化學(xué)實(shí)驗(yàn)的跨接思維——定量實(shí)驗(yàn)

李宏華

北京

定量實(shí)驗(yàn)在近幾年的高考命題中異軍突起，2017年的全國卷Ⅰ、全國卷Ⅱ、全國卷Ⅲ、北京卷、天津卷等都考查了定量實(shí)驗(yàn)。定量實(shí)驗(yàn)是將化學(xué)實(shí)驗(yàn)與化學(xué)計(jì)量有機(jī)地結(jié)合在一起測定物質(zhì)化學(xué)組成與含量的探究性實(shí)驗(yàn)，是近幾年高考的常考題型。命題設(shè)計(jì)中先通過實(shí)驗(yàn)測出相關(guān)的有效數(shù)據(jù)，然后經(jīng)計(jì)算得出物質(zhì)的組成與含量。定量實(shí)驗(yàn)?zāi)康男?、?shí)用性強(qiáng)，能給予出題人較大的創(chuàng)造空間。復(fù)習(xí)過程中教師要注重定性實(shí)驗(yàn)拓展到定量實(shí)驗(yàn)的探討。隨著理科綜合能力測試對定量思維能力以及實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)能力要求的提高，預(yù)計(jì)今后的高考試題中對實(shí)驗(yàn)的考查會在定性實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上滲透定量要求甚至直接要求進(jìn)行定量實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。

一、定量實(shí)驗(yàn)所涉及的范圍

定量實(shí)驗(yàn)是中學(xué)化學(xué)的重要實(shí)驗(yàn)，主要有一定物質(zhì)的量濃度溶液的配制、中和滴定(包括滴定曲線)、中和熱測定等。從中學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)和高考實(shí)驗(yàn)考查的要求來看，定量實(shí)驗(yàn)主要有以下幾種類型：①確定物質(zhì)組成與含量的定量實(shí)驗(yàn)，如確定物質(zhì)化學(xué)組成(確定化學(xué)式)、測量物質(zhì)中某組分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)等實(shí)驗(yàn)；②測量某溶液的濃度(溶質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)、物質(zhì)的量濃度等)的定量實(shí)驗(yàn)，如中和滴定實(shí)驗(yàn)；③測量某些化學(xué)計(jì)量的定量實(shí)驗(yàn)，如測定某分子(或原子)的相對分子(原子)質(zhì)量、阿伏加德羅常數(shù)等實(shí)驗(yàn)；④研究反應(yīng)熱效應(yīng)的定量實(shí)驗(yàn)，如教材中關(guān)于中和熱測定實(shí)驗(yàn)；⑤研究物質(zhì)(分子)結(jié)構(gòu)的定量實(shí)驗(yàn)，如有機(jī)物分子結(jié)構(gòu)確定的實(shí)驗(yàn)。

二、定量實(shí)驗(yàn)應(yīng)試策略

1.定量實(shí)驗(yàn)的方案設(shè)計(jì)

定量實(shí)驗(yàn)是在定性實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上為研究某些量及相關(guān)量間關(guān)系而展開的，因此能力要求和試題難度等將有所提升。如何有效地進(jìn)行定量實(shí)驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)呢？為明確定量實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的解題關(guān)鍵，先回顧一下中和滴定實(shí)驗(yàn)：

定量實(shí)驗(yàn)待測量實(shí)驗(yàn)原理可測量中和滴定實(shí)驗(yàn)酸或堿等溶液的物質(zhì)的量濃度利用酸堿中和時反應(yīng)物間物質(zhì)的量的關(guān)系,用已知物質(zhì)的量濃度的酸(堿)來測定未知堿(酸)的物質(zhì)的量濃度待測液的體積和反應(yīng)中消耗的標(biāo)準(zhǔn)液的體積

根據(jù)上述分析可知，待測量必須通過某種化學(xué)原理，尋求在限定實(shí)驗(yàn)條件下可測的關(guān)系量(即“可測量”)，利用兩者間量的關(guān)系計(jì)算而得。因此，確定可測量并準(zhǔn)確予以測定便成為定量實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵。

2.測量數(shù)據(jù)的注意事項(xiàng)

明確可測量范圍及測定方法，同時掌握減小實(shí)驗(yàn)誤差的方法，定量實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)問題就會迎刃而解，并獲得較高的精確度。

常見的定量測定實(shí)驗(yàn)包括混合物成分的測定、物質(zhì)純度的測定以及化學(xué)式的確定等。該類試題常涉及物質(zhì)的稱量、物質(zhì)的分離與提純、滴定、一定物質(zhì)的量濃度溶液的配制等實(shí)驗(yàn)操作。

三、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)篩選與處理策略

對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)篩選的一般方法和思路為“五看”：

一看數(shù)據(jù)是否符合測量儀器的精確度，如用托盤天平測得質(zhì)量的精確度為0.1 g，若精確度值超過了這個范圍，說明所得數(shù)據(jù)無效；

二看數(shù)據(jù)是否在誤差允許范圍內(nèi)，若所得的數(shù)據(jù)明顯超出誤差允許范圍，要舍去；

三看反應(yīng)是否完全，是否是足量反應(yīng)物作用下所得的數(shù)據(jù)，只有完全反應(yīng)時所得的數(shù)據(jù)才能應(yīng)用；

四看所得數(shù)據(jù)的測量環(huán)境是否一致，特別是氣體體積，只有在溫度、壓強(qiáng)一致的情況下才能進(jìn)行比較、運(yùn)算；

五看數(shù)據(jù)測量過程是否規(guī)范、合理，錯誤和違反測量規(guī)則的數(shù)據(jù)要舍去。

四、高考命題中定量實(shí)驗(yàn)的高頻考點(diǎn)

高頻考點(diǎn)一：考查計(jì)量儀器的特點(diǎn)和使用

高考中對定量實(shí)驗(yàn)涉及的計(jì)量儀器的考查主要包括托盤天平、量筒、容量瓶、滴定管、溫度計(jì)和pH試紙等，從考查的要求看，主要是識記層次，考查學(xué)生對常見計(jì)量儀器的結(jié)構(gòu)、用途、讀數(shù)和使用方法的認(rèn)識。

【例1】淀粉水解的產(chǎn)物(C6H12O6)用硝酸氧化可以制備草酸，裝置如圖所示(加熱、攪拌和儀器固定裝置均已略去)：

實(shí)驗(yàn)過程如下：

①將1∶1的淀粉水解液與少許質(zhì)量分?jǐn)?shù)為98%硫酸加入燒杯中，水浴加熱至85～90℃，保持恒溫30 min，然后逐漸將溫度降至60℃左右；

②將一定量的淀粉水解液加入三頸燒瓶中；

③控制反應(yīng)液溫度在55～60℃條件下，邊攪拌邊緩慢滴加一定量含有適量催化劑的混酸(65%HNO3與98%H2SO4的質(zhì)量比為4∶3)溶液；

④反應(yīng)3h左右，冷卻，減壓過濾后再重結(jié)晶得草酸晶體。

硝酸氧化淀粉水解液過程中可發(fā)生下列反應(yīng)：

請回答下列問題：

(1)冷凝水的進(jìn)口是________(填“a”或“b”)。

(2)裝置B的作用為__________________。

【答案】(1)a(2)作安全瓶 (3)無色 淺紫色 84.0%

高頻考點(diǎn)二：定量實(shí)驗(yàn)的基本操作

現(xiàn)行高中教材中通過配制一定物質(zhì)的量濃度的溶液、酸堿中和滴定等基本定量實(shí)驗(yàn)的完成，都是基本操作技能的訓(xùn)練。

【例2】三草酸合鐵酸鉀是一種重要的光敏材料和有機(jī)反應(yīng)的催化劑，化學(xué)式為K3[Fe(C2O4)3]·3H2O，為翠綠色晶體，溶于水，難溶于乙醇。110℃下失去三分子結(jié)晶水，230℃時分解。該配合物對光敏感，光照下即發(fā)生分解。

Ⅰ.三草酸合鐵酸鉀的制備

①溶解：在托盤天平上稱取4.0 g FeSO4·7H2O晶體，放入250 mL燒杯中，加入1 mL 1 mol·L-1H2SO4溶液，再加入H2O 15 mL，加熱使其溶解；

②沉淀：在上述溶液中加入1 mol·L-1H2C2O4溶液20 mL，攪拌并加熱煮沸，使形成FeC2O4·2H2O黃色沉淀，用傾斜法倒出清液，洗滌該沉淀3次以除去可溶性雜質(zhì)；

③氧化：在上述沉淀中加入10 mL飽和K2C2O4溶液，水浴加熱至40℃，滴加3%H2O2溶液20 mL，不斷攪拌溶液并維持溫度在40℃左右，使Fe2+充分氧化為Fe3+。滴加完后，加熱溶液至沸騰以除去過量的H2O2；

④生成配合物：保持上述沉淀近沸狀態(tài)，趁熱滴加1 mol·L-1H2C2O4使沉淀溶解至呈現(xiàn)翠綠色為止。冷卻后，加入15 mL 95%的乙醇水溶液，在暗處放置，結(jié)晶。減壓過濾，抽干后用少量乙醇洗滌產(chǎn)品，繼續(xù)抽干，稱量，計(jì)算產(chǎn)率，并將晶體放在干燥器內(nèi)避光保存。

請回答下列問題：

(1)步驟①溶解時應(yīng)加入少量的稀硫酸，目的是__________________

__________________。

(2)步驟②要維持微沸幾分鐘，但FeC2O4·2H2O晶體易暴沸，則適宜采取的加熱方式是________。

(3)生成的FeC2O4·2H2O晶體上易沾有硫酸鹽，如何證明晶體已洗滌干凈？________。

(4)步驟③需保持恒溫40℃，原因是__________________。

(5)用乙醇洗滌的作用是__________________。

【答案】(1)防止Fe2+的水解 (2)沸水浴加熱 (3)取最后一次洗滌液少許于試管中，加入BaCl2溶液，若沒有白色沉淀產(chǎn)生，則證明晶體已洗滌干凈 (4)溫度太低，F(xiàn)e2+氧化速度太慢；溫度太高，易導(dǎo)致H2O2分解，影響Fe2+氧化結(jié)果 (5)加入乙醇降低溶解度，有利于產(chǎn)品結(jié)晶析出 (6)溶液變?yōu)闇\紅色，且半分鐘不褪色 55%。

高頻考點(diǎn)三：重量分析法

重量分析法就是根據(jù)可測量物的重量來確定被測物質(zhì)組分含量的方法，一般是先使被測組分從試樣中分離出來，轉(zhuǎn)化為一定的稱量形式，然后用稱量的方法測定該成分的含量。根據(jù)被測成分與試樣中其他成分分離的不同途徑，通常應(yīng)用的重量分析法又分為沉淀法、氣化法等。

回答下列問題：

(1)a的作用是__________________。

(2)b中放入少量碎瓷片的目的是________。f的名稱是________。

(3)清洗儀器：g中加蒸餾水；打開k1，關(guān)閉k2、k3，加熱b，蒸氣充滿管路；停止加熱，關(guān)閉k1，g中蒸餾水倒吸進(jìn)入c，原因是_____________________；打開k2放掉水，重復(fù)操作2～3次。

(4)儀器清洗后，g中加入硼酸(H3BO3)和指示劑。銨鹽試樣由d注入e，隨后注入氫氧化鈉溶液，用蒸餾水沖洗d，關(guān)閉k3，d中保留少量水。打開k1，加熱b，使水蒸氣進(jìn)入e。

①d中保留少量水的目的是__________________。

②e中主要反應(yīng)的離子方程式為 ___________________，e采用中空雙層玻璃瓶的作用是__________________。

(5)取某甘氨酸(C2H5NO2)樣品m克進(jìn)行測定，滴定g中吸收液時消耗濃度為cmol·L-1的鹽酸VmL，則樣品中氮的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為________%，樣品的純度≤________%。

高頻考點(diǎn)四：滴定分析法

滴定分析法是傳統(tǒng)化學(xué)分析法中重要的分析方法之一，是將一種已知其準(zhǔn)確濃度的試液滴加到未知物質(zhì)的溶液中，通過指示劑的變化判斷反應(yīng)完全時，根據(jù)所用試劑的濃度和體積求得被測組分的含量。滴定分析法要求發(fā)生的反應(yīng)要完全、反應(yīng)速率要快、要選擇恰當(dāng)?shù)闹甘緞?/p>

【例4】(2017天津卷)用沉淀滴定法快速測定NaI等碘化物溶液中c(I-)，實(shí)驗(yàn)過程包括準(zhǔn)備標(biāo)準(zhǔn)溶液和滴定待測溶液。

Ⅰ．準(zhǔn)備標(biāo)準(zhǔn)溶液

a．準(zhǔn)確稱取AgNO3基準(zhǔn)物4.246 8 g(0.025 0 mol)后，配制成250 mL標(biāo)準(zhǔn)溶液，放在棕色試劑瓶中避光保存，備用。

b．配制并標(biāo)定100 mL 0.100 0 mol·L-1NH4SCN標(biāo)準(zhǔn)溶液，放在棕色試劑瓶中避光保存，備用。

Ⅱ．滴定的主要步驟

a．取待測NaI溶液25.00 mL于錐形瓶中。

b．加入25.00 mL 0.100 0 mol·L-1AgNO3溶液(過量)，使I-完全轉(zhuǎn)化為AgI沉淀。

c．加入NH4Fe(SO4)2溶液作指示劑。

d．用0.100 0 mol·L-1NH4SCN溶液滴定過量的Ag+，使其恰好完全轉(zhuǎn)化為AgSCN沉淀后，體系出現(xiàn)淡紅色，停止滴定。

e．重復(fù)上述操作兩次。三次測定數(shù)據(jù)如下表：

實(shí)驗(yàn)序號123消耗NH4SCN標(biāo)準(zhǔn)溶液體積/mL10.2410.029.98

f．?dāng)?shù)據(jù)處理。

回答下列問題：

(1)將稱得的AgNO3配制成標(biāo)準(zhǔn)溶液，所使用的儀器除燒杯和玻璃棒外還有________。

(2)AgNO3標(biāo)準(zhǔn)溶液放在棕色試劑瓶中避光保存的原因是__________________。

(3)滴定應(yīng)在pH<0.5的條件下進(jìn)行，其原因是__________________________________。

(4)b和c兩步操作是否可以顛倒？________，說明理由：__________________。

(5)所消耗的NH4SCN標(biāo)準(zhǔn)溶液平均體積為______mL，測得c(I-)=______mol·L-1。

(6)在滴定管中裝入NH4SCN標(biāo)準(zhǔn)溶液的前一步，應(yīng)進(jìn)行的操作為__________________。

(7)判斷下列操作對c(I-)測定結(jié)果的影響(填“偏高”“偏低”或“無影響”)：

①若在配制AgNO3標(biāo)準(zhǔn)溶液時，燒杯中的溶液有少量濺出，則測定結(jié)果________。

②若在滴定終點(diǎn)讀取滴定管刻度時，俯視標(biāo)準(zhǔn)液液面，則測定結(jié)果________。

【解析】(5)根據(jù)所提供的三組數(shù)據(jù)，第一組數(shù)據(jù)誤差較大，舍去，二、三兩組數(shù)據(jù)取平均值即可，所以所消耗的NH4SCN標(biāo)準(zhǔn)溶液平均體積為10.00 mL，測得c(I-)=0.060 0 mol·L-1。(6)在滴定管中裝入NH4SCN標(biāo)準(zhǔn)溶液前應(yīng)用NH4SCN標(biāo)準(zhǔn)溶液進(jìn)行潤洗。(7)①若在配制AgNO3標(biāo)準(zhǔn)溶液時，燒杯中的溶液有少量濺出，造成溶質(zhì)減少，所配制AgNO3標(biāo)準(zhǔn)溶液濃度偏低，則測定結(jié)果偏高。②若在滴定終點(diǎn)讀取滴定管刻度時，俯視標(biāo)準(zhǔn)液液面，造成讀數(shù)偏小，則測定結(jié)果偏高。