以上海高考題為例談化學實驗方案的設計與評價

張順清

此類試題能全面綜合地考查考生的化學知識、實驗技能、思維過程及書面表達能力。本文把近十余年上海高考主觀題（非選擇題）中的涉及化學實驗方案的設計與評價的試題進行了詳細的匯總和歸類，希望對上海地區(qū)化學同仁們的高三復習備考有所裨益。

一、考查化學實驗方案的評價

對幾個實驗方案的正確與錯誤、嚴密與不嚴密、準確與不準確作出判斷，要考慮是否完全合理、有無干擾現(xiàn)象等，一般從下面幾個方面進行評價：①生成相同量的產(chǎn)品，副產(chǎn)品可循環(huán)利用，消耗原料少且原料豐富可再生，價格低廉的方案優(yōu)；②條件合適，操作簡單步驟少的方案優(yōu)；③轉化率高、產(chǎn)物純凈的方案優(yōu)；④環(huán)境友好無污染的方案優(yōu)。這種類型的試題是近三年上海高考實驗題的必考點，連續(xù)三年每年都有考查，特別是2014年出現(xiàn)了二次。

例1（2014年）在精制飽和食鹽水中加入碳酸氫銨可制備小蘇打（NaHCO3），并提取氯化銨作為肥料或進一步提純?yōu)楣I(yè)氯化銨。濾出小蘇打后，母液提取氯化銨有兩種方法：

①通入氨，冷卻、加食鹽，過濾；②不通氨，冷卻、加食鹽，過濾。

對兩種方法的評價正確的是（選填編號）

a.①析出的氯化銨純度更高

b.②析出的氯化銨純度更高

c.①的濾液可直接循環(huán)使用

d.②的濾液可直接循環(huán)使用

解析母液中含有氯化銨、飽和碳酸氫鈉、未反應完的氯化鈉，在低溫條件下，向濾液中加入細粉狀的氯化鈉，并通入氨，產(chǎn)生同離子效應可以使氯化銨結晶沉淀析出，此時通入氨還有一個作用是中和飽和碳酸氫鈉生成碳酸鈉，防止降溫后碳酸氫鈉析出，使得到的氯化銨更純凈。過濾后濾液中含有氨，不能直接循環(huán)使用，而②的濾液可直接循環(huán)使用。

答案：ad。

例2（2012年）碳酸氫銨是一種重要的銨鹽。實驗室中，將二氧化碳通入氨水可制得碳酸氫銨，用碳酸氫銨和氯化鈉可制得純堿。

為探究NH4HCO3和NaOH的反應，設計實驗方案如下：含0.1 mol NH4HCO3的溶液中加入

0.1 mol NaOH，反應完全后，滴加氯化鈣稀溶液。

若有沉淀，則NH4HCO3與NaOH的反應可能為（寫離子方程式）；

若無沉淀，則NH4HCO3與NaOH的反應可能為（寫離子方程式）；

該實驗方案有無不妥之處？若有，提出修正意見。

解析向NH4HCO3溶液中加入NaOH時，發(fā)生的離子反應有：HCO-3+OH-CO2-3+H2O、NH+4+OH-NH3+H2O，若NaOH量不足，則兩反應存在先后順序問題，故實驗中若產(chǎn)生沉淀，說明反應后溶液中含有CO2-3，證明先發(fā)生HCO-3+OH-CO2-3+H2O，否則先發(fā)生NH+4+OH-NH3+H2O。如果不煮沸，產(chǎn)生的NH3·H2O能夠將HCO-3變成CO2-3與Ca2+產(chǎn)生CaCO3沉淀，最終與前一種現(xiàn)象相同。

答案：HCO-3+OH-CO2-3+H2O、NH+4+OH-NH3+H2O；需先煮沸，然后滴加氯化鈣稀溶液。

例3（2005年）用NaClO3氧化FeSO4時反應如下：

6FeSO4+NaClO3+3H2SO4

3Fe2（SO4）3+NaCl+3H2O

若改用HNO3氧化，則化學方程式如下：

6FeSO4+2HNO3+3H2SO43Fe2（SO4）3+2NO↑+4H2O

已知1mol HNO3價格0.16元、1 mol NaClO3價格0.45元，評價用HNO3代替NaClO3作氧化劑的利弊，利是 ，弊是 。

解析從環(huán)保和成本兩個方面考慮，利是原料便宜，弊是NO會污染空氣。

答案：利：原料成本較低；弊：產(chǎn)生氣體對大氣有污染。

二、考查物質檢驗實驗方案的設計

常見的物質（包括陰陽離子、有機官能團）的檢驗和鑒別是全國高考化學實驗中的必考點，上海高考也不例外。比如：2012年考查了CO2-3和醛基的檢驗、2010年考查了Cl-的檢驗、2009年考查了Fe3+的檢驗、2008年考查了NH+4的檢驗、2007年考查了CO2-3的檢驗、2005年考查了酚羥基的檢驗。這里只把比較新穎（非常規(guī)型）的物質檢驗的實驗方案設計試題進行了歸納，以便為以后解答這類試題提供一些啟發(fā)和借鑒。

例4（2014年）實驗室通常用向上排空氣法收集氯氣，設計一個簡單實驗，驗證所收集的氯氣中是否含有空氣：。

解析氯氣可與氫氧化鈉溶液反應，如含有空氣，則與氫氧化鈉反應后試管內有氣體殘留。

答案：用試管收集氯氣，收集滿后將試管倒立在氫氧化鈉溶液中，觀察試管內有無殘留氣體。

三、考查定量化學實驗方案的設計

定量實驗注重學生對實驗數(shù)據(jù)的分析和處理能力，以及對實驗流程的推理能力。對實驗進行設計的關鍵是分析判斷題目想通過哪種定量方法（氣體質量法、氣體體積法、沉淀質量法、中和滴定法、灼燒法等）來測定什么量，如何排除干擾精確的定量。還要看清題目已經(jīng)給定了什么數(shù)據(jù)還差什么數(shù)據(jù)，最終一步步推導分析出如何設計實驗步驟來測得這些未知數(shù)據(jù)以達到實驗目的。

例5（2008年）為測定混合肥料K2SO4、（NH4）2SO4中鉀的含量，完善下列步驟：

①取鉀氮肥試樣并溶于水，加入足量的

溶液，產(chǎn)生白色沉淀；

②、、（依次填寫實驗操作名稱）。

③冷卻、稱重。

解析混合肥料中含有K2SO4、（NH4）2SO4，只能考慮把SO2-4轉化為沉淀，因此，加入的溶液為BaCl2或Ba（NO3）2溶液；然后先將混合液過濾，再洗滌沉淀，最后干燥，冷卻后稱量。

答案：BaCl2或Ba（NO3）2；過濾 、洗滌、干燥。

例6（2006年）現(xiàn)設計一個實驗，確定產(chǎn)品aMgCO3·bMg（OH）2·cH2O中a、b、c的值，請完善下列實驗步驟（可用試劑：濃硫酸、堿石灰）：

（1）①樣品稱量；②高溫分解；③；④；⑤MgO質量。

（2）18.2g產(chǎn)品完全分解后，產(chǎn)生6.6g CO2和8.0g MgO，由此可知，產(chǎn)品的化學式中：a=；b=；c=。

解析需要測定的數(shù)據(jù)是①樣品質量；②MgO質量；③生成CO2的質量（或體積）；④生成水的質量；利用濃硫酸的吸水性先干燥氣體，再稱量堿石灰吸收CO2前后的質量；根據(jù)分解的化學方程式，由鎂守恒，質量守恒進行計算a、b、c的數(shù)值。

答案：（1）用濃硫酸吸收水蒸氣、稱量堿石灰吸收CO2前后的質量；（2）3、1、3。

例7（2003年）實驗室有CuO和Cu粉的混合物。請你利用給出的實驗儀器及試劑，設計兩種測定該樣品（已稱得其質量為m g）中氧化銅質量分數(shù)的方法，并填寫表格中的有關內容。

實驗方法實驗過程中所發(fā)生反應的化學方程式實驗所用儀器（用編號表示）實驗需直接測定的有關物理量（用文字說明）

1

2

實驗可能用到的主要儀器：

①托盤天平；②啟普發(fā)生器；③硬質玻璃管；④泥三角；⑤燒杯；⑥坩堝；⑦酒精燈；⑧玻璃棒；⑨漏斗；⑩干燥管。

實驗可能用到的試劑：

a.鋅粒b.稀硫酸

c.氯化鈉溶液 d.濃硫酸

解析金屬銅和非氧化性酸不反應，但是氧化銅能和酸反應，據(jù)此獲得混合物中金屬銅的質量即可；金屬銅在氧氣中加熱可以生成氧化銅，可以根據(jù)固體質量的增加來計算金屬銅的質量進而計算出氧化銅的質量分數(shù)；還可以用氫氣還原氧化銅，根據(jù)反應前后固體質量的差值可計算出氧化銅的質量。

答案：

實驗方法實驗過程中所發(fā)生反應的化學方程式實驗所用儀器（用編號表示）實驗需直接測定的有關物理量（用文字說明）

1H2SO4+Zn→ZnSO4+H2↑

H2+CuO△Cu+H2O①②③⑦實驗前樣品和硬質玻璃管的總質量（或硬質玻璃管的質量）、實驗后Cu及硬質玻璃管的總質量

2H2SO4+CuO→CuSO4+H2O①⑤⑧⑨過濾后剩余固體的質量

32Cu+O2△2CuO①④⑥⑦⑧實驗前坩堝與樣品總質量、實驗后坩堝與CuO總質量

四、考查實驗儀器連接和實驗操作的方案設計

實驗儀器的連接和實驗操作的方案設計是化學實驗的基礎內容，是構成實驗綜合大題的內核，涉及的內容有：常見反應裝置的選擇、干燥或除雜裝置的選擇、量氣裝置的選擇、防倒吸裝置、儀器連接的順序、實驗操作的順序、氣密性檢查等。

例8（2010年上海）一次性飯盒中石蠟（高級烷烴）和CaCO3在食物中的溶出量是評價飯盒質量的指標之一，測定溶出量的主要實驗步驟設計如下：剪碎、稱重→浸泡溶解→過濾→殘渣烘干→冷卻、稱重→恒重。

（1）為了將石蠟和碳酸鈣溶出，應選用的試劑是 ；

a.氯化鈉溶液b.稀醋酸

c.稀硫酸d.正已烷

（2）在溶出量測定實驗中，為了獲得石蠟和碳酸鈣的最大溶出量，應先溶出后溶出；

（3）上述測定實驗中，連續(xù)，說明樣品已經(jīng)恒重。

解析根據(jù)實驗步驟，為將石蠟和碳酸鈣溶出，可選用稀醋酸溶出碳酸鈣、正己烷溶出石蠟；由于醋酸中的乙酸也是有機物，為防止石蠟損失，可以先溶出石蠟再溶出CaCO3；稱重時，當兩次稱量的結果相差不超過（或小于）0.001g，說明達到恒重。

答案：（1）bd；（2）石蠟、CaCO3；（3）兩次稱量的結果相差不超過（或小于）0.001g。

圖1

例9（2003年）工業(yè)上測量SO2、N2、O2混合氣體中SO2含量的裝置如圖1；反應管中裝有碘的淀粉溶液。SO2和I2發(fā)生的反應為（N2、O2不與I2反應）：SO2+I2+2H2O→H2SO4+2HI

（1）混合氣體進入反應管后，量氣管內增加的水的體積等于 的體積（填寫氣體的分子式）；

（2）將上述裝置改為簡易實驗裝置，除導管外，還需選用的儀器為： （選下列儀器的編號）

a.燒杯 b.試管 c.廣口瓶 d.容量瓶 e.量筒 f.單孔塞 g.雙孔塞

解析混合氣體進入反應管中，其中SO2與I2發(fā)生了反應，剩余的氣體僅有N2和O2，量氣管內增加的水的體積等于N2和O2的總體積；由所給裝置可知反應管起密閉容器吸收SO2的作用，因此可用試管、廣口瓶代替，而量取氣體的體積方法除用量氣管外，還可用測量氣體所排出液體的體積確定，可用廣口瓶、雙孔塞、量筒代替量氣管。

答案：N2、O2的體積；bceg或beg或ceg。

五、考查物質分離與提純的實驗方案設計

物質分離與提純的實驗操作是每年高考實驗題的必考知識點，在非選擇題中一般以實驗大題中的某幾個填空或簡答的形式考查。常見的分離與提純的方法有：過濾、蒸發(fā)結晶、冷卻結晶、分液、萃取、蒸餾、減壓蒸餾、減壓烘干、洗氣、升華、直接加熱法、滲析法、紙層析法、化學蒸氣轉移法、控制pH選擇性的除去原料中的某種或全部的雜質金屬離子等，要根據(jù)題目的特點來靈活選擇上述方法。

例10（2013年）鎳具有優(yōu)良的物理和化學特性，是許多領域尤其是高技術產(chǎn)業(yè)的重要原料。羰基法提純粗鎳涉及的兩步反應依次為：

①Ni（s）+4CO（g）30℃Ni（CO）4（g）+Q

②Ni（CO）4（g）230℃Ni（s）+4CO（g）

簡述羰基法提純粗鎳的操作過程。

解析根據(jù)反應①②的特點及生成Ni（CO）4的狀態(tài)，通過化學蒸氣轉移法來提純粗鎳，控制不同的溫度，CO相當于一個搬運工把粗鎳中的鎳從封閉玻璃管的一端搬運到另一端。

答案：把粗鎳和CO放于一個水平放置的密閉的玻璃容器中，然后在低溫下反應，一段時間后在容器的一端加熱。

例11（2012年）粗鹽（含Ca2+、Mg2+）經(jīng)提純后，加入碳酸氫銨可制得碳酸鈉。實驗步驟依次為：

①粗鹽溶解；②加入試劑至沉淀完全，煮沸；③；④加入鹽酸調pH；⑤加入；⑥過濾；⑦灼燒，冷卻，稱重。

解析粗鹽提純步驟應是向粗鹽溶液中加入沉淀劑、過濾（除去沉淀），然后加入鹽酸，調pH（除去前面加入沉淀劑引入的OH-與CO2-3），此時溶液為純凈的NaCl溶液，再向該溶液中加入碳酸氫銨，即可析出溶解度較小的碳酸氫鈉，然后過濾、洗滌得到純凈NaHCO3，將NaHCO3加熱得到Na2CO3。

答案：過濾；碳酸氫銨。

（收稿日期：2015-01-12）