張順清

此類試題能全面綜合地考查考生的化學(xué)知識、實(shí)驗(yàn)技能、思維過程及書面表達(dá)能力。本文把近十余年上海高考主觀題（非選擇題）中的涉及化學(xué)實(shí)驗(yàn)方案的設(shè)計與評價的試題進(jìn)行了詳細(xì)的匯總和歸類，希望對上海地區(qū)化學(xué)同仁們的高三復(fù)習(xí)備考有所裨益。

一、考查化學(xué)實(shí)驗(yàn)方案的評價

對幾個實(shí)驗(yàn)方案的正確與錯誤、嚴(yán)密與不嚴(yán)密、準(zhǔn)確與不準(zhǔn)確作出判斷，要考慮是否完全合理、有無干擾現(xiàn)象等，一般從下面幾個方面進(jìn)行評價：①生成相同量的產(chǎn)品，副產(chǎn)品可循環(huán)利用，消耗原料少且原料豐富可再生，價格低廉的方案優(yōu)；②條件合適，操作簡單步驟少的方案優(yōu)；③轉(zhuǎn)化率高、產(chǎn)物純凈的方案優(yōu)；④環(huán)境友好無污染的方案優(yōu)。這種類型的試題是近三年上海高考實(shí)驗(yàn)題的必考點(diǎn)，連續(xù)三年每年都有考查，特別是2014年出現(xiàn)了二次。

例1（2014年）在精制飽和食鹽水中加入碳酸氫銨可制備小蘇打（NaHCO3），并提取氯化銨作為肥料或進(jìn)一步提純?yōu)楣I(yè)氯化銨。濾出小蘇打后，母液提取氯化銨有兩種方法：

①通入氨，冷卻、加食鹽，過濾；②不通氨，冷卻、加食鹽，過濾。

對兩種方法的評價正確的是（選填編號）

a.①析出的氯化銨純度更高

b.②析出的氯化銨純度更高

c.①的濾液可直接循環(huán)使用

d.②的濾液可直接循環(huán)使用

解析母液中含有氯化銨、飽和碳酸氫鈉、未反應(yīng)完的氯化鈉，在低溫條件下，向?yàn)V液中加入細(xì)粉狀的氯化鈉，并通入氨，產(chǎn)生同離子效應(yīng)可以使氯化銨結(jié)晶沉淀析出，此時通入氨還有一個作用是中和飽和碳酸氫鈉生成碳酸鈉，防止降溫后碳酸氫鈉析出，使得到的氯化銨更純凈。過濾后濾液中含有氨，不能直接循環(huán)使用，而②的濾液可直接循環(huán)使用。

答案：ad。

例2（2012年）碳酸氫銨是一種重要的銨鹽。實(shí)驗(yàn)室中，將二氧化碳通入氨水可制得碳酸氫銨，用碳酸氫銨和氯化鈉可制得純堿。

為探究NH4HCO3和NaOH的反應(yīng)，設(shè)計實(shí)驗(yàn)方案如下：含0.1 mol NH4HCO3的溶液中加入

0.1 mol NaOH，反應(yīng)完全后，滴加氯化鈣稀溶液。

若有沉淀，則NH4HCO3與NaOH的反應(yīng)可能為（寫離子方程式）；

若無沉淀，則NH4HCO3與NaOH的反應(yīng)可能為（寫離子方程式）；

該實(shí)驗(yàn)方案有無不妥之處？若有，提出修正意見。

解析向NH4HCO3溶液中加入NaOH時，發(fā)生的離子反應(yīng)有：HCO-3+OH-CO2-3+H2O、NH+4+OH-NH3+H2O，若NaOH量不足，則兩反應(yīng)存在先后順序問題，故實(shí)驗(yàn)中若產(chǎn)生沉淀，說明反應(yīng)后溶液中含有CO2-3，證明先發(fā)生HCO-3+OH-CO2-3+H2O，否則先發(fā)生NH+4+OH-NH3+H2O。如果不煮沸，產(chǎn)生的NH3·H2O能夠?qū)CO-3變成CO2-3與Ca2+產(chǎn)生CaCO3沉淀，最終與前一種現(xiàn)象相同。

答案：HCO-3+OH-CO2-3+H2O、NH+4+OH-NH3+H2O；需先煮沸，然后滴加氯化鈣稀溶液。

例3（2005年）用NaClO3氧化FeSO4時反應(yīng)如下：

6FeSO4+NaClO3+3H2SO4

3Fe2（SO4）3+NaCl+3H2O

若改用HNO3氧化，則化學(xué)方程式如下：

6FeSO4+2HNO3+3H2SO43Fe2（SO4）3+2NO↑+4H2O

已知1mol HNO3價格0.16元、1 mol NaClO3價格0.45元，評價用HNO3代替NaClO3作氧化劑的利弊，利是 ，弊是 。

解析從環(huán)保和成本兩個方面考慮，利是原料便宜，弊是NO會污染空氣。

答案：利：原料成本較低；弊：產(chǎn)生氣體對大氣有污染。

二、考查物質(zhì)檢驗(yàn)實(shí)驗(yàn)方案的設(shè)計

常見的物質(zhì)（包括陰陽離子、有機(jī)官能團(tuán)）的檢驗(yàn)和鑒別是全國高考化學(xué)實(shí)驗(yàn)中的必考點(diǎn)，上海高考也不例外。比如：2012年考查了CO2-3和醛基的檢驗(yàn)、2010年考查了Cl-的檢驗(yàn)、2009年考查了Fe3+的檢驗(yàn)、2008年考查了NH+4的檢驗(yàn)、2007年考查了CO2-3的檢驗(yàn)、2005年考查了酚羥基的檢驗(yàn)。這里只把比較新穎（非常規(guī)型）的物質(zhì)檢驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計試題進(jìn)行了歸納，以便為以后解答這類試題提供一些啟發(fā)和借鑒。

例4（2014年）實(shí)驗(yàn)室通常用向上排空氣法收集氯氣，設(shè)計一個簡單實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證所收集的氯氣中是否含有空氣：。

解析氯氣可與氫氧化鈉溶液反應(yīng)，如含有空氣，則與氫氧化鈉反應(yīng)后試管內(nèi)有氣體殘留。

答案：用試管收集氯氣，收集滿后將試管倒立在氫氧化鈉溶液中，觀察試管內(nèi)有無殘留氣體。

三、考查定量化學(xué)實(shí)驗(yàn)方案的設(shè)計

定量實(shí)驗(yàn)注重學(xué)生對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析和處理能力，以及對實(shí)驗(yàn)流程的推理能力。對實(shí)驗(yàn)進(jìn)行設(shè)計的關(guān)鍵是分析判斷題目想通過哪種定量方法（氣體質(zhì)量法、氣體體積法、沉淀質(zhì)量法、中和滴定法、灼燒法等）來測定什么量，如何排除干擾精確的定量。還要看清題目已經(jīng)給定了什么數(shù)據(jù)還差什么數(shù)據(jù)，最終一步步推導(dǎo)分析出如何設(shè)計實(shí)驗(yàn)步驟來測得這些未知數(shù)據(jù)以達(dá)到實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?/p>

例5（2008年）為測定混合肥料K2SO4、（NH4）2SO4中鉀的含量，完善下列步驟：

①取鉀氮肥試樣并溶于水，加入足量的

溶液，產(chǎn)生白色沉淀；

②、、（依次填寫實(shí)驗(yàn)操作名稱）。

③冷卻、稱重。

解析混合肥料中含有K2SO4、（NH4）2SO4，只能考慮把SO2-4轉(zhuǎn)化為沉淀，因此，加入的溶液為BaCl2或Ba（NO3）2溶液；然后先將混合液過濾，再洗滌沉淀，最后干燥，冷卻后稱量。

答案：BaCl2或Ba（NO3）2；過濾 、洗滌、干燥。

例6（2006年）現(xiàn)設(shè)計一個實(shí)驗(yàn)，確定產(chǎn)品aMgCO3·bMg（OH）2·cH2O中a、b、c的值，請完善下列實(shí)驗(yàn)步驟（可用試劑：濃硫酸、堿石灰）：

（1）①樣品稱量；②高溫分解；③；④；⑤MgO質(zhì)量。

（2）18.2g產(chǎn)品完全分解后，產(chǎn)生6.6g CO2和8.0g MgO，由此可知，產(chǎn)品的化學(xué)式中：a=；b=；c=。

解析需要測定的數(shù)據(jù)是①樣品質(zhì)量；②MgO質(zhì)量；③生成CO2的質(zhì)量（或體積）；④生成水的質(zhì)量；利用濃硫酸的吸水性先干燥氣體，再稱量堿石灰吸收CO2前后的質(zhì)量；根據(jù)分解的化學(xué)方程式，由鎂守恒，質(zhì)量守恒進(jìn)行計算a、b、c的數(shù)值。

答案：（1）用濃硫酸吸收水蒸氣、稱量堿石灰吸收CO2前后的質(zhì)量；（2）3、1、3。

例7（2003年）實(shí)驗(yàn)室有CuO和Cu粉的混合物。請你利用給出的實(shí)驗(yàn)儀器及試劑，設(shè)計兩種測定該樣品（已稱得其質(zhì)量為m g）中氧化銅質(zhì)量分?jǐn)?shù)的方法，并填寫表格中的有關(guān)內(nèi)容。

實(shí)驗(yàn)方法實(shí)驗(yàn)過程中所發(fā)生反應(yīng)的化學(xué)方程式實(shí)驗(yàn)所用儀器（用編號表示）實(shí)驗(yàn)需直接測定的有關(guān)物理量（用文字說明）

1

2

實(shí)驗(yàn)可能用到的主要儀器：

①托盤天平；②啟普發(fā)生器；③硬質(zhì)玻璃管；④泥三角；⑤燒杯；⑥坩堝；⑦酒精燈；⑧玻璃棒；⑨漏斗；⑩干燥管。

實(shí)驗(yàn)可能用到的試劑：

a.鋅粒b.稀硫酸

c.氯化鈉溶液 d.濃硫酸

解析金屬銅和非氧化性酸不反應(yīng)，但是氧化銅能和酸反應(yīng)，據(jù)此獲得混合物中金屬銅的質(zhì)量即可；金屬銅在氧氣中加熱可以生成氧化銅，可以根據(jù)固體質(zhì)量的增加來計算金屬銅的質(zhì)量進(jìn)而計算出氧化銅的質(zhì)量分?jǐn)?shù)；還可以用氫氣還原氧化銅，根據(jù)反應(yīng)前后固體質(zhì)量的差值可計算出氧化銅的質(zhì)量。

答案：

實(shí)驗(yàn)方法實(shí)驗(yàn)過程中所發(fā)生反應(yīng)的化學(xué)方程式實(shí)驗(yàn)所用儀器（用編號表示）實(shí)驗(yàn)需直接測定的有關(guān)物理量（用文字說明）

1H2SO4+Zn→ZnSO4+H2↑

H2+CuO△Cu+H2O①②③⑦實(shí)驗(yàn)前樣品和硬質(zhì)玻璃管的總質(zhì)量（或硬質(zhì)玻璃管的質(zhì)量）、實(shí)驗(yàn)后Cu及硬質(zhì)玻璃管的總質(zhì)量

2H2SO4+CuO→CuSO4+H2O①⑤⑧⑨過濾后剩余固體的質(zhì)量

32Cu+O2△2CuO①④⑥⑦⑧實(shí)驗(yàn)前坩堝與樣品總質(zhì)量、實(shí)驗(yàn)后坩堝與CuO總質(zhì)量

四、考查實(shí)驗(yàn)儀器連接和實(shí)驗(yàn)操作的方案設(shè)計

實(shí)驗(yàn)儀器的連接和實(shí)驗(yàn)操作的方案設(shè)計是化學(xué)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)內(nèi)容，是構(gòu)成實(shí)驗(yàn)綜合大題的內(nèi)核，涉及的內(nèi)容有：常見反應(yīng)裝置的選擇、干燥或除雜裝置的選擇、量氣裝置的選擇、防倒吸裝置、儀器連接的順序、實(shí)驗(yàn)操作的順序、氣密性檢查等。

例8（2010年上海）一次性飯盒中石蠟（高級烷烴）和CaCO3在食物中的溶出量是評價飯盒質(zhì)量的指標(biāo)之一，測定溶出量的主要實(shí)驗(yàn)步驟設(shè)計如下：剪碎、稱重→浸泡溶解→過濾→殘?jiān)娓伞鋮s、稱重→恒重。

（1）為了將石蠟和碳酸鈣溶出，應(yīng)選用的試劑是 ；

a.氯化鈉溶液b.稀醋酸

c.稀硫酸d.正已烷

（2）在溶出量測定實(shí)驗(yàn)中，為了獲得石蠟和碳酸鈣的最大溶出量，應(yīng)先溶出后溶出；

（3）上述測定實(shí)驗(yàn)中，連續(xù)，說明樣品已經(jīng)恒重。

解析根據(jù)實(shí)驗(yàn)步驟，為將石蠟和碳酸鈣溶出，可選用稀醋酸溶出碳酸鈣、正己烷溶出石蠟；由于醋酸中的乙酸也是有機(jī)物，為防止石蠟損失，可以先溶出石蠟再溶出CaCO3；稱重時，當(dāng)兩次稱量的結(jié)果相差不超過（或小于）0.001g，說明達(dá)到恒重。

答案：（1）bd；（2）石蠟、CaCO3；（3）兩次稱量的結(jié)果相差不超過（或小于）0.001g。

圖1

例9（2003年）工業(yè)上測量SO2、N2、O2混合氣體中SO2含量的裝置如圖1；反應(yīng)管中裝有碘的淀粉溶液。SO2和I2發(fā)生的反應(yīng)為（N2、O2不與I2反應(yīng)）：SO2+I2+2H2O→H2SO4+2HI

（1）混合氣體進(jìn)入反應(yīng)管后，量氣管內(nèi)增加的水的體積等于 的體積（填寫氣體的分子式）；

（2）將上述裝置改為簡易實(shí)驗(yàn)裝置，除導(dǎo)管外，還需選用的儀器為： （選下列儀器的編號）

a.燒杯 b.試管 c.廣口瓶 d.容量瓶 e.量筒 f.單孔塞 g.雙孔塞

解析混合氣體進(jìn)入反應(yīng)管中，其中SO2與I2發(fā)生了反應(yīng)，剩余的氣體僅有N2和O2，量氣管內(nèi)增加的水的體積等于N2和O2的總體積；由所給裝置可知反應(yīng)管起密閉容器吸收SO2的作用，因此可用試管、廣口瓶代替，而量取氣體的體積方法除用量氣管外，還可用測量氣體所排出液體的體積確定，可用廣口瓶、雙孔塞、量筒代替量氣管。

答案：N2、O2的體積；bceg或beg或ceg。

五、考查物質(zhì)分離與提純的實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計

物質(zhì)分離與提純的實(shí)驗(yàn)操作是每年高考實(shí)驗(yàn)題的必考知識點(diǎn)，在非選擇題中一般以實(shí)驗(yàn)大題中的某幾個填空或簡答的形式考查。常見的分離與提純的方法有：過濾、蒸發(fā)結(jié)晶、冷卻結(jié)晶、分液、萃取、蒸餾、減壓蒸餾、減壓烘干、洗氣、升華、直接加熱法、滲析法、紙層析法、化學(xué)蒸氣轉(zhuǎn)移法、控制pH選擇性的除去原料中的某種或全部的雜質(zhì)金屬離子等，要根據(jù)題目的特點(diǎn)來靈活選擇上述方法。

例10（2013年）鎳具有優(yōu)良的物理和化學(xué)特性，是許多領(lǐng)域尤其是高技術(shù)產(chǎn)業(yè)的重要原料。羰基法提純粗鎳涉及的兩步反應(yīng)依次為：

①Ni（s）+4CO（g）30℃Ni（CO）4（g）+Q

②Ni（CO）4（g）230℃Ni（s）+4CO（g）

簡述羰基法提純粗鎳的操作過程。

解析根據(jù)反應(yīng)①②的特點(diǎn)及生成Ni（CO）4的狀態(tài)，通過化學(xué)蒸氣轉(zhuǎn)移法來提純粗鎳，控制不同的溫度，CO相當(dāng)于一個搬運(yùn)工把粗鎳中的鎳從封閉玻璃管的一端搬運(yùn)到另一端。

答案：把粗鎳和CO放于一個水平放置的密閉的玻璃容器中，然后在低溫下反應(yīng)，一段時間后在容器的一端加熱。

例11（2012年）粗鹽（含Ca2+、Mg2+）經(jīng)提純后，加入碳酸氫銨可制得碳酸鈉。實(shí)驗(yàn)步驟依次為：

①粗鹽溶解；②加入試劑至沉淀完全，煮沸；③；④加入鹽酸調(diào)pH；⑤加入；⑥過濾；⑦灼燒，冷卻，稱重。

解析粗鹽提純步驟應(yīng)是向粗鹽溶液中加入沉淀劑、過濾（除去沉淀），然后加入鹽酸，調(diào)pH（除去前面加入沉淀劑引入的OH-與CO2-3），此時溶液為純凈的NaCl溶液，再向該溶液中加入碳酸氫銨，即可析出溶解度較小的碳酸氫鈉，然后過濾、洗滌得到純凈NaHCO3，將NaHCO3加熱得到Na2CO3。

答案：過濾；碳酸氫銨。

（收稿日期：2015-01-12）