“素養(yǎng)”維度下例析化學(xué)實驗題創(chuàng)新

■湖北省武漢市洪山高級中學(xué) 張 杰

在近年高考化學(xué)試題中，都無一例外地設(shè)置了化學(xué)實驗主觀題。無論其命題素材如何改變，實驗裝置如何轉(zhuǎn)換，考查的重心始終沒有出離“物質(zhì)制備與純化”“物質(zhì)組成與性質(zhì)探究”“定量測定”“實驗方案設(shè)計、評價”四大熱門主題。但若從化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)維度出發(fā)，仔細分析比對，就不難發(fā)現(xiàn)其中的新意：強調(diào)化學(xué)思想觀念的建構(gòu)，強調(diào)無機、有機知識的適當融合；要求考生能發(fā)現(xiàn)和提出有探究價值的問題，能從問題的假設(shè)出發(fā)，確定探究目的，設(shè)計探究方案，富有科學(xué)探究精神和探究能力。

例1“銀-菲洛嗪法”是檢測居室內(nèi)甲醛（化學(xué)式CH2O）含量的常用方法之一?；瘜W(xué)學(xué)習小組利用其原理設(shè)計如圖1所示裝置測定新裝修居室內(nèi)空氣中甲醛的含量。（夾持裝置略去）

圖1

已知：甲醛能被銀氨溶液、酸性KMnO4溶液氧化生成CO2；10-5mol·L-1的紫色KMnO4溶液遇甲醛氣體即褪色；毛細管內(nèi)徑不超過1mm。

請回答下列問題：

（1）銀氨溶液的制備。打開K3，打開分液漏斗活塞，將飽和食鹽水慢慢滴入圓底燒瓶中。飽和食鹽水的作用是____，當觀察到三頸燒瓶中____時，關(guān)閉K3和分液漏斗活塞。

（2）室內(nèi)空氣中甲醛含量的測定。

①用熱水浴加熱三頸燒瓶，打開K1，將滑動隔板慢慢由最右端抽到最左端，吸入1L室內(nèi)空氣，關(guān)閉K1。打開K2，緩慢推動滑動隔板，將氣體全部推出，關(guān)閉K2。裝置中毛細管的作用是____。

再重復(fù)上述操作4次。

②向充分反應(yīng)后的溶液中加入稀硫酸調(diào)節(jié)溶液pH=1，再加入足量Fe2（SO4）3溶液，寫出加入Fe2（SO4）3溶液后發(fā)生反應(yīng)的離子方程式：___。立即加入菲洛嗪，F(xiàn)e2+與菲洛嗪形成有色物質(zhì)，在562nm 處測定吸光度，測得生成Fe2+1.12mg。空氣中甲醛的含量為____mg·L-1。

（3）關(guān)閉K3，將三頸燒瓶中的溶液換為24.00mL10-4mol· L-1的KMnO4溶液，量取KMnO4溶液使用的儀器是____（量筒、酸式滴定管、堿式滴定管）。再加入2 mL 6mol·L-1的硫酸酸化后重新測定空氣中甲醛的含量。當三頸瓶中溶液恰好褪色時，向容器A 中共抽氣_____次。

解析：（1）參考CaC2的水解反應(yīng)，可知氮化鎂和水反應(yīng)的產(chǎn)物中含有氨氣（用于B 中制備銀氨溶液）；用飽和食鹽水代替水，以減緩反應(yīng)速率；氨水溶液和硝酸銀溶液反應(yīng)，先產(chǎn)生白色沉淀AgOH，而后逐漸溶解在氨水中，銀氨溶液的配制過程要求氨水不宜過量，故白色沉淀恰好溶解時，應(yīng)及時關(guān)閉K3和分液漏斗活塞。

（2）①裝置中毛細管的作用是減小氣體通入的速度，使空氣中所含的甲醛氣體被完全吸收，若氣流過快則難以保證；②甲醛被氧化為CO2，銀氨被還原為銀，生成的銀又被加入的Fe2（SO4）3氧化，離子方程式為Ag+Fe3+══Ag++Fe2+；甲 醛與Ag（NH3）2OH反應(yīng)中，碳元素化合價由0價→+4價，銀元素由+1 價→0 價；生成的銀又被鐵離子氧化，鐵離子本身又被還原為亞鐵離子，m（Fe2+）=1.12mg，n（Fe2+）=2×10-5mol，根據(jù)得失電子守恒，若消耗的甲醛為a mol，則4a=2×10-5×1，解得a=5×10-6；由于實驗共進行了5次操作，所以測得1L空氣中甲醛的含量為1×10-6mol，即為1×10-6mol·L-1×30×103mg·mol-1=0.03mg·L-1。

（3）使用量筒無法達到0.01 mL 的精度要求，而高錳酸鉀溶液具有強氧化性，會腐蝕堿式滴定管下端的橡膠管，所以用酸式滴定管（或移液管）量?。桓鶕?jù)（2）中計算結(jié)果：1L空氣中甲醛的含量為1×10-6mol，它被KMnO4溶液氧化為二氧化碳，KMnO4被還原為Mn2+，若向容器A 中共抽氣b 次，根據(jù)得失電子守恒：b×4×1×10-6=24×10-3×10-4×（7-2），b=3。

答案：（1）飽和食鹽水和氮化鎂反應(yīng)制備氨氣，并減緩反應(yīng)速率 白色沉淀恰好溶解

（2）①減小氣體的通入速度，使空氣中甲醛氣體被完全吸收 ②Ag+Fe3+══Ag++Fe2+0.03

（3）酸式滴定管（或移液管） 3

素養(yǎng)視角點評：解答（1）需要由已學(xué)習過的“乙炔的實驗室制法”進行遷移，能識別化學(xué)中常見的物質(zhì)模型和化學(xué)反應(yīng)的理論模型。（2）中書寫的離子方程式雖簡單，但并不是常規(guī)反應(yīng)，若從氧化還原或元素化合物知識角度推演，容易產(chǎn)生糾結(jié)，需緊扣“Fe2+與菲洛嗪形成有色物質(zhì)”這一信息，確定是Fe3+與生成的Ag發(fā)生了氧化還原反應(yīng)從而產(chǎn)生Fe2+。具有證據(jù)意識，建立觀點、結(jié)論和證據(jù)之間的邏輯關(guān)系，能從定性與定量結(jié)合上收集證據(jù)，推出合理的結(jié)論。

改編價值延伸：a.在導(dǎo)管末端放置多孔球泡達到與毛細管相同的作用。b.就三頸燒瓶右側(cè)的導(dǎo)氣管管口所處的位置提問（考查氨氣極易溶于水的特性及防倒吸措施）。c.將“向充分反應(yīng)后的溶液中加入稀硫酸調(diào)節(jié)溶液pH=1”設(shè)置為一個待填的實驗步驟，考查考生對銀氨溶液及銀鏡反應(yīng)認知的完整性及邏輯的嚴密性。

例2硫化鈉又稱硫化堿，為無色、易溶于水和熱乙醇的固體，常用于制造硫代硫酸鈉、多硫化鈉、硫化染料等。實驗室中用工業(yè)硫化鈉（因含重金屬硫化物和煤粉等而呈褐色）、純堿等物質(zhì)制備硫代硫酸鈉晶體（Na2S2O3·5H2O）的原理如下：

回答下列問題：

（1）工業(yè)硫化鈉的純化。

將18g工業(yè)硫化鈉加入燒瓶中，再加入150 mL 95%的乙醇溶液和8 mL水。用如圖2所示裝置進行沸水浴加熱，并回流40min，趁熱過濾，冷卻、攪拌、結(jié)晶、傾析，除去上層母液；最后用95%的乙醇溶液洗滌、烘干，得到Na2S·9H2O 晶體。圖2中儀器a 的名稱是_____，該過程中回流40min的目的是_____。

圖2

（2）硫代硫酸鈉的制備。

稱取純化后的Na2S·9H2O 晶體14.4g和m gNa2CO3，混合后置于錐形瓶中，加入150mL蒸餾水，微熱后按下頁圖3所示組裝儀器；然后，打開分液漏斗的活塞和螺旋夾6，并適當調(diào)節(jié)該螺旋夾，向錐形瓶中通入SO2氣體，當溶液呈中性時，停止通入SO2氣體，對反應(yīng)后溶液進行后續(xù)處理，即可制得硫代硫酸鈉（Na2S2O3·5H2O）。

①適當調(diào)節(jié)螺旋夾6的目的是____。

圖3

②實驗過程中，通入SO2一段時間后，溶液中會生成大量淡黃色沉淀，然后又變澄清。生成淡黃色沉淀的化學(xué)方程式為____。若通入SO2氣體時間過長，會降低硫代硫酸鈉的產(chǎn)率，原因是____。

③為提高產(chǎn)品純度，節(jié)約原料，m=____g。

④反應(yīng)結(jié)束后，需對溶液進行后續(xù)處理，得到硫代硫酸鈉晶體（Na2S2O3·5H2O），其操作是蒸發(fā)濃縮、冷卻結(jié)晶、過濾、____、烘干。稱量所得產(chǎn)品，質(zhì)量為a g，則Na2S2O3·5H2O 的產(chǎn)率為____（用含a 的代數(shù)式表示）。

解析：（1）儀器a為（球形）冷凝管；回流40min的目的是為了保證硫化鈉完全溶解在熱的乙醇中。

（2）①適當調(diào)節(jié)螺旋夾6 可以控制二氧化硫的流速，若流速過快，二氧化硫來不及充分反應(yīng)，同時也可能引起倒吸。

②通入SO2一段時間后，溶液中生成的大量淡黃色沉淀是單質(zhì)S，追溯其反應(yīng)根源，可以分步理解為：酸性較強的亞硫酸（SO2溶于水形成的）與Na2S 反應(yīng)制得 H2S 和Na2SO3；H2S與SO2繼續(xù)反應(yīng)生成單質(zhì)S，故反應(yīng)為2Na2S+3SO2══3S ↓+2Na2SO3。若通入的SO2時間過長，就會使溶液呈現(xiàn)較強的酸性，而硫代硫酸鈉會與酸反應(yīng)H2O），導(dǎo)致產(chǎn)率降低。

③制備Na2S2O3的反應(yīng)為2Na2S+Na2CO3+4SO2══3Na2S2O3+CO2，n（Na2S）∶n（Na2CO3）=2∶1。加 入 了m（Na2S·9H2O）=14.4g，n（Na2S·9H2O）=0.06 mol，所以n（Na2CO3）=0.03 mol，m（Na2CO3）=3.18g。

④從溶液中得到晶體的具體過程為：蒸發(fā)濃縮、冷卻結(jié)晶、過濾、洗滌、烘干。n（Na2S·9H2O）=0.06 mol，所以生成物中n（Na2S2O3）=0.09 mol，m （Na2S2O3）=0.09mol×248g·mol-1=22.32g，實際得到ag，產(chǎn)率為

答案：（1）球形冷凝管 保證硫化鈉充分溶解 （2）①控制氣體流速，保證SO2充分反應(yīng)，防倒吸 ②2Na2S+3SO2══3S↓+2Na2SO3通入SO2時間過長，會使溶液酸性較強，導(dǎo)致Na2S2O3因反應(yīng)而損耗 ③3.18 ④洗滌

素養(yǎng)視角點評：（1）解答本問題需要對化學(xué)常規(guī)儀器有較全面的了解，需要深刻地理解固液萃取的含義，并構(gòu)建熱乙醇溶解硫化鈉固體這一實驗情景。（2）中調(diào)節(jié)螺旋夾6的目的考查，凸顯了培養(yǎng)實驗意識的重要性，關(guān)注反應(yīng)效率、實驗安全，具有理論聯(lián)系實際的觀念；求m 的值并非單純地考查化學(xué)計算，通過研究方程式2Na2S+3SO23S↓+2Na2SO3的兩種產(chǎn)物，發(fā)現(xiàn)若用于下一個反應(yīng)則 會 多 出1 molS；引導(dǎo)考生利用反應(yīng)Na2CO3+SO2══Na2SO3+CO2，再補足1 molNa2SO3，從而確定了三種反應(yīng)物Na2S、Na2CO3、SO2的計量關(guān)系，也從S元素的角度體現(xiàn)了“原子經(jīng)濟性”。這要求考生有將化學(xué)成果應(yīng)用于生產(chǎn)、生活的意識，在實踐中逐步形成節(jié)約成本、循環(huán)利用、保護環(huán)境等觀念。

改編價值延伸：a.考查“趁熱過濾”的目的（濾去重金屬硫化物和煤粉，而硫化鈉不會析出）。b.書寫Na2S、Na2CO3、SO2三者反應(yīng)制備Na2S2O3的方程式。c.設(shè)置產(chǎn)品純度測定的滴定實驗，比如用高錳酸鉀標準液滴定的方法測樣品的純度，考查滴定原理、滴定終點現(xiàn)象、純度計算等。