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初中三年级化学

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首页 初中三年级化学知识 实验室制取和收集气体的思路 设计实验和科学探究 试题正文
  • 实验题
    按表中要求收集四瓶氢气和空气混合气，并点火实验，结果列于表中．

    （1）如何收集混合气[以V（H2）/V（空气）=2：8为例]？___________________________________________
    （2）由点火实验的结果可知，氢气在空气混合气中爆炸范围的上限在______%（体积，下同）至________%之间．
    （3）为进一步精确探究爆炸范围的上限，请再收集三瓶混合气并点火实验．写出具体的方案、结论：___________________________________．
    本题信息：2011年河南省竞赛题化学实验题难度一般 来源:李芳芳（初中化学）
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本试题 “按表中要求收集四瓶氢气和空气混合气，并点火实验，结果列于表中．（1）如何收集混合气[以V（H2）/V（空气）=2：8为例]？__________________________________...” 主要考查您对

实验室制取和收集气体的思路

设计实验和科学探究

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实验室制取气体的思路：

      1．知识要点详解在初中化学中，主要应掌握O2、H2、CO2的实验室制法。可以从制备所需仪器、药品、反应原理、收集方法、实验装置、验满、验纯及操作要点等方面进行比较。通过比较，能够总结和归纳实验室制取气体的思路。即：研究反应原理一根据所选药品的状态和反应条件，选择适当的仪器组成相应的实验装置一根据实验装置的特点，设计合理的实验操作步骤，预测可能的注意事项一根据所制取气体的性质，选择相应的收集、检验、验满及验纯的方法。
      实验室制取气体及验证其性质的实验，属于基本操作的简单综合实验。通过对比发生装置和收集装置，总结气体的个性及几种气体的共性，提高记忆效果。 

      2．设计装置的依据制取气体的装置分两部分：气体发生装置和气体收集装置。
      发生装置的选取根据反应条件和反应物的状态而设计，收集装置是根据气体的性质(主要是物理性质)而确定的。
      确定收集装置的原则——气体的收集方法是由该气体的性质，如密度、在水中的溶解性、是否与空气或水反应、是否有毒等决定的。


气体发生装置：

①“固+固”的反应，简称“固体加热型”，装置如图A所示，如用KMnO4或KClO3和MnO2制O2。
②“固+液”的反应，简称“固液常温型”，装置如图B、C、D、E。如用H2O2和MnO2制O2、用锌粒与稀H2SO4制H2或用CaCO3与稀盐酸制CO2。同B装置相比，D装置具有便于添加液体药品，制取的气体量较多的优点；C装置不仅添加液体药品方便，而且可通过导管上的开关控制反应的发生和停止；E装置可通过分液漏斗的活塞控制加入药品的量和速度。

③“固+液”的反应的发生装置的其他改进：
为了节约药品，方便操作，可设计如下图所示装置，这些装置都可自动控制。

当打开弹簧夹时，溶液进入反应器内开始反应；当关闭弹簧夹时，气路不通，反应产生的气体将溶液压出反应器外，液体与同体分离，反应停止。

气体收集装置：

收集装置
选择条件 难溶或微溶于水，与水不发生化学反应的气体。如：H2、 O2、CH4等 不与空气发生反应，密度比空气密度大的气体。如：O2、 CO2等 不与空气发生反应，密度比空气密度小的气体。如：H2、CH4等
说明 ①使用排水法收集的气体较纯净，但缺点是会使收集的气体中禽有水蒸气。当导管口有连续均匀的气泡冒出时才开始收集，当有大量气泡从集气瓶口冒出时，表明气体已收集满。
②用向上排空气法收集气体，应注意将导管伸到接近集气瓶瓶底，同时应在瓶口盖上玻璃片，以便尽可能地排尽空气，提高所收集气体的纯度。使用排空气法收集的气体比较十燥，但纯度较低，需要验满(可燃性气体则要注意安全，点燃之前一定要验纯，否则有爆炸危险)

药品的选取和实验方案的设计：

(1)可行性：所选取的药品能制得要制取的气体；
(2)药品廉价易得；
(3)适宜的条件：要求反应条件易达到，便于控制；
(4)反应速率适中：反应速率不能太快或太慢，以便于收集或进行实验；
(5)气体尽量纯净；
(6)注意安全性：操作简便易行，注意防止污染。
例如：①实验室制取H2时选用锌粒，而不用镁条、铁片，原因是镁价格贵且反应速率太快而铁反应速率又太慢；酸选用稀硫酸，而不宜用稀盐酸、浓硫酸，因为用稀盐酸制得的H2，因混有HCl而不纯，而锌与浓硫酸反应不生成H2.
②制CO2时可选用用石灰石(或大理石)与稀盐酸，而不选用Na2CO3浓盐酸、稀硫酸，原因是Na2CO3，反应速率太快，浓盐酸易挥发出HCl气体，稀硫酸反应不能进行到底，也不能煅烧石灰石，因为条件不易达到，不呵操作；
④用KClO3、过氧化氢制O2时，要加少量的MnO2，作催化剂，以加快反应的速率

实验室制取气体的实验操作程序：

实验室制取气体存选择好药品、仪器后操作的一般程序：
(1)组装仪器：一般按从左到右，从下到上的顺序进行；
(2)检查装置气密；
(3)装药品：若是固体跟液体反应，一般是是先装入固体再加入液体；
(4)准备收集装置：若用排水法收集气体时，应在制取气体之前将集气瓶盛满水；
(5)制取气体；
(6)收集气体并验满；
(7)拆洗仪器。
注意：①给同体加热时．试管口要略向下倾斜；
②用加热KMnO4或KClO3(MnO2作催化剂)的方法制取O2，若用排水法收集，实验完毕时应先把导管移出水槽再移走酒精灯；
③固体跟液体反应制取气体时，要注意长颈漏斗末端要插入液面以下进行液封，以防漏气。

装置的选取与连接：

实验室制取气体的实验往往与气体的净化、气体的干燥综合在一起。气体综合实验的装置选择及连接顺序为：


气体净化的几种方法：

(1)吸收法：用吸收剂将杂质气体吸收除去。如除去CO中混有的少量CO2，可先用浓NaOH溶液吸收CO2，再用浓硫酸等干燥剂除去水蒸气。常用吸收剂如下表：
吸收剂 吸收的气体杂质 吸收剂 吸收的气体杂质
水 可溶性的气体：HCl，NH3 NaOH CO2，HCl，H2O
无水CuSO4 H2O 碱石灰 CO2,HCl ,H2O
灼热的铜网 O2 NaOH CO2,HCl
灼热的CuO H2，CO 浓硫酸 H2O
(2)转化法：通过化学反血，将杂质气体转化为所要得到的气体：如除去CO2中的CO，可将混合气体通过足量的灼热CuO+COCu+CO2

气体的干燥：

气体的干燥是通过干燥剂来实现的，选择干燥剂要根据气体的性质。一般原则是：酸性干燥剂不能用来干燥碱性气体，碱性干燥剂不能用来干燥酸性气体，干燥装置由干燥剂的状念决定．
(1)常见的干燥剂
干燥剂 可干燥的气体 不可干燥的气体
名称或化学式 酸碱性 状态
浓H2SO4 酸性 液体 H2、N2、O2、CO2、HCl、CH4、CO NH3
固体NaOH、生石灰，碱石灰（氢氧化钠和生石灰的混合物） 碱性 固态 H2、O2、N2、CH4、CO、NH3等 CO2、SO2、HCl
无水CaCl2 中性 固态 除NH3外的所有气体 NH3

(2)干燥装置的选择
 ①除杂试剂为液体时，常选用洗气瓶，气体一般是 “长进短出”，如下图A。
②除杂试剂为同体时，常选用干燥管(球形或u 形)，气体一般是“大进小出”，如下图B、C。
③需要通过加热与固体试剂发生化学反应除去的气体，常采用硬质玻璃管和酒精灯，如下图D。


装置连接顺序的确定规律：

(1)除杂和干燥的先后顺序
①若用洗气装置除杂，一般除杂在前，干燥在后。原因：从溶液中出来的气体通常混有水蒸气，干燥在后可将水蒸气完全除去。如除去CO中混有的CO2和水蒸气，应将气体先通过。NaOH溶液，再通过浓H2SO4。
②若用加热装置除杂，一般是干燥在前，除杂在后。如除去CO2中混有的CO和水蒸气，应将气体先通过浓H2SO4，再通过灼热的CuO。
(2)除去多种杂质气体的顺序一般是先除去酸性较强的气体。如N2中混有 HCl、H2O(气)、O2时，应先除去HCl，再除去水，最后除去O2(用灼热的铜网)。
(3)检验多种气体的先后顺序(一般先验水蒸气)：有多种气体需要检验时，应尽量避免前步检验对后步检验的干扰。如被检验的气体中含有CO2和水蒸气时，应先通过无水CuSO4。检验水蒸气，再通过澄清的石灰水检验CO2.

确定气体收集方法的技巧：

（1）排水集气法适用于“不溶于水且小与水反应的气体”，如下图A。
（2）向上排空气法适用于“密度比空气大且小与空气成分反应的气体”(相对分子质量大于29的气体)，如下图B。
（3）向下排空气法适用于“密度比空气小且小与空气成分反应的气体”(相对分子质量小于29的气体)，如下图C。

 （4）不能用排空气法收集的气体
①气体的密度与空气的密度相近时不能用排空气法收集
②当气体与空气中某一成分反应时不能用排空气法收集
（5）有毒气体收集方法的确定
①有毒，但气体难溶于水时，一般采用排水法收集。如下图D
②有毒，但气体叉易溶于水时，则采用带双孔胶塞(一长一短的导气管)的集气瓶利用排空气法收集该气体，但必须接尾气处理装置，以免多余的有毒气体逸散到空气中污染空气，如收集氨气可用图E。


气体制取实验中关于仪器或装置选择题目的解题技巧：

(1)需要研究气体实验室制法的化学反应原理；
(2)需要研究制取这种气体所应采用的实验装置；
(3)需要研究如何证明制得的气体就是要制取的气体。
根据给出的仪器或装置进行选取时，应明确制取气体的发生装置主要是两套(同体加热型和固液常温型)，依据反应物的状态和反应条件来确定选用哪套发生装置；气体的收集装置主要就是三套(向上排空气法、向下排空气法和排水法)，依据气体的性质来确定选用什么样的收集装置。选择仪器时要注意先对实验原理进行判断，然后再根据原理确定装置所需要的仪器。
实验室制取气体的思路图:


科学探究：

(1)
(2)化学课程中的科学探究，是学生积极主动地获取化学知识、认识和解决化学问题的重要实践活动。它涉及提出问题、猜想与假设、制订计划、进行实验、收集证据、解释与结论、反思与评价、表达与交流等要素。学生通过亲身经历和体验科学探究活动，激发对化学学习的兴趣，增进对科学的情感，理解科学的本质，学习科学探究的方法，初步形成科学探究能力。科学探究是一种重要的学习方式，也是初中化学课程的重要内容，对发展学生的科学素养具有不可替代的作用。


化学学科科学探究的特点
(1)新课标改革的理念是倡导探究式学习，“科学探究”是化学课程中重要的学习方式，使学生养成科学的思维方法和创新精神，培养学生的实践能力，因此，科学探究就是让学生有更多的机会去体验知识的探究过程，在探究过程中学习，在合作中学习，在学生与学生、教师与学生的交流中提升。“科学探究”是以问题为中心，南学生自己运用已有的知识选择恰当的手段，探究未知的现象、数据，并通过对获得的现象、数据的分析、归纳，得出正确的实验结论。从而使学生养成科学探究的态度，获得科学方法，提高运用科学知识解决生产、生活中实际问题的能力。

(2)针对化学学科的特点，具体可从以下几个方面加强对科学探究的认识：
①感受到科学探究是人们获取科学知识、认识客观世界的重要途径；
②意识到提出问题和作出猜想对科学探究的重要性，知道猜想必须用事实来验证；
③知道科学探究可以通过实验、观察等多种手段获取事实和证据；
④认识到科学探究既需要观察和实验，又需要进行推理和判断；
⑤认识到合作与交流在科学探究中的重要作用.

科学探究的要素和目标：
探究过程要素 达到目的
提出问题 a．能从日常现象或化学学习中，经过启发或独立地发现一些有价值的问题
b．能比较清楚地表述所发现的问题
猜想与假设 a．能主动地或在他人的启发下对问题可能的答案作出猜想或假设
b．具有依据已有的知识和经验对猜想或假设作出初步论证的能力
制订计划 a．在教师指导下或通过小组讨论，提出活动方案，经历制定科学活动计划的过程
b．能在教师指导下或通过小组讨论，根据所要探究的具体问题设计简单的化学实验方案，并且具有控制实验条件的能力
进行实验 a．能积极参与化学实验
b．能顺利地完成实验操作
c．能在实验操作中做到观察和思考相结合
收集证据 a．具有较强的实证意识
b．学习运用各种方式对物质及其变化进行观察
c．能独立地或与他人合作对观察和测量的结果进行记录，并运用图表等形式加以表述
d．初步学会运用调查、资料查阅等方式收集解决问题所需要的证据
解释与结论 a．能对事实与证据进行简单的加工与整理，初步判断事实与假设之间的关系
b．能依据一定的标准对物质及其变化进行简单的分类
c．能在教师的指导下或通过与他人讨论对所获得的事实与证据进行归纳，从而得出正确的结论
d．初步学会通过比较、分类、归纳、概括等方法认识知识之间的联系，形成合理的知识结构
反思与评价 a．具有对探究结果的可靠性进行评价的能力
b．能在教师的指导下或通过与他人讨论，对探究学习活动进行反思，发现自己与他人的长处以及存在的不足，并提出改进的具体建议
c．能体验到探究学习活动的乐趣和成功的喜悦
表达与交流 a．能用口头、书面等方式比较明确地表述探究过程和结果，并能与他人进行交流和讨论
b．与他人交流讨论时，既敢于发表自己的观点，又要善于倾听别人的意见

解答实验探究题的方法技巧：
     科学探究是积极主动地获取化学知识和解决化学问题的重要实践活动，根据题目情景提供的信息，要求学生初步学会运用比较、分类、归纳、概括等方法对获取的信息进行加工。要求考生会发现问题、提出问题、分析问题、并作出合理的猜想与假设，会设计实验验证自己的假设，以此考查学生的化学基础知识、综合实验能力和科学探究能力，培养学生的科学探究精神，提高科学素养。解答此类试题思维要有开放性，能探究性地提出问题．要敏锐地发现问题，提出假设和探究验证假设的方法，用观察到的现象和记录的数据进行推理和判断；要注意对试题提供的信息进行分析、数据的处理以及对探究问题的合理猜想和想象，不要生搬硬套，胡乱猜想，应在短时间内切准题目要害，找准突破口。
     
综合实验题答题的基本方法和原则思维过程：
原理一反应物一仪器装置一现象一结论一作用一意义一联想
①实验依据的性质和原理。
②反应物的状态及其替代物。
③装置的性能、使用方法、适用范围、注意事项、是否有替代装置。
④操作顺序、注意事项或操作错误产生的后果。
⑤现象描述要准确、全面、重点突出。
⑥直接得出结论或导出结论。

氧气参加反应的对比实验设计方法：
（1）探究氧气与其他物质反应条件的对比试验
①温度对比试验。用温度对比试验探究物质的着火点。如木炭和煤的着火点不同。
②浓度对比试验。用浓度对比试验探究可燃物能否与氧气发生反应或反应的现象不同。

（2）金属生锈条件的对比试验
与氧气接触铁不会生锈，与氧气、水同时接触铁才能生锈。铜与氧气、水和二氧化碳同时接触才能生锈。金属的生锈条件探究都是通过对比试验完成的。

反应生成氧气速率的对比试验设计方法：
（1）催化剂对制取氧气速率影响的对比试验
①有无催化剂的对比试验。如氯酸钾制氧气加入和不加入二氧化锰的对比试验。
②不同催化剂对过氧化氢分解的对比实验。如可设计对比试验探究MnO2，CuO，Fe2O3等对过氧化氢的分解速率的影响。
（2）浓度对制取氧气速率影响的对比实验。
如取不同浓度的对氧化氢溶液，加入同质量的MnO2观察H2O2分解速率。
在设计对比实验时，必须使用控制变量法。每次对比实验只能研究一个变量，其他的变量应该控制在相同的状态。如设计对比实验研究MnO2和CuO哪种物质对H2O2分解速率影响大，那么容器中的过氧化氢浓度应相同。相反研究浓度对反应速率的影响，必须使用同种，同量的催化剂，温度，压强也应该相同。

控制变量法探究固体物质溶解速率：
中考试题中常出现探究“影响固体物质在水中的溶解速率的因素”的相关实验问题。在口常生活和实验中定性分析较多，如果定量分析就应该用控制变量法。
(1)控制溶质质量、溶剂质量、温度、溶质的颗粒大小，探究搅拌对溶解速率的影响。搅拌比不搅拌溶解得快。
(2)控制溶质质量、溶剂质量、温度，探究溶质的颗粒人小对溶解速率的影响，颗粒小的溶解快。
(3)控制溶质质量、溶剂质量、溶质的颗粒大小，探究温度对溶解速率的影响，对大多数物质来说，温度越高溶解的速率越快。
探究过程中获取、处理信息的常见方法：
（1）观察
①观察要目的明确、重点清晰，具有典型性。如：做关于物质性质的化学实验，重点观察物质性状的改变，包括气味的改变、气体的逸出、沉淀的产生或溶解、颜色的变化。
②观察要准确、仔细，事物变化有时微妙、偶然，在偶然、微妙中包含着飞跃，观察仔细、准确，才会有所收获。如：对于葡萄球菌培养皿中生长出的霉菌可杀死葡萄球菌这一现象，一般人难以发现，英国的弗莱明经过仔细观察发现了这一现象，于是出现了造福于人类的青霉素。
③观察时应对某一事物发生变化前后的现象进行比较，或对相关事物发生变化的现象进行比较，看看相同之处、不同之处，以便从中发现规律。

（2）比较分类
比较分类也是一种常用的方法，关键是在于将学习对象或所研究问题以一定标准分门别类进行对比。找出异同点，分清研究问题和学习对象的特征及相互关系。如：区分化学变化和物理变化时，需找出区分标准——反应前后的物质是否为同种物质。

（3）归纳演绎
归纳是解决一般与特殊的重要方法。归纳时应注意对某些或个别的化学现象、化学问题等进行观察，总结它们的共同点。演绎是利用一般的知识、原理等对特殊的事实、现象进行分析，从而认识特殊情形的本质特征、属性。演绎时注意大小前提的正确性，如：元素周期律的发现及元素周期表的建立，既是比较归纳的结晶，也是演绎的功劳。

发展科学探究能力：
科学探究的活动包括观察、提问、实验、比较、推理、概括、表达及运用等活动，科学思维具有广阔性、深刻性、独立性和敏捷性。下面谈谈科学探究的几种能力。

(1)观察能力观察能力是在亲身实验的条件下观察事物的能力，是有目的、有计划地感知客观事物的能力。观察能力的培养重在观察、发现问题，在科学探究中很重要的一点就是把观察到的内容通过文字描述或者绘图等多种形式表达出来。观察是科学探究的重要手段。

(2)提出问题的能力学生在生活、学习活动中，对自己身边的生活现象或学习化学时遇到的一些事例，能依据所给资料提出有探究价值的问题，并能对可能的答案作出猜想或假设。

(3)操作能力科学探究往往是以实验为载体进行的，而科学探究的重要环节是通过实验验证假设与猜想，从而得出正确的结论，要动手实验，首先要掌握实验操作的基本技能，然后再按一定的操作顺序进行操作。常言道“实践出真知”，就说明了动手操作的重要性。

(4)分析能力分析是通过对整体中的各个部分进行单独研究从而了解整体本质的探究方法。实验过程中要对实验现象、实验数据进行分析，找出它们的规律，然后要思考这些数据说明了什么，对你的假设是否有帮助。对整体中各个部分的研究是认识整体过程的基础。

(5)比较能力比较是将两件或两件以上的事物，通过诸多方面的比较，从而得出异同的过程。比较是分类、归纳和概括的基础。比较能力的培养，对学生认识事物、掌握规律起着巨大作用。因此，在科学探究中应重视比较能力的培养。

(6)归纳概括能力归纳概括是根据一部分信息来推断总体信息。要正确地做出归纳概括，从总体中选出的样本就必须具有代表性、广泛性。如：在学习酸的化学性质时，盐酸和稀硫酸都能使紫色的石蕊试液变红，即可归纳概括出大多数酸溶液都能使紫色石蕊试液变红，这就利用r归纳概括技能。

(7)推理能力当你对观察到的现象做出解释时，即在进行推理时，要注意推理不一定就是事实，即使是根据正确的观察做出的推论，也可能是错误的。要证明推论正确，唯一的方法就是再进一步观察、调查和研究。

(8)评价能力做出评价就是评估某件事情的好坏、对错。如：评价一个实验方案的设计是否合理，操作是否方便，对环境是否有害等。做出评价前，需要全面地考虑到事情的正面与反面，并明确自己持有什么样的观点和评价标准。在科学探究中要学会评价。

(9)合作学习能力化学学习中的科学探究过程，往往是学生小组或团队活动的过程，在合作探究中，学生应具有团结协作、资源共享的能力。

化学科学探究性试题分类：
(1)发现问题类探究题从生活现象、自然现象和实验现象中选出有价值的问题。解释此类问题的关键：观察、分析、联想，提出的问题要有探究价值，要有利于设计实验方案，有利于现象的观察和描述。解答此类探究题的方法：根据题目要求，从不同的角度提出问题，并进行猜想和假设。可以从以下八个方面提出问题和进行猜想：
a．从“对立面”中发现问题和猜想；
b．从“逆向思维”中发现问题和猜想；
c.从生活或实验中发现问题和猜想；
d．从探索闪果中发现问题和猜想；
e．在异常中发现问题和猜想；
f．在类比中发现问题和猜想；
g．在归纳判断中发现问题和猜想；
h．在“理所当然”中发现问题和猜想。然后结合猜想，依据已有的知识经验(如：物质的颜色、状态、气味等宏观性质和特征)去解答问题。注意提出的假设要周密、合理，有科学依据。

(2)假设、验证类探究题对问题有可能的答案作出猜想或假设，并据已有的知识经验对猜想或假设作出初步验证计划，以便设计实验方案。解答时，一是要围绕问题从不同的角度、不同的侧面进行假设或猜想，假设越全面，结论越可靠；二是要注意假设的合理性，要符合化学规律、化学原理，不能凭空设想；三是要从本质上去分析现象，抓住本质提出假设。

(3)收集证据、解释与结论类探究题此类探究题是运用调查、查阅资料等方式收集解决问题的证据，并对所收集的证据和获得的信息进行简单的加工与整理，通过分析比较、分类、归纳概括等方法，认识知识之间的联系，从而得出正确的结论并对结论作出正确的解释。收集证据，要有较强的实证意识，会观察、记录，准确精练的表述是解答此类题目的关键。

(4)结果分析、反思与评价类探究题此类探究题是对所获得的事实、证据进行总结、归纳，得出正确结论，对探究活动进行反思与评价。解答时可用比较、分类、概括、归纳等方法对证据和事实进行加工处理，利用逆向思维，对探究结果进行评价。而实验评价题是由题目提供一套或多套方案，从某一角度或几个方面评价方案的优劣。

(5)综合性探究类此类探究题是对科学探究的基本过程中的几要素进行全方位的考查，体现探究的全过程，解答时要注意结合实践经验和亲身体验，探究性地提出问题，用观察到的现象和数据进行推理、判断，根据试题的目的和要求，结合题设巾的材料，进行解答，思维要有开放性。
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