实验设计的基本原则 高考中实验设计题的解法论析

  摘要:化学实验的设计方案要切实可行,所选仪器、药品、方法和设备要尽可能得到满足;实验设计尽量简单易行,实验装置不宜复杂,能在较短的时间内,用较少的步骤完成实验,并且要有显著的效果。
  关键词:科学性;安全性;环保法;可行性;简约性;经济性
  中图分类号:G633.8 文献标志码:A 文章编号:1674-9324(2013)23-0242-02
  实验设计题属于一种能力考查题,它涉及的知识面广,渗透力强,考题灵活多变。通过此类题目既可以考查化学的基本原理,也能考查元素及其化合物相关知识,还能考查基本实验技能和原理。此类试题源于教材又高于教材,让人耳目一新,它能广泛地考查考生运用化学实验的方法解决实际问题的能力,成为历年来高考化学(包括理科综合)中的热点和难点之一。其基本题型主要有:
  一、实验设计
  二、实验设计方案的优劣评价
  三、根据要求,设计实验装置、操作时的注意事项,回答实验现象,进行实验数据处理和误差分析等
  考生常对这类题目无从下手,导致得分率很低。那么这类题目如何解答呢?下面我说几点看法:
  (一)思维的一般顺序
  1.要认真审题,明确实验目的。通过仔细审题,明确题目要求,读出题目所给信息,利用所学知识,通过分析、类比、迁移,明确实验的原理。
  2.药品及仪器的选择。根据第一部分分析得到的实验目的原理,以及反应所需的条件,涉及到物质的性质,如反应是否需要加热,是否对仪器有腐蚀作用等,从而选择正确的药品、仪器。
  3.设计实验装置,完善操作步骤。在上述基础上,选择合适的实验装置并设计出合理的操作步骤。且实验步骤要完整实用。做好这些,要求学生具备识别典型实验仪器及典型实验装置图的能力。
  4.记录数据,描述现象。正确分析实验应出现的现象,准确地记录数据。
  5.综合分析,得出实验结论。把观察到的现象和记录到的数据,进行计算、分析、推理,从而得出结论。
  (二)遵循的一般原则
  1.安全性原则。要尽量避免与有毒物质接触,尽量避免进行危险性操作,如果无法避免,则应采取相应的安全措施。
  2.科学性原则。实验的原理、方法及操作程序应该符合科学原理。
  3.可行性原则。实验设计方案不止是理论上可行,选用的仪器、药品、装置及操作步骤在现有条件下要能得到实现。
  4.简约性原则。在设计切实可行的前提下,应选择步骤较少、容易操作、所需时间较短而且效果明显的设计。
  5.经济性原则。要考虑原料的来源是否易得、价格是否合理。
  6.环保性原则。有毒、有害物质必须进行处理,防止对环境造成污染。
  【例】碳酸钠的工业制备过程,是用氨气、二氧化碳和饱和食盐水反应,得到碳酸氢钠结晶,其反应原理如下:NH3+CO2+H2O==NH4HCO3
  NH4HCO3+NaCl(饱和)==NaHCO3↓+NH4Cl
  要求:设计一个实验,来模拟实现这一过程。所需实验用品可从以下用品中选择:蒸馏水和冰、6mol.L-1盐酸、氯化铵、氢氧化钠、6mol.L-1硫酸、消石灰、食盐、石灰石、浓氨水。(1)请画出该实验的实验装置示意图,且在图中玻璃容器旁从左到右分别用A、B、C……标明。(2)写出图中A、B、C、D……各玻璃容器中所放物质的名称或化学式。A:?摇?摇 ?摇?摇;B:?摇?摇?摇 ?摇?摇;C:?摇?摇 ?摇?摇;D:?摇?摇?摇 ?摇?摇。(3)选择利用本题提供的用品,判断所得产品是碳酸氢钠结晶,而不是氯化钠或碳酸氢铵结晶?摇?摇 ?摇?摇。
  解析:解答此题关键是正确理解氨气在反应中的作用。从题中所给条件得出的信息是:
  1.反应原理:(1)NH3+CO2+H2O==NH4HCO3
  (2)NH4HCO3+NaCl(饱和)==NaHCO3↓+NH4Cl
  2.因为最终反应结果是放热反应。把上述两式合并,得到总反应方程式如下:
  NH3+CO2+H2O+NaCl(饱和)==NaHCO3↓+NH4Cl+Q(热量)
  由此可知:一是如果向食盐的饱和溶液中同时通入二氧化碳和氨气,可以获得NaHCO3结晶;二是温度降低,平衡将向右移动。若这样设计,则至少需要二氧化碳和氨气两个气体发生装置。
  依据实验设计的简约性原则,分析提供的实验用品,我们会发现可用浓氨水代替氨气,即只需要向浓氨水的食盐饱和溶液中通入二氧化碳即能达到要求。再考虑制取的CO2中含有HCl需要除杂,尾气中含有NH3(浓氨水挥发)需吸收(用H2SO4溶液),这样就可以画出装置简图如下:
  综上所述,对于化学实验设计题,不管是物质的制备实验设计,还是物质的性质实验设计,还有物质的检验实验设计及综合实验设计。只要按照上述思维顺序和原则进行思维和分析,就能顺利解答出题目。当然以上只是解答综合实验设计题的一般思考方法,在答题过程中,还应根据实验设计题的具体情况和要求,具体区别分析,从而做出正确的回答。