化學實驗設計

化學實驗設計指實驗者在實施化學實驗前，根據一定的化學實驗目的和要求，運用化學知識與技能，按照一定的實驗方法對實驗的原理、儀器、裝置、步驟和方法等進行合理安排與規劃。

基本介紹

• 中文名：化學實驗設計

專業要求

化學實驗設計不僅需要較為紮實的化學知識與實驗技能，而且還必須掌握相關的科學方法（如假設、測定、實驗條件的控制、實驗觀察與記錄、實驗結果處理與表達等），因此該類試題很好地考查學生靈活套用化學知識與技能以及科學研究方法解決化學問題的能力和創造能力。因此，《理科綜合能力測試考試說明》要求學生“能夠根據要求靈活運用已學過的自然科學理論、實驗方法和儀器，設計簡單的實驗方案並處理相關的實驗問題”，而且近年高考化學實驗也對考查學生設計實驗能力賦予較多的關注。

學科內容

化學實驗設計包括以下六個要素：（1）實驗目的；（2）實驗原理；（3）實驗用品以及裝置；（4）實驗操作及規程；（5）實驗結果處理；（6）實驗程式。這些要素之間的關係如右圖所示。

化學實驗設計

實驗程式

由於實驗設計牽涉多方面的內容，設計過程必須遵循一定的程式。一般來說，化學實驗設計有下列的程式：

（1）提出實驗研究課題（實驗目的）。實驗目的要求是實驗的出發點和歸宿，因此在實驗設計前，必須對實驗的目的要求相當明確。

（2）根據實驗目的要求，確定實驗的原理和方法。只有明確實驗原理和方法，才能對實驗設計作出合理的規劃。

（3）理清設計思路。實驗設計的基本思路是：目的——假設——變數——方法——步驟——器材。即根據實驗目的提出假設，圍繞假設確定被試和變數，按照實驗變數採取相應的方法、手段、依從變數控制安排實驗步驟、選擇合適器材和反應條件等。

（4）實施、對比、控制。在實驗實施過程中要特別重視對比和控制，對照不當，實驗將失去意義；沒有控制，則不能成為實驗。實驗應始終保持主題活性，細緻觀察實驗現象，詳實記錄數據。

（5）結果處理。對實驗現象、結果、數據進行加工整理，準確表述實驗結論。

（6）評價與修正。回顧實驗設計，反思實驗過程，修正檢驗假設，對結果評價。

設計原則

在規劃實驗設計時，必須遵循一些原則。具體有：

第一，科學性原則。這是實驗設計的首要原則。它指所設計實驗的原理、操作順序、操作方法等，必須與化學理論知識以及化學實驗方法理論相一致。例如，驗證氯酸鉀（KClO3）中的存在氯元素，不應該採用將其溶於水再加AgNO3溶液的方法，因為KClO3中不存在Cl-。而應該先讓固體與MnO2混合，充分反應後，冷卻，再將固體溶於水，取上面的清夜滴入少量的AgNO3，看到白色現象，再加入稀硝酸，振盪，沉澱不溶解溶解，這樣才能夠證明存在氯元素。

第二，可行性原則。可行性原則是指設計實驗時，所運用的實驗原理在實施時切實可行，而且所選用的化學藥品、儀器、設備、實驗方法等在現行的條件下能夠滿足。例如，鑑別NaCl和Na2SO4，選用硝酸銀溶液就不可行，因為儘管溶解性表標明AgCl難溶而Ag2SO4微溶，但事實上無法將它們區分。這是因為Ag2SO4容易分解為難溶的氧化銀。再如，除去CO氣體中的少量CO2氣體，有學生選擇將混合氣體通過熾熱的炭層的方法，目的是想利用炭的還原性將CO2還原為CO氣體。此方案原理上當然可以，但由於木炭還原CO2是吸熱反應，需要很高的溫度，中學實驗條件下不易實現。因此，嚴格地說該方案不可行。簡便易行、效果好的設計思路應該是：讓混合氣體通過澄清石灰水或NaOH溶液或鹼石灰。

第三，簡約性原則。是指化學實驗的設計要儘可能地採用簡單的裝置或方法，用較少的步驟及實驗藥品，在較短的時間內來完成實驗的原則。例如，除去銅表面的氧化銅雜質，初學者很容易想到用還原劑（H2、C或CO）還原的方法。這種方法由於需要加熱甚至高溫條件下才能進行反應，因而對裝置及操作的要求就比較高，在實驗設計中不宜採用。比較簡便、易行的方法是用稀硫酸或稀鹽酸作試劑，在常溫下清洗銅片。

第四，安全性原則。這是指實驗設計時應儘量避免使用有毒藥品或具有一定危險性的實驗操作。如上例中涉及到的CO有毒，不宜採用。再如，鑑別稀溴水和稀碘水（均呈淺黃色溶液）時，就不能採取加熱蒸發、通過觀察蒸氣顏色的方法來區分，因為溴、碘的蒸氣均有劇毒，這樣操作是很危險的，為不安全操作。而應採取加有機溶劑（如CCl4）萃取的方法。或者加入硝酸酸化的硝酸銀溶液的方法，很快便可區分清楚。由此看來，能構成環境污染的，能造成人身傷害的思路及操作均是不安全的，因而在實驗設計中是不可取的。

根據上述四個實驗設計原則和實驗操作實際，可以明確地知道，化學實驗設計方案的優選標準有以下幾個方面：（1）原理恰當；（2）效果明顯；（3）裝置簡單；（4）操作安全；（5）節約藥品；（6）實驗步驟簡單；（7）誤差較小，等等。換句話說，就是要符合“綠色化學”的要求（註：“綠色化學”研究的中心問題是使化學反應以及其產物具有以下特點——採用無毒、無害的原料；在無毒、無害的反應條件下進行；減量、循環、重複使用；具有“原子經濟性”，即反應具有高選擇性、極少副產物、甚至實現零排放；產品應是對環境友好的；滿足價廉物美的傳統標準）。以上幾個方面不僅在實驗設計過程中必須充分注意，同時這些標準也是實驗設計優劣評價的相關要素。

實驗設計類型

從實驗研究的側重點和中學化學實驗實際來看，實驗設計的類型主要包括：

（1）定性實驗設計。定性實驗主要包含以下內容：①製取某種物質的實驗；②物質性質的實驗；③物質檢驗實驗；④分離混合物或從混合物中提取某物質的實驗；⑤驗證化學原理、化學概念或化學反應的實驗。

（2）定量實驗設計。定量實驗主要包含以下內容：①測定某些中學化學常用計量（某元素的相對原子質量、阿伏加德羅常數）的實驗；②確定物質組成（混合物各組分質量分數、某化合物的定量組成）的實驗；③測定化學反應中能量變化（如反應熱、中和熱）的實驗。

（3）結構分析實驗設計。結構分析實驗是用以測定物質微觀結構的實驗，包含測定分子結構和晶體結構的實驗等。

高考考查內容

內容

高考化學實驗設計型題目所考查的內容主要有下面所列的一個或幾個方面：

（1）確定實驗原理。要求考生在認真審題、明確實驗目的的基礎上，綜合運用學過的知識，通過類比、遷移、分析，從而確定（選擇或擬出）實驗原理。

（2）選擇實驗用品。根據實驗的目的和原理，以及反應物和生成物的性質、反應條件等，合理選擇實驗所需的儀器和藥品。

（3）設計裝置步驟。根據實驗目的和原理，以及選用的實驗儀器和用品，設計合理的實驗裝置和實驗操作步驟，並繪製或識別相應的實驗裝置圖。

（4）觀察現象和數據。根據實驗目的原理和過程，預測實驗將觀察到的現象，以及實現實驗目的將要記錄那些數據等。

（5）分析得出結論。根據實驗觀察的現象和數據，通過分析、計算、圖表、推理等處理，得出正確的實驗結論。

（6）對實驗方案作出評價。根據題目所要求的實驗目的，對實驗所採取的原理、實驗裝置、實驗現象、實驗過程、實驗結果等作出優與劣、好與壞等的分析和評判，並在評價的基礎上作出改進。

解答思路

完成化學實驗設計，不僅要求具有較為紮實的實驗知識和技能，而且還要善於從題目中獲取信息，並在分析評價的基礎上，選擇、調用已有的化學知識，將新信息和已有知識有機地結合起來，從而科學合理地進行實驗設計。從信息加工的角度和解答要求看，解答實驗設計問題的大致過程與思路如下：

第一階段：接受、分析、篩選信息，明確實驗設計的課題、條件和要求。這一階段主要要解決以下三個問題：

一是明確實驗課題。從題目信息中，區分實驗設計和其他化學知識與技能的問題，區分實驗設計和實驗基礎知識、基本技能的問題，明確實驗設計的具體課題，並根據相關內容歸類；

二是要明確實驗條件。從題目信息中，分析整理出實驗設計的條件，明確實驗對象、限定的範圍、可供選擇的儀器、可進行的操作以及新情境的實驗事實和反應條件等；

三是明確實驗要求。從題給信息中，找出實驗設計的要求，明確具體設計哪些內容以及作答方式與詳略等。

第二階段：在分析加工的基礎上，實現指定的實驗設計。這一階段要求篩選、提取有關的知識，進一步分析加工，以選定實驗方法，完成實驗設計。從設計的要求和解決問題的順序分析，大致有以下兩個層次：

一是實驗方法的確定。實驗方法取決於實驗原理，並受實驗條件的限制，在綜合考慮題給實驗原理、實驗條件兩者的基礎上，確定適合本實驗研究的實驗方法。

二是實驗裝置和實驗操作的設計。裝置和操作是實驗方法的具體表現。解題時，要聯繫題目規定的或自行選擇的實驗方法和條件，並且聯繫已有的儀器裝置類別、功能、適用範圍、裝配與使用方法，以及相關裝置和操作套用的實例，通過比較、選擇、改進或組合，從而完成實驗裝置和操作的設計。

最後，要科學合理地組織語言文字，按照題目要求合理作答。對於實驗設計作答的表述，務必做到思路清晰、條理明確、邏輯性強、文字精練、突出關鍵。作答時，一方面要明確答什麼，另一方面要搞清實驗設計的假設與預期、結果與結論，明確實驗的原因與結果的關係，合理敘述。