廣西 金敖然

化學(xué)實(shí)驗(yàn)綜合題是各類高考試卷的必考題型，而無機(jī)物質(zhì)制備類實(shí)驗(yàn)題又是這類題型的重要組成部分，可以綜合考查實(shí)驗(yàn)儀器和藥品的選擇、實(shí)驗(yàn)操作、物質(zhì)制備原理、物質(zhì)的分離與提純、實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)與評(píng)價(jià)、物質(zhì)組成、樣品含量的計(jì)算等知識(shí)。同時(shí)還可以結(jié)合反應(yīng)原理中的平衡移動(dòng)、反應(yīng)速率以及元素化合物等知識(shí)多維度進(jìn)行考查?？稍诳疾橹信囵B(yǎng)學(xué)生的思維能力，促進(jìn)學(xué)生化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的發(fā)展。作為復(fù)習(xí)備考的高三學(xué)生首先要具備系統(tǒng)的化學(xué)實(shí)驗(yàn)理論知識(shí)，從多角度對(duì)“無機(jī)物質(zhì)制備類實(shí)驗(yàn)題”進(jìn)行分析和訓(xùn)練，構(gòu)建解決這類題型的思維模型，優(yōu)化解題方案，力求快速精準(zhǔn)地突破“無機(jī)物質(zhì)制備類實(shí)驗(yàn)題”，從而達(dá)到高效復(fù)習(xí)的目的。

一、研究高考真題，發(fā)現(xiàn)考點(diǎn)，揭示本質(zhì)

近三年全國(guó)卷化學(xué)試題中，都設(shè)置一道實(shí)驗(yàn)選擇題和一道實(shí)驗(yàn)綜合題，分值共計(jì)20分或21分，由此可見其重要程度，筆者將近三年全國(guó)卷化學(xué)實(shí)驗(yàn)綜合題的考查情況整理如表1所示：

表1 2019—2021年全國(guó)卷實(shí)驗(yàn)綜合題考情統(tǒng)計(jì)

縱觀近三年的8套試卷，5次考查形式為無機(jī)物質(zhì)制備，2次考查形式為有機(jī)物質(zhì)制備，1次考查形式為探究類實(shí)驗(yàn)。無機(jī)物質(zhì)制備類實(shí)驗(yàn)題出題概率達(dá)到62.5%。由表1可知高考試卷中重點(diǎn)考查無機(jī)物制備過程中涉及的儀器或使用的藥品、物質(zhì)的分離與提純、實(shí)驗(yàn)的基本操作、化學(xué)用語(yǔ)、元素化合物的性質(zhì)、計(jì)算及誤差分析等。教師需掌握該題型的考查特點(diǎn)，指導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)解題策略、建立思維模型，提高學(xué)生的解題能力，培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)科素養(yǎng)。

二、構(gòu)建解題思維模型

1.有確定裝置示意圖類制備無機(jī)物的實(shí)驗(yàn)題

面對(duì)這類試題，教師要引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)真審題，快速準(zhǔn)確獲取有用信息，即該實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)?zāi)康?，然后根?jù)題中給的實(shí)驗(yàn)裝置圖和所學(xué)的實(shí)驗(yàn)基本知識(shí)，結(jié)合圖1所示的氣體制備實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。解題時(shí)學(xué)生需依據(jù)試題情境及目標(biāo)產(chǎn)物選擇實(shí)驗(yàn)的發(fā)生裝置及所需藥品。接下來對(duì)制得的氣體進(jìn)行凈化，一般先除雜再干燥，此處學(xué)生需要結(jié)合氣體的性質(zhì)和裝置圖選擇合適的除雜劑和干燥劑。收集氣體或者做完氣體性質(zhì)實(shí)驗(yàn)之后，還要看尾氣是否有毒或易燃易爆，學(xué)生要進(jìn)行尾氣處理并選擇合適的裝置。學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)整體進(jìn)行分析設(shè)計(jì)的同時(shí)，還要關(guān)注每處關(guān)鍵裝置內(nèi)的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象是什么，涉及哪些化學(xué)反應(yīng)原理和規(guī)律。最后學(xué)生通觀全局進(jìn)行實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)，包括是否缺少裝置、數(shù)據(jù)的處理、誤差分析等。

圖1 常見氣體制備模型

2.有流程圖的無機(jī)物制備類實(shí)驗(yàn)題

此類試題中涉及的工藝往往來源于真實(shí)的化學(xué)工業(yè)，命題人以框圖的形式將流程中的每一步工藝，呈現(xiàn)在學(xué)生面前。該題型重點(diǎn)考查實(shí)驗(yàn)的操作、陌生方程式的書寫、物質(zhì)的分離與提純、化學(xué)反應(yīng)原理、實(shí)驗(yàn)的評(píng)價(jià)以及計(jì)算等。流程圖的基本模型如圖2所示：

圖2 實(shí)驗(yàn)流程圖模型

化學(xué)工藝流程圖中涉及的反應(yīng)過程往往都比較復(fù)雜，需要對(duì)反應(yīng)條件進(jìn)行控制，學(xué)生對(duì)于如何控制反應(yīng)條件掌握得不是很好，筆者現(xiàn)將一些相關(guān)內(nèi)容歸納為以下幾點(diǎn)：

(1)控制溫度在一定范圍內(nèi)

該操作的目的是避免溫度過低反應(yīng)速率慢，同時(shí)也避免溫度過高引起如鹽酸、氨水等物質(zhì)的揮發(fā)；避免溫度過高引起如NH4HCO3、H2O2等物質(zhì)的分解；避免溫度過高引起過度的鹽類水解；避免溫度過高使可逆反應(yīng)向吸熱反應(yīng)方向移動(dòng)；避免溫度過高發(fā)生副反應(yīng)。

(2)如何調(diào)節(jié)溶液的pH

流程圖中調(diào)節(jié)溶液的pH的目的往往是使某些金屬離子轉(zhuǎn)化成沉淀進(jìn)而分離。但在調(diào)節(jié)溶液的pH的過程中一定要注意不要引入新雜質(zhì)，如除去Cu2+中的Fe3+宜用CuO、Cu(OH)2、CuCO3等來調(diào)節(jié)溶液的pH，而不用NaOH或者氨水。

(3)如何從溶液中獲得晶體

對(duì)于單一溶質(zhì)的溶液，如果產(chǎn)品晶體中不含結(jié)晶水，實(shí)驗(yàn)中往往采用的操作是蒸發(fā)結(jié)晶；如果產(chǎn)品晶體中含有結(jié)晶水，宜采用蒸發(fā)濃縮、冷卻結(jié)晶、過濾、洗滌、干燥等一系列操作來獲得晶體。對(duì)于含有兩種溶質(zhì)的溶液，且兩種溶質(zhì)的溶解度隨溫度變化的差異比較大時(shí)，可以采用重結(jié)晶的方法獲得兩種晶體，具體操作為：蒸發(fā)結(jié)晶、趁熱過濾(獲得溶解度變化小的晶體)、再冷卻結(jié)晶、過濾(獲得溶解度變化大的晶體)。

(4)用不同液體洗滌的目的

用水洗滌產(chǎn)品的目的是洗去產(chǎn)品表面的可溶性雜質(zhì)；用冷水或者乙醇溶液洗滌產(chǎn)品的目的是除去產(chǎn)品表面可溶性雜質(zhì)，同時(shí)減少產(chǎn)品因溶解而造成的損失；用乙醇洗滌產(chǎn)品的目的是洗去產(chǎn)品表面的水分，加速干燥。

3.應(yīng)用模型，解決問題

學(xué)生應(yīng)用好解題模型可以快速理解題意，理順解題思路，規(guī)范答題，提高解題的準(zhǔn)確率。

【例1】(2020·全國(guó)卷Ⅲ·26節(jié)選)氯可形成多種含氧酸鹽，廣泛應(yīng)用于殺菌、消毒及化工領(lǐng)域。實(shí)驗(yàn)室中利用圖3裝置(部分裝置省略)制備KClO3和NaClO，探究其氧化還原性質(zhì)。

圖3

回答下列問題：

(1)盛放MnO2粉末的儀器名稱是________，a中的試劑為________。

(2)b中采用的加熱方式是________。c中化學(xué)反應(yīng)的離子方程式是____________________，采用冰水浴冷卻的目的是________。

(3)d的作用是____________，可選用試劑________(填標(biāo)號(hào))。

A.Na2S B.NaCl C.Ca(OH)2D.H2SO4

【答案】(1)圓底燒瓶 飽和食鹽水

(3)吸收尾氣(Cl2) AC

【解析】首先教師根據(jù)裝置類無機(jī)物制備的思維模型劃分出各個(gè)“工作區(qū)”，進(jìn)行逐一分析：

圖4

氯氣的制備，是在圓底燒瓶中完成，故盛放MnO2粉末的儀器名稱是圓底燒瓶，a裝置的位置在發(fā)生裝置和制備產(chǎn)品的裝置之間，故為凈化裝置。而凈化包括除雜和干燥，由于b裝置內(nèi)為試管浸化水溶液中的反應(yīng)，因此氯氣無需干燥，但需除去氯氣中的氯化氫氣體，則a裝置中盛裝的是飽和食鹽水。此處教師也可以鼓勵(lì)學(xué)生積極思考為什么要除去氯化氫氣體呢？引導(dǎo)學(xué)生通過觀察b裝置再結(jié)合元素化合物的性質(zhì)綜合分析，得出除去氯氣中的氯化氫氣體，有利于提高KOH的利用率和KClO3的產(chǎn)率的結(jié)論。由此得出a裝置的存在是非常必要的。對(duì)于b、c兩個(gè)裝置，學(xué)生在學(xué)習(xí)氯氣的性質(zhì)時(shí)應(yīng)該知道氯氣與堿液反應(yīng)在不同溫度時(shí)產(chǎn)物是不一樣的。溫度高時(shí)反應(yīng)主要生成氯酸鹽，常溫或者溫度低時(shí)主要生成次氯酸鹽，再結(jié)合實(shí)驗(yàn)?zāi)康膶W(xué)生不難得出b裝置是制取KClO3的，而c裝置是制取NaClO的。c裝置冰水浴的作用就是“避免生成NaClO3”。d裝置是實(shí)驗(yàn)中多余氯氣的處理裝置，學(xué)生可以根據(jù)氯氣具有氧化性和與堿溶液反應(yīng)的性質(zhì)選擇Na2S、Ca(OH)2作為吸收劑。

【例2】(2019·全國(guó)卷Ⅰ· 27節(jié)選)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5所示：

圖5

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小于0.5。

A

B

C

D

(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。

【答案】(1)堿煮水洗

(2)加快反應(yīng) 熱水浴 C

(3)將Fe2+全部氧化為Fe3+；不引入雜質(zhì) 防止Fe3+水解

(4)加熱濃縮、冷卻結(jié)晶、過濾(洗滌)

【解析】教師還是根據(jù)流程圖類無機(jī)物制備的思維模型劃分出各個(gè)“工作區(qū)”，進(jìn)行逐一分析：

圖6

(1)原料的預(yù)處理。為了提高鐵制品的抗氧化能力，需在其表面上涂抹保護(hù)層，用堿液浸泡廢鐵屑除去表面油污，有利于下一步鐵元素的溶解。

(2)分離鐵元素。學(xué)生利用元素及其化合物知識(shí)可知單質(zhì)鐵可以溶解于H2SO4，利用水浴加熱將溫度控制在80～95℃有利于提高溶解的速率，最后過濾可以得到以FeSO4為主要成分的濾液。

(3)制備硫酸鐵銨。利用綠色氧化劑H2O2將FeSO4氧化成Fe2(SO4)3，再加入(NH4)2SO4生成NH4Fe(SO4)2。

(4)獲得目標(biāo)產(chǎn)物。由于產(chǎn)品還含有結(jié)晶水，所以采用加熱濃縮、冷卻結(jié)晶、過濾(洗滌)等操作獲得目標(biāo)產(chǎn)品。

【例3】(2021·全國(guó)乙卷·27節(jié)選)氧化石墨烯具有穩(wěn)定的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，在能源、材料等領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用前景。通過氧化剝離石墨制備氧化石墨烯的一種方法如下(裝置如圖7所示)：

圖7

Ⅰ.將濃H2SO4、NaNO3、石墨粉末在c中混合，置于冰水浴中，劇烈攪拌下，分批緩慢加入KMnO4粉末，塞好瓶口。

Ⅱ.轉(zhuǎn)至油浴中，35℃攪拌1小時(shí)，緩慢滴加一定量的蒸餾水。升溫至98℃并保持1小時(shí)。

Ⅲ.轉(zhuǎn)移至大燒杯中，靜置冷卻至室溫。加入大量蒸餾水，而后滴加H2O2至懸濁液由紫色變?yōu)橥咙S色。

Ⅳ.離心分離，稀鹽酸洗滌沉淀。

Ⅴ.蒸餾水洗滌沉淀。

Ⅵ.冷凍干燥，得到土黃色的氧化石墨烯。

回答下列問題：

(2)步驟Ⅰ中，需分批緩慢加入KMnO4粉末并使用冰水浴，原因是________________________。

(3)步驟Ⅱ中的加熱方式采用油浴，不使用熱水浴，原因是________________________。

(4)步驟Ⅲ中，H2O2的作用是(以離子方程式表示)。

【答案】(2)反應(yīng)放熱，防止反應(yīng)過快

(3)反應(yīng)溫度接近水的沸點(diǎn)，油浴更易控溫

【解析】建立思維模型

圖8

(1)原料預(yù)處理。緩慢加入KMnO4目的是避免反應(yīng)過于劇烈難以控制。

(3)分離提純。利用離心機(jī)分離產(chǎn)物，再依次用稀鹽酸、蒸餾水洗滌沉淀，得到目標(biāo)產(chǎn)物。