专题二十一 实验方案的设计与评价1.[2022·安徽理综，28]工业上从废铅蓄电池的铅膏回收铅的过程中，可用碳酸盐溶液与处理后的铅膏(主要成分为PbSO4)发生反应：PbSO4(s)＋CO(aq)===PbCO3(s)＋SO(aq)。某课题组用PbSO4为原料模拟该过程，探究上述反应的实验条件及固体产物的成分。(1)上述反应的平衡常数表达式：K＝________。(2)室温时，向两份相同的PbSO4样品中分别加入同体积、同浓度的Na2CO3和NaHCO3溶液均可实现上述转化，在________溶液中PbSO4转化率较大，理由是________________________。(3)查阅文献：上述反应还可能生成碱式碳酸铅[2PbCO3·Pb(OH)2]，它和PbCO3受热都易分解生成PbO。该课题组对固体产物(不考虑PbSO4)的成分提出如下假设。请你完成假设二和假设三。假设一：全部为PbCO3；假设二：_____________________________________________假设三：______________________________________________。(4)为验证假设一是否成立，课题组进行如下研究。①定性研究：请你完成下表中内容。实验步骤(不要求写出具体操作过程)预期的实验现象和结论取一定量样品充分干燥，……②定量研究：取26.7mg的干燥样品，加热，测得固体质量随温度的变化关系如下图。某同学由图中信息得出结论：假设一不成立。你是否同意该同学的结论，并简述理由：________________________。2．[2022·北京理综，27]有文献记载：在强碱性条件下，加热银氨溶液可能析出银镜。某同学进行如下验证和对比实验。装置实验序号试管中的药品现象实验Ⅰ2mL银氨溶液和数滴较浓NaOH溶液有气泡产生；一段时间后，溶液逐渐变黑；试管壁附着有银镜实验Ⅱ2mL银氨溶液和数滴浓氨水5\n有气泡产生；一段时间后，溶液无明显变化该同学欲分析实验Ⅰ和实验Ⅱ的差异，查阅资料：a．Ag(NH3)＋2H2OAg＋＋2NH3·H2Ob．AgOH不稳定，极易分解为黑色Ag2O(1)配制银氨溶液所需的药品是________。(2)经检验，实验Ⅰ的气体中有NH3，黑色物质中有Ag2O。①用湿润的红色石蕊试纸检验NH3，产生的现象是_____________________________________________________________________。②产生Ag2O的原因是____________________________________________________________________________________________。(3)该同学对产生银镜的原因提出假设：可能是NaOH还原Ag2O。实验及现象：向AgNO3溶液中加入________，出现黑色沉淀；水浴加热，未出现银镜。(4)重新假设：在NaOH存在下，可能是NH3还原Ag2O。用下图所示装置进行实验。现象：出现银镜。在虚线框内画出用生石灰和浓氨水制取NH3的装置简图(夹持仪器略)。(5)该同学认为在(4)的实验中会有Ag(NH3)2OH生成。由此又提出假设：在NaOH存在下，可能是Ag(NH3)2OH也参与了NH3还原Ag2O的反应。进行如下实验：①有部分Ag2O溶解在氨水中，该反应的化学方程式是__________________________________________________________。②实验结果证实假设成立，依据的现象是_____________________________________________________________________________。(6)用HNO3清洗试管壁上的Ag，该反应的化学方程式是_________________________________________________________________。3．[2022·重庆理综，27]氯离子插层镁铝水滑石[Mg2Al(OH)6Cl·xH2O]是一种新型离子交换材料，其在高温下完全分解为MgO、Al2O3、HCl和水蒸气。现用如图装置进行实验确定其化学式(固定装置略去)。5\n(1)Mg2Al(OH)6Cl·xH2O热分解的化学方程式为________________________________________________________________________。(2)若只通过测定装置C、D的增重来确定x，则装置的连接顺序为________(按气流方向，用接口字母表示)，其中C的作用是________。装置连接后，首先要进行的操作的名称是________。(3)加热前先通N2排尽装置中的空气，称取C、D的初始质量后，再持续通入N2的作用是__________________、________________等。(4)完全分解后测得C增重3.65g、D增重9.90g，则x＝________。若取消冷却玻管B后进行实验，测定的x值将________(填“偏高”或“偏低”)。(5)上述水滑石在空气中放置时易发生反应生成[Mg2Al(OH)6Cl1－2x(CO3)y·zH2O]，该生成物能发生类似的热分解反应。现以此物质为样品，用(2)中连接的装置和试剂进行实验测定z，除测定D的增重外，至少还需测定________________________________________________________________________________________________________。专题二十一 实验方案的设计与评价解析1．答案：(1)(2)Na2CO3 Na2CO3溶液中的c(CO)大(3)全部为2PbCO3·Pb(OH)2 PbCO3与2PbCO3·Pb(OH)2(4)①实验步骤(不要求写具体操作过程)预期的实验现象和结论充分加热样品，将产生的气体通入盛有无水硫酸铜的干燥管若无水硫酸铜不变蓝色，则假设一成立；若无水硫酸铜变蓝，则假设一不成立。②同意，若全部为PbCO3时，26.7mg完全分解后最终固体质量应为22.3mg(或：不同意，实验最终得到固体的质量与全部为PbCO3分解所得固体质量相差不大，可能是实验过程中产生的误差引起的)(本题属于开放性试题，合理答案均可)解析：(1)根据反应方程式容易写出反应的平衡常数表达式：K＝。(2)HCO难电离，相同浓度时，Na2CO3溶液中CO浓度远大于NaHCO3溶液中CO的浓度，CO浓度越大，越有利于PbSO4的转化。(3)根据信息及假设一，不难得出假设二和假设三分别为：全部为2PbCO3·Pb(OH)2、PbCO3与2PbCO3·Pb(OH)2的混合物。(4)若全部为PbCO3，则根据PbCO3PbO＋CO2↑，26.7mg全部分解得到的m(PbO)5\n＝×223g·mol－1＝22.3mg，而实际质量为22.4mg，因此假设一不成立。若考虑实验过程中产生的误差，22.3mg与22.4mg相差不大，所以也可认为假设一成立。2.答案：(1)AgNO3溶液和氨水(2)①试纸变蓝②在NaOH存在下，加热促进NH3·H2O分解，逸出NH3，促使Ag(NH3)＋2H2OAg＋＋2NH3·H2O平衡正向移动，c(Ag＋)增大，Ag＋与OH－反应立即转化为Ag2O：2OH－＋2Ag＋===Ag2O↓＋H2O(3)过量NaOH溶液(4)(5)①Ag2O＋4NH3·H2O===2Ag(NH3)2OH＋3H2O②与溶液接触的试管壁上析出银镜(6)Ag＋2HNO3(浓)===AgNO3＋NO2↑＋H2O解析：(1)实验室是用AgNO3溶液和氨水配制银氨溶液。(2)由信息b可知Ag2O是由AgOH分解得到的，结合实验条件加热、NaOH溶液分析信息a中化学平衡移动。(3)既然假设NaOH还原Ag2O，那么溶液中必然要存在NaOH，所以向AgNO3溶液中应该加入过量的NaOH溶液，才可能验证假设是否成立。(4)实验室用生石灰和浓氨水制取NH3的装置应该是固液不加热的装置。(5)依据题意Ag2O溶解在氨水中应该形成Ag(NH3)2OH；假设成立必然会在试管上形成银镜。3．答案：(1)2[Mg2Al(OH)6Cl·xH2O]4MgO＋Al2O3＋2HCl↑＋(5＋2x)H2O↑(2)a→e→d→b吸收HCl气体检查装置的气密性(3)将分解产生的气体全部带入装置C、D中完全吸收 防止产生倒吸(合理答案均给分)(4)3偏低(5)装置C的增重及样品质量(或样品质量及样品分解后残余物质量或装置C的增重及样品分解后残余物质量)解析：(1)根据题给信息：高温下完全分解为MgO、Al2O3、HCl和水蒸气，可写出其化学方程式：2[Mg2Al(OH)6Cl·xH2O]4MgO＋Al2O3＋2HCl↑＋(5＋2x)H2O↑；(2)装置C的作用是吸收反应生成的HCl气体，装置D的作用是吸收水蒸气，应该首先通过D装置吸收水蒸气，后通过C装置吸收HCl；将气体通过洗气瓶进行洗气时，应该从长导管一侧通入气体，故其连接顺序是a→e→d→b；连接好装置后首先应该检查装置的气密性；(3)因为加热后的装置中含有残留的HCl和水蒸气，为了避免引起实验误差，保证反应产生的气体全部被装置C、D吸收，所以要通入N2排出装置内残留的气体，同时也是为了防止产生倒吸；(4)2[Mg2Al(OH)6Cl·xH2O]4MgO＋Al2O3＋5\n2HCl↑＋(5＋2x)H2O↑7318×(5＋2x)3.65g9.9g＝解得：x＝3若没有冷却玻璃管，由于气体湿度高，装置D不能将水蒸气充分吸收从而造成结果偏低。(5)由于化学式中出现了两个未知数，所以必须要测量3个数据，列二元一次方程组进行求解，所以除测定D的增重外，至少还需测定两个数据：装置C的增重及样品质量(或样品质量及样品分解后残余物质量或装置C的增重及样品分解后残余物质量)。5
