高考化学压轴题10 实验设计与评价综合题（解析版）

压轴题10实验设计与评价综合题本题型为每年高考的必考题型，近年来该题型逐渐向教材靠拢，从教材相关的基础知识、实验原形等为命题点，向实验的改进、评价和设计等方向发展，考查考生的分析和解决问题、实验操作、实验设计和创新等能力。题型一般包括合成制备类实验和综合探究类实验。明确实验的目的和原理。实验原理可从题给的化学情景(或题给实验目的)并结合元素化合物等有关知识获取。确定符合实验目的、要求的方案。理清实验操作的先后顺序。根据实验原理所确定的实验方案中的实验过程，确定实验操作的方法步骤，把握各步实验操作的要点，理清实验操作的先后顺序。3．分析各项实验装置的作用。结合实验目的和原理，确定它们在该实验中的作用。4．得出正确的实验结论。找出影响实验成败的关键以及产生误差的原因，或从有关数据中归纳出定量公式，绘制变化曲线等。5.分析模式：实验目的→联想→实验原理→反应物药品的选择与评价→仪器的选择与评价→仪器组装→操作步骤→记录现象、数据→分析现象、数据→结论→问题讨论。非选择题：本题共20小题。1．超酸是一类比纯硫酸更强的酸，在石油重整中用作高效催化剂。某实验小组用SbCl3制备超酸HSbF6，反应原理如下：SbCl3+Cl2SbCl5、SbCl5+6HF=HSbF6+5HCl。制备SbCl5的实验装置如图(毛细管连通大气，夹持、加热及搅拌装置略)：已知：物质熔点沸点性质SbCl373.4℃101.3kPa220.3℃极易水解SbCl53.5℃101.3kPa176℃(140°C分解)极易水解2.9kPa79℃回答下列问题：(1)Sb为第51号元素，则在元素周期表中的位置为___________。(2)仪器甲、乙可否互换？___________(填“是”或“否”)，原因是___________。(3)试剂X的名称为___________。(4)三颈烧瓶中的反应完成后，需将反启后的溶液转移至双口烧瓶中进行减压蒸馏。①在该装置中，将三颈烧瓶中的溶液转移至双口烧瓶中的操作是___________。②用减压蒸储而不用常压蒸储的主要原因是___________。(5)毛细管连通大气的主要作用是防止___________，还具有搅拌和加速液体逸出的作用。(6)由SbCl5制备HSbF6时，应选用___________材质的仪器(填标号)。A．玻璃 B．陶瓷 C．铁或铝 D．聚四氟乙烯(7)蒸储-EDTA返滴法是测定氟的高精度办法，可通过测定氟元素的含量，确定本产品纯度。取g产品，通过蒸馏法将氟全部转化为F-，用25.00mLmol/L La(NO3)3吸收，冷却至室温，加入指示剂，用mol/L EDTA标准溶液(用H2Y2-表示)滴定至终点，消耗EDTA mL。氟元素的质量分数为___________(列出计算式)。(已知La3++3F-=LaF3；La3++H2Y2-=LaY-+2H+)【答案】(1)第五周期第VA族(2)否若将球形冷凝管換成直形冷凝管，直形冷凝管与冷凝水接触面积较小，接触不充分，冷凝回流效果不佳；若将直形冷凝管换成球形冷凝管，燕馏冷凝出的液体无法顺利从球形冷凝管流出(3)碱石灰(4)打开活塞b，用真空泵减压防止SbCl5分解(5)暴沸(6)D(7)【分析】由实验装置图可知，干燥的Cl2经过无水CaCl2干燥进入三颈烧瓶中，80℃条件下与SbCl3反应制备SbCl5，用真空泵抽气将SbCl5转移至双口烧瓶中，用减压蒸馏的方法在圆底烧瓶中收集到SbCl5，其中试剂X为碱石灰，用于吸收未反应的Cl2，防止污染环境，同时防止空气中水蒸气进入三颈烧瓶中导致SbCl3水解，末端的无水CaCl2的作用是防止空气中水蒸气进入圆底烧瓶中导致SbCl5水解，毛细管的作用是减压蒸馏时连通大气，减压时可吸入极少量空气，防止液体暴沸，结合HF的特性、关系式法进行计算，据此分析解答。【详解】（1）Sb为第51号元素，则在元素周期表中的位置为第五周期第VA族。（2）仪器甲、乙不可互换，原因是：若将球形冷凝管換成直形冷凝管，直形冷凝管与冷凝水接触面积较小，接触不充分，冷凝回流效果不佳；若将直形冷凝管换成球形冷凝管，燕馏冷凝出的液体无法顺利从球形冷凝管流出。（3）氯气有毒，故需要使用试剂X吸收未反应的氯气以防止污染空气，X为碱石灰。（4）①在该装置中，将三颈烧瓶中的溶液转移至双口烧瓶中的操作是打开活塞b，用真空泵减压；②SbCl5在101.3kPa、140°C时会分解，用减压蒸储而不用常压蒸储的主要原因是防止SbCl5分解。（5）由分析可知，毛细管连通大气的主要作用是防止暴沸。（6）由题意可知，HSbF6为超强酸，所以制备HSbF6时，不能选用铁质或铝质材料仪器，由方程式可知，制备HSbF6时，需要用到氢氟酸作反应物，所以不能选用玻璃材质、陶瓷材质的仪器，则制备HSbF6时只能选用聚四氟乙烯材质的仪器，故答案为：D。（7）已知La3++3F-=LaF3；La3++H2Y2-=LaY-+2H+，根据La、F原子守恒可知，n(La3+)=n(H2Y2-)+n(LaF3)=n(H2Y2-)+n(F-)，即n(F-)=3n(La3+)-3n(H2Y2-)=3(0.025c1-0.001Vc2)mol，m(F-)=nM=3(0.025c1-0.001Vc2)mol×19g/mol=57(0.025c1-0.001Vc2)g，则氟元素的质量分数为。2．邻苯二甲酰亚胺广泛用于染料、农药医药橡胶、香料等行业，是许多重要有机精细化学品的中间体。反应原理为物质熔点/°C沸点/°C溶解性苯酐131~134284不溶于冷水，微溶于热水邻氨甲酰苯甲酸140~143394.2稍溶于热水邻苯二甲酰亚胺232~235366微溶于水，易溶于碱溶液制备邻苯二甲酰亚胺的实验装置如图所示。实验步骤：向装置甲的三颈烧瓶中加入14.8000g苯酐(相对分子质量为148)，然后再加入15.0mL氨水(过量)，加热至冷凝管中有部分液体回流时开启搅拌，控制温度为80~95°C，待苯酐固体完全反应后，改为蒸馏装置乙，继续加热，将装置中的水蒸出，体系温度逐渐升高至固体熔化。保温反应60min后，冷却至室温，洗涤、抽滤、烘干，进一步提纯得固体邻苯二甲酰亚胺(相对分子质量为147)14.1120g。请回答下列问题：(1)仪器M的名称是___________。(2)仪器Y中冷水由___________(填“a”或“b”)口流出，装置甲中仪器X一般不用装置乙中仪器Y代替的原因是___________。(3)装置甲中温度控制在80~95°C，若温度过低导致的结果是___________。(4)反应①中除了生成邻氨甲酰苯甲酸，还可能生成的副产物是___________(写一种物质的结构简式)。(5)蒸馏时，需要及时将装置中的水蒸出，目的是___________。(6)该固体产品的产率是___________。(7)邻苯二甲酰亚胺还可以用邻二甲苯与氨气、空气在加热条件下催化反应一步制得，写出该反应的化学方程式：___________。【答案】(1)锥形瓶(2)b球形冷凝管与气流接触面积大，冷凝效果好(3)温度过低反应速率慢，容易生成邻氨甲酰苯甲酸等副产物，导致产率降低(4)(5)减少反应②的产物H2O的量，使反应②平衡正向移动，提高产率(6)96%(7)+NH3+3O2+4H2O【分析】由题给流程可知，装置甲中发生的反应为苯酐与氨水在80~95°C的热水浴中发生取代反应生成邻氨甲酰苯甲酸，邻氨甲酰苯甲酸在加热条件下发生取代反应生成邻苯二甲酰亚胺，装置乙用于除去所得固体中的水分，除水所得固体经冷却，洗涤、抽滤、烘干，进一步提纯得固体邻苯二甲酰亚胺。【详解】（1）由实验装置图可知，仪器M为锥形瓶，故答案为：锥形瓶；（2）由实验装置图可知，仪器Y为直形冷凝管，为增强冷凝效果，实验时，冷水应由下口a通入，上口b流出；仪器X为球形冷凝管，与直形冷凝管相比，球形冷凝管与气流接触面积大，冷凝效果好，所以置甲中球形冷凝管一般不用装置乙中直形冷凝管代替，故答案为：b；球形冷凝管与气流接触面积大，冷凝效果好；（3）由题意可知，装置甲中温度控制在80~95°C目的是防止温度过低时，反应速率慢，容易生成邻氨甲酰苯甲酸等副产物，导致产率降低，故答案为：温度过低反应速率慢，容易生成邻氨甲酰苯甲酸等副产物，导致产率降低；（4）由题给流程可知，反应①中生成的邻氨甲酰苯甲酸能与氨水继续发生取代反应生成副产物，故答案为：；（5）蒸馏时，及时将装置中的水蒸出可以减少反应②的水，使反应②的平衡向正反应方向移动，有利于提高邻苯二甲酰亚胺的产率，故答案为：减少反应②的产物H2O的量，使反应②平衡正向移动，提高产率；（6）由题意可知，14.8000g苯酐制得14.1120g邻苯二甲酰亚胺，则邻苯二甲酰亚胺的产率为×100%=96%，故答案为：96%；（7）由题意可知，邻二甲苯与氨气、空气在加热条件下催化反应生成邻苯二甲酰亚胺和水，反应的化学方程式为+NH3+3O2+4H2O，故答案为：+NH3+3O2+4H2O。3．二氧化钒()是一种新型热敏材料，实验室以为原料合成用于制备的氧钒(Ⅳ)碱式碳酸铵晶体{化学式为}，过程如下：已知：+4价钒在弱酸性条件下具有还原性。回答下列问题：(1)步骤ⅰ中生成同时生成的化学方程式为___________。常温下，只用浓盐酸与反应也能制备溶液，但该方法未被推广，从环保角度分析该方法未被推广的主要原因是___________(用化学方程式和必要的文字说明)。(2)步骤ii可用下图仪器组装完成。①上述装置从左到右的连接顺序为___________(用各接口字母表示)。②饱和溶液的作用是___________。③反应结束后，将三颈烧瓶置于保护下的干燥器中，静置过滤可得到紫红色晶体，然后抽滤，先用饱和溶液洗涤3次，再用无水乙醇洗涤2次，最后用乙醚洗涤2次。用饱和溶液洗涤除去的阴离子主要是___________(填阴离子的电子式)。(3)测定氧钒(Ⅳ)碱式碳酸铵晶体粗产品中钒的含量。实验步骤如下：消耗滴定液的体积职下表：实验次数滴定前读数/mL滴定后读数/mL10.0019.9921.1021.1031.5621.57滴定反应为。①滴定时，向锥形瓶中加入几滴___________(填化学式)溶液作指示剂。②粗产品中钒的质量分数为___________%。【答案】(1)浓盐酸和反应，方程式为：，产生有毒气体，污染空气(2)除去中的(3)【分析】步骤ⅰ中是由、盐酸和反应，生成同时生成，反应的方程式为：，因为+4价钒在弱酸性条件下具有还原性，易被氧气氧化，所以步骤ii是在保护下加入发生反应得到产品。【详解】（1）步骤ⅰ中是由、盐酸和反应，生成同时生成，反应的方程式为：，若只用浓盐酸和反应，方程式为：，产生有毒气体，污染空气；（2）因为+4价钒在弱酸性条件下具有还原性，易被氧气氧化，所以步骤ii是在保护下加入发生反应，装置C为制备，装置A为除去中的，装置D为反应装置，装置B可以防止空气进入装置D中，所以仪器链接的顺序为：；装置A中饱和的作用是除去中的；溶液中是与溶液反应，所以用饱和溶液洗涤除去的阴离子主要是；（3）用滴定溶液，发生反应，有，可加入作为指示剂，当溶液中产生蓝色沉淀时，达到滴定终点；根据表中数据，三次滴定去平均值，所消耗的标准溶液体积为，根据反应，，所以粗产品中钒的质量分数为。4．三氯化铬()为紫色单斜晶体，熔点为83℃，易潮解，易升华，溶于水但不易水解，高温下能被氧气氧化，工业上主要用作媒染剂和催化剂。(1)某化学小组用和在高温下制备无水三氯化铬，部分实验装置如图所示，其中三颈烧瓶内装有，其沸点为76.8℃。①Cr原子的价电子排布式为_______。②实验前先往装置A中通入，其目的是排尽装置中的空气，在实验过程中还需要持续通入，其作用是_____________________。③装置C的水槽中应盛有_______(填“冰