福建省廈門市翔安第一中學(xué)(361101) 洪茲田 羅德炳 陳女婷

分析近3年的全國(guó)I卷理綜化學(xué)實(shí)驗(yàn)題,不難發(fā)現(xiàn)這3年的實(shí)驗(yàn)綜合題的考查不盡相同。從考查類型看,2017年考查以凱氏定氮法為背景的定量測(cè)定實(shí)驗(yàn),2018 年考查以醋酸亞鉻制備為背景的物質(zhì)制備類實(shí)驗(yàn)題,2019年則考查硫酸鐵銨制備為背景的物質(zhì)制備類實(shí)驗(yàn)題。從呈現(xiàn)形式看,2017年、2018 年以實(shí)驗(yàn)裝置圖形式呈現(xiàn),而2019年則以工藝流程的形式呈現(xiàn)。分析2019年流程式的物質(zhì)制備實(shí)驗(yàn)題的命題特點(diǎn),提出對(duì)今后此類實(shí)驗(yàn)復(fù)習(xí)教學(xué)的若干啟示：整體規(guī)劃設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)教學(xué),促進(jìn)“物質(zhì)制備實(shí)驗(yàn)”的學(xué)習(xí)進(jìn)階;掌握一般范式和建構(gòu)思維模型,實(shí)現(xiàn)分析問題模型化;掌握審題四部曲和答題五關(guān)鍵,實(shí)現(xiàn)解決問題方法化的目的。

1 試題分析

1.1 原題呈現(xiàn)

硫酸鐵銨[NH4Fe(SO4)2·xH2O]是一種重要鐵鹽。為充分利用資源,變廢為寶,在實(shí)驗(yàn)室中探究采用廢鐵屑來制備硫酸鐵銨,具體流程如圖1所示。

圖1 制備流程圖

回答下列問題：

(1)步驟①的目的是去除廢鐵屑表面的油污,方法是______。

(2)步驟②需要加熱的目的是______,溫度保持80～95 ℃,采用的合適加熱方式是______。鐵屑中含有少量硫化物,反應(yīng)產(chǎn)生的氣體需要凈化處理,合適的裝置為____(填標(biāo)號(hào))。

(3)步驟③中選用足量的 H2O2,理由是______。分批加入H2O2,同時(shí)為了______,溶液要保持pH 值小于0.5。

(4)步驟⑤的具體實(shí)驗(yàn)操作有______,經(jīng)干燥得到硫酸鐵銨晶體樣品。

(5)采用熱重分析法測(cè)定硫酸鐵銨晶體樣品所含結(jié)晶水?dāng)?shù),將樣品加熱到150 ℃時(shí),失掉1.5個(gè)結(jié)晶水,失重5.6%。硫酸鐵銨晶體的化學(xué)式為_____________。

1.2 分析與解答

流程型實(shí)驗(yàn)題包括3種類型：操作流程型、物質(zhì)轉(zhuǎn)化流程型、綜合流程型。本題屬于物質(zhì)轉(zhuǎn)化流程型實(shí)驗(yàn)題。

(1)熱的純堿溶液有利于促進(jìn)CO2－3的水解,導(dǎo)致溶液堿性增強(qiáng),油脂在堿性條件下會(huì)發(fā)生水解(稱為“皂化反應(yīng)”)。工業(yè)上常用熱的純堿溶液清洗去除廢鐵屑表面的油污。因此,答案為：堿煮水洗。

(2)溫度升高,反應(yīng)速率加快,故加熱的目的是為了加快反應(yīng)速率。為保持溫度恒定為80～95 ℃且低于水的沸點(diǎn)(100 ℃),可采用水浴加熱方式。鐵屑中含少量硫化物,硫化物與硫酸反應(yīng)生成少量有劇毒的H2S 氣體。H2S 在水中的溶解度不大(常溫下1∶2.6),但易與NaOH 溶液反應(yīng)。因此,選用NaOH 溶液作為吸收劑,同時(shí)選用倒扣漏斗作為防倒吸裝置,故合適裝置為C。因此,答案為：加快反應(yīng)速率;熱水浴;C。

(3)濾液成分中有FeSO4,加入H2O2可將Fe2＋氧化為Fe3＋,且H2O2的還原產(chǎn)物為H2O(2Fe2＋＋H2O2＋2H＋＝2Fe3＋＋2H2O),不引入新雜質(zhì)。因?yàn)镠2O2本身易分解,故在加入時(shí)需分批加入。使Fe3＋產(chǎn)生沉淀的溶液pH 值為1.5～3.7,pH 值越大Fe3＋越易水解生成Fe(OH)3沉淀,溶液保持pH＜0.5 的目的是防止Fe3＋水解。因此,答案為：將Fe2＋全部氧化為Fe3＋,不引入新雜質(zhì);防止Fe3＋水解。

(4)為了除去可溶性的硫酸銨等,需要經(jīng)過的步驟為：加熱濃縮、冷卻結(jié)晶、過濾(洗滌)。因此,答案為：加熱濃縮、冷卻結(jié)晶、過濾(洗滌)。

2 命題特點(diǎn)

2.1 重視基礎(chǔ)性,考查必備知識(shí)和關(guān)鍵能力

試題考查難度適中,多數(shù)設(shè)問為實(shí)驗(yàn)必備知識(shí)和關(guān)鍵能力在具體實(shí)驗(yàn)情境中的應(yīng)用。例如,本題的設(shè)問落腳點(diǎn)主要集中在以下幾點(diǎn)。

(1)反應(yīng)條件的控制。例如,試題第(2)問中考查保持溫度為80～95 ℃采用的加熱方式。

(2)元素化合物知識(shí)的應(yīng)用。例如,試題第(2)問中考查H2S 氣體的尾氣凈化處理的裝置選擇(涉及H2S與NaOH 溶液反應(yīng));試題第(3)問中考查Fe2＋轉(zhuǎn)化為Fe3＋的過程中,選用足量的H2O2的理由(涉及陌生氧化還原反應(yīng)的產(chǎn)物分析)。

(3)實(shí)驗(yàn)裝置的選擇。例如,試題第(2)問中考查H2S氣體的尾氣吸收和防倒吸裝置。

(4)化學(xué)反應(yīng)原理的應(yīng)用。例如,試題第(1)問中考查去除廢鐵屑表面油污的方法;試題第(2)問中考查步驟②加熱的目的;試題第(3)問中考查控制溶液pH＜0.5的目的。

(5)物質(zhì)分離提純的方法與操作。例如,試題第(4)問中考查分離提純硫酸鐵銨晶體的方法。

(6)目標(biāo)產(chǎn)物的分析與研究。例如,試題第(5)問中考查利用熱重法計(jì)算確定物質(zhì)組成。

2.2 提供流程信息,考查信息獲取和加工能力

采用流程圖形式簡(jiǎn)約明了地介紹制備實(shí)驗(yàn)的完整過程,實(shí)現(xiàn)對(duì)學(xué)生獲取信息、吸收和整合信息能力的考查。例如,學(xué)生通過對(duì)“廢鐵屑制備硫酸鐵銨”流程圖信息的獲取和加工,獲得如下主要信息。

(1)實(shí)驗(yàn)步驟：鐵屑預(yù)處理→硫酸亞鐵制備→硫酸鐵制備→硫酸鐵銨制備→濃縮結(jié)晶。

(2)主要發(fā)生的反應(yīng)如下。步驟①：油脂在堿性條件下的水解反應(yīng);步驟②：Fe＋H2SO4＝FeSO4＋H2↑,FeS＋H2SO4＝FeSO4＋H2S↑,Fe2O3＋H2SO4＝Fe2(SO4)3＋H2O,Fe2(SO4)3＋Fe＝3FeSO4;步驟③：2Fe2＋＋2H＋＋H2O2＝2Fe3＋＋H2O;步 驟④⑤：Fe2(SO4)3＋(NH4)2SO4＋2xH2O＝2[NH4Fe(SO4)2·xH2O]。

2.3 注意原型啟發(fā),考查類比遷移能力

高考考查的實(shí)驗(yàn)多數(shù)是課本實(shí)驗(yàn)或所學(xué)知識(shí)的改造和升級(jí)。遇到陌生實(shí)驗(yàn)儀器、原理、方法、操作等問題,應(yīng)盡可能與所掌握的實(shí)驗(yàn)必備知識(shí)與關(guān)鍵能力進(jìn)行類比遷移。例如,步驟②中產(chǎn)生的H2中混有H2S氣體,考慮安全必須對(duì)H2S氣體進(jìn)行凈化處理。H2S氣體的處理可類比氨氣的尾氣處理方式。氨氣用水(或稀硫酸)吸收,同時(shí)要注意防止倒吸。但考慮到H2S 氣體在水中的溶解度不大,不能用水吸收,而應(yīng)用堿液(如NaOH 溶液)吸收。又如,溫度保持80～95 ℃采用的加熱方式,可類比乙酸乙酯的水解實(shí)驗(yàn)中采用水浴加熱控溫在70～80 ℃等操作。

2.4 融入新技術(shù)手段,考查定量分析方法和定量思維

考查制備原理、實(shí)驗(yàn)過程和突出新技術(shù)手段應(yīng)用的同時(shí),也涉及測(cè)定物質(zhì)組成的定量分析方法和定量思維的考查。例如,本題在考查利用廢鐵屑來制備硫酸鐵銨的過程中,也涉及了利用熱重分析法測(cè)定物質(zhì)分子式的方法的考查。測(cè)定物質(zhì)組成的方法有：測(cè)量氣體體積法、沉淀法、滴定法、熱重分析法等。前3種定量測(cè)定方法在中學(xué)教材中涉及較多,而“熱重分析”這一方法雖然在往年的全國(guó)卷中也曾涉及,但在中學(xué)階段學(xué)生必修和選修教材卻較少涉及。因此,本題的考查有利于引導(dǎo)中學(xué)教師關(guān)注和適度拓展大學(xué)教材中涉及并且基礎(chǔ)教育階段學(xué)生可理解的定量分析方法。

3 教學(xué)啟示

3.1 整體規(guī)劃設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)教學(xué),促進(jìn)“物質(zhì)制備實(shí)驗(yàn)”的學(xué)習(xí)進(jìn)階

嚴(yán)格貫徹落實(shí)普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn) (2017版)規(guī)定的學(xué)生必做實(shí)驗(yàn)。學(xué)生能做的實(shí)驗(yàn)教師不代替,教師演示能做的實(shí)驗(yàn)視頻不代替。有條件的學(xué)?？砷_展開放實(shí)驗(yàn)室活動(dòng)。

高一、高二階段圍繞物質(zhì)的制備、物質(zhì)的分離與提純等方面選擇真實(shí)的、有意義、引發(fā)學(xué)生興趣的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)活動(dòng),引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識(shí)解決此類實(shí)驗(yàn)任務(wù)的一般思路和常用方法。對(duì)于 “物質(zhì)的制備”可選擇硫酸亞鐵銨的制備、侯氏制堿法制備碳酸鈉等典型實(shí)驗(yàn),幫助學(xué)生掌握物質(zhì)制備實(shí)驗(yàn)的一般流程：根據(jù)目標(biāo)產(chǎn)品→確定反應(yīng)原理及選擇原料→設(shè)計(jì)反應(yīng)途徑→設(shè)計(jì)反應(yīng)→控制反應(yīng)條件→分離提純產(chǎn)品。對(duì)于 “物質(zhì)的分離與提純”,可選擇海帶中碘元素的分離和檢驗(yàn)、粗鹽的提純等典型實(shí)驗(yàn),幫助學(xué)生建立分離與提純的原則、物理方法和化學(xué)方法的思維模型。通過基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)探究,引導(dǎo)學(xué)生掌握必要的實(shí)驗(yàn)操作技能,改變?cè)趯?shí)驗(yàn)中注重動(dòng)手但缺少思考的現(xiàn)狀。高三復(fù)習(xí)階段可以選擇高考考題中經(jīng)典的物質(zhì)制備類 (特別是流程式)的探究題作為學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)素材,促進(jìn)學(xué)生動(dòng)手能力和高階思維能力的提升,同時(shí)進(jìn)一步發(fā)展學(xué)生解決綜合實(shí)驗(yàn)問題的能力。

3.2 掌握一般范式和建構(gòu)思維模型,實(shí)現(xiàn)分析問題模型化

(1)物質(zhì)制備實(shí)驗(yàn)和工藝流程題的一般范式見圖2。

圖2 物質(zhì)制備實(shí)驗(yàn)的一般范式

(2)物質(zhì)制備實(shí)驗(yàn)的思維模型見圖3。

3.3 指導(dǎo)審題四部曲和答題五關(guān)鍵,實(shí)現(xiàn)解決問題方法化

3.3.1 審題四部曲

化工流程式實(shí)驗(yàn)題,應(yīng)將流程路線、理論知識(shí)和試題設(shè)問有機(jī)結(jié)合。審題四部曲如下：

(1)明確原料和產(chǎn)品(包括副產(chǎn)物),即箭頭進(jìn)出方向。

(2)依據(jù)流程圖分析反應(yīng)原理,分析原料轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品的流程中每一步操作進(jìn)行的反應(yīng)和加入的輔助試劑的作用。

圖3 工藝流程一般范式

(3)分析除目標(biāo)物質(zhì)外產(chǎn)生的副產(chǎn)物 (或雜質(zhì)),該副產(chǎn)物是否要除去及如何除去。

(4)分析為了確保目標(biāo)產(chǎn)物的純度和產(chǎn)率應(yīng)采取的措施。

3.3.2 答題五關(guān)鍵

(1)原料預(yù)處理的考查關(guān)鍵。?？疾椋貉心サ哪康?、灼燒 (煅燒)的目的、攪拌的目的、酸(堿、水)浸的目的、提高浸出率的措施等。

(2)反應(yīng)條件控制的考查關(guān)鍵。反應(yīng)流程中選擇的試劑、溫度控制、pH 控制、反應(yīng)體系壓強(qiáng)控制、分離提純手段可從熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)、物質(zhì)特性、綠色化學(xué)思想 (廢物處理、物料循環(huán)利用與環(huán)境保護(hù))、工程思維等多維視角進(jìn)行綜合分析。

(3)產(chǎn)品分離提純的考查關(guān)鍵。分離提純方法的表達(dá)應(yīng)準(zhǔn)確,以下分離提純方法容易混淆,應(yīng)準(zhǔn)確區(qū)分。例如,蒸發(fā)與蒸餾、分餾;蒸發(fā)結(jié)晶與冷卻結(jié)晶、重結(jié)晶;趁熱過濾與普通過濾、抽濾;萃取與分液等。另外,判斷沉淀劑過量、洗滌沉淀、檢驗(yàn)沉淀、洗滌干凈、溶液結(jié)晶的方法表達(dá)也應(yīng)規(guī)范。

(4)工程思維的考查關(guān)鍵。關(guān)注?？蓟ばg(shù)語(如煅燒、研磨、浸泡、霧化)的含義,理解經(jīng)濟(jì)因素 (如物料價(jià)格、能耗)在實(shí)際生產(chǎn)中的重要意義,考慮苛刻條件 (如高溫高壓)帶來的設(shè)備復(fù)雜性。

(5)定量計(jì)算的考查關(guān)鍵。物質(zhì)制備類實(shí)驗(yàn)常穿插定量計(jì)算。例如,考查利用測(cè)量氣體體積法、沉淀法、滴定法、熱重分析法等測(cè)定物質(zhì)組成或純度計(jì)算。也常涉及多步反應(yīng)一步計(jì)算。元素守恒與電子轉(zhuǎn)移守恒是流程圖中定量計(jì)算的核心。應(yīng)加強(qiáng)針對(duì)性專題訓(xùn)練和策略指導(dǎo),克服學(xué)生的畏難情緒。