陳建托

(首都師范大學(xué)附屬中學(xué))

科學(xué)探究是進(jìn)行科學(xué)解釋和發(fā)現(xiàn)、創(chuàng)造和應(yīng)用的科學(xué)實(shí)踐活動(dòng).北京市等級(jí)性考試及模擬考試中的實(shí)驗(yàn)探究題情境新穎、方法靈活、思維發(fā)散空間大,可以充分考查學(xué)生的學(xué)科核心素養(yǎng),具有良好的區(qū)分度和選拔功能.2022年北京市西城區(qū)一?？荚嚨膶?shí)驗(yàn)探究題是探究溶液中Ag＋與單質(zhì)S的反應(yīng),題目涉及物質(zhì)檢驗(yàn)、找排干擾、對(duì)比實(shí)驗(yàn)等,探究思路、實(shí)驗(yàn)方法和設(shè)問(wèn)形式具有較強(qiáng)的啟發(fā)性.筆者深入分析此題,探索實(shí)驗(yàn)探究題的一般解題方法,希望對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)有一定的幫助.本題素材源自2015年第29屆全國(guó)高中學(xué)生化學(xué)競(jìng)賽(省級(jí)賽區(qū))試題.

原題寫(xiě)出下列各化學(xué)反應(yīng)的方程式.

1-4 在水中,Ag2SO4與單質(zhì)S作用,沉淀變?yōu)锳g2S,分離,所得溶液加碘水不褪色.

答案3 Ag2SO4＋4S＋4 H2O→3Ag2S＋4 H2SO4.

1 一模題目

例 探究溶液中Ag＋與單質(zhì)S的反應(yīng).

資料:Ag2S不溶于6 mol?L－1鹽酸,Ag2SO3和Ag2SO4在6 mol?L－1鹽酸中均發(fā)生沉淀的轉(zhuǎn)化.

實(shí)驗(yàn)Ⅰ.將10 mL 0.04 mol?L－1Ag NO3溶液與0.01 g S粉混合,水浴加熱,充分反應(yīng)后,過(guò)濾,得到無(wú)色溶液a(p H≈1),沉淀除S、洗滌后得到黑色固體b.

(1)研究黑色固體b的組成.

①根據(jù)S 具有________性,推測(cè)b 中可能含有Ag2S、Ag、Ag2SO3或Ag2SO4.

②檢驗(yàn)黑色固體b的成分.

實(shí)驗(yàn)Ⅱ.操作流程如圖1所示.

圖1

ⅰ.取少量濾液c,先加入足量稀鹽酸,再滴加BaCl2溶液,未出現(xiàn)白色沉淀,判斷黑色固體b 中不含_________.

ⅱ.用濾液c繼續(xù)實(shí)驗(yàn)證明了黑色固體b中不含Ag2SO3,可選擇的試劑是_________(填序號(hào)).

A.酸性K Mn O4溶液

B.H2O2和Ba Cl2的混合溶液

C.溴水

ⅲ.進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)證實(shí)了黑色固體b中不含Ag.根據(jù)沉淀e含有Ag、氣體含有H2S,寫(xiě)出同時(shí)生成Ag和H2S的離子方程式:_________.

(2)研究無(wú)色溶液a的組成.

實(shí)驗(yàn)Ⅲ.操作流程如圖2所示.

圖2

①說(shuō)明溶液a 中不含H2SO3的實(shí)驗(yàn)證據(jù)是_________.

②加入足量稀鹽酸的作用是________.

(3)在注射器中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)Ⅳ,探究Ag2SO4溶液與S的反應(yīng),所得產(chǎn)物與實(shí)驗(yàn)Ⅰ相同.

①向注射器中加入的物質(zhì)是________.

②改用Ag2SO4溶液的目的是_________.

(4)用Na NO3溶液與S進(jìn)行實(shí)驗(yàn)Ⅴ,發(fā)現(xiàn)二者不反應(yīng).綜合以上實(shí)驗(yàn),寫(xiě)出溶液中Ag＋與S反應(yīng)的離子方程式并簡(jiǎn)要說(shuō)明Ag＋的作用:_______.

答案(1)①氧化性和還原.②ⅰ.Ag2SO4.ⅱ.B、C.ⅲ.Ag2S＋2 H＋＋Fe2 Ag＋Fe2＋＋H2S↑.

(2)S轉(zhuǎn)化為Ag2S發(fā)生了還原反應(yīng),反應(yīng)必然同時(shí)發(fā)生氧化反應(yīng),能發(fā)生氧化反應(yīng)的只有S,故在p H≈1的溶液中可能存在或H2SO3.

①向溶液a中加入足量稀鹽酸后,再加入碘水和淀粉溶液,藍(lán)色不褪去.

②排除Ag＋對(duì)和H2SO3檢驗(yàn)的干擾.

(3)①10 mL 0.02 mol?L－1Ag2SO4溶液與0.01 g S粉.②排除對(duì)反應(yīng)的影響.

(4)6 Ag＋＋4S＋4 H2O ＝3 Ag2S＋＋8 H＋,形成Ag2S難溶物,降低c(S2－),提高S的氧化性,利于反應(yīng)發(fā)生.

2 深度剖析

根據(jù)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象可初步預(yù)測(cè)Ag NO3與S發(fā)生氧化還原反應(yīng),氧化劑可能有,還原劑可能是S,本題探究過(guò)程則是要逐步確定氧化劑和還原劑及對(duì)應(yīng)產(chǎn)物,進(jìn)而確定二者的真實(shí)反應(yīng).

2.1 研究黑色固體b的組成

實(shí)驗(yàn)Ⅱ?qū)⒑谏腆wb溶于一定濃度的鹽酸,將可能存在的Ag2SO3或Ag2SO4轉(zhuǎn)化分離,實(shí)驗(yàn)過(guò)程分析如圖3所示.

圖3 探究黑色固體b的組成

實(shí)驗(yàn)結(jié)論:黑色固體b 中有Ag2S,無(wú)Ag、Ag2SO3和Ag2SO4.

證明黑色固體b中不含Ag2SO3,也就是證明濾液c中沒(méi)有H2SO3.分析題給選項(xiàng)可知,利用H2SO3的還原性進(jìn)行檢驗(yàn),要注意檢驗(yàn)是否有明顯現(xiàn)象(實(shí)驗(yàn)證據(jù)),是否有其他干擾(確保檢驗(yàn)的唯一性).選項(xiàng)A,有Cl－干擾,不可以證明(酸性KMn O4溶液可以氧化Cl－).選項(xiàng)B,H2O2氧化H2SO3生成,進(jìn)而生成BaSO4沉淀,可以證明(若只加H2O2不可以證明,沒(méi)有明顯實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象).選項(xiàng)C,H2SO3與Br2發(fā)生氧化還原反應(yīng),溴水褪色,可以證明.

沉淀e中含有Ag,氣體中含有H2S.根據(jù)銀元素守恒或硫元素守恒可以判斷黑色固體b中必然存在A(yíng)g2S(銀元素、硫元素均無(wú)其他來(lái)源).

如何檢驗(yàn)黑色固體b或沉淀d中是否存在A(yíng)g?一般檢驗(yàn)Ag 的方法:固體先加硝酸溶解,再滴加Na Cl溶液或鹽酸,觀(guān)察是否出現(xiàn)沉淀.本題固體b和沉淀d中存在A(yíng)g2S,Ag2S可溶于較濃的硝酸,所用硝酸濃度不能太大,但硝酸濃度較小時(shí),Ag的溶解又不充分,加之本題試劑用量很少,不容易準(zhǔn)確檢驗(yàn)Ag是否存在.題目或是為簡(jiǎn)化處理,所以明確給出了固體b中不存在A(yíng)g.

2.2 研究無(wú)色溶液a的組成

體系中可以升價(jià)的物質(zhì)只有S,固體b 中沒(méi)有Ag2SO3、Ag2SO4,預(yù)測(cè)溶液a中存在或H2SO3,進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)如圖4所示.

圖4 探究無(wú)色溶液a的組成

實(shí)驗(yàn)Ⅲ用BaCl2溶液檢驗(yàn),“碘水＋淀粉”檢驗(yàn)有還原性的H2SO3,需要注意溶液a中可能存在A(yíng)g＋(Ag NO3未完全反應(yīng)).一方面,Ag＋可以與Ba Cl2反應(yīng)生成沉淀,干擾檢驗(yàn).另一方面,Ag＋可與碘水中I－反應(yīng)生成沉淀,促進(jìn)I2與水的反應(yīng),干擾H2SO3檢驗(yàn).檢驗(yàn)和H2SO3需要排除Ag＋干擾,也就是加入足量稀鹽酸的作用.

2.3 研究 是否參與反應(yīng)

實(shí)驗(yàn)Ⅱ、Ⅲ已經(jīng)確認(rèn)有Ag2S 和生成,但是否參與氧化還原反應(yīng)尚不能確定.研究是否參與反應(yīng)需要將Ag NO3替換為Ag2SO4進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn),當(dāng)然一定要注意控制單一變量,保證溶液體積和Ag＋濃度一致(Ag2SO4濃度為Ag NO3濃度的二分之一).故實(shí)驗(yàn)Ⅳ向注射器中加入的物質(zhì)是10 mL 0.02 mol?L－1Ag2SO4溶液與0.01 g S粉.實(shí)驗(yàn)Ⅳ所得產(chǎn)物與實(shí)驗(yàn)Ⅰ相同,再替換Ag＋進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn),用Na NO3溶液與S 進(jìn)行實(shí)驗(yàn)Ⅴ,發(fā)現(xiàn)二者不反應(yīng),充分排除了(H＋)參與反應(yīng)的可能.

實(shí)驗(yàn)Ⅳ在注射器中進(jìn)行,可以排除空氣中O2的干擾,同時(shí)也排除了O2作為氧化劑的可能性.

2.4 整體分析

實(shí)驗(yàn)整體分析如表1所示.

表1 整體分析

綜合以上信息,體系中反應(yīng)物是Ag＋和S(還有H2O),產(chǎn)物為Ag2S和,也就是硫元素歧化,反應(yīng)方程式:6 Ag＋＋4S＋4 H2O＋8 H＋.分析電極反應(yīng)式:S＋2e－＝S2－可知,Ag＋與S2－形成Ag2S難溶物,降低c(S2－)可以提高S 的氧化性,利于反應(yīng)發(fā)生.

讀者可以分析類(lèi)似的情境:CuSO4溶液與銅粉不反應(yīng),但是Cu Cl2溶液可與銅粉反應(yīng)生成Cu Cl.

3 結(jié)語(yǔ)

實(shí)驗(yàn)探究題兼具基礎(chǔ)性、綜合性、應(yīng)用性和創(chuàng)新性,凸顯對(duì)學(xué)科關(guān)鍵能力和學(xué)科核心素養(yǎng)的考查.高效解答此題需要考生在熟練掌握基礎(chǔ)知識(shí)的同時(shí)能夠快速準(zhǔn)確讀懂題意,明確思路,靈活運(yùn)用多種探究方法.

(完)