原理探究型實(shí)驗(yàn)題的解題策略

■湖北省武漢市第三中學(xué) 王利平

高考理科綜合試卷凸顯探究精神，堅(jiān)持把創(chuàng)新思維和學(xué)習(xí)能力考查滲透到命題全過(guò)程，向考生提供新知識(shí)或原有知識(shí)的延伸拓展信息，考查考生的探究能力和創(chuàng)新精神。

化學(xué)原理探究型實(shí)驗(yàn)題是高考常考題，做好此類(lèi)實(shí)驗(yàn)題，可以訓(xùn)練思維的深度和廣度，培養(yǎng)探究精神和創(chuàng)新能力。那么如何做好呢？ 首先，我們要認(rèn)真研究考綱要求。考綱中寫(xiě)道：化學(xué)科考試，為了有利于選拔具有學(xué)習(xí)潛能和創(chuàng)新精神的考生，以能力測(cè)試為主導(dǎo)，將在測(cè)試考生進(jìn)一步學(xué)習(xí)所需的知識(shí)、技能和方法的基礎(chǔ)上，全面檢測(cè)考生的化學(xué)科學(xué)素養(yǎng)?；瘜W(xué)科命題注重測(cè)量自主學(xué)習(xí)的能力，重視理論聯(lián)系實(shí)際，關(guān)注與化學(xué)有關(guān)的科學(xué)技術(shù)、社會(huì)經(jīng)濟(jì)和生態(tài)環(huán)境的協(xié)調(diào)發(fā)展，以促進(jìn)考生在知識(shí)和技能、過(guò)程與方法、情感態(tài)度和價(jià)值觀(guān)等方面的全面發(fā)展。其次，我們要明確考綱在實(shí)驗(yàn)?zāi)K中的具體要求?？季V明確指出：（1）了解化學(xué)實(shí)驗(yàn)是科學(xué)探究過(guò)程中的一種重要方法。（2）了解化學(xué)實(shí)驗(yàn)室常用儀器的主要用途和使用方法。（3）掌握化學(xué)實(shí)驗(yàn)的基本操作，能識(shí)別化學(xué)品標(biāo)志，了解實(shí)驗(yàn)室一般事故的預(yù)防和處理方法。（4）掌握常見(jiàn)氣體的實(shí)驗(yàn)室制法（包括所用試劑、反應(yīng)原理、儀器和收集方法）。（5）掌握常見(jiàn)物質(zhì)檢驗(yàn)、分離和提純的方法，掌握溶液的配制方法。（6）根據(jù)化學(xué)實(shí)驗(yàn)的目的和要求，能做到：設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案；正確選用實(shí)驗(yàn)裝置；掌握控制實(shí)驗(yàn)條件的方法；預(yù)測(cè)或描述實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象、分析或處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，得出合理結(jié)論；評(píng)價(jià)或改進(jìn)實(shí)驗(yàn)方案；以上各部分知識(shí)與技能的綜合應(yīng)用。

那么，在原理探究型實(shí)驗(yàn)題上，我們要做好哪些攻略呢？

一、重視化學(xué)實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)

（一）常用儀器的使用。包括儀器名稱(chēng)，使用時(shí)規(guī)格的選擇，長(zhǎng)、短管的進(jìn)出，粗口、細(xì)口的連接，所盛放的藥品要求等。

（二）熟練掌握中學(xué)階段要求的15 種氣體的實(shí)驗(yàn)室制法（氯氣、氯化氫、氧氣、二氧化硫、硫化氫、氮?dú)?、氨氣、一氧化氮、二氧化氮、甲烷、乙烯、乙炔、一氧化碳、二氧化碳、氫氣），要將它們與工業(yè)制法區(qū)別開(kāi)，同時(shí)還要引出這些氣體的凈化、干燥、收集、檢驗(yàn)、驗(yàn)滿(mǎn)及尾氣處理等相關(guān)知識(shí)點(diǎn)。

（三）熟練掌握10種分離提純的方法（洗氣、過(guò)濾、萃取分液、蒸溜分餾、滲析、鹽析、重結(jié)晶、升華、加熱、電解精煉）。

（四）重點(diǎn)掌握常見(jiàn)的離子（NH+4、Na+、K+、Al3+、Fe3+、Fe2+、SO2-4、Cl-、CO2-3、SO2-3、NO-3）檢驗(yàn)、官能團(tuán)（—CHO、—COOH、檢驗(yàn)。

二、做原理探究型實(shí)驗(yàn)題策略

（一）抓住實(shí)驗(yàn)?zāi)康?。?shí)驗(yàn)?zāi)康臎Q定實(shí)驗(yàn)原理，據(jù)此選擇試劑和儀器，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案。然后仔細(xì)閱讀物質(zhì)性質(zhì)，物質(zhì)性質(zhì)決定實(shí)驗(yàn)細(xì)節(jié)。

（二）原理探究實(shí)驗(yàn)過(guò)程中不要忽視反應(yīng)條件。認(rèn)真審題很重要，需要考生靜下心來(lái)讀懂題目，明確條件的不同會(huì)隱藏著的副反應(yīng)?；卮饐?wèn)題時(shí)如果遺漏某一限制條件，容易造成思維的無(wú)邊無(wú)際，無(wú)法聚焦。

（三）原理探究中不要將待探究的原理當(dāng)成已知內(nèi)容進(jìn)行方案設(shè)計(jì)，否則造成明確的探究指向性。

（四）原理探究過(guò)程中提出的探究點(diǎn)不要太片面，遺漏某種情況，使探究過(guò)程思維不完整。有時(shí)也會(huì)在方案設(shè)計(jì)中遺漏某一種可能，造成答案不完整或非此即彼的情況。

（五）原理探究實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)思路中要從已有知識(shí)與信息中找到合理的方法，這就需要我們?cè)谄綍r(shí)訓(xùn)練中多整理，多總結(jié)，多提煉，將知識(shí)進(jìn)行遷移，將方法進(jìn)行對(duì)比，努力將原理探究型實(shí)驗(yàn)題解答完整。

（六）借鑒其他學(xué)科的思維方法，比如生物學(xué)科中常用的“控制變量法”，設(shè)計(jì)“對(duì)照實(shí)驗(yàn)”探究指定條件下的反應(yīng)原理。

例題實(shí)驗(yàn)小組制備高鐵酸鉀（K2FeO4）并探究其性質(zhì)。

資料：K2FeO4為紫色固體，微溶于KOH 溶液，具有強(qiáng)氧化性，在酸性或中性溶液中快速產(chǎn)生O2，在堿性溶液中較穩(wěn)定。

（1）制備K2FeO4（如圖1，夾持裝置略）。

圖1

①A 為氯氣發(fā)生裝置。A 中反應(yīng)方程式是____（錳被還原為Mn2+）。

②將除雜裝置B 補(bǔ)充完整，并標(biāo)明所用試劑。

③C中得到紫色固體和溶液，C中Cl2發(fā)生的反應(yīng)有3Cl2+2Fe（OH）3+10KOH══2K2FeO4+6KCl+8H2O，另外還有____。

（2）探究K2FeO4的性質(zhì)。

①取C中紫色溶液，加入稀硫酸，產(chǎn)生黃綠色氣體，得溶液a，經(jīng)檢驗(yàn)氣體中含有Cl2。為證明是否K2FeO4氧化了Cl-而產(chǎn)生Cl2，設(shè)計(jì)如表1所示方案。

表1

ⅰ.由方案Ⅰ中溶液變紅可知a中含有____離子，但該離子的產(chǎn)生不能判斷一定是K2FeO4將Cl-氧化，還可能由____產(chǎn)生（用方程式表示）。

ⅱ.方案Ⅱ可證明K2FeO4氧化了Cl-。用KOH 溶液洗滌的目的是____。

②根據(jù)K2FeO4的制備實(shí)驗(yàn)得出：氧化性Cl2_________FeO24-（填“＞”或“＜”），而方案Ⅱ?qū)嶒?yàn)表明，Cl2和FeO24-的氧化性強(qiáng)弱關(guān)系相反，原因是_____。

③資料表明，酸性溶液中的氧化性FeO24-＞MnO4-，驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)如下：將溶液b滴入MnSO4和足量H2SO4的混合溶液中，振蕩后溶液呈淺紫色。該現(xiàn)象能否證明 氧 化 性FeO24-＞MnO4-。若能，請(qǐng)說(shuō)明理由；若不能，進(jìn)一步設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案。理由或方案：____。

解析：（1）①由題圖知A 中反應(yīng)物為濃鹽酸和KMnO4，生成物有Cl2，且錳被還原為Mn2+，根據(jù)得失電子守恒及元素守恒即可完成反應(yīng)的化學(xué)方程式。②由于裝置C中高鐵酸鉀的制備環(huán)境呈堿性，而制得的氯氣中混有的氯化氫氣體為酸性，可用飽和食鹽水除去氯化氫，注意“長(zhǎng)導(dǎo)管進(jìn)，短導(dǎo)管出”。③氯氣能與過(guò)量的KOH 溶液反應(yīng)。

（2）①ⅰ.Fe3+遇KSCN 溶液變紅色。由已知高鐵酸鉀在酸性溶液中快速產(chǎn)生氧氣，反應(yīng)過(guò)程中氧元素的化合價(jià)升高，根據(jù)氧化還原反應(yīng)的規(guī)律，高鐵酸鉀中+6 價(jià)的鐵元素化合價(jià)必然降低，其還原產(chǎn)物可能是Fe3+。也就是說(shuō)，F(xiàn)e3+可能來(lái)自于高鐵酸鉀自身的氧化還原反應(yīng)。書(shū)寫(xiě)離子方程式時(shí)，可以先寫(xiě)出明確的或已知的反應(yīng)物（即FeO2-4）和生成物（即Fe3+和O2），根據(jù)得失電子守恒確定Fe3+和O2的化學(xué)計(jì)量數(shù)之比為4∶3，再根據(jù)電荷守恒和元素守恒確定反應(yīng)物中還應(yīng)有H+，最后用觀(guān)察法配平即可。ⅱ.C中Cl2與KOH 反應(yīng)生成的ClO-具有氧化性，也能氧化Cl-，故需排除ClO-的干擾。②K2FeO4的制備實(shí)驗(yàn)中Cl2化合價(jià)降低作氧化劑，故氧化性Cl2＞FeO2-4，該反應(yīng)是在堿性條件下進(jìn)行的，方案Ⅱ是在酸性條件下進(jìn)行的，溶液的酸堿性對(duì)物質(zhì)的氧化性或還原性會(huì)產(chǎn)生影響。

答案：（1）①2MnO4+16HCl══2MnCl2+2KCl+5Cl2↑+8H2O

②如圖2。

圖2

③Cl2+2OH-══Cl-+ClO-+H2O

（2）①ⅰ.Fe3+4FeO24-+20H+══4Fe3++3O2↑+10H2O ⅱ.排除ClO-的干擾

②＞ 溶液酸堿性不同

③理由：FeO2-4在過(guò)量酸的作用下完全轉(zhuǎn)化為Fe3+和O2，溶液淺紫色一定是MnO-4的顏色（或方案：向紫色溶液b中滴加過(guò)量稀硫酸，觀(guān)察溶液紫色快速褪去還是顯淺紫色）

【跟蹤練習(xí)】

1.某小組同學(xué)利用圖3所示裝置進(jìn)行鐵的電化學(xué)腐蝕原理的探究實(shí)驗(yàn)（如表2）。

表2

（1）小組同學(xué)認(rèn)為以上兩種檢驗(yàn)方法，均能證明鐵發(fā)生了吸氧腐蝕。

①實(shí)驗(yàn)ⅰ中的現(xiàn)象是____。

②用電極反應(yīng)式解釋實(shí)驗(yàn)ⅰ中的現(xiàn)象：____。

（2）查閱資料：K3[Fe（CN）6]具有氧化性。

①據(jù)此有同學(xué)認(rèn)為僅通過(guò)ⅱ中現(xiàn)象不能證明鐵發(fā)生了電化學(xué)腐蝕，理由是____。

②進(jìn)行圖4所示實(shí)驗(yàn)，在實(shí)驗(yàn)幾分鐘后的記錄如表3。

表3

a.以上實(shí)驗(yàn)表明：在有____存在條件下，K3[Fe（CN）6]溶液可以與鐵片發(fā)生反應(yīng)。

b.為探究Cl-的存在對(duì)反應(yīng)的影響，小組同學(xué)將鐵片酸洗（用稀硫酸浸泡后洗凈）后再進(jìn)行實(shí)驗(yàn)ⅲ，發(fā)現(xiàn)鐵片表面產(chǎn)生藍(lán)色沉淀。此補(bǔ)充實(shí)驗(yàn)表明Cl-的作用是____。

（3）有同學(xué)認(rèn)為上述實(shí)驗(yàn)仍不夠嚴(yán)謹(jǐn)，為進(jìn)一步探究K3[Fe（CN）6]的氧化性對(duì)實(shí)驗(yàn)ⅱ結(jié)果的影響，又利用（2）中裝置繼續(xù)實(shí)驗(yàn)。其中能證實(shí)以上影響確實(shí)存在的是____（填表4中字母序號(hào)）。

表4

（4）綜合以上實(shí)驗(yàn)分析，利用實(shí)驗(yàn)ⅱ中試劑能證實(shí)鐵發(fā)生了電化學(xué)腐蝕的實(shí)驗(yàn)方案是：連好裝置一段時(shí)間后，取鐵片（負(fù)極）附近溶液于試管中，_____（回答相關(guān)操作、現(xiàn)象），則說(shuō)明負(fù)極附近溶液中產(chǎn)生了Fe2+，即發(fā)生了電化學(xué)腐蝕。

2.已 知：Cr2O27-（橙紅色）+H2O2CrO24-（黃色）+2H+。為探究Na2SO3溶液和鉻（Ⅵ）鹽溶液的反應(yīng)規(guī)律，某同學(xué)進(jìn)行如下實(shí)驗(yàn)：

（1）進(jìn)行實(shí)驗(yàn)ⅰ和ⅱ（如表5）。

現(xiàn)在進(jìn)入細(xì)節(jié)。II.-6:104將代理制度建立在授權(quán)行為(authority)上，后者為其基礎(chǔ)與內(nèi)容，這是因?yàn)樗砻髁吮淮砣耸谟枇硪幻黧w(代理人)以權(quán)力在第三人面前代理自己，并且確立了此等權(quán)力的界限。授權(quán)行為既可明示也可默示(II.-6:103[2])，所有為了代理目的的實(shí)現(xiàn)而為的配套行為亦包含在內(nèi)(II.-6:104[2])，從而避免對(duì)代理人的權(quán)力作過(guò)于繁瑣與細(xì)致的規(guī)定。這個(gè)條文沿襲的是《日內(nèi)瓦公約》第9條第1款和第2款，以及《國(guó)際商事合同通則》第2.2.2條。

表5

①用離子方程式表示飽和Na2SO3溶液pH 約為9的原因：___。

②用離子方程式解釋實(shí)驗(yàn)ⅰ中的現(xiàn)象：___。

（2）繼續(xù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)ⅲ（如表6）。

表6

為了說(shuō)明產(chǎn)生上述現(xiàn)象的原因，補(bǔ)充實(shí)驗(yàn)：

向2 mL 蒸餾水中滴加pH =2 的0.05mol·L-1K2Cr2O7橙紅色溶液3滴，溶液變成淺橙色。

①補(bǔ)充實(shí)驗(yàn)的目的是____。

②用化學(xué)平衡移動(dòng)原理解釋實(shí)驗(yàn)ⅲ中的現(xiàn)象：___。

③根據(jù)實(shí)驗(yàn)ⅰ～ⅲ，可推測(cè)：Na2SO3溶液和鉻（Ⅵ）鹽溶液的反應(yīng)與溶液酸堿性有關(guān)。

a.堿性條件下，Na2SO3溶液和鉻（Ⅵ）鹽溶液不發(fā)生氧化還原反應(yīng)。

b.____。

圖5

④向?qū)嶒?yàn)ⅲ所得黃色溶液中繼續(xù)滴加硫酸，產(chǎn)生的現(xiàn)象證實(shí)了上述推測(cè)。該現(xiàn)象是____。

（3）為探究增強(qiáng)溶液酸性對(duì)Na2SO3溶液的還原性或鉻（Ⅵ）鹽溶液的氧化性的影響，該同學(xué)利用如圖5所示裝置繼續(xù)實(shí)驗(yàn)（已知電壓大小反映了物質(zhì)氧化性或還原性強(qiáng)弱的差異；物質(zhì)氧化性或還原性強(qiáng)弱差異越大，電壓越大）。

a.K 閉合時(shí)，電壓為x。

b.向U 形管左側(cè)溶液中滴加硫酸至pH=2后，電壓增大了y。

c.繼續(xù)向U 形管右側(cè)溶液中滴加硫酸后，無(wú)氣體逸出，電壓幾乎不變。

①上述實(shí)驗(yàn)說(shuō)明：___。

②有同學(xué)認(rèn)為，隨著溶液酸性增強(qiáng)，溶液中O2的氧化性增強(qiáng)也會(huì)使電壓增大，利用如圖5所示裝置選擇合適試劑進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明O2的存在不影響上述結(jié)論。該實(shí)驗(yàn)方案是_____，測(cè)得電壓增大了z（z＜y）。

答案：1.（1）①碳棒附近溶液變紅

②O2+4e-+2H2══O 4OH-

（2）①K3[Fe（CN）6]可能氧化Fe生成Fe2+，會(huì)干擾由于電化學(xué)腐蝕負(fù)極生成Fe2+的檢驗(yàn) ②a.Cl-b.Cl-破壞了鐵片表面的氧化膜

（3）AC （4）滴加K3[Fe（CN）6]]溶液，若出現(xiàn)藍(lán)色沉淀

2.（1）①SO23-+H2OHSO3-+OH-

②Cr2O27-+3SO23-+8H+══2Cr3++3SO24-+4H2O

（2）①排除水的稀釋對(duì)溶液顏色變化造成的影響

②Cr2O2-7（橙紅色）+H2O 2CrO2-4（黃色）+2H+，溶液中SO2-3（或OH-）與H+結(jié)合導(dǎo)致溶液中c（H+）減小，平衡正向移動(dòng)，溶液顏色變?yōu)辄S色

③酸性條件下，Na2SO3溶液和鉻（Ⅵ）鹽溶液發(fā)生氧化還原反應(yīng)，生成Cr3+

④溶液變?yōu)樗{(lán)紫色

（3）①溶液酸性增強(qiáng)，鉻（Ⅵ）鹽溶液的氧化性增強(qiáng)，Na2SO3溶液的還原性幾乎沒(méi)有變化

②U形管左側(cè)盛放pH=8 的0.1mol·L-1K2SO4溶液，右側(cè)盛放飽和Na2SO3溶液，閉合K，記錄電壓；向左側(cè)溶液中滴加硫酸至pH=2 后，記錄電壓（其他合理答案也可）