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性质实验方案的设计

编　　稿：张　　立　　　　责　　编：顾振海

　　[重点难点]
　　1、了解性质实验方案的设计方法和要求。

　　2、应用乙二酸的性质，设计完整的化学实验方案。

　　3、综合运用高中阶段有关铜和铜的化合物的知识，设计实验方案验证铜和铜的化合物的性质。

　　4、设计实验检验红砖中氧化铁成分

　　[知识讲解]
　　我们知道，物质的结构决定物质的性质，而物质的性质在一定程度上也反映其结构，并决定它的用途和制法。在进行性质实验方案的设计时，要充分了解物质的结构、性质、用途与制法之间的相互关系。要根据物质的结构特点来设计化学实验方案，探究或验证物质所具有的一些性质。对于物质化学性质实验方案的设计，要抓住物质的本质特征进行整体考虑，学会应用分析、比较、综合、概括的方法。可应用元素周期律来分析元素及化合物的有关知识，使物质的存在、性质和制法的知识条理化。在设计实验方案时，要对物质结构与性质有正确的理解与认识。

　　推测物质的性质应从其结构出发，与已学过的物质的结构进行比较，抓共性、找个性。

　　一、乙二酸的结构及其性质推测
　　乙二酸结构简式为，含两个羧基，可推测乙二酸应具有：

　　①酸的通性：和活泼金属反应生成氢气，和碱性氧化物反应生成盐和水，和酸碱指示剂作用，和碱作用生成盐和水，和某些盐作用。

　　②乙二酸晶体中含结晶水，受热时会失去结晶水，继续强热，乙二酸可能分解为气体CO₂和水。

　　③乙二酸能和醇在催化剂作用下发生酯化反应。

　　④乙二酸中两羧基直接相连，可能会被酸性高锰酸钾氧化，使高锰酸钾溶液褪色。

　　⑤根据常识，衣服上沾有蓝墨水，可用乙二酸洗涤干净，说明乙二酸能使蓝墨水褪色。

　　二、设计实验方案，验证乙二酸所具有的性质
　　（1）乙二酸的酸性的检验
　　①分别用洁净的玻璃棒蘸同物质的量浓度的乙二酸溶液、稀硫酸、乙酸点在pH试纸上，并与标准比色卡对比，可看出pH试纸均显红色，说明乙二酸溶液和稀硫酸溶液、乙酸溶液一样均显酸性。那么酸性怎样呢？乙二酸溶液显示的pH试纸红色比乙酸使pH试纸变红的更明显，说明乙二酸酸性强于乙酸。

　　②向盛有少量Na₂CO₃粉末的试管中加入约3mL乙二酸溶液，观察现象。可以看到产生大量的无色气泡，这是CO₂气体，说明乙二酸酸性比H₂CO₃强，综合上述两点，知乙二酸的酸性强于乙酸、碳酸。

　　（2）乙二酸晶体受热分解性质的检验
　　如图，先将导气管通入一倒立的干而冷的小烧杯中，可以看到烧杯内壁有雾状水雾生成，然后再通入澄清的石灰水中，可观察到澄清的石灰水变浑浊，说明乙二酸受热能分解，产物有CO₂和H₂O。

　　说明：
　　验证乙二酸受热分解产物时可直接用上面的装置，加热试管时管口应略向上倾斜。如验证有水生成，可直接观察加热时试管口部出现较多液珠，且冷却之后不变为固体即可。从澄清石灰水变浑浊可证明乙二酸受热分解生成了CO₂。

　　（3）乙二酸和酸性KMnO₄溶液作用－－乙二酸的还原性
　　向盛有约5mL乙二酸饱和溶液的试管中滴入3滴用硫酸酸化的0.5%的KMnO₄溶液，振荡，可观察到酸性KMnO₄溶液褪色，说明乙二酸具有还原性。

　　说明：
　　验证乙二酸的还原性，高锰酸钾溶液浓度不宜过大，而且混合后要充分振荡。最初看到溶液变为浅褐色，过一会儿才接近于无色。

　　（4）乙二酸的酯化反应
　　如图，在一试管中加入3mL乙二醇，然后边摇动试管边慢慢加入2mL浓硫酸和2mL乙二酸，用酒精灯小心均匀地加热试管3min～5min，产生的蒸气经导管通到饱和Na₂CO₃溶液的液面上。可观察到在Na₂CO₃液面上有无色透明油状液体产生，并可闻到香味。这种香味是由酯散发出的，说明乙二酸和乙二醇发生了酯化反应。

　　（5）乙二酸使蓝墨水褪色
　　在一支试管中放一块溅有蓝墨水的布条，用2％的乙二酸与乙二酸钾混合溶液浸泡，可观察到布条上的蓝墨水渍消失了，证明乙二酸能洗去溅在布条上的蓝墨水渍。

　　三、性质实验的设计中，要注意下列问题：
　　1．实验方案要可行。要尽量避免使用高压和特殊催化剂等实验室难以达到的条件，实验方案要简单易行。

　　例如，设计“证明醋酸是弱电解质”的实验时，有这样一个方案：配制pH=1的盐酸溶液和pH=1的醋酸溶液，然后分别取两溶液各1mL均稀释至10mL，然后在两溶液中各加入少量镁条观察现象，产生气泡速率较快的是醋酸。这个实验设计的原理并没有错，但是中学阶段要准确配制pH=1的醋酸在实际操作上是有一定难度的，而且等比例稀释后与镁反应的速率，通过气泡的观察，其结论也是不可靠的。

　　2．实验顺序要科学。要对各个实验步骤进行统一的规划和安排，保证实验的准确高效。同时要减少副反应和避免实验步骤间的干扰。

　　例如，已知柠檬醛结构为：

　　设计柠檬醛的化学性质实验时，有一个方案是：①通过加入高锰酸钾酸性溶液或溴水，根据溶液褪色来验证C=C的性质。②用新制的氢氧化铜悬浊液在加热条件下产生砖红色沉淀来验证醛基的性质。殊不知，由于醛基具有还原性，很容易被氧化，也会使高锰酸钾酸性溶液和溴水褪色，所以实验结论是不准确的。其实只要把实验步骤做一下调整，先用新制的氢氧化铜悬浊液验证醛基的性质，醛基完全氧化成羧基后，再用高锰酸钾酸性溶液或溴水验证C=C的性质，即可避免上述错误。

　　3．实验现象要直观。仍然是设计“证明醋酸是弱电解质”的实验，如果我们去配制一个一定浓度的CH₃COONa溶液，用pH试纸测试溶液的pH，通过测定的结果pH>7来得出醋酸是弱电解质的结论，既操作简便又现象明显。

　　4．实验结论要可靠。要反复推敲实验步骤和多方论证实验结果，做到实验结论的准确可靠。

　　四、设计铜和铜的化合物的性质实验方案
　　1．铜和铜的化合物的性质
　　铜是一种不活泼的金属，可和氧气反应生成CuO，和硫反应只能生成低价的Cu₂S；与盐酸、稀H₂SO₄不反应；与冷的浓H₂SO₄也不反应，在加热条件下可以和浓H₂SO₄作用，但不产生H₂，能与HNO₃作用，其中和浓HNO₃作用生成NO₂气体，和稀HNO₃作用生成NO气体。实验室可利用这些反应来制取SO₂、NO₂、NO等气体；在盐溶液中铜只能置换比它更不活泼的Hg、Ag等金属，但它可以和FeCl₃溶液反应，工业上利用这个原理来腐蚀线路板；铜在干燥的空气中比较稳定，但在潮湿的空气中会发生锈蚀而生成铜绿。

　　氧化铜是碱性氧化物，与酸等反应生成铜盐和水。在氧化铜中铜处于高价，因此氧化铜有一定的氧化性，能氧化乙醇等。因此，铜可以作为乙醇氧化为乙醛的催化剂。

　　硫酸铜晶体带5个单位结晶水，呈蓝色，加热时易失去结晶水变为白色的硫酸粉末。铜离子还能与铁、碱、硫离子等反应。

　　氢氧化铜是弱碱，有弱碱的通性，即：与酸反应、受热分解等。

　　2、实验步骤参考设计如下：
　　（1）铜与非金属反应
　　①用一根铜丝在酒精灯火焰上灼烧，观察铜丝在灼烧前后的变化。

　　　铜丝变黑。说明生成了CuO。

　　②取一支小试管加入少量硫粉，在酒精灯上加热至硫变成蒸气，迅速插入一束擦亮的细铜丝，观察现象。

　　　铜丝在硫蒸气中保持红热，最后变黑，说明生成了Cu₂S。

　　（2）铜与氧化性酸反应
　　①在盛有一小块铜片的试管中加入约3mL浓H₂SO₄，观察现象；小心加热试管，观察现象；把生成的气体通入品红溶液中，观察现象。

　　　可看到铜与冷浓硫酸不反应，在加热时溶液逐渐变蓝色；生成的气体使品红溶液褪色。说明铜与氧化性酸反应，生成SO₂等。

　　②在两支试管中各加入一小块铜片，分别加入少量浓硝酸和稀硝酸，立即用无色透明塑料袋将试管口罩上并系紧，观察发生的现象；然后，将加稀硝酸的试管口上的塑料袋稍稍松开一会儿，使空气进入塑料袋，观察发生的现象。

　　　可看到铜与浓硝酸反应生成红棕色的NO₂，溶液变蓝色；铜与稀硝酸反应生成无色的NO，溶液变蓝色。

　　（3）铜与盐溶液反应
　　①在试管中加入约3mL AgNO₃溶液，插入一根铜丝，过一会儿取出，观察现象。

　　　可见红色的铜表面覆盖了一层银白色的光亮银。证明铜比银活泼。

　　②在盛有一小块铜片的试管中加入约3mL浓FeCl₃溶液，不断振荡试管，观察现象。

　　　可看到溶液由棕黄色逐渐变为蓝绿色，铜不断溶解。

　　（4）铜的催化作用
　　在试管中加入3mL乙醇，把一端弯成螺旋状的铜丝放在酒精灯外焰上加热，使铜表面生成一薄层黑色的氧化铜，立即把它插入盛有乙醇的试管里，这样反复操作几次，闻生成物的气味，并观察铜丝表面的变化。

　　可看到灼烧变黑的铜在乙醇中又变为红色。说明CuO有一定的氧化性。

　　（5）铜的其他性质
　　取两小块铜片，都在教室里，并露置在空气中。使其中一块铜片保持表面的湿润，另一块铜片放在干燥处，使其表面保持干燥。课后不断观察铜片表面的变化。

　　通过数天的观察，可看到湿润的铜表面出现了一层铜锈。

　　（6）铜的化合的性质
　　①取少量CuO粉末于试管中，加入少量水，不溶解；再加入少量稀硫酸，黑色粉末溶解，溶液变为蓝色。说明氧化铜与硫酸反应生成了硫酸铜和水。

　　②取少量硫酸铜晶体于大试管中，把试管固定在铁架台上并使试管口略向下倾斜，加热大试管，会看到蓝色的晶体逐渐变为白色。冷却后，向试管中滴加1滴水，会看到晶体又变成蓝色。

　　③取适量硫酸铜溶液于试管中，向试管中放入一细铁钉，过一会儿看到铁钉表面出现了一层红色的铜。说明铁比铜活泼。

　　④取少量硫酸铜溶液于试管中，滴加少量氢氧化钠溶液，会看到出现蓝色沉淀。说明铜离子与碱反应生成氢氧化铜沉淀。

　　⑤向一盛有硫酸铜溶液的试管中通入硫化氢气体或滴加硫化钠溶液，会看到黑色沉淀出现。说明铜离子与硫离子反应生成了黑色的CuS沉淀。

　　五、红砖中氯化铁成分的检验
　　实验原理：
　　红砖是由粘土烧成的一种常用建筑材料。红砖之所以显红色是因为含有Fe₂O₃。Fe₂O₃是碱性氧化物，可溶于酸(Fe₂O₃+6H⁺=2Fe³⁺+3H₂O)。Fe³⁺可用KSCN溶液检验[Fe³⁺+3SCN^—＝Fe(SCN)₃]。

　　实验步骤及现象：
　　①把约20g红砖粉末，放入小烧杯中，加入20mL 3mol/L盐酸，放置约30min。

　　②从烧杯中取2mL澄清溶液于试管中，滴入0.1moI/L KSCN溶液2滴—3滴，观察到溶液立即显血红色。

　　实验结论：
　　通过实验，说明溶液中含有Fe³⁺，进而说明原红砖中含有Fe₂O₃。

　　注意事项：
　　⑴红砖与盐酸反应较慢，要给予足够的反应时间。

　　⑵可以用KSCN溶液检验，也可用NaOH溶液检验，前者比后者反应灵敏度高。

　　[典型例题]
　　例1．设计双氧水化学性质实验方案。

　　[分析]
　　在设计双氧水化学性质实验方案前，先预测双氧水可能具有的性质。双氧水是H₂O₂的水溶液，H₂O₂中的氧元素是-l价，-1价的氧元素是中间价态，它既能升高又能降低，因此它可能既具有氧化性又具有还原性；中负一价的氧元素在溶液中可能不太稳定(Na₂O₂遇水立刻反应)，因此它可能还具有不稳定性；根据常识，双氧水在医院里可用作皮肤上伤口的消毒剂，而且消毒后皮肤表面变白，这说明双氧水不但能杀菌消毒使蛋白质变性，而且还可能有漂白作用。综上所述，在设计双氧水化学性质实验方案时，可以从以下几个方面加以推测并进行实验：①双氧水可能具有不稳定性，在受热或遇到恰当的催化剂时，可能发生分解，如果分解产物中有气体，很可能是O₂；②双氧水可能具有氧化性，可能会氧化H₂S、Fe²⁺等物质；③双氧水可能具有还原性，可能被KMnO₄酸性溶液、K₂Cr₂O₇溶液等氧化；④双氧水还可能具有漂白性；⑤双氧水可能使鸡蛋白等蛋白质变性。

　　[解]
　　实验步骤设计如下：
　　（1）双氧水的不稳定性
　　①在试管中加入约3mL双氧水，在酒精灯上小火加热，观察现象，然后把带火星的木条伸到试管内，观察现象。

　　②在试管内加入约3mL双氧水，加入少量MnO₂粉末，观察现象；然后把带火星的木条伸到试管内，观察现象。

　　（2）双氧水的氧化性
　　在试管中加入约3mL新制的FeSO₄溶液，同时滴入几滴KSCN溶液，振荡、观察现象；然后逐滴加入双氧水，振荡，观察现象。

　　（3）双氧水的还原性
　　向盛有5mL双氧水的试管中加入10滴用硫酸酸化的1％（质量分数）的KMnO₄溶液，振荡，观察现象；用带火星的木条伸到试管内，观察现象。

　　（4）双氧水的漂白性
　　在两支试管中分别加入1mL品红溶液，然后在其中一支试管中逐滴加入双氧水，振荡，观察现象；在另一支试管中逐滴加入同样多的水，振荡，观察现象。

　　（5）双氧水使鸡蛋白变性
　　在两支试管中分别加入1mL鸡蛋白，然后在第1支试管中加入3rnL水，振荡，观察现象；在第2支试管中逐滴加入同样多的双氧水，振荡，观察现象。若第2支试管有沉淀，则过滤，把溶液再放入试管中，加入适量蒸馏水，观察是否溶解。

　　通过实验，可以观察到双氧水具有不稳定性，在变热或遇到恰当的催化剂时，会发生分解并生成氧气。双氧水具有氧化性，会把Fe²⁺氧化成Fe³⁺。双氧水具有还原性，能使KMnO₄酸性溶液褪色，并生成氧气。双氧水具有漂白性，能使品红溶液褪色。双氧水能使鸡蛋白变性而凝固。

　　例2．BaCl₂溶液中通入SO₂不会产生沉淀，若继续通入另一种气体，使之产生沉淀，请问通入何种气体？

　　分析：
　　我们注意到，SO₂是酸性氧化物，可以与碱性气体反应生成亚硫酸盐，另外具有明显的还原性，容易被氧化成。

　　解答：
　　（1）向溶液中通入NH₃，就可以生成BaSO₃沉淀。反应：

　　（2）通入具有氧化性的气体，如Cl₂、NO₂等，可以生成BaSO₄沉淀。反应如下：

　　（3）SO₂也具有弱氧化性，溶液中通入H₂S也可以生成沉淀，不过是淡黄色的硫。反应：

　　例3．阿司匹林（Aspirin），化学名称乙酰水杨酸，是我们日常生活中最熟悉的一种解热镇痛药。它自从1882年在德国拜尔公司诞生起至今，已经有了100多年的历史，经久不衰，始终是临床治疗发热、风湿的良药。阿司匹林为白色结晶或结晶性粉末，无味或微带醋酸味，微溶于水，易溶于乙醇、氯仿，微溶于乙醚。

　　阿司匹林的结构简式如上。

　　根据阿司匹林的分子结构和你已有的知识，判断它有怎样的化学性质？如何验证？

　　分析：
　　结构决定性质，我们先来分析阿司匹林的分子结构。阿司匹林分子中有两个主要的官能团，分别是羧基和酯的结构，因此推测阿司匹林可能具有：

　　（1）酸性：阿司匹林结构中的羧基（—COOH），在水中可电离出H⁺。

　　（2）水解反应：阿司匹林结构中的“—COO－”在一定条件下可以水解。

　　根据以上推测，实验步骤设计如下：
　　1．阿司匹林的酸性：
　　①向一试管水中加入阿司匹林粉末并加热。分别蘸取稀硫酸和阿司匹林溶液点在pH试纸上，并与标准比色卡对比。

　　②向另一盛有Na₂CO₃溶液的试管中加入阿司匹林粉末，并加热，观察现象。

　　2．阿司匹林的水解反应：
　　将阿司匹林溶于适量NaOH溶液中，加热直至溶液沸腾。冷却后向溶液中滴入稀HCl，直至溶液显酸性。有该溶液进行两个实验：

　　①向上述溶液中滴入少量FeCl₃溶液，观察现象。

　　②向上述溶液中滴入少量浓溴水，观察现象。

　　通过实验，可以观察到阿司匹林显酸性，与Na₂CO₃反应有CO₂生成。

　　阿司匹林在碱性条件下水解：

　　由于酚羟基的存在，所以可以与Fe³⁺发生显色反应，与浓溴水生成白色沉淀。

　　通过以上阿司匹林化学性质的实验设计，我们不难发现，在设计性质实验方案时，要充分了解物质的结构、性质、用途与制法之间的相互关系，要根据物质的结构特点来设计实验方案，探究或验证物质所具有的一些性质。

　　推测物质的性质的基本思路是：根据物质的结构，推出该物质所属类别，推测其基本的化学性质（共性）；然后进一步分析该物质的特殊性，推测其独有的化学性质（个性）。

　　例4．有两瓶pH=2的酸溶液，一瓶是强酸，一瓶是弱酸。现只有石蕊试液、酚酞试液、pH试纸和蒸馏水，而没有其它试剂。简述如何用最简便的实验方法来判别哪瓶是强酸：________。

　　分析：
　　此题要求根据强弱酸性质的差别设计实验。

　　答案：
　　各取等体积酸液用蒸馏水稀释相同倍数(如100倍)，然后用pH试纸分别测其pH值，pH值变化大的那瓶是强酸。

　　例5．（05广东、20）（14分）
　　研究性学习小组进行SO₂的制备及性质探究实验。

　　（1）根据反应Na₂SO₃（固）+H₂SO₄（浓）＝ Na₂SO₄ + SO₂↑+ H₂O，制备SO₂气体。
　　①用下列简图，在答题卡的方框中画出制备并收集SO₂的实验装置（含试剂）示意图。

　　②实验过程中，使用分液漏斗滴加浓硫酸的操作是_____________________________。

　　（2）将SO₂气体分别通入下列溶液中：
　　①品红溶液，现象是_______________________________________________________；

　　②溴水溶液，现象是_______________________________________________________；

　　③硫化钠溶液，现象是_____________________________________________________。

　　（3）有一小组在实验中发现，SO₂气体产生缓慢，以致后续实验现象很不明显，但又不存在气密性问题。请你推测可能的原因并说明相应的验证方法（可以不填满）。
　　①原因_____________________；验证方法__________________________。

　　②原因_____________________；验证方法__________________________。

　　③原因_____________________；验证方法__________________________。

　　分析：
　　此题以熟悉的实验室制备SO₂反应为基础，突出考察实验技能和SO₂的性质。

　　答案：
　　(1)①如图配置

　　　 ②打开分液漏斗上口的活塞，旋开分液漏斗的旋塞，缓慢滴加。
　　(2)①溶液褪色
　　　 ②溶液褪色
　　　 ③有浅黄色沉淀(或溶液变浑浊)
　　(3)①Na₂SO₃ 变质
　　 　　取待测试样于试管中，加适量蒸馏水配成溶液，先滴入足量稀盐酸，再滴入BaCl₂ ，溶液有白色沉淀生成，则证明该Na₂SO₃ 固体变质
　　　 ②不是浓硫酸
　　　　 用洁净玻璃棒蘸取待测试样，涂白纸不变黑，则证明该溶液不是浓硫酸

　　例6．（04江苏、20）(12分)有两个实验小组的同学为探究过氧化钠与二氧化硫的反应，都用如下图所示的装置进行实验。通入SO₂气体，将带余烬的木条插入试管C中，木条复燃。

　　请回答下列问题：
　　（1）第1小组同学认为Na₂O₂与SO₂反应生成了Na₂SO₃和O₂，该反应的化学方程式是：________。

　　（2）请设计一种实验方案证明Na₂O₂与SO₂反应生成的白色固体中含有Na₂SO₃________。

　　（3）第2小组同学认为Na₂O₂与SO₂反应除了生成Na₂SO₃和O₂外，还有Na₂SO₄生成。为检验是否有Na₂SO₄生成，他们设计了如下方案：

　　上述方案是否合理?________。请简要说明两点理由：①________；②________。

　　解析：
　　SO₂与Na₂O₂反应原理区别于CO₂与Na₂O₂反应，因SO₂有较强的还原性，能被强氧化剂Na₂O₂氧化成Na₂SO₄，结合O₂、、离子的检验即可解答。

　　答案：
　　(1)
　　(2)取白色固体，加稀硫酸，产生能使品红溶液褪色的气体。
　　(3)不合理　 ①稀硝酸能将亚硫酸钡氧化为硫酸钡　 ②如果反应后的固体中还残留Na₂O₂，它溶于水后能将亚硫酸根氧化成硫酸根