化学实验设计

由于实验设计牵涉多方面的内容，设计过程必须遵循一定的程序。一般来说，化学实验设计有下列的程序:

(1)提出实验研究课题(实验目的)。实验目的要求是实验的出发点和归宿，因此在实验设计前，必须对实验的目的要求相当明确。

(2)根据实验目的要求，确定实验的原理和方法。只有明确实验原理和方法，才能对实验设计作出合理的规划。

(3)理清设计思路。实验设计的基本思路是:目的--假设--变量--方法--步骤--器材。即根据实验目的提出假设，围绕假设确定被试和变量，按照实验变量采取相应的方法、手段、依从变量控制安排实验步骤、选择合适器材和反应条件等。

(4)实施、对比、控制。在实验实施过程中要特别重视对比和控制，对照不当，实验将失去意义;没有控制，则不能成为实验。实验应始终保持主题活性，细致观察实验现象，详实记录数据。

(5)结果处理。对实验现象、结果、数据进行加工整理，准确表述实验结论。

(6)评价与修正。回顾实验设计，反思实验过程，修正检验假设，对结果评价。

在规划实验设计时，必须遵循一些原则。具体有:

第一，科学性原则。这是实验设计的首要原则。它指所设计实验的原理、操作顺序、操作方法等，必须与化学理论知识以及化学实验方法理论相一致。例如，验证氯酸钾(KClO3)中的存在氯元素，不应该采用将其溶于水再加AgNO3溶液的方法，因为KClO3中不存在Cl-。而应该先让固体与MnO2混合，充分反应后，冷却，再将固体溶于水，取上面的清夜滴入少量的AgNO3，看到白色现象，再加入稀硝酸，振荡，沉淀不溶解溶解，这样才能够证明存在氯元素。

第二，可行性原则。可行性原则是指设计实验时，所运用的实验原理在实施时切实可行，而且所选用的化学药品、仪器、设备、实验方法等在现行的条件下能够满足。例如，鉴别NaCl和Na2SO4，选用硝酸银溶液就不可行，因为尽管溶解性表标明AgCl难溶而Ag2SO4微溶，但事实上无法将它们区分。这是因为Ag2SO4容易分解为难溶的氧化银。再如，除去CO气体中的少量CO2气体，有学生选择将混合气体通过炽热的炭层的方法，目的是想利用炭的还原性将CO2还原为CO气体。此方案原理上当然可以，但由于木炭还原CO2是吸热反应，需要很高的温度，中学实验条件下不易实现。因此，严格地说该方案不可行。简便易行、效果好的设计思路应该是:让混合气体通过澄清石灰水或NaOH溶液或碱石灰。

第三，简约性原则。是指化学实验的设计要尽可能地采用简单的装置或方法，用较少的步骤及实验药品，在较短的时间内来完成实验的原则。例如，除去铜表面的氧化铜杂质，初学者很容易想到用还原剂(H2、C或CO)还原的方法。这种方法由于需要加热甚至高温条件下才能进行反应，因而对装置及操作的要求就比较高，在实验设计中不宜采用。比较简便、易行的方法是用稀硫酸或稀盐酸作试剂，在常温下清洗铜片。

第四，安全性原则。这是指实验设计时应尽量避免使用有毒药品或具有一定危险性的实验操作。如上例中涉及到的CO有毒，不宜采用。再如，鉴别稀溴水和稀碘水(均呈浅黄色溶液)时，就不能采取加热蒸发、通过观察蒸气颜色的方法来区分，因为溴、碘的蒸气均有剧毒，这样操作是很危险的，为不安全操作。而应采取加有机溶剂(如CCl4)萃取的方法。或者加入硝酸酸化的硝酸银溶液的方法，很快便可区分清楚。由此看来，能构成环境污染的，能造成人身伤害的思路及操作均是不安全的，因而在实验设计中是不可取的。

根据上述四个实验设计原则和实验操作实际，可以明确地知道，化学实验设计方案的优选标准有以下几个方面:(1)原理恰当;(2)效果明显;(3)装置简单;(4)操作安全;(5)节约药品;(6)实验步骤简单;(7)误差较小，等等。换句话说，就是要符合"绿色化学"的要求(注:"绿色化学"研究的中心问题是使化学反应以及其产物具有以下特点--采用无毒、无害的原料;在无毒、无害的反应条件下进行;减量、循环、重复使用;具有"原子经济性"，即反应具有高选择性、极少副产物、甚至实现零排放;产品应是对环境友好的;满足价廉物美的传统标准)。以上几个方面不仅在实验设计过程中必须充分注意，同时这些标准也是实验设计优劣评价的相关要素。

化学实验设计不仅需要较为扎实的化学知识与实验技能，而且还必须掌握相关的科学方法(如假设、测定、实验条件的控制、实验观察与记录、实验结果处理与表达等)，因此该类试题很好地考查学生灵活应用化学知识与技能以及科学研究方法解决化学问题的能力和创造能力。因此，《理科综合能力测试考试说明》要求学生"能够根据要求灵活运用已学过的自然科学理论、实验方法和仪器，设计简单的实验方案并处理相关的实验问题"，而且近年高考化学实验也对考查学生设计实验能力赋予较多的关注。

化学实验设计包括以下六个要素:(1)实验目的;(2)实验原理;(3)实验用品以及装置;(4)实验 操作及规程;(5)实验结果处理;(6)实验程序。这些要素之间的关系如右图所示。

从实验研究的侧重点和中学化学实验实际来看，实验设计的类型主要包括:

(1)定性实验设计。定性实验主要包含以下内容:①制取某种物质的实验;②物质性质的实验;③物质检验实验;④分离混合物或从混合物中提取某物质的实验;⑤验证化学原理、化学概念或化学反应的实验。

(2)定量实验设计。定量实验主要包含以下内容:①测定某些中学化学常用计量(某元素的相对原子质量、阿伏加德罗常数)的实验;②确定物质组成(混合物各组分质量分数、某化合物的定量组成)的实验;③测定化学反应中能量变化(如反应热、中和热)的实验。

(3)结构分析实验设计。结构分析实验是用以测定物质微观结构的实验，包含测定分子结构和晶体结构的实验等。