10.4化学实验中的综合探究与创新突破

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探究突破一　以物质制备为载体的实验综合
(1)选择必要仪器制备过氧化锶(气流按从左到右的流向)：___________ (填字母)。(2)该实验制备氧气的化学方程式为____________________________。(3)连接好装置进行实验，实验步骤如下，正确的操作顺序为___________ (填序号)。①打开分液漏斗活塞，将水滴入烧瓶中　②在相应装置中装入药品　③检查装置气密性　④加热　⑤停止加热　⑥关闭分液漏斗活塞
2Na2O2＋2H2O===4NaOH＋O2↑
解析：(1)根据反应原理，需要制备氧气。由于锶是活泼金属，能与水发生反应，因此需要预先除去氧气中的水蒸气，然后通入玻璃管中与锶发生反应，同时防止空气中的水和二氧化碳进入E装置，因此装置的连接顺序是A→B→E→B。(3)由于有气体参加反应，所以首先要检查装置的气密性，然后加入药品。打开分液漏斗活塞，排尽装置内的空气，对玻璃管进行加热，发生反应，反应完全后，停止加热，关闭分液漏斗活塞，故实验操作的顺序是③②①④⑤⑥。
中和生成的氢离子，促进反应正向进行　
解析：(4)①氨气极易溶于水，因此仪器X的作用是防倒吸。②根据反应原理Sr2＋＋H2O2===SrO2＋2H＋，通入氨气可中和H＋，促进反应的正向进行。
(5)设计实验证明SrO2的氧化性比FeCl3的氧化性强：_____________________________________________________________________________________________________________________。
在盐酸酸化的氯化亚铁溶液中滴加硫氰化钾溶液，无明显现象，再向其中加入少量过氧化锶，溶液变为红色，证明SrO2的氧化性比FeCl3的强
[练1]　环己烯是重要的化工原料。其实验室制备流程如下： 回答下列问题：Ⅰ.环己烯的制备与提纯(1)原料环己醇中若含苯酚杂质，检验试剂为____________，现象为______________。
解析：本题涉及的考点有醇和酚的性质与应用、常用化学仪器的使用、化学实验的基本操作、氧化还原滴定。通过环己烯的制备、提纯和含量的测定，考查了学生分析和解决化学问题的能力及化学实验能力，体现了科学探究与创新意识的学科核心素养。(1)苯酚遇到FeCl3溶液显紫色，FeCl3溶液常用于检验苯酚。
(2)操作1的装置如图所示(加热和夹持装置已略去)。①烧瓶A中进行的可逆反应化学方程式为___________________________，浓硫酸也可作该反应的催化剂，选择FeCl3·6H2O而不用浓硫酸的原因为_________(填序号)。a．浓硫酸易使原料炭化并产生SO2b．FeCl3·6H2O污染小、可循环使用，符合绿色化学理念c．同等条件下，用FeCl3·6H2O比浓硫酸的平衡转化率高②仪器B的作用为________________。
(3)操作2用到的玻璃仪器是__________________。
解析：(2)①结合制备流程知，环己醇在FeCl3·6H2O的催化下，加热生成环己烯，故烧瓶A中进行的可逆反应为。浓硫酸具有脱水性和强氧化性，能使原料环己醇炭化并产生SO2；使用FeCl3·6H2O污染小，符合绿色化学理念；催化剂只改变化学反应速率，不影响平衡转化率。②B为冷凝管，可以冷凝回流，减少环己醇蒸出。(3)操作2是分液操作，用到的玻璃仪器有分液漏斗和烧杯。
(4)将操作3(蒸馏)的步骤补齐：安装蒸馏装置，加入待蒸馏的物质和沸石，____________，弃去前馏分，收集83 ℃的馏分。Ⅱ.环己烯含量的测定在一定条件下，向a g环己烯样品中加入定量制得的b ml Br2，与环己烯充分反应后，剩余的Br2与足量KI作用生成I2，用c ml·L－1的Na2S2O3标准溶液滴定，终点时消耗Na2S2O3标准溶液V mL(以上数据均已扣除干扰因素)。测定过程中，发生的反应如下：①②Br2＋2KI===I2＋2KBr③I2＋2Na2S2O3===2NaI＋Na2S4O6
解析：(4)蒸馏操作时，加入待蒸馏的物质和沸石后，先通冷凝水，再加热，弃去前馏分，然后收集。
(5)滴定所用指示剂为_________。样品中环己烯的质量分数为______________(用字母表示)。(6)下列情况会导致测定结果偏低的是________ (填序号)。a．样品中含有苯酚杂质b．在测定过程中部分环己烯挥发c．Na2S2O3标准溶液部分被氧化
【练后总结】1．有机综合实验中三个关键点(1)加热：酒精灯的火焰温度一般在400～500 ℃，乙酸乙酯的制取、石油的蒸馏等实验选用酒精灯加热，若温度要求更高，可选用酒精喷灯或电炉加热。除上述加热方式外还可以根据加热的温度要求选择水浴、油浴、沙浴加热。(2)防暴沸：加沸石(碎瓷片)，防止溶液暴沸，若开始忘加沸石(碎瓷片)，需冷却后补加。
(3)冷凝回流 有机物易挥发，因此在反应中通常要采用冷凝回流装置，以减少有机物的挥发，提高原料的利用率和产物的产率。如图1、图3中的冷凝管，图2中的长玻璃管B的作用都是冷凝回流。
2．常见有机物分离提纯的方法(1)分液：用于分离两种互不相溶(密度也不同)的液体。(2)蒸馏：用于分离沸点不同的液体。分馏的原理与此相同。 (3)洗气：用于除去气体混合物中的杂质，如乙烷中的乙烯可通过溴水洗气除去。(4)萃取分液：如分离溴水中的溴和水，可用四氯化碳或苯进行萃取，然后分液。
3．有机综合类的一般分析流程
探究突破二　以流程分析为载体的实验综合
[例2]　连二亚硫酸钠(Na2S2O4)俗称保险粉，是一种淡黄色粉末，易溶于水，不溶于乙醇。在实验室制备连二亚硫酸钠流程如下：
(1)反应Ⅰ是制备SO2，下图装置可制取纯净干燥的SO2： ①按气流方向连接各仪器接口，顺序为a→__________→f，装置D的作用是________。②装置A中反应的化学方程式为__________________________________。
解析：(1)①铜和浓硫酸在加热条件下反应制取二氧化硫，生成的二氧化硫中含有水蒸气，需要干燥；二氧化硫的密度比空气大，可以与水反应，应使用向上排空气法收集，收集时气体应长进短出，二氧化硫有毒，不能排放到空气中需要尾气处理，吸收尾气时，需要安装防倒吸装置，则按气流方向连接各仪器接口，顺序为a→d→e→c→b→f；二氧化硫被氢氧化钠吸收，使装置内压减小，易发生倒吸，则D为防倒吸装置；②铜和浓硫酸在加热条件下反应，化学方程式为：Cu＋2H2SO4(浓) SO2↑＋CuSO4＋2H2O；
(2)反应Ⅱ所用实验装置如图所示(部分装置省略)。 ①通SO2之前先强力搅拌，将锌粉和水制成悬浊液，其目的是_______________________；控制反应温度的方法是________________。②反应Ⅱ的离子方程式为________________________________________。(3)“滤渣”经洗涤、灼烧，可得到一种工业产品是______ (填化学式)；加入适量饱和食盐水的目的是_____________________。(4)产品Na2S2O4·2H2O久置空气中易被氧化，其氧化产物可能是________________________________________(写2种)。
加快SO2与Zn的反应速率
减小Na2S2O4的溶解度
Na2SO3、NaHSO3、Na2SO4或NaHSO4(任写2种)
[练2]　硫酸铁铵[NH4Fe(SO4)2·xH2O]是一种重要铁盐。为充分利用资源，变废为宝，在实验室中探究采用废铁屑来制备硫酸铁铵，具体流程如下：
回答下列问题：(1)步骤①的目的是去除废铁屑表面的油污，方法是____________。(2)步骤②需要加热的目的是__________，温度保持80～95 ℃，采用的合适加热方式是__________。铁屑中含有少量硫化物，反应产生的气体需要净化处理，合适的装置为______(填标号)。
解析：本题涉及的考点有铁及其化合物、氧化还原反应和工艺流程等；考查了学生将实际问题分解，通过运用相关知识分析和解决化学问题的能力，体现了科学态度与社会责任的学科核心素养，以及关注社会发展的价值观念。(1)用热纯碱溶液洗去铁屑表面的油污后，再用水洗涤铁屑表面附着物。(2)加热可以加快化学反应速率，进而加快铁屑的溶解。为便于控制温度在80～95 ℃，可采取水浴加热方式。铁屑中硫化物与稀H2SO4反应生成酸性气体H2S，可用碱液吸收，并用倒扣漏斗，既能充分吸收又能防止倒吸。
(3)步骤③中选用足量的H2O2，理由是_____________________________。分批加入H2O2，同时为了_______________，溶液要保持pH小于0.5。(4)步骤⑤的具体实验操作有______________________________，经干燥得到硫酸铁铵晶体样品。(5)采用热重分析法测定硫酸铁铵晶体样品所含结晶水数，将样品加热到150 ℃时失掉1.5个结晶水，失重5.6%。硫酸铁铵晶体的化学式为__________________。
将Fe2＋全部氧化为Fe3＋，不引入杂质
加热浓缩、冷却结晶、过滤(洗涤)
NH4Fe(SO4)2·12H2O
解题说明1．题型说明化工流程实验题的命题来源很广，与各个知识模块的结合点较多，因此分析工业生产化工流程实验题时，应将流程路线、试题设问和理论知识有机结合起来，它常常结合工艺流程考查基本化学实验问题，可以说它是无机框图题的创新。流程的呈现形式有①操作流程；②物质变化流程；③装置流程。
2．解题分析解题时首先要分析流程图，要明确原料和产品(包括副产品)，即箭头进出方向，其次依据流程图分析反应原理，紧扣信息，搞清流程中每一步发生了什么反应，弄清有关反应原理，明确目的(如沉淀反应、除杂、分离)；然后再分析具体制备装置图，结合物质的分离及定量测定等基本操作，有效地进行信息的利用，准确表述和工整书写。所以只有复习时牢固掌握实验基础知识，才能有效结合题中的信息，准确答题。
探究突破三　以组成含量为载体的实验综合
[例3]　为测定某氟化稀土样品中氟元素的质量分数，某化学兴趣小组进行了如下实验。利用高氯酸(高沸点酸)将样品中的氟元素转化为氟化氢(低沸点酸)蒸出，再滴定测量。实验装置如图所示。
(1)a的作用是___________，仪器d的名称是____________。(2)检查装置气密性：_____________________________ (填操作)，关闭K，微热c，导管e末端有气泡冒出；停止加热，导管e内有一段稳定的水柱，说明装置气密性良好。
在b和f中加水，水浸没导管a和e末端
解析：(1)a的作用是平衡压强，防止圆底烧瓶中压强过大，引起爆炸。仪器d的名称是直形冷凝管。(2)检查装置气密性时在b和f中加水，使水浸没a和e的末端，从而形成密闭体系。
(3)c中加入一定体积高氯酸和m g氟化稀土样品，f中盛有滴加酚酞的NaOH溶液。加热b、c，使b中产生的水蒸气进入c。①下列物质可代替高氯酸的是_____ (填字母)。A．硝酸 B．盐酸C．硫酸 D．磷酸②实验中除有HF气体外，可能还有少量SiF4(易水解)气体生成。若有SiF4生成，实验结果将_________ (填“偏高”“偏低”或“不受影响”)。③若观察到f中溶液红色褪去，需要向f中及时补加NaOH溶液，否则会使实验结果偏低，原因是________________________________。
充分吸收HF气体，防止其挥发损失
解析： (3)①此实验是利用高氯酸(高沸点酸)将样品中的氟元素转化为HF(低沸点酸)蒸出。硝酸和盐酸易挥发，A、B项错误；硫酸和磷酸沸点高，难挥发，C、D正确。
(4)向馏出液中加入V1 mL c1 ml·L－1 La(NO3)3溶液，得到LaF3沉淀，再用c2 ml·L－1 EDTA标准溶液滴定剩余La3＋(La3＋与EDTA按1∶1配合)，消耗EDTA标准溶液V2 mL，则氟化稀土样品中氟的质量分数为______________。(5)用样品进行实验前，需要用0.084 g氟化钠代替样品进行实验，改变条件(高氯酸用量、反应温度、蒸馏时间)，测量并计算出氟元素质量，重复多次。该操作的目的是____________________。
[练3]　三氯氧磷(POCl3)常用作半导体掺杂剂及光导纤维原料，实验室制备POCl3并测定产品含量的实验过程如下：Ⅰ.制备POCl3采用氧气氧化液态PCl3法制取POCl3，实验装置(加热及夹持仪器略)如图所示：
已知：①Ag＋＋SCN－===AgSCN↓；Ksp(AgCl)>Ksp(AgSCN)；磷酸银溶于硝酸。②PCl3和POCl3的相关信息如下表：
(1)POCl3遇水反应的化学方程式为____________________________。(2)装置B的作用除干燥O2外，还有：____________________。(3)反应温度要控制在60～65℃，原因是______________________________________________________。
POCl3＋3H2O===H3PO4＋3HCl
平衡压强、观察O2的流速
温度过低，反应速率太慢；温度过高，PCl3易挥发，利用率低
Ⅱ.测定POCl3产品的含量实验步骤：①制备POCl3实验结束后，待三颈烧瓶中的液体冷却至室温，准确称取30.7 g POCl3产品，置于盛有60.00 mL蒸馏水的水解瓶中摇动至完全水解，将水解液配成100.00 mL溶液。②取10.00 mL溶液于锥形瓶中，加入10.00 mL 3.2 ml·L－1 AgNO3标准溶液。③加入少许硝基苯用力摇动，使沉淀表面被有机物覆盖。④以NH4Fe(SO4)2为指示剂，用0.2 ml·L－1 KSCN溶液滴定过量的AgNO3溶液，达到滴定终点时共用去10.00 mL KSCN溶液。(4)步骤③中加入硝基苯的作用是_________________________________________________。(5)产品中POCl3的质量分数为________(保留四位有效数字)。
防止在滴加KSCN溶液时，将AgCl沉淀转化为AgSCN沉淀
【练后总结】1．定量实验数据的测量方法(1)沉淀法：先将某种成分转化为沉淀，然后称量纯净、干燥的沉淀的质量，再进行相关计算。(2)测气体体积法：对于产生气体的反应，可以通过测定气体体积的方法测定样品纯度。①常见测量气体体积的实验装置 ②量气时应注意的问题a．量气时应保持装置处于室温状态。b．读数时要特别注意消除“压强差”，保持液面相平还要注意视线与凹液面最低处相平。如图中(Ⅰ)(Ⅳ)应使左侧和右侧的液面高度保持相平。
(3)测气体质量法将生成的气体通入足量的吸收剂中，通过称量实验前后吸收剂的质量，求得所吸收气体的质量，然后进行相关计算。(4)滴定法即利用滴定操作原理，通过酸碱中和滴定、沉淀滴定和氧化还原反应滴定等获得相应数据后再进行相关计算。(5)热重法只要物质受热时发生质量变化，都可以用热重法来研究物质的组成。热重法是在控制温度的条件下，测量物质的质量与温度关系的方法。通过分析热重曲线，我们可以知道样品及其可能产生的中间产物的组成、热稳定性、热分解情况及生成产物等与质量相联系的信息。
2．定量实验数据的处理方法(1)看数据是否符合测量仪器的精度特点，如用托盘天平测得质量的精度为0.1 g，若精度值超过了这个范围，说明所得数据是无效的。(2)看数据是否在误差允许范围内，若所得的数据明显超出误差允许范围，要舍去。(3)看反应是否完全，是否是过量反应物作用下所得的数据，只有完全反应时所得的数据，才能进行有效处理和应用。(4)看所得数据的测试环境是否一致，特别是气体体积数据，只有在温度、压强一致的情况下得出的数据才能进行比较、运算。(5)看数据测量过程是否规范、合理，错误和违反测量规则的数据需要舍去。
1.[全国乙卷·27]氧化石墨烯具有稳定的网状结构，在能源、材料等领域有着重要的应用前景。通过氧化剥离石墨制备氧化石墨烯的一种方法如下(装置如图所示)： Ⅰ.将浓H2SO4、NaNO3、石墨粉末在c中混合，置于冰水浴中。剧烈搅拌下，分批缓慢加入KMnO4粉末。塞好瓶口。Ⅱ.转至油浴中，35 ℃搅拌1小时，缓慢滴加一定量的蒸馏水，升温至98 ℃并保持1小时。Ⅲ.转移至大烧杯中，静置冷却至室温。加入大量蒸馏水，而后滴加H2O2至悬浊液由紫色变为土黄色。Ⅳ.离心分离，稀盐酸洗涤沉淀。Ⅴ.蒸馏水洗涤沉淀。Ⅵ.冷冻干燥，得到土黄色的氧化石墨烯。
回答下列问题：(1)装置图中，仪器a、c的名称分别是________、________，仪器b的进水口是____ (填字母)。(2)步骤Ⅰ中，需分批缓慢加入KMnO4粉末并使用冰水浴，原因是________________________。(3)步骤Ⅱ中的加热方式采用油浴，不使用热水浴，原因是________________________________。
反应放热，防止反应过快
加热温度接近水的沸点，油浴更易控温
取少量洗出液，滴加BaCl2，没有白色沉淀生成
H＋与Cl－电荷平衡，洗出液接近中性时，可认为Cl－洗净
2．[2020·全国卷Ⅰ·27]为验证不同化合价铁的氧化还原能力，利用下列电池装置进行实验。 回答下列问题：(1)由FeSO4·7H2O固体配置0.10 ml·L－1 FeSO4溶液，需要的仪器有药匙、玻璃棒、____________________ (从下列图中选择，写出名称)。
解析：(1)利用固体配制一定物质的量浓度的溶液时需要用托盘天平称量固体，用烧杯溶解固体，用量筒量取蒸馏水。
(2)电池装置中，盐桥连接两电极电解质溶液。盐桥中阴、阳离子不与溶液中的物质发生化学反应，并且电迁移率(u∞)应尽可能地相近。根据下表数据，盐桥中应选择________作为电解质。
(3)电流表显示电子由铁电极流向石墨电极。可知，盐桥中的阳离子进入________电极溶液中。(4)电池反应一段时间后，测得铁电极溶液中c(Fe2＋)增加了0.02 ml·L－1。石墨电极上未见Fe析出。可知，石墨电极溶液中c(Fe2＋)＝____________。(5)根据(3)、(4)实验结果，可知石墨电极的电极反应式为______________，铁电极的电极反应式为__________________。因此，验证了Fe2＋氧化性小于________、还原性小于_____。(6)实验前需要对铁电极表面活化。在FeSO4溶液中加入几滴Fe2(SO4)3溶液，将铁电极浸泡一段时间，铁电极表面被刻蚀活化。检验活化反应完成的方法是_________________________________________。
0.09 ml·L－1
Fe3＋＋e－===Fe2＋
Fe－2e－===Fe2＋
取少量溶液，滴入KSCN溶液，不出现血红色
解析： (3)电子由负极流向正极，结合电子由铁电极流向石墨电极，可知铁电极为负极，石墨电极为正极。盐桥中的阳离子流向正极(石墨电极)溶液中。(4)由题意知负极反应为Fe－2e－===Fe2＋，正极反应为Fe3＋＋e－===Fe2＋，则铁电极溶液中c(Fe2＋)增加0.02 ml·L－1时，石墨电极溶液中c(Fe2＋)增加0.04 ml·L－1，故此时石墨电极溶液中c(Fe2＋)＝0.09 ml·L－1。(5)石墨电极的电极反应式为Fe3＋＋e－===Fe2＋，铁电极的电极反应式为Fe－2e－===Fe2＋，故验证了氧化性：Fe3＋>Fe2＋，还原性：Fe>Fe2＋。(6)该活化反应为Fe＋2Fe3＋===3Fe2＋，故通过检验Fe3＋可说明活化反应是否完成，具体操作为取少量活化后溶液于试管，滴加几滴KSCN溶液，若溶液不变血红色，则说明活化反应已完成。
3．[2020·全国卷Ⅱ·27]苯甲酸可用作食品防腐剂。实验室可通过甲苯氧化制苯甲酸，其反应原理简示如下：
实验步骤：(1)在装有温度计、冷凝管和搅拌器的三颈烧瓶中加入1.5 mL甲苯、100 mL水和4.8 g(约0.03 ml)高锰酸钾，慢慢开启搅拌器，并加热回流至回流液不再出现油珠。(2)停止加热，继续搅拌，冷却片刻后，从冷凝管上口慢慢加入适量饱和亚硫酸氢钠溶液，并将反应混合物趁热过滤，用少量热水洗涤滤渣。合并滤液和洗涤液，于冰水浴中冷却，然后用浓盐酸酸化至苯甲酸析出完全。将析出的苯甲酸过滤，用少量冷水洗涤，放在沸水浴上干燥。称量，粗产品为1.0 g。(3)纯度测定：称取0.122 g粗产品，配成乙醇溶液，于100 mL容量瓶中定容。每次移取25.00 mL溶液，用0.010 00 ml·L－1的KOH标准溶液滴定，三次滴定平均消耗21.50 mL的KOH标准溶液。
回答下列问题：(1)根据上述实验药品的用量，三颈烧瓶的最适宜规格为 ____ (填标号)。A．100 mL B．250 mLC．500 mL D．1 000 mL(2)在反应装置中应选用 ______冷凝管(填“直形”或“球形”)，当回流液不再出现油珠即可判断反应已完成，其判断理由是_____________________________________。(3)加入适量饱和亚硫酸氢钠溶液的目的是____________________________________________；该步骤亦可用草酸在酸性条件下处理，请用反应的离子方程式表达其原理_________________________________________________。
无油珠说明不溶于水的甲苯已经被完全氧化
除去过量的高锰酸钾，避免在用盐酸酸化时，产生氯气
(4)“用少量热水洗涤滤渣”一步中滤渣的主要成分是_________。(5)干燥苯甲酸晶体时，若温度过高，可能出现的结果是________________。(6)本实验制备的苯甲酸的纯度为_______；据此估算本实验中苯甲酸的产率最接近于____ (填标号)。A．70%　　B．60% C．50%　　D．40%(7)若要得到纯度更高的苯甲酸，可通过在水中_______的方法提纯。
回答下列问题：(1)装置A中a的作用是_________________________；装置C中的试剂为____________；装置A中制备Cl2的化学方程式为__________________________________。(2)上述装置存在一处缺陷，会导致KMnO4产率降低，改进的方法是______________________________________。(3)KMnO4常作氧化还原滴定的氧化剂，滴定时应将KMnO4溶液加入________(填“酸式”或“碱式”)滴定管中；在规格为50.00 mL的滴定管中，若KMnO4溶液起始读数为15.00 mL，此时滴定管中KMnO4溶液的实际体积为_____ (填标号)。A．15.00 mL B．35.00 mLC．大于35.00 mL D．小于15.00 mL
平衡气压，使浓盐酸顺利滴下
Ca(ClO)2＋4HCl===CaCl2＋2Cl2↑＋2H2O
在装置A、B之间加装盛有饱和食盐水的洗气瓶