基础实验与化学计算
基础实验与化学计算侧重培养“会观察、会操作、会判断、会计算”的化学能力，把实验仪器、安全规范、基本操作和定量分析联系起来。加热、过滤、蒸发、结晶、气体制取与收集等操作，可以帮助理解物质分离、提纯和反应条件控制；物质检验与现象描述则训练从颜色、气味、沉淀、气体等变化中提取有效信息。相对分子质量、元素质量比、化学方程式质量关系和溶液浓度计算进一步把化学变化转化为数量关系，使实验方案设计更有依据。
实验方案设计入门
一位厨师在下厨之前，会先想好做哪道菜、需要什么食材、烹饪的步骤是什么。化学实验也是同样的道理。动手操作之前，先在纸上把思路理清楚——要解决什么问题、用什么药品和仪器、按什么顺序操作、最终会出现什么现象——这一整套预先规划的过程，就叫做“实验方案设计”。一个好的实验方案，能让实验过程条理清晰、安全高效，也能帮助我们在结果出现偏差时，快速找到问题所在。
实验方案的基本构成
一份完整的实验方案，通常由以下几个部分组成，缺一不可：
设计方案时，这五个部分要前后对应、逻辑一致。实验目的决定了用什么药品；药品的性质决定了选什么仪器；仪器的组合决定了操作步骤；步骤执行后产生的现象，再对应回最初的目的，验证是否达到了预期。
设计实验方案时，不能只考虑“能不能反应”，还要考虑“安不安全”“结果能不能被观察到”“有没有干扰因素”。一个思路正确但操作不安全的方案，是不完整的方案。
明确实验目的
实验目的是方案的出发点，它决定了后续所有步骤的方向。实验目的通常分为两类：一类是“制备型”，目标是得到某种物质；另一类是“检验型”，目标是判断某种物质是否存在，或者某个性质是否成立。
例题 1
某同学想知道家里的食用碱（主要成分为碳酸钠，Na2CO3）是否变质，生成了氢氧化钠（NaOH）。请分析这属于哪类实验目的，并说明为什么目的要先于步骤确定。
分析：这属于“检验型”实验，目的是检验碳酸钠中是否含有氢氧化钠。目的必须先确定，因为不同的目标对应不同的检验试剂——检验 NaOH 可以用酚酞溶液，而检验 Na2CO3 则应用稀盐酸观察是否产生气泡。如果目的不清晰，就可能选错试剂，导致实验结论无效。
选择合适的药品与仪器
确定实验目的后，第二步是选择药品和仪器。选择时需要考虑三个核心问题：药品的反应是否能达到目的、仪器是否匹配操作需求、整个组合是否安全。
制备气体时的药品选择原则
仪器选择原则
制备气体时，根据反应是否需要加热，选择不同的发生装置：
收集气体时，根据气体密度和溶解性选择收集方法：
- 向上排空气法（密度大于空气，且不与空气反应）
- 代表气体：CO2、O2
- 向下排空气法（密度小于空气，且不与空气反应）
- 排水法（不溶于水，且不与水反应）
- 代表气体：O2、H2
选择药品时，“能反应”只是最低要求。还要确认：反应速率是否合适（太快难以控制，太慢效率低）、生成的杂质是否影响后续实验、废液废气是否需要处理。
例题 2
要在实验室制备二氧化碳气体，以下两种药品组合哪个更合适？说明理由。
结论：方案 A 更合适。石灰石是固体，与稀盐酸的接触面积小，反应速率缓和，有利于平稳收集 CO2。碳酸钠是粉末，与盐酸接触面积大，反应瞬间过于激烈。
设计实验步骤
实验步骤是整个方案的“操作手册”，要求语言清晰、顺序合理、不遗漏关键操作。写步骤时，常见的逻辑顺序是：组装装置 → 检查气密性 → 装入药品 → 开始实验 → 收集/检验 → 结束操作（先撤导管，再撤酒精灯）。
制备气体的实验，必须在装入药品之前先检验装置的气密性。如果气密性不好，气体会从接口漏出，不仅收集不到气体，还可能造成安全隐患。
检验装置气密性的标准方法
将导管的出口插入盛有水的烧杯中，用手捂住试管（或锥形瓶）使其受热，若导管口持续冒出气泡，说明装置气密性良好；松手后，水会沿导管倒流进容器少许，也是气密性好的标志。
例题 3
写出用高锰酸钾（KMnO4）加热制备氧气，并用排水法收集的完整实验步骤。
解析：按照“组装→检验→操作→收集→结束”的顺序，步骤如下：
2KMnO4ΔK2MnO4+MnO2+O2↑
预测现象与得出结论
实验步骤写好后，还需要对每一步可能出现的现象做出预测。预测现象的依据是化学原理；实际现象与预测对比，才能得出有说服力的结论。
预测现象时，要关注以下几个维度：
例题 4
设计实验，检验某无色溶液中是否含有氯离子（Cl−）。请写出检验试剂、预期现象和结论。
加入硝酸银之前，必须先用稀硝酸酸化，目的是排除碳酸根离子（CO32−）、硫酸根离子（SO42−）等的干扰，因为它们也能与银离子生成白色沉淀，但会溶于稀硝酸。
综合实例：制备并收集一瓶纯净的二氧化碳
这是一个综合性的制备型实验，将目的、药品、仪器、步骤、现象全部整合在一起，展示完整方案的样貌。
实验目的：用石灰石和稀盐酸制备二氧化碳气体，收集一瓶纯净（不含氯化氢气体）的 CO2。
反应原理：
CaCO3+2HCl→CaCl2+H2O+CO2↑
问题分析：用稀盐酸制备的 CO2 中，会混有少量挥发出来的氯化氢（HCl）气体，必须除去。除去 HCl 的方法是让气体通过盛有饱和碳酸氢钠溶液（NaHCO3）的洗气瓶，HCl 被吸收，CO2 不受影响。
装置连接顺序：
验满方法：将燃烧的木条放在集气瓶口，若木条熄灭，说明瓶中已充满 CO2。
例题 5
用上述方案制备二氧化碳时，若跳过饱和碳酸氢钠洗气这一步，直接收集气体，会对实验结果造成什么影响？
分析：跳过洗气步骤，收集到的气体中含有 HCl。若该气体用于后续实验（如验证 CO2 使石灰水变浑浊），HCl 也能使石灰水产生白色沉淀（CaCl2 溶液不浑浊，但 HCl 能与氢氧化钙溶液直接反应），会干扰实验结论，无法准确判断现象是由 CO2 引起还是由 HCl 引起。
综合实例：检验混合溶液中的成分
检验型实验的难点在于“排除干扰”——当溶液中可能含有多种离子时，必须按照合理的顺序逐一检验，避免前一步的试剂影响后续检验。
实验目的：检验某溶液中是否同时含有氯离子（Cl−）和硫酸根离子（SO42−）。
检验顺序与原因：
检验硫酸根时必须先加氯化钡，而不能先加硝酸银。因为硝酸银会引入 Ag+，而 Ag+ 加入后再加 BaCl2，其中的 Cl− 会与已有的 Ag+ 生成 AgCl 沉淀，干扰对硫酸根的检验。先检验 SO42−，再检验 Cl−，顺序固定。
例题 6
某同学直接向待测溶液中加入硝酸银溶液，发现产生白色沉淀。他认为溶液中一定含有氯离子。这个结论可靠吗？说明理由。
分析：不可靠。产生白色沉淀的原因不只有氯离子，碳酸银（Ag2CO3）和硫酸银（Ag2SO4）也是白色沉淀。如果溶液中含有碳酸根（CO32−）或硫酸根（SO42−），同样会与硝酸银产生白色沉淀。正确做法是先用稀硝酸酸化，再加硝酸银，此时若仍有白色沉淀生成，才能确认含有氯离子（因为 AgCl 不溶于稀硝酸，而 Ag2CO3 和 Ag2SO4 溶于稀硝酸）。
练习题
选择题
第 1 题“知识点：实验方案设计的步骤顺序”
在设计制备气体的实验方案时，下列操作顺序正确的是：
A. 装入药品 → 连接装置 → 检验气密性 → 加热
B. 连接装置 → 检验气密性 → 装入药品 → 加热
C. 检验气密性 → 连接装置 → 装入药品 → 加热
D. 连接装置 → 装入药品 → 加热 → 检验气密性
答案：B
正确顺序是：先连接装置，再检验气密性，确认不漏气后才装入药品，最后加热。
选项 A 错误：先装药品再检验气密性，若气密性不好需要重新拆装，药品可能撒出或受潮。选项 C 错误：装置没有连接好就检验气密性，根本无法操作。选项 D 错误：加热后才检验气密性，此时已经开始反应，气体已经散逸，检验没有意义且存在安全隐患。
第 2 题“知识点：收集气体方法的选择”
实验室制备氢气（H2，密度约为 0.09 g/L，远小于空气的 1.29 g/L，且不溶于水），最适合的收集方法是：
A. 向上排空气法
B. 向下排空气法
C. 排水法
D. B 和 C 均可
答案：D
氢气密度远小于空气，可用向下排空气法收集（导管伸入集气瓶底部，氢气从底部充满，空气被排出瓶口）；同时氢气不溶于水，也可用排水法收集（排水法收集的气体更纯净，因为不含空气）。
选项 A（向上排空气法）适用于密度比空气大的气体，不适合氢气。排水法和向下排空气法都可以，所以选 D。
第 3 题“知识点：除去气体中的杂质”
用石灰石和稀盐酸制备 CO2 时，气体中混有 HCl 气体。除去 HCl 最合适的方法是将气体通过：
A. 盛有浓硫酸的洗气瓶
B. 盛有 NaOH 溶液的洗气瓶
C. 盛有饱和 NaHCO3 溶液的洗气瓶
D. 盛有蒸馏水的洗气瓶
答案：C
饱和碳酸氢钠（NaHCO3）溶液能与 HCl 反应将其吸收，同时不与 CO2 反应（饱和溶液中 NaHCO3 已经达到饱和，溶解度极限使其几乎不再溶解 CO2）。
选项 A（浓硫酸）可干燥气体但不能除 HCl，而且浓硫酸会与 HCl 无明显现象，主要用于干燥。选项 B（NaOH 溶液）会同时吸收 HCl 和 CO2，两者都被除去，目的气体损失，不可用。选项 D（蒸馏水）对 HCl 溶解效果有限，且 CO2 也能溶于水，导致目标气体损失。
第 4 题“知识点：检验离子时排除干扰”
检验某溶液中是否含有 SO42− 时，下列操作方案正确的是：
A. 直接加入 BaCl2 溶液，若产生白色沉淀则证明含有 SO42−
B. 先加入足量稀盐酸酸化，再加 BaCl2 溶液，若有白色沉淀则证明含有 SO42−
C. 先加入 AgNO3 溶液，再加 BaCl2 溶液检验
D. 先加入稀硝酸酸化，再加 BaCl2 溶液，若有白色沉淀则证明含有 SO42−
答案：B
检验 SO42− 的标准方法：先用稀盐酸酸化（排除碳酸根、亚硫酸根等能与 Ba2+ 生成白色沉淀的干扰离子），再加 BaCl2 溶液，若产生不溶于稀盐酸的白色沉淀，则证明含 SO42−。
选项 A 错误：直接加 BaCl2，若溶液中含有 CO32− 也会产生 BaCO3 白色沉淀，干扰判断。选项 C 错误：先加 AgNO3，引入 Ag+，后续加 BaCl2 时 Cl− 与 Ag+ 又产生干扰沉淀。选项 D 中，用稀硝酸酸化也能排除碳酸根干扰，但硝酸银是检验氯离子的试剂，而不是 SO42−。用稀盐酸酸化是标准做法，稀硝酸虽也可以，但加入 BaCl2 后 Cl− 不干扰 Ba2+（BaCl2 可溶），实际上 D 也是可行的，但 B 是更标准、更规范的表述，且 D 的“稀硝酸”后续若加 BaCl2 时，Cl− 来自 BaCl2 本身不影响检验，因此 B 是首选。
计算题
第 5 题“知识点：根据实验需求计算所需药品质量”
实验室用高锰酸钾（KMnO4）加热分解制备氧气，反应方程式为：
2KMnO4ΔK2MnO4+MnO2+O2↑
（已知：M(KMnO4)=158，M(O2)=32）
某次实验需要收集 3.2 g 纯净的氧气，请计算：
（1）需要高锰酸钾的质量是多少克？
（2）同时生成 MnO2（M=87）多少克？
解题过程：
建立各物质的质量比：
设需要 KMnO4 为 x，生成 MnO2 为 y：
316x=323.2 g=87y比例系数为 323.2=0.1，因此：
x=316×0.1=31.6 gy=87×0.1=8.7 g验证：K2MnO4 的质量份数为 1×197=197，m(K2MnO4)=197×0.1=19.7 g，反应物总质量 31.6 g，生成物总质量 19.7+8.7+3.2=31.6 g，符合质量守恒定律。
答：（1）需要高锰酸钾 31.6 g；（2）同时生成二氧化锰 8.7 g。
第 6 题“知识点：根据实验方案计算药品用量”
实验室用石灰石（纯碳酸钙，CaCO3）和足量稀盐酸制备二氧化碳，反应方程式为：
CaCO3+2HCl→CaCl2+H2O+CO2↑
（已知：M(CaCO3)=100，M(HCl)=36.5，M(CO2)=44）
某同学计划用 50 g 石灰石（视为纯净）完全与足量稀盐酸反应，请计算：
（1）完全反应需要消耗 HCl 多少克？
（2）理论上能生成 CO2 多少克？
解题过程：
建立各物质的质量比：
设消耗 HCl 为 a，生成 CO2 为 b：
10050 g=73a=44b比例系数为 10050=0.5，因此：
a=73×0.5=36.5 gb=44×0.5=22 g验证：CaCl2 的 M=111，m(CaCl2)=111×0.5=55.5 g，m(H2O)=18×0.5=9 g，反应物总质量 50+36.5=86.5 g，生成物总质量 55.5+9+22=86.5 g，符合质量守恒定律。
答：（1）完全反应需要消耗盐酸（HCl）36.5 g；（2）理论上能生成二氧化碳 22 g。
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