羅志勇

一、原題再現(xiàn)

1. 題文。

為驗(yàn)證不同化合價(jià)鐵的氧化還原能力，利用下列電池裝置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

回答下列問(wèn)題：

（1）由FeSO4·7H2O固體配制0.10 mol·L-1 FeSO4溶液，需要的儀器有藥匙、玻璃棒、_____（從下列圖中選擇，寫出名稱）。

（2）電池裝置中，鹽橋連接兩電極電解質(zhì)溶液。鹽橋中陰、陽(yáng)離子不與溶液中的物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，并且電遷移率（u∞）應(yīng)盡可能地相近。根據(jù)下表數(shù)據(jù)，鹽橋中應(yīng)選擇_______作為電解質(zhì)。

（3）電流表顯示電子由鐵電極流向石墨電極?？芍?，鹽橋中的陽(yáng)離子進(jìn)入_______電極溶液中。

（4）電池反應(yīng)一段時(shí)間后，測(cè)得鐵電極溶液中c（Fe2+）增加了0.02 mol·L-1。石墨電極上未見(jiàn)Fe析出?？芍?，石墨電極溶液中c（Fe2+）=________。

（5）根據(jù)（3）、（4）實(shí)驗(yàn)結(jié)果，可知石墨電極的電極反應(yīng)式為_(kāi)_____，鐵電極的電極反應(yīng)式為_(kāi)_________。因此，驗(yàn)證了Fe2+ 氧化性小于________，還原性小于___________。

（6）實(shí)驗(yàn)前需要對(duì)鐵電極表面活化。在FeSO4溶液中加入幾滴Fe2（SO4）3溶液，將鐵電極浸泡一段時(shí)間，鐵電極表面被刻蝕活化。檢驗(yàn)活化反應(yīng)完成的方法是____________。

2. 答案與解析。

第（1）小題參考答案為燒杯、量筒、托盤天平。本小題考查配制一定物質(zhì)的量濃度溶液。題目要求配制0.10mol·L-1 FeSO4溶液，由于溶液濃度的精度要求不高而且FeSO4屬于易變質(zhì)的溶質(zhì)，所以在配制過(guò)程中無(wú)需使用精確度達(dá)0.01mL的容量瓶。配制過(guò)程為：用托盤天平稱量出所需FeSO4·7H2O固體，用量筒量取所需體積的蒸餾水，將稱量好的FeSO4·7H2O固體轉(zhuǎn)移至燒杯中，將量筒中一部分蒸餾水轉(zhuǎn)移至燒杯中，用玻璃棒攪拌至FeSO4·7H2O固體全部溶解，再將量筒中剩余的蒸餾水全部轉(zhuǎn)移至燒杯，最后用玻璃棒攪拌均勻，F(xiàn)eSO4溶液即配制完成。從配制過(guò)程可以看出需要的儀器包括藥匙、玻璃棒、托盤天平、量筒和燒杯。

第（2）小題參考答案為KCl。本小題考查鹽橋的組成。鹽橋是雙液原電池中保證電路通路的裝置，人教版高中化學(xué)選修4中注明“鹽橋中通常裝有含瓊膠的KCl飽和溶液”。本題通過(guò)給予信息的形式解釋了鹽橋中為什么要填充KCl飽和溶液：鹽橋中陰、陽(yáng)離子不與溶液中的物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，并且電遷移率應(yīng)盡可能地相近。鹽橋中陰、陽(yáng)離子電遷移率應(yīng)盡可能地相近目的是為了保證鹽橋中陰、陽(yáng)離子從鹽橋中進(jìn)入溶液時(shí)的速率相同，降低電池內(nèi)電阻。Li+、Na+、Ca2+ 和K+ 在溶液中相對(duì)穩(wěn)定，作為鹽橋內(nèi)電解質(zhì)的陽(yáng)離子適用范圍較廣。HCO3-、NO3-、Cl-和SO24- 是常見(jiàn)的陰離子，其中 HCO3-對(duì)溶液酸堿度敏感，溶液pH發(fā)生變化時(shí)容易發(fā)生反應(yīng);SO24-與上述陽(yáng)離子的電遷移率相差較大，不符合要求。綜上KCl和KNO3均可作為鹽橋內(nèi)的電解質(zhì)。由于NO3- 在酸性環(huán)境下具有一定的氧化性，在原電池工作的過(guò)程中可能會(huì)對(duì)溶液中各離子放電過(guò)程造成一定的影響，所以鹽橋中通常使用KCl作為電解質(zhì)。在有Ag+參與的原電池中才使用填充KNO3的鹽橋。

第（3）小題參考答案為石墨。本小題考查原電池的工作原理。根據(jù)題中所給信息，石墨電極是電子流入的電極，即為原電池的正極，所以電解質(zhì)溶液中的陽(yáng)離子向石墨電極做定向移動(dòng)。鹽橋是通過(guò)其中的陰、陽(yáng)離子向電解質(zhì)溶液做定向移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)傳導(dǎo)電流的作用。本題石墨電極是原電池的正極，所以鹽橋中的陽(yáng)離子向石墨電極做定向移動(dòng)，進(jìn)入石墨電極溶液中。

第（5）小題的參考答案為Fe3++e-=Fe2+，F(xiàn)e-2e-= Fe2+，F(xiàn)e3+，F(xiàn)e。本小題考查化學(xué)實(shí)驗(yàn)基本思維方法。本小題要求根據(jù)第（3）、（4）小題中提供的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，歸納總結(jié)實(shí)驗(yàn)結(jié)論，推導(dǎo)過(guò)程見(jiàn)圖1。

實(shí)驗(yàn)的主要目的是驗(yàn)證不同化合價(jià)鐵的氧化還原能力，氧化還原能力即得失電子的能力。在石墨電極溶液中Fe2+ 和Fe3+共存，原電池工作時(shí)Fe3+ 得電子變成Fe2+，說(shuō)明Fe3+ 得電子能力比Fe2+ 強(qiáng)，即Fe3+氧化性比Fe2+強(qiáng)。在鐵電極溶液中Fe和Fe2+ 共存，原電池工作時(shí)Fe失電子變成Fe2+，說(shuō)明Fe失電子能力比Fe2+ 強(qiáng)，即Fe還原性比Fe2+ 強(qiáng)。

第（6）小題的參考答案為取少量溶液，滴入KSCN溶液，不出現(xiàn)血紅色。本小題考查Fe3+ 的檢驗(yàn)方法。根據(jù)題意可知“鐵電極表面刻蝕活化”是利用少量Fe3+與鐵電極表面的Fe反應(yīng)，當(dāng)活化反應(yīng)完成時(shí)Fe3+ 被消耗完，所以可以通過(guò)檢驗(yàn)溶液中是否存在Fe3+ 來(lái)判斷活化反應(yīng)是否完成。

3. 設(shè)問(wèn)分析。

本題實(shí)驗(yàn)的原理是通過(guò)電流表測(cè)定反應(yīng)2Fe3++Fe=3Fe2+ 的進(jìn)行方向，通過(guò)反應(yīng)進(jìn)行方向判斷不同化合價(jià)鐵的氧化還原能力的強(qiáng)弱。題目設(shè)問(wèn)圍繞上述實(shí)驗(yàn)?zāi)康恼归_(kāi)，主要分為基礎(chǔ)性問(wèn)題和分析性問(wèn)題，基礎(chǔ)性問(wèn)題主要是化學(xué)實(shí)驗(yàn)基本技能，分析性問(wèn)題主要是根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、現(xiàn)象得出結(jié)論。詳細(xì)見(jiàn)表1。

從上表可以看出，本題主要考查理解與辨析、歸納與論證兩種能力，屬于較低的能力要求。本題設(shè)問(wèn)中的基礎(chǔ)性問(wèn)題涉及粗略配制溶液、常見(jiàn)離子的檢驗(yàn)、鹽橋的組成等。這些設(shè)問(wèn)從多個(gè)角度考查考生對(duì)化學(xué)實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)的掌握程度。而分析性問(wèn)題則考查了考生對(duì)本實(shí)驗(yàn)的認(rèn)識(shí)程度和考生的證據(jù)推理能力，設(shè)問(wèn)層層遞進(jìn)，邏輯嚴(yán)密。通過(guò)鹽橋中陽(yáng)離子的移動(dòng)方向和c（Fe2+）的計(jì)算結(jié)果作為實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，引導(dǎo)考生分析出鐵電極為原電池的負(fù)極、石墨電極為原電池的正極;再通過(guò)電極反應(yīng)式的書寫引導(dǎo)學(xué)生分析Fe、Fe2+ 和Fe3+ 的得失電子能力順序，從而得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論。

二、備考策略

1. 了解實(shí)驗(yàn)特點(diǎn)，明確實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?/p>

探究性原理實(shí)驗(yàn)是通過(guò)控制外界條件，調(diào)控化學(xué)反應(yīng)，從而說(shuō)明反應(yīng)的原理和反映規(guī)律的化學(xué)實(shí)驗(yàn)。探究性原理實(shí)驗(yàn)題具有以下幾個(gè)特點(diǎn)。

（1）以反應(yīng)原理或規(guī)律為主要探究?jī)?nèi)容。

2020全國(guó)I卷實(shí)驗(yàn)題的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容是比較不同價(jià)態(tài)鐵的氧化還原能力，這是一個(gè)通過(guò)測(cè)定得失電子的先后順序進(jìn)而說(shuō)明氧化還原性強(qiáng)弱的實(shí)驗(yàn)，屬于反應(yīng)規(guī)律的探究。類似的還有2015年北京卷實(shí)驗(yàn)題探究各物質(zhì)濃度對(duì)“2Fe3++2I-=I2+ 2Fe2+ ”平衡的影響和2014年安徽卷實(shí)驗(yàn)題探究外界因素對(duì)電化學(xué)腐蝕的類型的影響等，屬于反應(yīng)原理的探究。

（2）以對(duì)比實(shí)驗(yàn)為實(shí)驗(yàn)方法。

對(duì)比實(shí)驗(yàn)是探究性原理實(shí)驗(yàn)常用的實(shí)驗(yàn)方法。通過(guò)設(shè)計(jì)對(duì)比實(shí)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)外界條件的控制，達(dá)到調(diào)控化學(xué)反應(yīng)的目的。探究性原理實(shí)驗(yàn)中的對(duì)比實(shí)驗(yàn)有兩種思路，一是設(shè)計(jì)在相同條件下哪種反應(yīng)物先反應(yīng)，如2020年全國(guó)I卷實(shí)驗(yàn)題中提及的Fe和Fe2+、Fe2+ 和Fe3+ 那種粒子先放電的問(wèn)題;二是設(shè)計(jì)相同的反應(yīng)物在不同條件下發(fā)生哪種化學(xué)反應(yīng)，如2014年安徽卷實(shí)驗(yàn)題中設(shè)計(jì)鐵粉和碳粉在不同的醋酸濃度下發(fā)生哪種電化學(xué)腐蝕的問(wèn)題。

（3）以實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象為實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

通過(guò)觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象得出實(shí)驗(yàn)結(jié)果，歸納出實(shí)驗(yàn)結(jié)論。由于探究性原理實(shí)驗(yàn)需要設(shè)計(jì)對(duì)比實(shí)驗(yàn)，以實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象差異為證據(jù)說(shuō)明問(wèn)題。2020年全國(guó)I卷實(shí)驗(yàn)題中就以電流表指示的電子流向作為證據(jù)，說(shuō)明Fe、Fe2+ 和Fe3+ 的放電順序。而2015年北京高考實(shí)驗(yàn)題則以溶液的顏色變化為證據(jù)，說(shuō)明平衡移動(dòng)的方向。

根據(jù)上述探究性原理實(shí)驗(yàn)的特點(diǎn)，我們可以知道探究性原理實(shí)驗(yàn)的主要目的是通過(guò)對(duì)比實(shí)驗(yàn)的現(xiàn)象差異說(shuō)明化學(xué)反應(yīng)發(fā)生的規(guī)律和原理，所以在設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中是以對(duì)比實(shí)驗(yàn)的現(xiàn)象差異明顯為首要出發(fā)點(diǎn)。

2. 掌握基本模型，理順實(shí)驗(yàn)思路。

探究性原理實(shí)驗(yàn)是圍繞化學(xué)反應(yīng)原理和反應(yīng)規(guī)律展開(kāi)的，掌握基本實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ湍芾眄樚骄啃栽韺?shí)驗(yàn)的基本思路。在選修模塊《化學(xué)反應(yīng)原理》中探究性原理實(shí)驗(yàn)的基本模型，詳見(jiàn)表2。

上表羅列出人教版《化學(xué)反應(yīng)原理》中部分探究性原理實(shí)驗(yàn)的基本模型，這些實(shí)驗(yàn)均以對(duì)比實(shí)驗(yàn)為基本方法，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象為實(shí)驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明化學(xué)反應(yīng)原理或反應(yīng)規(guī)律。學(xué)生在一輪復(fù)習(xí)時(shí)可以針對(duì)以上各個(gè)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行分析、歸納和匯總，重點(diǎn)思考這些實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)思路、現(xiàn)象與結(jié)論之間的邏輯關(guān)系，這樣可以高效形成探究性原理實(shí)驗(yàn)的基本思維方法。

3. 歸納反應(yīng)規(guī)律，開(kāi)拓實(shí)驗(yàn)思維。

探究性原理實(shí)驗(yàn)往往以課本基本實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)，針對(duì)課本實(shí)驗(yàn)做出適當(dāng)延伸，學(xué)生在備考過(guò)程中應(yīng)對(duì)課本實(shí)驗(yàn)進(jìn)行歸納總結(jié)，形成探究性原理實(shí)驗(yàn)的基本思維模式。

例如“不同溫度下KI、H2SO4和O2反應(yīng)，比較溫度對(duì)反應(yīng)速率的影響”的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象為溶液變藍(lán)的快慢，溶液變藍(lán)是由①4I-+O2+4H+ =2I2+2H2O;②I2+淀粉→藍(lán)色物質(zhì);兩個(gè)化學(xué)反應(yīng)同時(shí)控制，所以在設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)時(shí)需要考慮溶液變藍(lán)的時(shí)間必須由反應(yīng)①?zèng)Q定才能說(shuō)明溫度對(duì)反應(yīng)速率的影響。

又如“FeCl3、CuSO4對(duì)H2O2分解的催化作用對(duì)比”的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象是放出大量氣泡。催化效率較高的催化劑會(huì)使H2O2較快分解，H2O2分解的過(guò)程中放出大量熱，使溶液溫度升高，反應(yīng)進(jìn)一步加快，這使得反應(yīng)速率既受催化劑的影響，又受到溫度的影響，所以在設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中需要加入控制溶液溫度的措施。

探究性原理實(shí)驗(yàn)是探究性較強(qiáng)的實(shí)驗(yàn)類型，除了對(duì)學(xué)生的基本實(shí)驗(yàn)技能有較高的要求外，還要求學(xué)生能根據(jù)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象做出一定的分析推理，得到合理的實(shí)驗(yàn)結(jié)論。這類實(shí)驗(yàn)?zāi)芎芎玫伢w現(xiàn)學(xué)生“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”“科學(xué)探究與創(chuàng)新意識(shí)”等核心素養(yǎng)。

責(zé)任編輯? ?李平安