江蘇 陳 穎 李萬春

定量實驗問題的解答策略探析

在近年來的高考中，定量實驗一直是考查的熱點。這類試題的特點是閱讀量大，信息多，密切聯(lián)系生產(chǎn)生活實際，學(xué)生很難把要考查的問題與所學(xué)習(xí)過的相關(guān)的化學(xué)知識聯(lián)系起來，感到難以下手。下面就解答這類試題所需的知識要點和解題策略略加分析，期望對讀者有所幫助。

一、實驗數(shù)據(jù)的測定方法

1．沉淀法

先將某種成分轉(zhuǎn)化為沉淀，然后稱量純凈、干燥的沉淀的質(zhì)量，再進行相關(guān)計算。

2．測氣體體積法

對于產(chǎn)生氣體的反應(yīng)，可以通過測定氣體體積的方法測定樣品純度。

3．測氣體質(zhì)量法

將生成的氣體通入足量的吸收劑中，通過稱量實驗前后吸收劑的質(zhì)量，求得所吸收氣體的質(zhì)量，然后進行相關(guān)計算。

4．滴定法

即利用滴定操作原理，通過酸堿中和滴定、沉淀滴定或氧化還原反應(yīng)滴定等獲得相應(yīng)數(shù)據(jù)后再進行相關(guān)計算。

二、分析問題的思維模型

定量實驗要計算的內(nèi)容主要有：(1)產(chǎn)品的產(chǎn)率或物質(zhì)中某組分的質(zhì)量分數(shù)；(2)利用滴定原理進行物質(zhì)的量濃度、物質(zhì)的量和質(zhì)量的計算；(3)物質(zhì)的化學(xué)式、相對分子(或原子)質(zhì)量、中和熱等。

還有一些制備實驗，目標產(chǎn)物易水解或易潮解，我們就要在目標產(chǎn)物制備裝置的左側(cè)和右側(cè)設(shè)置防止水蒸氣進入的裝置(如裝有堿石灰的干燥管等)。

三、題型示例

無水AlCl3在183 ℃時升華，遇潮濕空氣產(chǎn)生大量白霧，某科研小組利用下圖裝置制取純凈的無水AlCl3。

(1)試分析各裝置中的試劑及其作用。

(2)指出該套裝置在設(shè)計上的一處缺陷。

本題是一道典型的有氣體參與的制備實驗，利用本文講解的方法分析如下：

【模塊思維】加熱條件下用濃鹽酸和二氧化錳反應(yīng)制得的氯氣中含有水蒸氣和氯化氫，所以要設(shè)置除去氯化氫的除雜裝置和干燥裝置，然后將所得純凈氯氣與鋁粉在加熱條件下反應(yīng)制取目標產(chǎn)物，由于AlCl3易升華，故需要設(shè)計收集裝置，又由于AlCl3遇水蒸氣易水解，故收集裝置右側(cè)應(yīng)有吸收水蒸氣的裝置，氯氣有毒，最后還要有尾氣處理裝置。

【模塊裝置】利用上述模塊化思維分析，不難得出本實驗所涉及的裝置為：制取氯氣裝置→除氯化氫裝置→干燥裝置→制取氯化鋁的裝置→收集裝置→防干擾裝置(防止水蒸氣進入制取氯化鋁的裝置)→尾氣處理裝置。

【試題答案】(1)A：濃鹽酸和二氧化錳；制取氯氣。B：飽和食鹽水；吸收氯化氫。C：濃硫酸；吸收水蒸氣。D：鋁粉；與氯氣反應(yīng)制取氯化鋁。E：收集氯化鋁。F：濃硫酸；防止水蒸氣進入裝置E中。G：NaOH溶液；吸收氯氣，防止污染。

定量實驗的內(nèi)容包括：實驗原理、儀器和試劑、實驗操作步驟及注意事項、有關(guān)計算和誤差分析等。

定量實驗問題都有一個需要測量的量(可稱之為目的量)，但是目的量通常是無法直接測量出來的，而是通過另外的可以測量出來的量(可稱之為可測量)計算而求得。因此，我們可以對定量實驗進行建模分析：

目的量化學(xué)反應(yīng)原理化學(xué)計算可測量

目的量的出現(xiàn)沒有一定的規(guī)律，它可以是相對原子質(zhì)量、相對分子質(zhì)量，也可以是質(zhì)量分數(shù)、結(jié)晶水合物中水的分子數(shù)，還可以是分子組成等，這主要取決于題目的背景和命題人的意愿。盡管如此，但是在具體的定量實驗題里，目的量是明確的，不難把握?？蓽y量是解題的核心，它可決定化學(xué)實驗所需要的儀器和裝置，決定實驗步驟的先后次序，決定測量結(jié)果的讀取與記錄，決定誤差存在的可能性，決定實驗過程中需要注意的有關(guān)事項等。在中學(xué)化學(xué)中，可測量通常是固體物質(zhì)的質(zhì)量、氣體的體積和消耗溶液的體積三種。所以一旦明確了何為可測量，圍繞可測量分析設(shè)計實驗，進行有關(guān)計算，問題就能迎刃而解。

三、解決問題的基本方法

為了說明問題，下面我們緊扣上述模型，具體舉例，分析解答定量實驗題的基本方法。

1.物質(zhì)質(zhì)量測定法

這類問題的可測量是反應(yīng)生成的沉淀或氣體的質(zhì)量，可根據(jù)化學(xué)反應(yīng)原理或守恒原理確定目的量。

例1下列實驗步驟是興趣小組對某礦物樣品含量的測定，樣品成分為FeO、FeS2、SiO2、及其他雜質(zhì)，雜質(zhì)不與酸堿反應(yīng)，受熱穩(wěn)定。(步驟中所加試劑均為足量)

①稱量mg樣品在硬質(zhì)玻璃管中灼燒，簡化實驗裝置如下：

②D瓶溶液H2O2溶液BaCl2溶液連續(xù)操作1固體(ag)

③

C中

固體稀硫酸→濾渣(bg)

→濾液H2O2溶液NaOH溶液濾渣連續(xù)操作2紅棕色

固體(cg)

(1)A瓶內(nèi)所盛試劑是________溶液。

(2)若步驟②中不加入雙氧水，則對測定硫元素含量的影響是________(填“偏高”“偏低”或“無影響”) 。

(3)從步驟③的bg濾渣入手，可測定SiO2的含量，下面各組試劑中不適合測定的是________。

A.NaOH溶液、稀硫酸

B.Ba(OH)2溶液、鹽酸

C.氨水、稀硫酸

D.NaOH溶液、鹽酸

(4)求樣品中FeO的質(zhì)量分數(shù)(列出算式即可)：________________ 。

解析：樣品灼燒時生成SO2，SO2被NaOH溶液吸收。本題通過測定反應(yīng)后一系列產(chǎn)物的質(zhì)量，可分別求出樣品中FeO、FeS2、SiO2等物質(zhì)的質(zhì)量分數(shù)。

(1)A瓶內(nèi)的試劑是強堿溶液，目的是吸收空氣中的CO2氣體，防止CO2進入D裝置。

(2)H2O2能將SO2-3氧化為SO2-4。若此步驟不加H2O2，則應(yīng)根據(jù)所得BaSO3的質(zhì)量計算硫元素的含量，因為空氣中的O2會將SO2-3部分氧化為SO2-4，使所得沉淀的質(zhì)量偏大，測得的硫元素的含量偏高。

(3)濾渣中的雜質(zhì)不與酸、堿反應(yīng)，則可用強堿溶液溶解濾渣中的SiO2，過濾后用稀硫酸或稀鹽酸洗滌殘留固體，通過測定殘留固體的質(zhì)量即可測定SiO2的含量。

(4)通過Fe2O3的質(zhì)量可求樣品中Fe元素的總量：n(Fe)=2c160 mol；通過BaSO4的質(zhì)量可求FeS2的量：n(FeS2)=a233×12 mol；樣品中FeO的物質(zhì)的量為：n(FeO)=2c160-a233×12 mol，其質(zhì)量分數(shù)為c160×2-a233×12×72m×100%。

答案：(1)NaOH(或KOH等合理答案) (2)偏高 (3)BC (4)c160×2-a233×12×72m×100%

2.氣體體積測定法

這類問題的可測量是反應(yīng)生成的氣體的體積，可根據(jù)物質(zhì)的量的換算原理確定目的量。

例2為了測定已部分變質(zhì)的過氧化鈉樣品的純度，設(shè)計如圖所示的實驗裝置，圖中Q為彈性良好的氣球，稱取一定量的樣品放入其中，按如圖所示的裝置安裝好儀器，打開分液漏斗的活塞，將稀硫酸滴入氣球中。

(1)為測定反應(yīng)時生成氣體的總體積，滴加稀H2SO4前必須關(guān)閉________ (填“K1”“K2”或“K3”，下同)，打開________ 。

(2)當(dāng)上述反應(yīng)停止時，將K1、K2、K3均關(guān)閉，然后先打開K2，再緩緩打開K1，這時可觀察到的現(xiàn)象是________________________。

(3)b中裝的固體試劑是________，為何要緩緩打開K1？

。

(4)實驗結(jié)束時，量筒Ⅰ中有xmL水，量筒Ⅱ中收集到y(tǒng)mL氣體，如果上述氣體體積均已折算成標準狀況，則過氧化鈉的純度是________ (用含x、y的式子表示)。

解析：變質(zhì)的Na2O2中含有Na2CO3，在樣品中加入稀硫酸后，氣球Q中可生成O2與CO2兩種氣體。本實驗可通過測定CO2和O2的體積，然后經(jīng)換算求出Na2O2的純度。將稀H2SO4加入氣球前，關(guān)閉K1和K2，打開K3，反應(yīng)結(jié)束時氣球膨脹的體積與量筒Ⅰ中所接收的水的體積相等，此即為CO2與O2的體積之和。待氣球中反應(yīng)完全后，關(guān)閉K3，打開K2，再緩緩打開K1，此時氣球漸癟，氣體會經(jīng)干燥管b進入量筒Ⅱ，CO2被干燥管中的堿石灰吸收，量筒Ⅱ中收集到氣體的體積即為O2的體積。由題意可知，CO2和O2的總體積為xmL，O2的體積為ymL，故CO2的體積為(x-y) mL，根據(jù)化學(xué)方程式可知Na2O2與Na2CO3的物質(zhì)的量之比為2y∶(x-y)，則Na2O2的純度為w(Na2O2)=2y×782y×78+106(x-y)×100%=78y53x+25y×100%。

答案：(1)K1、K2K3(2)氣球Q慢慢變小，氣體進入量筒Ⅱ中 (3)堿石灰 控制氣體的流速，使CO2被充分吸收 (4)78y53x+25y×100%

3．滴定數(shù)據(jù)分析法

這類問題的可測量是滴定實驗中消耗標準溶液的體積，通常要根據(jù)多步反應(yīng)的關(guān)系式計算目的量。

例3YBa2Cu3Ox(釔鋇銅氧)是近年來被科學(xué)家發(fā)現(xiàn)的一種高溫超導(dǎo)材料，其中Y、Ba、O三種元素都有固定的化合價，分別為+3、+2、-2，而Cu是+2和+3的混合價態(tài)。現(xiàn)用碘量法進行測定：

取一定質(zhì)量的YBa2Cu3Ox樣品，用稀鹽酸溶解，在氮氣的保護下加過量的KI固體，樣品中的Cu3+和Cu2+分別氧化KI生成I2，用0.100 mol·L-1Na2S2O3溶液滴定得到的I2，終點時消耗Na2S2O3溶液21.00 mL。有關(guān)反應(yīng)如下：

Cu3++3I-CuI↓+I2

2Cu2++4I-2CuI↓+I2

I2+2S2O2-32I-+S4O2-6

另取一份質(zhì)量相等的YBa2Cu3Ox樣品，用稀鹽酸溶解，煮沸，使其中的Cu3+全部轉(zhuǎn)化為Cu2+，冷卻后再用碘量法滴定，終點時消耗0.100 mol·L-1Na2S2O3溶液 15. 00 mL。

試回答：

(1)碘量法中應(yīng)選用的指示劑是________。

(2)碘量法滴定終點的現(xiàn)象為

。

(3)Cu3+和Cu2+的物質(zhì)的量之比為________。

(4)x值為________。

解析：本題的目的量是YBa2Cu3Ox中的x的值，可測量是Cu3+和Cu2+的物質(zhì)的量之比。利用滴定原理，結(jié)合關(guān)系式法，可求出可測量，由可測量和基礎(chǔ)化學(xué)知識即可求出目的量。

計算用的關(guān)系式是：Cu3+～I2～2S2O2-3，2Cu2+～I2～2S2O2-3。

設(shè)樣品中Cu3+、Cu2+的物質(zhì)的量分別為a、b，則：

2a+b=21.00×10-3L×0.100 mol·L-1

a+b=15.00×10-3L×0.100 mol·L-1

解得：a=6.00×10-4mol,b=9.00×10-4mol，a∶b=2∶3。

由YBa2Cu3Ox中各元素化合價之和為零原理得：3+2×2+3×25×3+3×35×2=2x，x=7.1。

答案：(1)淀粉溶液 (2)溶液的藍色褪去且半分鐘內(nèi)不恢復(fù)原色 (3)2∶3 (4)7.1

(作者單位：江蘇省常州市橫山橋高級中學(xué))

山西省大同市靈丘縣豪洋中學(xué)，河北省淶水縣第四中學(xué))