2020版高考一轮复习化学新课改省份专用学案：第十章第6课时　大题考法（2）——定量实验的设计与评价

第6课时　大题考法(2)——定量实验的设计与评价

定量实验是将化学实验与化学计量有机的结合在一起，测定物质化学组成与含量的探究性实验，是近几年高考命题的常考题型。设计中先通过实验测出相关的有效数据，然后经计算得出物质的组成与含量。由于定量实验目的性、实用性强，能给予学生较大的创造空间，更能激发学生的学习兴趣，培养学生严谨求实的科学态度，因此复习过程中注重定性实验拓展到定量实验的探讨。

题型一　测定物质含量

[典例1]　(2017·全国卷Ⅰ)凯氏定氮法是测定蛋白质中氮含量的经典方法，其原理是用浓硫酸在催化剂存在下将样品中有机氮转化成铵盐，利用如图所示装置处理铵盐，然后通过滴定测量。已知：NH3＋H3BO3===NH3·H3BO3；NH3·H3BO3＋HCl===NH4Cl＋H3BO3。

回答下列问题：

(1)a的作用是________。

(2)b中放入少量碎瓷片的目的是________。f的名称是________。

(3)清洗仪器：g中加蒸馏水；打开k1，关闭k2、k3，加热b，蒸气充满管路；停止加热，关闭k1，g中蒸馏水倒吸进入c，原因是________________；打开k2放掉水。重复操作2～3次。

(4)仪器清洗后，g中加入硼酸(H3BO3)和指示剂。铵盐试样由d注入e，随后注入氢氧化钠溶液，用蒸馏水冲洗d，关闭k3，d中保留少量水。打开k1，加热b，使水蒸气进入e。

①d中保留少量水的目的是_______________________。

②e中主要反应的离子方程式为____________________________________________

________________________________________________________________________，

e采用中空双层玻璃瓶的作用是___________________。

(5)取某甘氨酸(C2H5NO2)样品m克进行测定，滴定g中吸收液时消耗浓度为c mol·L－1的盐酸V mL，则样品中氮的质量分数为________%，样品的纯度≤________%。

[解析]　(1)导管a与大气相通，其作用是避免烧瓶内气压过大，发生危险。(2)加热液体时加入碎瓷片，其作用是防止液体暴沸。冷凝管有直形冷凝管和球形冷凝管、蛇形冷凝管，要指明。(3)停止加热，瓶内水蒸气冷凝，气体压强减小，会引起g中液体倒吸入c中，利用蒸馏水倒吸来洗涤仪器e、f。(4)①止水夹k3处可能漏气，导致测定的N元素质量分数偏低，故d中保留少量水起液封作用，防止氨气逸出。②e中发生的主要反应是铵盐与氢氧化钠反应，需要加热，使氨气全部逸出。“中空双层玻璃瓶”比较陌生，可以联想平时生活中保温玻璃瓶来分析问题。(5)在整个实验过程中，由氮原子守恒可得：n(N)＝n(NH3)＝n(HCl)＝ mol，则w(N)＝×100%＝%。又因C2H5NO2的相对分子质量为75，样品的纯度≤%×＝%。

[答案]　(1)避免b中压强过大　(2)防止暴沸　直形冷凝管　(3)c中温度下降，管路中形成负压　(4)①液封，防止氨气逸出　②NH＋OH－NH3↑＋H2O　保温使氨完全蒸出　(5)　

[备考方略]　定量实验中的常用方法

(1)重量分析法

①在重量分析中，一般首先采用适当的方法，使被测组分以单质或化合物的形式从试样中与其他组分分离。

②重量分析法不需要选择合适的指示剂，实验的关键是准确判断反应是否发生完全，以及反应前后固体(或液体)质量的变化。

③重量分析的过程包括了分离和称量两个过程。根据分离的方法不同，重量分析法又可分为沉淀法、挥发法、萃取法等。

④计算方法

采用重量分析法进行定量计算时，可根据实验中发生反应的化学方程式或原子守恒确定相关物质之间的定量关系，再结合实验数据列出关系式，并进行相关计算。

(2)滴定分析法

①滴定分析法是将已知准确浓度的标准溶液，滴加到被测溶液中(或者将被测溶液滴加到标准溶液中)，直到所加的标准溶液与被测物质按化学计量关系定量反应为止，然后测量标准溶液消耗的体积，根据标准溶液的浓度和所消耗的体积，算出待测物质的含量。

②实验的关键是准确量取待测溶液，根据指示剂的颜色变化确定滴定终点。

③根据标准溶液和待测溶液间的反应类型的不同，可将滴定分析法分为四大类：中和滴定、氧化还原滴定、络合滴定和沉淀滴定。

(3)气体体积法

①通过测量反应生成气体的体积进行定量分析的方法，实验的关键是准确测量生成气体的体积。

②测气体体积的方法可分为直接测量法和间接测量法两种：

[对点练1]　有资料显示过量的氨气和氯气在常温下可合成岩脑砂(主要成分为NH4Cl)，某小组对岩脑砂进行以下探究。

Ⅰ.岩脑砂的实验室制备

(1)C装置中盛放碱石灰的仪器名称为________________。

(2)为使氨气和氯气在D中充分混合并反应，上述装置的连接顺序为a→d→c→______、______←j←i←h←g←b。

(3)装置D处除易堵塞导管外，还有不足之处为______________________。

(4)检验氨气和氯气反应有岩脑砂生成时，除了蒸馏水、稀HNO3、AgNO3溶液、红色石蕊试纸外，还需要的试剂为______________________。

Ⅱ.天然岩脑砂中NH4Cl纯度的测定(杂质不影响NH4Cl纯度测定)

已知：2NH4Cl＋3CuO3Cu＋2HCl↑＋N2↑＋3H2O。

步骤：①准确称取1.19 g岩脑砂；②将岩脑砂与足量的氧化铜混合加热(装置如下)。

(5)连接好仪器后，检查装置的气密性时，先将H和K中装入蒸馏水，然后加热G，____________________，则气密性良好。

(6)装置H的作用是___________________________。

(7)实验结束后，装置I增重0.73 g，则天然岩脑砂中NH4Cl的质量分数为________________。

(8)若用K中气体体积测定NH4Cl纯度，当量气管内液面低于量筒内液面时，所测纯度______(填“偏高”“ 无影响”或“偏低”)。

解析：(1)C装置中盛放碱石灰的仪器名称为干燥管。

(2)制取氨气的气流顺序为adc，制取氯气的气流顺序为bghij，考虑到氯气的密度比空气大，氨气的密度比空气小，所以氨气从e口进，氯气从f口进，氨气和氯气会形成逆向流动，更有利于二者充分混合，同时注意确定连接顺序时，氯气气流是从右向左的，合理的连接顺序为a→d→c→e、f←j←i←h←g←b。

(3)装置D处发生反应生成了氯化铵，氯化铵为固体小颗粒，导管太细，固体颗粒容易堵塞导管；因为氯气有毒，需要有尾气处理装置，所以不足之处为无尾气处理装置。

(4)检验固体氯化铵中的铵根离子需要氢氧化钠浓溶液和红色石蕊试纸，检验氯离子需要蒸馏水、硝酸银溶液和稀硝酸，所以还需要的试剂为氢氧化钠浓溶液。

(5)连接好仪器后，检查装置的气密性时，先将H和K中装入蒸馏水，然后加热G，导管末端有气泡冒出，停止加热，量气管内形成一段水柱，则气密性良好。

(6)产生的气体通过装置H中的浓硫酸，能够吸收混合气体中的水蒸气，防止对HCl测定造成干扰，减小实验误差。

(7)装置I增重为氯化氢气体的质量，0.73 g氯化氢的物质的量为0.02 mol，根据反应2NH4Cl＋3CuO3Cu＋2HCl↑＋N2↑＋3H2O可知，消耗氯化铵的物质的量为0.02 mol，质量为0.02 mol×53.5 g·mol－1＝1.07 g，则天然岩脑砂中NH4Cl的质量分数为×100%≈89.9%。

(8)当量气管内液面低于量筒内液面时，氮气的压强偏大，所测定的体积偏小，求得氯化铵的质量偏小，所测纯度偏低。

答案：(1)干燥管　(2)e　f　(3)无尾气处理装置

(4)氢氧化钠浓溶液

(5)导管末端有气泡冒出，停止加热，量气管内形成一段水柱

(6)吸收反应产生的水蒸气，防止对HCl测定造成干扰　(7)89.9%　(8)偏低

题型二　确定物质组成

[典例2]　碱式碳酸钴[Cox(OH)y(CO3)z]常用作电子材料，磁性材料的添加剂，受热时可分解生成三种氧化物。为了确定其组成，某化学兴趣小组同学设计了如图所示装置进行实验。

(1)请完成下列实验步骤：

①称取3.65 g样品置于硬质玻璃管内，称量乙、丙装置的质量；

②按如图所示装置组装好仪器，并检验装置气密性；

③加热甲中玻璃管，当乙装置中____________(填实验现象)，停止加热；

④打开活塞a，缓缓通入空气数分钟后，称量乙、丙装置的质量；

⑤计算。

(2)步骤④中缓缓通入空气数分钟的目的是____________________________________。

(3)某同学认为上述实验装置中存在一个明显缺陷，为解决这一问题，可选用下列装置中的________(填字母)连接在__________(填装置连接位置)。

(4)若按正确装置进行实验，测得如下数据：

则该碱式碳酸钴的化学式为________________________________________________。

[解析]　(1)加热甲中玻璃管，当乙装置中不再有气泡产生，即碱式碳酸钴分解完毕；(2)步骤④中缓缓通入空气数分钟，将装置中生成的CO2和H2O全部排入乙、丙装置中，以免影响测量结果；(3)在活塞a前，加装装置D，装置中盛放的碱石灰容易吸收空气中的水蒸气和二氧化碳；(4)碱式碳酸钴样品3.65 g，反应前乙装置的质量为80.00 g，反应后质量为80.36 g，故生成水的质量为80.36 g－80.00 g＝0.36 g，物质的量为＝0.02 mol，含OH－的物质的量为0.04 mol；反应前丙装置的质量为62.00 g，反应后质量为62.88 g，生成二氧化碳的质量为62.88 g－62.00 g＝0.88 g，物质的量为＝0.02 mol，含CO的物质的量为0.02 mol，故钴的质量为3.65 g－17 g·mol－1×0.04 mol－60 g·mol－1×0.02 mol＝1.77 g，物质的量为＝0.03 mol，根据Co、H、C原子守恒可知，x∶y∶z＝0.03 mol∶0.02 mol×2∶0.02 mol＝3∶4∶2，故碱式碳酸钴的化学式为Co3(OH)4(CO3)2。

[答案]　(1)不再有气泡产生时

(2)将装置中产生的H2O(g)和CO2全部排入乙、丙装置中

(3)D　活塞a前(或装置甲前)　(4)Co3(OH)4(CO3)2

[易错警示]

(1)测定实验中要有消除干扰气体的意识

如用惰性气体将干扰气体排出，或用溶液吸收干扰气体等。

(2)测定实验中要有被测量气体全部被测量的意识

如可采取反应结束后继续向装置中通入惰性气体以使被测量气体全部被吸收剂吸收的方法。

(3)测定实验中要有“数据”的采集处理意识

①称量固体质量时，中学一般用托盘天平，可估读到0.1 g，精确度要求高的实验中可以用分析天平或电子天平。

②测量液体体积时，一般实验中选用适当规格的量筒，可估读到0.1 mL，准确度要求高的定量实验如中和滴定中选用滴定管，可估读到0.01 mL。容量瓶作为精密的定容仪器，用于配制一定物质的量浓度的溶液，一般不用于量取液体的体积。

③气体除了量取外，还可以称量。称气体的质量时一般有两种方法：一种方法是称反应装置在放出气体前后的质量减小值；另一种方法是称吸收装置前后的质量增大值。

④用pH试纸(测得整数值)或pH计(精确到0.01)直接测出溶液的pH，经过计算可以得到溶液中H＋或OH－的物质的量浓度。

[对点练2]　某学习小组在实验室中利用如图装置(夹持装置略去)测定某铁硫化物(FexSy)的组成，并探究反应后D装置所得溶液中含硫化合物的组成。

实验步骤：

步骤Ⅰ如图连接装置，检查装置气密性，装入试剂；

步骤Ⅱ旋开分液漏斗活塞与旋塞，并点燃酒精喷灯；

步骤Ⅲ足够长时间后，D中产生气泡速率变快时，停止加热，继续向烧瓶中滴水一段时间

步骤Ⅳ实验结束后，将D中所得溶液加水配制成250 mL溶液；

……

请回答：

(1)步骤Ⅲ中，停止加热后还需继续向烧瓶中滴水一段时间，其目的为________________________________________________________________________。

(2)在C、D装置之间不需要防倒吸装置的理由是________________________________________________________________________

________________________________________________________________________。

(3)步骤Ⅳ中配制溶液时所需的玻璃仪器除玻璃棒和烧杯外，还有________________________________________________________________________。

(4)取25.00 mL步骤Ⅳ中所配溶液，加入足量的双氧水，再加入足量盐酸酸化的BaCl2溶液，将所得沉淀过滤、洗涤、干燥，称其质量为4.66 g。则FexSy的化学式为________。

(5)有同学认为可将装置D改为装有足量碱石灰的干燥管，通过测定反应前后干燥管的增重来计算硫元素的含量。你认为此方案是否合理：__________(填“是”或“否”)，原因为________________________________________________________________________。

(6)反应后D装置所得溶液中除含有Na2SO4外，还可能含有Na2SO3。现用滴定法测定溶液中Na2SO3的含量。可供选择的试剂：0.100 0 mol·L－1 KMnO4酸性溶液；0.100 0 mol·L－1 H2O2溶液；0.100 0 mol·L－1 KI­淀粉溶液；0.100 0 mol·L－1 BaCl2溶液；0.100 0 mol·L－1 HCl溶液。

①所选试剂应装在________(填“酸式”或“碱式”) 滴定管中。

②所利用的反应原理为____________________________(用离子方程式表示)。

解析：本实验的目的是测定某铁硫化物(FexSy)的组成，并探究反应后D装置所得溶液中含硫化合物的组成。观察装置，A装置中产生足量的氧气经干燥后，进入C装置与FexSy在加热条件下反应，生成硫的氧化物，进入D被NaOH溶液吸收。

(1)步骤Ⅲ中，停止加热后还需继续向烧瓶中滴水一段时间，继续产生氧气，FexSy其实已经反应完了，那么其目的为使生成的SO2全部进入D中被NaOH溶液吸收。

(2)此装置中，不需要防倒吸装置，虽然SO2易溶于水，但是其中还有难溶于水的氧气，不会因为SO2溶于水而使气压迅速降低发生倒吸。

(3)步骤Ⅳ中配制250 mL溶液时，因为是要配制一定体积的溶液，故需要250 mL容量瓶，所以所需的玻璃仪器除玻璃棒和烧杯外，还有250 mL容量瓶和胶头滴管。

(4)C装置中产生的气体，主要应为SO2，所以D中生成Na2SO3，取25.00 mL步骤Ⅳ中所配溶液，加入足量的双氧水，将其全部氧化为Na2SO4，再加入足量盐酸酸化的BaCl2溶液，所得沉淀为BaSO4，质量为4.66 g，其物质的量为0.02 mol，250 mL溶液中含S元素的阴离子的物质的量为0.2 mol，根据S原子守恒，12.0 g FexSy中n(S)＝0.2 mol，m(S)＝6.4 g，m(Fe)＝5.6 g，n(Fe)＝0.1 mol，所以，x∶y＝1∶2，故FexSy的化学式为FeS2。

(5)装置D的作用是吸收装置中产生的SO2，若改为装有足量碱石灰的干燥管，空气中的CO2和水蒸气可能使干燥管增重，而且SO2可能被氧化，使增重偏大。

(6)反应后D装置所得溶液中除含有Na2SO4外，还可能含有Na2SO3。要用滴定法测定溶液中Na2SO3的含量，可利用Na2SO3的还原性，故选一个氧化剂，还要有颜色的变化来判断反应的终点，所以只能选择0.100 0 mol·L－1 KMnO4酸性溶液，因其具有强氧化性，只能装在酸式滴定管中，所利用的反应原理为2MnO＋5SO＋6H＋===5SO＋2Mn2＋＋3H2O。

答案：(1)继续生成O2，驱赶装置内残留的SO2，使生成的SO2全部被NaOH溶液吸收

(2)SO2中含不溶于NaOH溶液的O2

(3)250 mL容量瓶、胶头滴管

(4)FeS2　(5)否　部分SO2被氧化；空气中的CO2和水蒸气可能使干燥管增重

(6)①酸式

②2MnO＋5SO＋6H＋===5SO＋2Mn2＋＋3H2O