用“化學實驗研究模型”考查化學實驗問題

■浙江省杭州市基礎教育研究室 陳進前(特級教師)

用“化學實驗研究模型”考查化學實驗問題

■浙江省杭州市基礎教育研究室 陳進前(特級教師)

化學實驗問題大多是綜合性問題,解答化學實驗題必須抓住這一特征。北京師范大學王磊教授提出如圖1所示的一種化學實驗研究模型,其中指出化學實驗內容包括問題要素、方法和技能要素、知識要素、本體要素、態(tài)度要素5個維度的內容,在高中化學中依照該模型來梳理化學實驗內容、考查化學實驗問題,有助于全面深入理解化學實驗內容,是解決化學實驗問題的有效途徑。

圖1

一、梳理知識要素、本體要素、方法技能要素，夯實化學實驗基礎

本體要素指實驗儀器、實驗步驟、實驗條件和實驗用品等;知識要素是指跟某一化學實驗相關的物質性質和反應原理等;方法技能要素是相關的實驗方法和操作技能等。解決化學實驗問題,首先要從這三個方面進行梳理,這是理解實驗原理、選取實驗儀器、設計實驗方案、確定實驗條件、解釋實驗現(xiàn)象、處理實驗數(shù)據的必備基礎。

(杭州市高三抽測試題)高氯酸銨是一種無色晶體,可用作火箭推進劑、高氯酸銨炸藥的配合劑,也可用于制造煙火、人工防冰雹的藥劑,還可作為分析試劑等。高氯酸銨的部分性質如下:①密度為1.9 5g·c m-3,溶于水、丙酮,微溶于醇;②屬于強氧化劑,受熱或猛烈撞擊能引起爆炸,與有機物或可燃物研磨也會發(fā)生爆炸。

有同學在資料上查到如下兩種制取高氯酸銨晶體的方案:

方案A:

請回答下列問題:

(1)方案B中氯氣通入氫氧化鈉溶液時發(fā)生反應的總化學方程式為____。

(2)方案A、B中共有三處用到電解,這三處電解時陰極的電極反應式為____。

(3)方案A的第一步“趁熱過濾”得到的晶體主要成分是____,這一步驟中控制結晶時溫度很重要,你認為若高氯酸鈉溶液加入氯化銨晶體不采用趁熱過濾會造成的后果是____。

(4)兩種制取高氯酸銨的方案相比較,方案B的主要優(yōu)點是____。

解析：正確解答此題的前提是對氯元素及其化合物的性質、電解、化學平衡等知識有深入的理解。

第(1)問中有“陷阱”,有同學會寫成C l2+ 2 N a OH══N a C l O+N a C l+H2O,這樣就中圈套了。請?zhí)貏e注意觀察方案B所給出的信息,氯氣通入氫氧化鈉溶液中后經水蒸氣蒸餾得到HC l O,即產物不是N a C l O,由此研究就會想到總反應式是C l2(過量)+N a OH══HC l O+N a C l。

第(2)問中考查了電解原理,兩種方案有三處涉及電解,分別是電解氯酸鈉溶液、電解次氯酸溶液、電解氯酸溶液,要注意這三個電解過程中陽極電極反應不相同,但陰極的電極反應完全相同:

2 OH-。

第(3)問中,當用氯化銨、高氯酸鈉溶液混合制取高氯酸銨時,須分離除去氯化鈉,趁熱過濾的目的就是除去氯化鈉。由于溫度較高時高氯酸銨的溶解度大,不易結晶出來(若此時高氯酸銨也結晶出來就會被當作氯化鈉晶體過濾掉),所以“趁熱過濾”與“常溫下過濾”相比較,前者可以減少高氯酸銨的損耗量。

對于第(4)問,方案A中所得產物的純度依賴于分離的效果,方案B所得高氯酸銨晶體的純度要高。所以方案B的優(yōu)點是:既減少了復雜的分離提純操作,又提高了產品純度。

按以下實驗方案可以從海洋動物柄海鞘中提取具有抗腫瘤活性的天然產物。

下列說法錯誤的是( )。

A.步驟(1)需要過濾裝置

B.步驟(2)需要用到分液漏斗

C.步驟(3)需要用到坩堝

D.步驟(4)需要蒸餾裝置

解析：快而準地獲得答案的基礎是要熟悉過濾、萃取、分液、蒸發(fā)濃縮、蒸餾等化學實驗基本操作方法。將題給操作流程與各種物質分離操作方法的特點聯(lián)系起來可判斷,操作(1)是過濾(從“濾液”判斷出),操作(2)是萃取(從“水層”和“有機層”判斷出),必定要用到分液漏斗。步驟(3)是從水溶液中分離出固體粗產品,應該濃縮結晶,一般是用蒸發(fā)皿,不會用到坩堝。步驟(4)是從有機層中分離出甲苯,應該用蒸餾方法。答案為C。

二、梳理態(tài)度要素和問題要素，提升科學探究能力，強化化學觀念

通過化學實驗試題考查科學探究能力、測試化學基本觀念是一種命題方向,在化學實驗學習中要通過梳理態(tài)度要素和問題要素來提升科學探究能力,強化化學觀念。試劑選擇、尾氣處理、操作流程、方案選擇等,都會涉及綠色化學觀念。化學實驗的目的就是解決一定的問題,突出并明確化學實驗的問題性,實驗探究性是圍繞著問題展開的,所以要在化學實驗中培養(yǎng)科學態(tài)度和提高問題意識。

(杭州市高三抽測試題)聚合硫酸鐵(P F S)是一種新型高效的無機高分子絮凝劑,現(xiàn)用鐵的氧化物為原料來制取聚合硫酸鐵的過程如下。

聚合硫酸鐵溶液中S O24-與F e3+物質的量之比____3∶2(填“大于”“等于”或“小于”)。設計一個實驗方案測定聚合硫酸鐵中S O24-與F e3+物質的量之比(寫出試劑、操作方法)。

解析：審題時要善于提出問題,如“上述生產流程中涉及哪些化學反應”“產品P F S屬于哪類物質,其中除含有S O24-和F e3+外還可能含有哪些離子”“定量測定S O24-、F e3+可選用哪些方法?定量測定P F S中S O24-、F e3+應排除哪些干擾因素”。提出并思考上述問題后,可發(fā)現(xiàn)“聚合硫酸鐵實際就是堿式硫酸鐵,其中n(S O24-)∶n(F e3+)＜3∶2。若要測定其比值,必須定量測定S O24-、F e3+的量。

(杭州市高三抽測試題)高錳酸鉀是常用的氧化劑。工業(yè)上以軟錳礦(主要成分是M n O2)為原料制備高錳酸鉀晶體。實驗室制備高錳酸鉀晶體的操作流程如下。

上述反應②的化學方程式:3 K2M n O4+ 2 C O2══2 KM n O4+M n O2+2 K2C O3。

已知:

_____物質__________ K2C O3KHC O_ ______ __________3K2SO4CH3C_OOK 2 9 3K溶解度(g) 1 1 1_ ____3 3.7 ___1 1.1_ ________217

(1)加熱軟錳礦、K C l O3和KOH固體時所采用的操作方法是____,不采用瓷坩堝而選用鐵坩堝的理由是____;反應①的化學方程式為____。

(2)從濾液中得到KM n O4晶體的實驗操作依次是____(選填字母代號,下同)。

a.蒸餾 b.蒸發(fā) c.灼燒

d.抽濾 e.冷卻結晶

(3)制備過程中需要用到純凈的C O2氣體。制取純凈C O2最好選擇下列試劑中的____。

a.石灰石 b.濃鹽酸

c.稀硫酸 d.純堿

(4)實驗時,若C O2過量會生成K H C O3,導致得到的KM n O4產品的純度降低。原因是____。

(5)由于C O2的通入量很難控制,因此對上述實驗方案進行了改進,即把實驗中通入C O2改為加其他的酸。從理論上分析,選用下列酸中的____,得到的產品純度更高。

a.醋酸 b.濃鹽酸 c.稀硫酸

解析：第(1)和(4)問中要求解題者直接對相關實驗操作作出評價,第(2)(3)(5)三個問題看起來是選擇題,但其實質還是評價問題,因為必須要對相關實驗操作和原理作出評價后才能選出正確選項。

從題給實驗流程可知,第一步、第二步操作的目的是將氯酸鉀、氫氧化鉀和二氧化錳三種固體混合加強熱制取錳酸鉀,應該選用的操作方法是“灼燒”。由于氫氧化鉀具有強堿性,高溫下會腐蝕瓷坩堝,應該選用鐵坩堝。反應的化學方程式為3 M n O2+K C l O3

流程中后續(xù)操作的目的是:將K2M n O4、K C l等混合物溶解,通入C O2調節(jié)p H,使K2M n O4在適宜條件下發(fā)生歧化反應轉化為KM n O4(根據題給反應式可知同時生成了M n O2、K2C O3),直接抽濾可除去其中的M n O2,所得濾液中有KM n O4、K2C O3等,經過結晶分離得到KM n O4晶體。由于K2C O3在常溫下溶解度較大,所以濾液要經過蒸發(fā)(提高KM n O4的濃度)、冷卻結晶(使KM n O4結晶出來)、抽濾等操作,即第(2)問應選b、e、d。

考慮到用碳酸鈣、鹽酸制取C O2氣體會混入少量HC l,所以最好選用碳酸鈉和硫酸,即第(3)問應選c、d。從題給信息可知, KHC O3的溶解度比K2C O3的小很多,濾液蒸發(fā)濃縮時KHC O3會隨KM n O4一起結晶析出。因為鹽酸有還原性,醋酸鉀的溶解度比硫酸鉀的大很多,蒸發(fā)濃縮時基本上都會留在母液里,所以第(5)問選a。

(責任編輯 謝啟剛)