe3O4等）为原料制备硫酸亚铁晶体的实验流程如下：
（1）“酸浸”时，Fe3O4发生反应的离子方程式为 _________________________。
（2）将“滤渣”返回“酸浸”工序，其目的是_______________________________。
（3）与普通过滤相比，使用下图装置进行过滤的优点是________________。
（4）固定其他条件不变，反应温度、反应时间、铁粉过量系数分别对“滤液”中Fe3＋还原率的影响如图2、图3、图4所示。
设计由100 mL“滤液”[其中c(Fe3＋)＝0.8 mol·L-1]制备硫酸亚铁粗品的实验方案：
（须使用的试剂和仪器：铁粉、冰水、真空蒸发仪）。
（5）通过下列实验测定硫酸亚铁晶体样品的纯度。准确称取1.2000 g样品置于锥形瓶中，用50 mL蒸馏水完全溶解，加一定量硫酸和磷酸溶液；用0.02000 mol·L-1KMnO4标准溶液滴定至终点（MnO转化为Mn2＋），平行滴定3次，平均消耗KMnO4标准溶液42.90mL。计算硫酸亚铁晶体样品中FeSO4·7H2O的质量分数（写出计算过程）。
【巩固练习】答案
1．D 2．B 3．C 4．B 5．C
6．（1）Fe3O4＋8H＋===2Fe3＋＋Fe2＋＋4H2O
（2）提高铁元素的浸出率
（3）过滤速率更快
（4）在80 ℃水浴加热条件下，向“滤液”中加入2.688 g铁粉，搅拌下反应2 h后，过滤；滤液在真空蒸发仪中蒸发、在冰水浴中冷却结晶、过滤
（5）MnO～5Fe2＋
n(FeSO4·7H2O)＝n(Fe2＋)＝5n(MnO)＝5×0.02000 mol·L-1×42.90×10－3 L
＝4.29×10－3 mol
w(FeSO4·7H2O)＝×100%≈99.39%
【课后作业】
1．如图所示装置可用于收集气体并验证其化学性质，下列对应关系正确的是
选项 气体 试剂 现象 结论
A NO 紫色石蕊溶液 溶液变红 NO与水反应生成硝酸
B Cl2 KI淀粉溶液 溶液变蓝 Cl2有氧化性
C SO2 酸性KMnO4溶液 溶液褪色 SO2有漂白性
D NH3 酚酞试剂 溶液变红 NH3是碱性气体
2．利用如下图装置进行NH3的制备及性质探究实验。下列说法正确的是
A．使用A装置制备NH3时，分液漏斗中应盛放浓氨水，利用了氨水的碱性弱于NaOH
B．装置B中盛放湿润红色石蕊试纸，打开K2，关闭K1，可证明NH3为碱性气体
C．利用C装置模拟侯氏制碱法时，可将a和c连接
D．将a和d连接验证NH3与Cu2+的配位能力强于H2O
3．下列设计的实验方案能达到相应实验目的的是
选项 实验目的 实验方案
A 证明反应速率会随反应物浓度的增大而加快 用3 mL稀硫酸与足量纯锌反应，产生气泡速率较慢，然后加入1 mL 1 mol·L-1 CuSO4溶液，迅速产生较多气泡
B 检验Fe(NO3)2晶体是否已氧化变质 将Fe(NO3)2样品溶于稀硝酸后，滴加KSCN溶液，观察溶液是否变红
C 证明“84”消毒液的氧化能力随溶液pH的减小而增强 将“84”消毒液（含NaClO）滴入品红溶液中，褪色缓慢，若同时加入食醋，红色很快褪为无色
D 证明氯化银的溶解度大于硫化银的溶解度 向2 mL 0.1 mol·L-1硝酸银溶液中加入1 mL 0.1 mol·L-1NaCl溶液，出现白色沉淀，再加入几滴0.1 mol·L-1的Na2S溶液，有黑色沉淀生成
4．用下列实验装置进行相应实验，能达到实验目的的是
A．用图1所示装置分离CCl4和I2的混合物
B．用图2所示装置获取少量SO2气体
C．用图3所示装置除去CO2气体中的少量SO2
D．用图4所示装置蒸发NaCl溶液获得NaCl晶体
5．实验室制取高浓度的HClO溶液，有关实验装置和原理能达到实验目的的是
6．某研究小组以TiCl4为原料制备新型耐热材料TiN。
步骤一：TiCl4水解制备TiO2（实验装置如图A，夹持装置省略）：滴入TiCl4，边搅拌边加热，使混合液升温至80℃，保温3小时。离心分离白色沉淀TiO2·xH2O并洗涤，煅烧制得TiO2。
（1）装置 A 中冷凝水的入口为______（填“a”或“b”）
（2）三颈烧瓶中预置的稀盐酸可抑制胶体形成、促进白色沉淀生成。TiCl4水解生成的胶体主要成分为（填化学式）________。
（3）判断TiO2·xH2O沉淀是否洗涤干净，可使用的检验试剂有___________。
步骤二：由TiO2制备TiN并测定产率（实验装置如下图，夹持装置省略）。
（4）装置C中试剂X为____。
（5）装置D中反应生成TiN、N2和H2O，该反应的化学方程式为_________________。
（6）装置E的作用是______________________________。
（7）实验中部分操作如下：
a．反应前，称取0.800g TiO2样品；
b．打开装置B中恒压滴液漏斗旋塞；
c．关闭装置B中恒压滴液漏斗旋塞；
d．打开管式炉加热开关，加热至左右；
e．关闭管式炉加热开关，待装置冷却；
f．反应后，称得瓷舟中固体质量为。
①正确的操作顺序为：a→_______→f（填标号）。
②的产率为_________。
【课后作业】答案
1．B 2．D 3．C 4．D 5．C
6．（1）b
（2）Ti(OH)4
（3）AgNO3（或AgNO3 +AgNO3、硝酸银、酸化的硝酸银）
（4）碱石灰[或生石灰(CaO)、NaOH、KOH以及这些物质的组合均可]
（5）6TiO2+8NH36TiN+12H2O+N2
（6）吸收氨气与水
（7）①bdec ②80.0%或80%、0.8
