高中化學(xué)奧林匹克競賽實(shí)驗(yàn)試題分析

張瑞超 楊曉蓉 胡曉璐 王娜

分析了近年來全國高中學(xué)生化學(xué)競賽（決賽）實(shí)驗(yàn)試題，研究了其命題模式?；瘜W(xué)競賽實(shí)驗(yàn)，重視學(xué)生對化學(xué)知識的綜合運(yùn)用能力、實(shí)驗(yàn)操作能力、分析和解決問題的能力。

化學(xué)競賽實(shí)驗(yàn)?zāi)芰γ}化學(xué)科學(xué)是建立在實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上的一門學(xué)科?，F(xiàn)代社會需要大批基礎(chǔ)理論知識和專業(yè)技能扎實(shí)，適應(yīng)能力、實(shí)踐能力較強(qiáng)且善于進(jìn)行技術(shù)創(chuàng)新的化學(xué)應(yīng)用型人才，但由于在中考和高考中不涉及實(shí)驗(yàn)操作技能的考查，傳統(tǒng)中學(xué)的教學(xué)模式重實(shí)驗(yàn)理論，輕動手實(shí)踐，導(dǎo)致學(xué)生實(shí)驗(yàn)動手能力較差?，F(xiàn)在開展的新課程改革，就是要加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)探究，大力培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力和實(shí)踐能力，促進(jìn)學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)的全面發(fā)展。傳統(tǒng)的中學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式已經(jīng)不能很好地適應(yīng)新課程教學(xué)的需要，尤其不能滿足優(yōu)秀學(xué)生化學(xué)實(shí)驗(yàn)技能培養(yǎng)的需求?；瘜W(xué)競賽是重要的學(xué)生課外活動，旨在普及化學(xué)知識，激勵中學(xué)生接觸化學(xué)發(fā)展的前沿，了解化學(xué)對科學(xué)技術(shù)、國民經(jīng)濟(jì)和人民生活以及社會發(fā)展的意義，學(xué)習(xí)化學(xué)家的思想方法和工作方法，以培養(yǎng)他們學(xué)習(xí)化學(xué)的興趣和創(chuàng)造精神，是培養(yǎng)優(yōu)秀學(xué)生的重要途徑之一。

因此，不論國內(nèi)的全國化學(xué)競賽決賽還是國際奧林匹克競賽決賽都有實(shí)驗(yàn)命題，而且各級競賽理論試題中也常常包含實(shí)驗(yàn)方面的內(nèi)容，占總分值的40%。由于化學(xué)實(shí)驗(yàn)需要儀器、藥品及培訓(xùn)教師等較高硬件條件，我國中學(xué)生普遍理論水平高，實(shí)驗(yàn)素質(zhì)較差。為了充分發(fā)揮化學(xué)競賽對學(xué)校教學(xué)及學(xué)生學(xué)習(xí)的積極作用、爭取提高競賽成績，應(yīng)當(dāng)讓學(xué)生充分利用學(xué)校的實(shí)驗(yàn)條件，在高中教學(xué)大綱規(guī)定的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，開展競賽實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練。

一、競賽實(shí)驗(yàn)的一般原則

根據(jù)中國化學(xué)會2008年4月修訂的《全國高中學(xué)生化學(xué)競賽大綱》，化學(xué)競賽命題給出實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)藥品和儀器以及實(shí)驗(yàn)步驟，用于制備一種有機(jī)物或無機(jī)物（包括電子天平的使用，配制溶液、加熱、冷卻、沉淀、結(jié)晶、重結(jié)晶、過濾及抽濾、洗滌、蒸發(fā)濃縮、常壓蒸餾與回流、傾析、分液、攪拌、干燥等基本實(shí)驗(yàn)操作），并利用一種分析方法（滴定分析法、分光光度法和比色分析法）進(jìn)行測定產(chǎn)率、組成或含量；或制備一種物質(zhì)，測定另一種物質(zhì)的組成或含量，用于評價基本的實(shí)驗(yàn)技能。提出測量要求，包括測量準(zhǔn)確度(相對誤差、結(jié)果的有效數(shù)字)。精密度（相對偏差、樣本的標(biāo)準(zhǔn)偏差）用于評價分析檢測的方法及學(xué)生的實(shí)驗(yàn)操作技能。同時，也考查了化學(xué)實(shí)驗(yàn)安全細(xì)則。參賽者要完成實(shí)驗(yàn)報告，寫明實(shí)驗(yàn)原理、相關(guān)計(jì)算公式，并畫出必要的裝置圖.要有整潔的原始數(shù)據(jù)記錄(表格) 和數(shù)據(jù)處理、結(jié)果分析。

1.關(guān)于誤差

對于有刻度的量器（滴定管、量筒等）要估讀到最小刻度的下一位(誤差為最小刻度的十分之一到二分之一)；對于電子天平，按其規(guī)格讀數(shù)。應(yīng)根據(jù)實(shí)驗(yàn)的誤差要求及量程選擇儀器。如果實(shí)驗(yàn)要求稱量0.3000g樣品，則必須選擇使用分析天平，而不能選擇托盤天平。

2.數(shù)據(jù)處理

實(shí)驗(yàn)中的定量分析是為了準(zhǔn)確測定試樣中組分的含量，評價實(shí)驗(yàn)操作能力。但是，在分析過程中，即使是技術(shù)很熟練的實(shí)驗(yàn)員，用同樣的方法對同樣的樣品多次分析，其測量結(jié)果也不可能完全一致。所以，實(shí)驗(yàn)過程中的誤差是客觀存在的。因此，必須對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析評價，判斷其準(zhǔn)確性，分析并根據(jù)誤差產(chǎn)生的方法來減少誤差。

如單次測量會受到如溫度、壓強(qiáng)等環(huán)境影響，有偶然性，一般采取多次測量求平均值的方法減少這種誤差。對于平均值相同的兩組數(shù)據(jù)：

甲：0.37，0.38，0.39，0.40

乙：0.37，0.37，0.38，0.42

判斷其可信度則需要用數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)的接近程度——精密度來衡量。精密度的數(shù)學(xué)判斷，一般采用相對平均偏差或樣本標(biāo)準(zhǔn)偏差。

3.基本實(shí)驗(yàn)知識

要會熟練使用量筒、移液管、滴定管、吸量管、容量瓶、分液漏斗、磁力攪拌器、電熱套、蒸汽浴、水浴、蒸餾裝置、回流合成裝置、過濾（包括抽濾）裝置、干燥箱及烘箱、天然氣燈（煤氣燈）、薄層色譜、電子天平和托盤天平等。會根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求選用適當(dāng)量程和靈敏度的儀器，如移取4.34mL的液體采用的是滴定管；不可用帶刻度的量器配制溶液。

二、常見命題

競賽實(shí)驗(yàn)為綜合實(shí)驗(yàn)，主要由物質(zhì)合成、分離與提純、鑒定和數(shù)據(jù)測量等簡單實(shí)驗(yàn)復(fù)合而成。其目標(biāo)是進(jìn)一步加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)規(guī)范的訓(xùn)練和綜合實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Φ呐囵B(yǎng)，使學(xué)生從愛做實(shí)驗(yàn)到會做實(shí)驗(yàn)，再到做好實(shí)驗(yàn)。

1.物質(zhì)的合成

有機(jī)合成，從近幾年的化學(xué)競賽全國決賽試題來看，物質(zhì)的合成以有機(jī)合成題目為主，如2008年利用廢聚酯飲料瓶回收對苯二甲，2009年用廢聚乳酸餐盒制備乳酸鈣，2010年順-4-環(huán)己烯-1，2-二羧酸的制備，2011年對甲基苯氧乙酸的微波合成，2012年2-羥基-2，2-二苯基乙酸的合成。主要是在回流反應(yīng)裝置中加熱混合物，并利用磁力攪拌裝置或攪拌棒攪拌，使反應(yīng)充分進(jìn)行，以防止液體的暴沸及副反應(yīng)的發(fā)生。反應(yīng)階段一般是加熱回流，要注意溫度、時間、攪拌和回流速度等的控制。并且在合成過程中能夠利用pH、顏色、薄層色譜等方法判斷反應(yīng)進(jìn)程。注意合理利用時間，反應(yīng)時間都比較長，如果反應(yīng)比較平穩(wěn)，不需不斷改變實(shí)驗(yàn)條件，可以利用空閑時間準(zhǔn)備之后的操作，比如量好分液時洗滌用的溶液，稱好干燥用的干燥劑，烘干下一實(shí)驗(yàn)步驟中的儀器。

無機(jī)合成，如2000年碘酸鈣的制備，也是利用加熱裝置和攪拌裝置反應(yīng)，并利用溫度計(jì)控制反應(yīng)溫度。特別注意結(jié)晶時不要不停的拿起燒杯看晶體，過多的液體擾動和溫度變化都會影響晶形，最終導(dǎo)致產(chǎn)率的損失。

能夠熟練地組裝和操作儀器是此處的考查點(diǎn)，產(chǎn)品的色澤、質(zhì)量、產(chǎn)率評價方法。能根據(jù)實(shí)驗(yàn)進(jìn)度與實(shí)驗(yàn)效果，及時檢查、評價和調(diào)整實(shí)驗(yàn)方案與步驟。

2.物質(zhì)的分離與提純

物質(zhì)的制備過程中經(jīng)常要將產(chǎn)物或中間產(chǎn)物從混合物中分離出來，所以經(jīng)常會用到蒸餾裝置（常壓蒸餾和減壓蒸餾）、過濾裝置（包括抽濾裝置）、分液（洗滌有機(jī)液體）、干燥除水裝置（分水器等）。分離提純的操作步驟一般較多，容易造成損失。

對于液體的一般分離提純方法，在反應(yīng)結(jié)束之后將粗品倒入大小合適的分液漏斗，根據(jù)目標(biāo)產(chǎn)物選用合適的溶液洗滌，多次分液，最后一次分液務(wù)必分盡水相。將分出的有機(jī)層倒入干燥的錐形瓶后加入適量的干燥劑，一般要靜止20分鐘以上以使干燥劑充分吸收產(chǎn)品中的水。充分利用這段時間，搭好蒸餾裝置。待干燥時間足夠之后，將液體通過塞有脫脂棉的漏斗，濾入燒瓶中進(jìn)行蒸餾，收集產(chǎn)物沸點(diǎn)范圍的餾分。

對于固體的一般分離提純方法，在反應(yīng)結(jié)束后，利用適當(dāng)?shù)南礈煲合礈炷繕?biāo)產(chǎn)物，用傾析法傾倒洗滌液，再過濾（抽濾）或蒸發(fā)干。

3.物質(zhì)的測定

物質(zhì)的含量測定是每年必考的題目，主要是對考生制備出來的物質(zhì)進(jìn)行容量分析。如合成的物質(zhì)是酸性物質(zhì)，如2010年順-4-環(huán)己烯-1，2-二羧酸，則采用中和滴定的方法進(jìn)行純度分析；又如2002年蛋氨酸銅組成測定，則采用碘量法（氧化還原滴定法）返滴定蛋氨酸，絡(luò)合滴定分析銅離子，一般三次測量求平均值。滴定首先第一步是準(zhǔn)確的稱量，為了達(dá)到較高的分析準(zhǔn)確度，此處采用分析天平進(jìn)行稱量。對于普通樣品采用增量法，而對于在空氣中不穩(wěn)定的樣品一般則采取減量法稱量。

配制標(biāo)準(zhǔn)溶液則要注意是否是基準(zhǔn)物質(zhì)，只有基準(zhǔn)物質(zhì)才能直接配制，如鄰苯二甲酸氫鉀；但氫氧化鈉不是基準(zhǔn)物質(zhì)，配制好后的濃度與理論濃度不相符，必須標(biāo)定準(zhǔn)確濃度。

滴定過程之前，一定要對移液管、滴定管進(jìn)行洗液-自來水-蒸餾水-待測液（標(biāo)準(zhǔn)液）潤洗，并進(jìn)行漏水檢查，排氣泡。滴定過程中，為了實(shí)驗(yàn)測量結(jié)果的準(zhǔn)確性，一定要嚴(yán)格按照滴定的各項(xiàng)操作規(guī)范進(jìn)行操作，特別注意使用酸式滴定管時，不要向外拉活塞，防止滴定管漏液；滴定速度要先快后慢，邊滴邊震蕩；接近終點(diǎn)時，應(yīng)當(dāng)?shù)我坏?，搖幾下；最后則是半滴半滴的加，直到溶液顏色出現(xiàn)明顯變化。

4.實(shí)驗(yàn)報告完成

實(shí)驗(yàn)中要及時地、準(zhǔn)確地、規(guī)范地記錄實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和數(shù)據(jù)，實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，能夠?qū)ΜF(xiàn)象和數(shù)據(jù)進(jìn)行科學(xué)的分析歸納、解釋，并能夠準(zhǔn)確和科學(xué)地表述實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

總之，基于高中化學(xué)競賽實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的特殊性與復(fù)雜性，我們應(yīng)當(dāng)尊重實(shí)驗(yàn)及命題規(guī)律，在實(shí)踐中學(xué)習(xí)，多動手，多思考，開拓思維，這樣才有利于培養(yǎng)學(xué)生對于化學(xué)知識的綜合運(yùn)用能力，有利于化學(xué)學(xué)科和化學(xué)競賽的學(xué)習(xí)。

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