“插空法”巧解氣體參與制備類實驗綜合題

周學(xué)興 楊 華

湖南

實驗題是高考必考題型，實驗綜合題三大類型為物質(zhì)制備分離型、性質(zhì)原理探究型、定量分析型，其中制備類實驗是最重要的一種基礎(chǔ)綜合實驗，理解好如何制備物質(zhì)，有助于培養(yǎng)對其他實驗的認知。近五年與制備類相關(guān)的高考題情況見表1。

表1 近五年高考制備類實驗題的考查情況

學(xué)生對實驗或?qū)嶒烆}有著一種復(fù)雜的感情“愛看實驗，想做實驗，又怕做實驗”，文章著重介紹了插空法在突破有氣體參與的制備類實驗題和提高學(xué)生實驗設(shè)計能力、學(xué)科素養(yǎng)等方面的應(yīng)用，以期拋磚引玉。

在教學(xué)中鼓勵學(xué)生嘗試實驗設(shè)計、實踐，提高學(xué)生實驗設(shè)計與實踐能力。通過思維策略的技巧訓(xùn)練，幫助學(xué)生明確解決問題的核心，掌握解決問題的一般程序和方法，提高學(xué)生的實驗分析能力。在學(xué)生完成設(shè)計的基礎(chǔ)上，再配合學(xué)生親自動手完成自行設(shè)計的實驗，讓學(xué)生親身體驗探究過程，這將能非常有效地起到培養(yǎng)科學(xué)素養(yǎng)的作用。

一、插空法介紹

插空法，根據(jù)實驗?zāi)康暮臀镔|(zhì)性質(zhì)確定三大核心裝置(供氣裝置、主要發(fā)生裝置、尾端裝置)為框架，框架間結(jié)合性質(zhì)分析進行插空理解，可以高效解決氣體制備類實驗綜合題，并為展開實驗設(shè)計提供模型和思路。插空法解題思路，見圖1。

圖1 插空法解題思路

1.小試牛刀

例1.[2017·全國卷Ⅰ·10]實驗室用H2還原WO3制備金屬W的裝置如圖所示(Zn粒中往往含有硫等雜質(zhì)，焦性沒食子酸溶液用于吸收少量氧氣)。下列說法正確的是

( )

A．①②③中依次盛裝KMnO4溶液、濃H2SO4、焦性沒食子酸溶液

B．管式爐加熱前，用試管在④處收集氣體并點燃，通過聲音判斷氣體純度

C．結(jié)束反應(yīng)時，先關(guān)閉活塞K，再停止加熱

D．裝置Q(啟普發(fā)生器)也可用于二氧化錳與濃鹽酸反應(yīng)制備氯氣

【解析】插空法：框架插空

圖2 制備W的解題模型

【評價】通過插空法，實驗裝置得以整體把握。誠然，此題難度不大，B項正確，但對于該題實驗的嚴謹性，有待商榷，鼓勵學(xué)生補充完整，為展開實驗打下扎實的基礎(chǔ)。

例2.磺酰氯(SO2Cl2)是一種重要的有機合成試劑，實驗室可利用SO2與Cl2反應(yīng)制取少量的SO2Cl2。裝置如圖(有些夾持裝置省略)所示。已知SO2Cl2的熔點為—54.1℃，沸點為69.1℃，在潮濕空氣中遇水能發(fā)生劇烈的水解反應(yīng)，并產(chǎn)生白霧。

(1)儀器組裝完畢后，檢驗甲裝置氣密性的方法是______________，表明裝置氣密性良好。

(2)儀器C的作用是吸收逸出的有毒氣體Cl2、SO2，防止污染環(huán)境和__________。

(3)試劑X、Y的組合最好是 (填字母)。

a．18.4 mol/L H2SO4+Cu

b．4 mol/L HNO3+Na2SO3

c．60% H2SO4+K2SO3

(4)戊是貯氣裝置，則E中的試劑是__________。若缺少裝置乙和丁，潮濕的氯氣和二氧化硫之間發(fā)生反應(yīng)的化學(xué)方程式是__________。

(5)反應(yīng)結(jié)束后，將丙中的混合物分離開的實驗操作是____________________。若反應(yīng)中消耗的氯氣的體積為896 mL(已轉(zhuǎn)化為標準狀況，SO2足量)，最后得到純凈的磺酰氯3.3 g，則磺酰氯的產(chǎn)率為_______(保留三位有效數(shù)字)。

圖3 制備SO2Cl2解題認知模型

【答案】

例3.[2018·全國卷Ⅰ·26]醋酸亞鉻[(CH3COO)2Cr·2H2O]為磚紅色晶體，難溶于冷水，易溶于酸，在氣體分析中用作氧氣吸收劑。一般制備方法是先在封閉體系中利用金屬鋅作還原劑，將三價鉻還原為二價鉻；二價鉻再與醋酸鈉溶液作用即可制得醋酸亞鉻。實驗裝置如圖所示?；卮鹣铝袉栴}：

(1)實驗中所用蒸餾水均需經(jīng)煮沸后迅速冷卻，目的是______________，儀器a的名稱是__________。

(2)將過量鋅粒和氯化鉻固體置于c中，加入少量蒸餾水，按圖連接好裝置，打開K1、K2，關(guān)閉K3。

①c中溶液由綠色逐漸變?yōu)榱了{色，該反應(yīng)的離子方程式為__________。

②同時c中有氣體產(chǎn)生，該氣體的作用是__________。

(3)打開K3，關(guān)閉K1和K2。c中亮藍色溶液流入d，其原因是______________；d中析出磚紅色沉淀，為使沉淀充分析出并分離，需采用的操作是_________、洗滌、干燥。

(4)指出裝置d可能存在的缺點：__________。

【解析】根據(jù)題干信息可知，反應(yīng)物溶液之間并未接觸，沒有采取分液漏斗加液混合的方式，氫氣沒有直接參與反應(yīng)，而是利用氫氣產(chǎn)生的壓強差將其中一種反應(yīng)液壓入另一反應(yīng)液混合達到制備目的。類似于氫氧化亞鐵的制備。

圖4 制備醋酸亞鉻的解題模型

【答案】

(1)去除水中溶解氧 分液(或滴液)漏斗

(3)c中產(chǎn)生H2使壓強大于大氣壓 (冰浴)冷卻 過濾

(4)敞開體系，可能使醋酸亞鉻與空氣接觸

【評價】誠然，插空法并不拘泥于形式，對該題亦有很好的詮釋。同時插空法對于物質(zhì)的性質(zhì)探究也有指導(dǎo)意義，因為探究的對象是制備(物質(zhì)發(fā)生反應(yīng))產(chǎn)生，框架裝置是驗證裝置。

例4.[2011·課標全國Ⅰ·28(1)節(jié)選]氫化鈣固體是登山運動員常用的能源提供劑，某興趣小組擬選用如下裝置

制備氫化鈣。

請回答下列問題：

(1)請選擇必要的裝置，按氣流方向連接順序為 (填儀器、接口的字母編號)。

【解析】采用插空法可迅速解決裝置連接問題。

插空法：框架→插空

圖5 制備CaH2的解題模型

【答案】

(1)i→e，f→d，c→j，k(或k，j)→a

【評價】誠然，裝置連接順序問題，利用插空法便可高效解決。

2.解題小結(jié)

(1)加熱操作的要求

①使用可燃性氣體(如：H2、CO、CH4等)，先用原料氣趕走系統(tǒng)內(nèi)的空氣，再點燃酒精燈加熱，以防止爆炸。

②制備一些易與空氣中的成分發(fā)生反應(yīng)的物質(zhì)(如H2還原CuO的實驗)，反應(yīng)結(jié)束時，應(yīng)先熄滅酒精燈，繼續(xù)通原料氣至試管冷卻。

(2)尾氣處理的方法

有毒氣體常采用溶液(或固體)吸收或?qū)⒅c燃的方法，不能直接排放。

(3)特殊實驗裝置

①制備在空氣中易吸水、潮解以及水解的物質(zhì)(如Mg3N2、Al2S3、AlCl3等)，往往在裝置的末端再接一個干燥或液封裝置，以防止空氣中水蒸氣的進入。

②用液體吸收氣體，若氣體溶解度較大，要加防倒吸裝置。

③若制備物易被空氣中氧氣氧化，應(yīng)加趕氣裝置，稱為反應(yīng)前趕氣。若是反應(yīng)后趕氣，往往是為了定量測定氣體的質(zhì)量，將殘留在裝置中的氣體趕至吸收裝置中吸收。也可能是將有毒氣體趕至吸收裝置吸收，以便拆卸裝置無污染。

④“空瓶子”(空置洗氣瓶)裝置：可能是防倒吸、收集、氣流緩沖、氣體混合裝置(有時候盛有濃硫酸等溶液)等。

(4)常見信息的處理：(要求相應(yīng)特殊裝置或操作)

①熔沸點：可能考查蒸餾、冷凝等分離操作。

②遇水水解：考查防水操作，一般需要在反應(yīng)裝置前后加防水裝置。

③與空氣反應(yīng)：需要趕氣，前面已描述。

④受熱分解：控制反應(yīng)速率不能過快、防止加熱溫度過高(反應(yīng)溫度，蒸發(fā)、烘干等溫度)。

⑤溶解度與溫度關(guān)系：涉及分離提純操作。溶解度隨溫度變化程度大，一般采用的具體操作為蒸發(fā)濃縮、冷卻結(jié)晶、過濾、洗滌、干燥。

二、實驗設(shè)計與解題能力相關(guān)性的研究

經(jīng)過插空法對氣體參與實驗原理的理解，嘗試讓學(xué)生展開結(jié)合信息的實驗設(shè)計訓(xùn)練，并鼓勵學(xué)生展開實驗實踐。實驗設(shè)計習(xí)題如下：

例5.完成下列實驗的初步設(shè)計(有必要請將反應(yīng)裝置圖畫出)

1.設(shè)計實驗方案制備氯化鐵固體

已知：FeCl3在300℃以上易升華，遇水易水解。

2.設(shè)計實驗方案制備PCl3

已知：①實驗室要用黃磷(即白磷)與干燥的Cl2模擬工業(yè)生產(chǎn)制取PCl3；②黃磷與少量Cl2反應(yīng)生成PCl3，與過量Cl2反應(yīng)生成PCl5；③PCl3遇水會強烈水解生成H3PO3和HCl；④PCl3遇O2會生成POCl3，POCl3溶于PCl3；⑤PCl3、POCl3的熔沸點見表2：

表2 PCl3、POCl3的熔沸點

3.利用SO2與Na2S、Na2SO3混合溶液反應(yīng)制備Na2S2O3·5H2O

②Na2S2O3遇酸易分解

經(jīng)過插空法教學(xué)后，筆者在所教兩個班級(共90人)中將例5展開測試，大部分學(xué)生能較準確的設(shè)計出實驗方案，實際情況見表3?！皽蚀_設(shè)計”未經(jīng)講解，接著從高考題和模擬題中選擇與實驗設(shè)計對應(yīng)的3個習(xí)題以及2018年全國Ⅰ卷第26題，進行35分鐘限時訓(xùn)練(每題15分)，訓(xùn)練結(jié)果見表4。同時再另外選取成績相當(dāng)?shù)?0名同學(xué)，未經(jīng)過插空法的學(xué)習(xí)，展開同類訓(xùn)練。

表3 例題5完成情況(30 min)

表4 大題專題練情況(35 min)

插空法解題的高效性可見一斑，對氣體參與制備類實驗的設(shè)計能力效果明顯。尤其是學(xué)生面對醋酸亞鉻的制備時，通過插空法的學(xué)習(xí)，也能高效地取得好成績。未學(xué)習(xí)插空法的學(xué)生表現(xiàn)具有不穩(wěn)定性。

不難發(fā)現(xiàn)學(xué)習(xí)插空法后，學(xué)生做習(xí)題情況明顯與實驗設(shè)計表現(xiàn)相似，見表5，反之，呈現(xiàn)相關(guān)性不明顯。

表5 大題專題練情況與實驗設(shè)計表現(xiàn)的關(guān)系

學(xué)生發(fā)現(xiàn)實驗設(shè)計和習(xí)題有區(qū)別時，紛紛表示想走進實驗室展開實驗，通過插空法的教學(xué)與習(xí)題應(yīng)用，極大地激發(fā)了學(xué)生敢于實驗設(shè)計、敢于實踐的興趣和勇氣。

同時讓學(xué)生通過實驗設(shè)計與化學(xué)物質(zhì)的性質(zhì)之間的關(guān)系，意識到科學(xué)探究是具有一定的風(fēng)險，需要正確的認知和決策。在實驗教學(xué)中要讓學(xué)生形成風(fēng)險意識，要充分考慮可能存在的風(fēng)險，有處理風(fēng)險發(fā)生的方法和措施，使學(xué)生逐步具備能夠根據(jù)實際不斷優(yōu)化、簡化設(shè)計方案的能力。

三、插空法的教學(xué)意義

插空法可迅速解決有氣體參與的制備類實驗綜合題，通過此法讓學(xué)生走出“怕實驗題”的困境，并為實驗設(shè)計和其他實驗題的思考提供了方向。