2019年全國I卷理綜化學實驗綜合題特點分析及教學啟示

福建省廈門市翔安第一中學(361101) 洪茲田 羅德炳 陳女婷

分析近3年的全國I卷理綜化學實驗題,不難發(fā)現(xiàn)這3年的實驗綜合題的考查不盡相同。從考查類型看,2017年考查以凱氏定氮法為背景的定量測定實驗,2018 年考查以醋酸亞鉻制備為背景的物質(zhì)制備類實驗題,2019年則考查硫酸鐵銨制備為背景的物質(zhì)制備類實驗題。從呈現(xiàn)形式看,2017年、2018 年以實驗裝置圖形式呈現(xiàn),而2019年則以工藝流程的形式呈現(xiàn)。分析2019年流程式的物質(zhì)制備實驗題的命題特點,提出對今后此類實驗復習教學的若干啟示：整體規(guī)劃設計實驗教學,促進“物質(zhì)制備實驗”的學習進階;掌握一般范式和建構思維模型,實現(xiàn)分析問題模型化;掌握審題四部曲和答題五關鍵,實現(xiàn)解決問題方法化的目的。

1 試題分析

1.1 原題呈現(xiàn)

硫酸鐵銨[NH4Fe(SO4)2·xH2O]是一種重要鐵鹽。為充分利用資源,變廢為寶,在實驗室中探究采用廢鐵屑來制備硫酸鐵銨,具體流程如圖1所示。

圖1 制備流程圖

回答下列問題：

(1)步驟①的目的是去除廢鐵屑表面的油污,方法是______。

(2)步驟②需要加熱的目的是______,溫度保持80～95 ℃,采用的合適加熱方式是______。鐵屑中含有少量硫化物,反應產(chǎn)生的氣體需要凈化處理,合適的裝置為____(填標號)。

(3)步驟③中選用足量的 H2O2,理由是______。分批加入H2O2,同時為了______,溶液要保持pH 值小于0.5。

(4)步驟⑤的具體實驗操作有______,經(jīng)干燥得到硫酸鐵銨晶體樣品。

(5)采用熱重分析法測定硫酸鐵銨晶體樣品所含結晶水數(shù),將樣品加熱到150 ℃時,失掉1.5個結晶水,失重5.6%。硫酸鐵銨晶體的化學式為_____________。

1.2 分析與解答

流程型實驗題包括3種類型：操作流程型、物質(zhì)轉化流程型、綜合流程型。本題屬于物質(zhì)轉化流程型實驗題。

(1)熱的純堿溶液有利于促進CO2－3的水解,導致溶液堿性增強,油脂在堿性條件下會發(fā)生水解(稱為“皂化反應”)。工業(yè)上常用熱的純堿溶液清洗去除廢鐵屑表面的油污。因此,答案為：堿煮水洗。

(2)溫度升高,反應速率加快,故加熱的目的是為了加快反應速率。為保持溫度恒定為80～95 ℃且低于水的沸點(100 ℃),可采用水浴加熱方式。鐵屑中含少量硫化物,硫化物與硫酸反應生成少量有劇毒的H2S 氣體。H2S 在水中的溶解度不大(常溫下1∶2.6),但易與NaOH 溶液反應。因此,選用NaOH 溶液作為吸收劑,同時選用倒扣漏斗作為防倒吸裝置,故合適裝置為C。因此,答案為：加快反應速率;熱水浴;C。

(3)濾液成分中有FeSO4,加入H2O2可將Fe2＋氧化為Fe3＋,且H2O2的還原產(chǎn)物為H2O(2Fe2＋＋H2O2＋2H＋＝2Fe3＋＋2H2O),不引入新雜質(zhì)。因為H2O2本身易分解,故在加入時需分批加入。使Fe3＋產(chǎn)生沉淀的溶液pH 值為1.5～3.7,pH 值越大Fe3＋越易水解生成Fe(OH)3沉淀,溶液保持pH＜0.5 的目的是防止Fe3＋水解。因此,答案為：將Fe2＋全部氧化為Fe3＋,不引入新雜質(zhì);防止Fe3＋水解。

(4)為了除去可溶性的硫酸銨等,需要經(jīng)過的步驟為：加熱濃縮、冷卻結晶、過濾(洗滌)。因此,答案為：加熱濃縮、冷卻結晶、過濾(洗滌)。

2 命題特點

2.1 重視基礎性,考查必備知識和關鍵能力

試題考查難度適中,多數(shù)設問為實驗必備知識和關鍵能力在具體實驗情境中的應用。例如,本題的設問落腳點主要集中在以下幾點。

(1)反應條件的控制。例如,試題第(2)問中考查保持溫度為80～95 ℃采用的加熱方式。

(2)元素化合物知識的應用。例如,試題第(2)問中考查H2S 氣體的尾氣凈化處理的裝置選擇(涉及H2S與NaOH 溶液反應);試題第(3)問中考查Fe2＋轉化為Fe3＋的過程中,選用足量的H2O2的理由(涉及陌生氧化還原反應的產(chǎn)物分析)。

(3)實驗裝置的選擇。例如,試題第(2)問中考查H2S氣體的尾氣吸收和防倒吸裝置。

(4)化學反應原理的應用。例如,試題第(1)問中考查去除廢鐵屑表面油污的方法;試題第(2)問中考查步驟②加熱的目的;試題第(3)問中考查控制溶液pH＜0.5的目的。

(5)物質(zhì)分離提純的方法與操作。例如,試題第(4)問中考查分離提純硫酸鐵銨晶體的方法。

(6)目標產(chǎn)物的分析與研究。例如,試題第(5)問中考查利用熱重法計算確定物質(zhì)組成。

2.2 提供流程信息,考查信息獲取和加工能力

采用流程圖形式簡約明了地介紹制備實驗的完整過程,實現(xiàn)對學生獲取信息、吸收和整合信息能力的考查。例如,學生通過對“廢鐵屑制備硫酸鐵銨”流程圖信息的獲取和加工,獲得如下主要信息。

(1)實驗步驟：鐵屑預處理→硫酸亞鐵制備→硫酸鐵制備→硫酸鐵銨制備→濃縮結晶。

(2)主要發(fā)生的反應如下。步驟①：油脂在堿性條件下的水解反應;步驟②：Fe＋H2SO4＝FeSO4＋H2↑,FeS＋H2SO4＝FeSO4＋H2S↑,Fe2O3＋H2SO4＝Fe2(SO4)3＋H2O,Fe2(SO4)3＋Fe＝3FeSO4;步驟③：2Fe2＋＋2H＋＋H2O2＝2Fe3＋＋H2O;步 驟④⑤：Fe2(SO4)3＋(NH4)2SO4＋2xH2O＝2[NH4Fe(SO4)2·xH2O]。

2.3 注意原型啟發(fā),考查類比遷移能力

高考考查的實驗多數(shù)是課本實驗或所學知識的改造和升級。遇到陌生實驗儀器、原理、方法、操作等問題,應盡可能與所掌握的實驗必備知識與關鍵能力進行類比遷移。例如,步驟②中產(chǎn)生的H2中混有H2S氣體,考慮安全必須對H2S氣體進行凈化處理。H2S氣體的處理可類比氨氣的尾氣處理方式。氨氣用水(或稀硫酸)吸收,同時要注意防止倒吸。但考慮到H2S 氣體在水中的溶解度不大,不能用水吸收,而應用堿液(如NaOH 溶液)吸收。又如,溫度保持80～95 ℃采用的加熱方式,可類比乙酸乙酯的水解實驗中采用水浴加熱控溫在70～80 ℃等操作。

2.4 融入新技術手段,考查定量分析方法和定量思維

考查制備原理、實驗過程和突出新技術手段應用的同時,也涉及測定物質(zhì)組成的定量分析方法和定量思維的考查。例如,本題在考查利用廢鐵屑來制備硫酸鐵銨的過程中,也涉及了利用熱重分析法測定物質(zhì)分子式的方法的考查。測定物質(zhì)組成的方法有：測量氣體體積法、沉淀法、滴定法、熱重分析法等。前3種定量測定方法在中學教材中涉及較多,而“熱重分析”這一方法雖然在往年的全國卷中也曾涉及,但在中學階段學生必修和選修教材卻較少涉及。因此,本題的考查有利于引導中學教師關注和適度拓展大學教材中涉及并且基礎教育階段學生可理解的定量分析方法。

3 教學啟示

3.1 整體規(guī)劃設計實驗教學,促進“物質(zhì)制備實驗”的學習進階

嚴格貫徹落實普通高中化學課程標準 (2017版)規(guī)定的學生必做實驗。學生能做的實驗教師不代替,教師演示能做的實驗視頻不代替。有條件的學?？砷_展開放實驗室活動。

高一、高二階段圍繞物質(zhì)的制備、物質(zhì)的分離與提純等方面選擇真實的、有意義、引發(fā)學生興趣的基礎實驗活動,引導學生認識解決此類實驗任務的一般思路和常用方法。對于 “物質(zhì)的制備”可選擇硫酸亞鐵銨的制備、侯氏制堿法制備碳酸鈉等典型實驗,幫助學生掌握物質(zhì)制備實驗的一般流程：根據(jù)目標產(chǎn)品→確定反應原理及選擇原料→設計反應途徑→設計反應→控制反應條件→分離提純產(chǎn)品。對于 “物質(zhì)的分離與提純”,可選擇海帶中碘元素的分離和檢驗、粗鹽的提純等典型實驗,幫助學生建立分離與提純的原則、物理方法和化學方法的思維模型。通過基礎實驗探究,引導學生掌握必要的實驗操作技能,改變在實驗中注重動手但缺少思考的現(xiàn)狀。高三復習階段可以選擇高考考題中經(jīng)典的物質(zhì)制備類 (特別是流程式)的探究題作為學生分組實驗素材,促進學生動手能力和高階思維能力的提升,同時進一步發(fā)展學生解決綜合實驗問題的能力。

3.2 掌握一般范式和建構思維模型,實現(xiàn)分析問題模型化

(1)物質(zhì)制備實驗和工藝流程題的一般范式見圖2。

圖2 物質(zhì)制備實驗的一般范式

(2)物質(zhì)制備實驗的思維模型見圖3。

3.3 指導審題四部曲和答題五關鍵,實現(xiàn)解決問題方法化

3.3.1 審題四部曲

化工流程式實驗題,應將流程路線、理論知識和試題設問有機結合。審題四部曲如下：

(1)明確原料和產(chǎn)品(包括副產(chǎn)物),即箭頭進出方向。

(2)依據(jù)流程圖分析反應原理,分析原料轉化為產(chǎn)品的流程中每一步操作進行的反應和加入的輔助試劑的作用。

圖3 工藝流程一般范式

(3)分析除目標物質(zhì)外產(chǎn)生的副產(chǎn)物 (或雜質(zhì)),該副產(chǎn)物是否要除去及如何除去。

(4)分析為了確保目標產(chǎn)物的純度和產(chǎn)率應采取的措施。

3.3.2 答題五關鍵

(1)原料預處理的考查關鍵。?？疾椋貉心サ哪康摹⒆茻?(煅燒)的目的、攪拌的目的、酸(堿、水)浸的目的、提高浸出率的措施等。

(2)反應條件控制的考查關鍵。反應流程中選擇的試劑、溫度控制、pH 控制、反應體系壓強控制、分離提純手段可從熱力學、動力學、物質(zhì)特性、綠色化學思想 (廢物處理、物料循環(huán)利用與環(huán)境保護)、工程思維等多維視角進行綜合分析。

(3)產(chǎn)品分離提純的考查關鍵。分離提純方法的表達應準確,以下分離提純方法容易混淆,應準確區(qū)分。例如,蒸發(fā)與蒸餾、分餾;蒸發(fā)結晶與冷卻結晶、重結晶;趁熱過濾與普通過濾、抽濾;萃取與分液等。另外,判斷沉淀劑過量、洗滌沉淀、檢驗沉淀、洗滌干凈、溶液結晶的方法表達也應規(guī)范。

(4)工程思維的考查關鍵。關注?？蓟ばg語(如煅燒、研磨、浸泡、霧化)的含義,理解經(jīng)濟因素 (如物料價格、能耗)在實際生產(chǎn)中的重要意義,考慮苛刻條件 (如高溫高壓)帶來的設備復雜性。

(5)定量計算的考查關鍵。物質(zhì)制備類實驗常穿插定量計算。例如,考查利用測量氣體體積法、沉淀法、滴定法、熱重分析法等測定物質(zhì)組成或純度計算。也常涉及多步反應一步計算。元素守恒與電子轉移守恒是流程圖中定量計算的核心。應加強針對性專題訓練和策略指導,克服學生的畏難情緒。