■浙江省杭州市基礎(chǔ)教育研究室 陳進(jìn)前(特級(jí)教師)

用“化學(xué)實(shí)驗(yàn)研究模型”考查化學(xué)實(shí)驗(yàn)問(wèn)題

■浙江省杭州市基礎(chǔ)教育研究室 陳進(jìn)前(特級(jí)教師)

化學(xué)實(shí)驗(yàn)問(wèn)題大多是綜合性問(wèn)題,解答化學(xué)實(shí)驗(yàn)題必須抓住這一特征。北京師范大學(xué)王磊教授提出如圖1所示的一種化學(xué)實(shí)驗(yàn)研究模型,其中指出化學(xué)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容包括問(wèn)題要素、方法和技能要素、知識(shí)要素、本體要素、態(tài)度要素5個(gè)維度的內(nèi)容,在高中化學(xué)中依照該模型來(lái)梳理化學(xué)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、考查化學(xué)實(shí)驗(yàn)問(wèn)題,有助于全面深入理解化學(xué)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容,是解決化學(xué)實(shí)驗(yàn)問(wèn)題的有效途徑。

圖1

一、梳理知識(shí)要素、本體要素、方法技能要素，夯實(shí)化學(xué)實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)

本體要素指實(shí)驗(yàn)儀器、實(shí)驗(yàn)步驟、實(shí)驗(yàn)條件和實(shí)驗(yàn)用品等;知識(shí)要素是指跟某一化學(xué)實(shí)驗(yàn)相關(guān)的物質(zhì)性質(zhì)和反應(yīng)原理等;方法技能要素是相關(guān)的實(shí)驗(yàn)方法和操作技能等。解決化學(xué)實(shí)驗(yàn)問(wèn)題,首先要從這三個(gè)方面進(jìn)行梳理,這是理解實(shí)驗(yàn)原理、選取實(shí)驗(yàn)儀器、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案、確定實(shí)驗(yàn)條件、解釋實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象、處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的必備基礎(chǔ)。

(杭州市高三抽測(cè)試題)高氯酸銨是一種無(wú)色晶體,可用作火箭推進(jìn)劑、高氯酸銨炸藥的配合劑,也可用于制造煙火、人工防冰雹的藥劑,還可作為分析試劑等。高氯酸銨的部分性質(zhì)如下:①密度為1.9 5g·c m-3,溶于水、丙酮,微溶于醇;②屬于強(qiáng)氧化劑,受熱或猛烈撞擊能引起爆炸,與有機(jī)物或可燃物研磨也會(huì)發(fā)生爆炸。

有同學(xué)在資料上查到如下兩種制取高氯酸銨晶體的方案:

方案A:

請(qǐng)回答下列問(wèn)題:

(1)方案B中氯氣通入氫氧化鈉溶液時(shí)發(fā)生反應(yīng)的總化學(xué)方程式為_(kāi)___。

(2)方案A、B中共有三處用到電解,這三處電解時(shí)陰極的電極反應(yīng)式為_(kāi)___。

(3)方案A的第一步“趁熱過(guò)濾”得到的晶體主要成分是____,這一步驟中控制結(jié)晶時(shí)溫度很重要,你認(rèn)為若高氯酸鈉溶液加入氯化銨晶體不采用趁熱過(guò)濾會(huì)造成的后果是____。

(4)兩種制取高氯酸銨的方案相比較,方案B的主要優(yōu)點(diǎn)是____。

解析：正確解答此題的前提是對(duì)氯元素及其化合物的性質(zhì)、電解、化學(xué)平衡等知識(shí)有深入的理解。

第(1)問(wèn)中有“陷阱”,有同學(xué)會(huì)寫成C l2+ 2 N a OH══N a C l O+N a C l+H2O,這樣就中圈套了。請(qǐng)?zhí)貏e注意觀察方案B所給出的信息,氯氣通入氫氧化鈉溶液中后經(jīng)水蒸氣蒸餾得到HC l O,即產(chǎn)物不是N a C l O,由此研究就會(huì)想到總反應(yīng)式是C l2(過(guò)量)+N a OH══HC l O+N a C l。

第(2)問(wèn)中考查了電解原理,兩種方案有三處涉及電解,分別是電解氯酸鈉溶液、電解次氯酸溶液、電解氯酸溶液,要注意這三個(gè)電解過(guò)程中陽(yáng)極電極反應(yīng)不相同,但陰極的電極反應(yīng)完全相同:

2 OH-。

第(3)問(wèn)中,當(dāng)用氯化銨、高氯酸鈉溶液混合制取高氯酸銨時(shí),須分離除去氯化鈉,趁熱過(guò)濾的目的就是除去氯化鈉。由于溫度較高時(shí)高氯酸銨的溶解度大,不易結(jié)晶出來(lái)(若此時(shí)高氯酸銨也結(jié)晶出來(lái)就會(huì)被當(dāng)作氯化鈉晶體過(guò)濾掉),所以“趁熱過(guò)濾”與“常溫下過(guò)濾”相比較,前者可以減少高氯酸銨的損耗量。

對(duì)于第(4)問(wèn),方案A中所得產(chǎn)物的純度依賴于分離的效果,方案B所得高氯酸銨晶體的純度要高。所以方案B的優(yōu)點(diǎn)是:既減少了復(fù)雜的分離提純操作,又提高了產(chǎn)品純度。

按以下實(shí)驗(yàn)方案可以從海洋動(dòng)物柄海鞘中提取具有抗腫瘤活性的天然產(chǎn)物。

下列說(shuō)法錯(cuò)誤的是( )。

A.步驟(1)需要過(guò)濾裝置

B.步驟(2)需要用到分液漏斗

C.步驟(3)需要用到坩堝

D.步驟(4)需要蒸餾裝置

解析：快而準(zhǔn)地獲得答案的基礎(chǔ)是要熟悉過(guò)濾、萃取、分液、蒸發(fā)濃縮、蒸餾等化學(xué)實(shí)驗(yàn)基本操作方法。將題給操作流程與各種物質(zhì)分離操作方法的特點(diǎn)聯(lián)系起來(lái)可判斷,操作(1)是過(guò)濾(從“濾液”判斷出),操作(2)是萃取(從“水層”和“有機(jī)層”判斷出),必定要用到分液漏斗。步驟(3)是從水溶液中分離出固體粗產(chǎn)品,應(yīng)該濃縮結(jié)晶,一般是用蒸發(fā)皿,不會(huì)用到坩堝。步驟(4)是從有機(jī)層中分離出甲苯,應(yīng)該用蒸餾方法。答案為C。

二、梳理態(tài)度要素和問(wèn)題要素，提升科學(xué)探究能力，強(qiáng)化化學(xué)觀念

通過(guò)化學(xué)實(shí)驗(yàn)試題考查科學(xué)探究能力、測(cè)試化學(xué)基本觀念是一種命題方向,在化學(xué)實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)中要通過(guò)梳理態(tài)度要素和問(wèn)題要素來(lái)提升科學(xué)探究能力,強(qiáng)化化學(xué)觀念。試劑選擇、尾氣處理、操作流程、方案選擇等,都會(huì)涉及綠色化學(xué)觀念。化學(xué)實(shí)驗(yàn)的目的就是解決一定的問(wèn)題,突出并明確化學(xué)實(shí)驗(yàn)的問(wèn)題性,實(shí)驗(yàn)探究性是圍繞著問(wèn)題展開(kāi)的,所以要在化學(xué)實(shí)驗(yàn)中培養(yǎng)科學(xué)態(tài)度和提高問(wèn)題意識(shí)。

(杭州市高三抽測(cè)試題)聚合硫酸鐵(P F S)是一種新型高效的無(wú)機(jī)高分子絮凝劑,現(xiàn)用鐵的氧化物為原料來(lái)制取聚合硫酸鐵的過(guò)程如下。

聚合硫酸鐵溶液中S O24-與F e3+物質(zhì)的量之比____3∶2(填“大于”“等于”或“小于”)。設(shè)計(jì)一個(gè)實(shí)驗(yàn)方案測(cè)定聚合硫酸鐵中S O24-與F e3+物質(zhì)的量之比(寫出試劑、操作方法)。

解析：審題時(shí)要善于提出問(wèn)題,如“上述生產(chǎn)流程中涉及哪些化學(xué)反應(yīng)”“產(chǎn)品P F S屬于哪類物質(zhì),其中除含有S O24-和F e3+外還可能含有哪些離子”“定量測(cè)定S O24-、F e3+可選用哪些方法?定量測(cè)定P F S中S O24-、F e3+應(yīng)排除哪些干擾因素”。提出并思考上述問(wèn)題后,可發(fā)現(xiàn)“聚合硫酸鐵實(shí)際就是堿式硫酸鐵,其中n(S O24-)∶n(F e3+)＜3∶2。若要測(cè)定其比值,必須定量測(cè)定S O24-、F e3+的量。

(杭州市高三抽測(cè)試題)高錳酸鉀是常用的氧化劑。工業(yè)上以軟錳礦(主要成分是M n O2)為原料制備高錳酸鉀晶體。實(shí)驗(yàn)室制備高錳酸鉀晶體的操作流程如下。

上述反應(yīng)②的化學(xué)方程式:3 K2M n O4+ 2 C O2══2 KM n O4+M n O2+2 K2C O3。

已知:

_____物質(zhì)__________ K2C O3KHC O_ ______ __________3K2SO4CH3C_OOK 2 9 3K溶解度(g) 1 1 1_ ____3 3.7 ___1 1.1_ ________217

(1)加熱軟錳礦、K C l O3和KOH固體時(shí)所采用的操作方法是____,不采用瓷坩堝而選用鐵坩堝的理由是____;反應(yīng)①的化學(xué)方程式為_(kāi)___。

(2)從濾液中得到KM n O4晶體的實(shí)驗(yàn)操作依次是____(選填字母代號(hào),下同)。

a.蒸餾 b.蒸發(fā) c.灼燒

d.抽濾 e.冷卻結(jié)晶

(3)制備過(guò)程中需要用到純凈的C O2氣體。制取純凈C O2最好選擇下列試劑中的____。

a.石灰石 b.濃鹽酸

c.稀硫酸 d.純堿

(4)實(shí)驗(yàn)時(shí),若C O2過(guò)量會(huì)生成K H C O3,導(dǎo)致得到的KM n O4產(chǎn)品的純度降低。原因是____。

(5)由于C O2的通入量很難控制,因此對(duì)上述實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行了改進(jìn),即把實(shí)驗(yàn)中通入C O2改為加其他的酸。從理論上分析,選用下列酸中的____,得到的產(chǎn)品純度更高。

a.醋酸 b.濃鹽酸 c.稀硫酸

解析：第(1)和(4)問(wèn)中要求解題者直接對(duì)相關(guān)實(shí)驗(yàn)操作作出評(píng)價(jià),第(2)(3)(5)三個(gè)問(wèn)題看起來(lái)是選擇題,但其實(shí)質(zhì)還是評(píng)價(jià)問(wèn)題,因?yàn)楸仨氁獙?duì)相關(guān)實(shí)驗(yàn)操作和原理作出評(píng)價(jià)后才能選出正確選項(xiàng)。

從題給實(shí)驗(yàn)流程可知,第一步、第二步操作的目的是將氯酸鉀、氫氧化鉀和二氧化錳三種固體混合加強(qiáng)熱制取錳酸鉀,應(yīng)該選用的操作方法是“灼燒”。由于氫氧化鉀具有強(qiáng)堿性,高溫下會(huì)腐蝕瓷坩堝,應(yīng)該選用鐵坩堝。反應(yīng)的化學(xué)方程式為3 M n O2+K C l O3

流程中后續(xù)操作的目的是:將K2M n O4、K C l等混合物溶解,通入C O2調(diào)節(jié)p H,使K2M n O4在適宜條件下發(fā)生歧化反應(yīng)轉(zhuǎn)化為KM n O4(根據(jù)題給反應(yīng)式可知同時(shí)生成了M n O2、K2C O3),直接抽濾可除去其中的M n O2,所得濾液中有KM n O4、K2C O3等,經(jīng)過(guò)結(jié)晶分離得到KM n O4晶體。由于K2C O3在常溫下溶解度較大,所以濾液要經(jīng)過(guò)蒸發(fā)(提高KM n O4的濃度)、冷卻結(jié)晶(使KM n O4結(jié)晶出來(lái))、抽濾等操作,即第(2)問(wèn)應(yīng)選b、e、d。

考慮到用碳酸鈣、鹽酸制取C O2氣體會(huì)混入少量HC l,所以最好選用碳酸鈉和硫酸,即第(3)問(wèn)應(yīng)選c、d。從題給信息可知, KHC O3的溶解度比K2C O3的小很多,濾液蒸發(fā)濃縮時(shí)KHC O3會(huì)隨KM n O4一起結(jié)晶析出。因?yàn)辂}酸有還原性,醋酸鉀的溶解度比硫酸鉀的大很多,蒸發(fā)濃縮時(shí)基本上都會(huì)留在母液里,所以第(5)問(wèn)選a。

(責(zé)任編輯 謝啟剛)