高考中實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)表述題的考向歸類解析
——以江蘇高考試題為例

李宗來 李小娟

(江蘇省響水中學(xué) 224600)

縱觀近幾年的江蘇高考化學(xué)試題，都出現(xiàn)了用文字正確表述實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的相關(guān)試題，設(shè)問圍繞物質(zhì)的制備、檢驗(yàn)、分離與提純、含量測(cè)定、實(shí)驗(yàn)的評(píng)價(jià)與改進(jìn)等，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)表述題要求高、難度大、對(duì)知識(shí)的運(yùn)用提出了更高的要求，具有很好的區(qū)分度，它主要考查學(xué)生對(duì)所學(xué)知識(shí)理解的準(zhǔn)確性、思維的完整性、推理的嚴(yán)密性和表述的條理性等綜合能力.但由于中學(xué)階段實(shí)驗(yàn)操作、探究能力的缺失，及答題上表述不規(guī)范而丟分，是學(xué)生感覺最為棘手的題型之一，本文例析這類試題的考向和解題要領(lǐng)，以期能拋磚引玉.

一、表述物質(zhì)制備的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.提供補(bǔ)充信息與備選試劑的物質(zhì)制備

例1(2017江蘇卷)某科研小組采用如下方案回收一種光盤金屬層中的少量Ag(金屬層中其他金屬含量過低，對(duì)實(shí)驗(yàn)的影響可忽略).

已知：①NaClO溶液在受熱或酸性條件下易分解，如：

②AgCl可溶于氨水：

請(qǐng)?jiān)O(shè)計(jì)從“過濾Ⅱ”后的濾液中獲取單質(zhì)Ag的實(shí)驗(yàn)方案：____(實(shí)驗(yàn)中需使用的試劑有：2 mol·L-1水合肼溶液，1 mol·L-1H2SO4).

解析根據(jù)題干信息和實(shí)驗(yàn)中需使用的試劑可得獲取Ag的實(shí)驗(yàn)方案為：向?yàn)V液中滴加2mol·L-1水合肼溶液，攪拌使其充分反應(yīng)，同時(shí)用1 mol·L-1H2SO4溶液吸收反應(yīng)中放出的NH3，待溶液中無(wú)氣泡產(chǎn)生，停止滴加，靜置，過濾、洗滌，干燥.

2.信息隱藏于圖像圖表的物質(zhì)制備

圖1 圖2

(1)邊攪拌邊向Na2CO3溶液中通入SO2制備NaHSO3溶液.實(shí)驗(yàn)中確定何時(shí)停止通SO2的實(shí)驗(yàn)操作為____.

(2)請(qǐng)補(bǔ)充完整由NaHSO3溶液制備無(wú)水Na2SO3的實(shí)驗(yàn)方案：____，用少量無(wú)水乙醇洗滌，干燥，密封包裝.

(2)結(jié)合圖1、圖2信息可得：邊攪拌邊向NaHSO3溶液中滴加NaOH溶液，測(cè)量溶液pH，pH約為10時(shí)(NaHSO3完全轉(zhuǎn)化為Na2SO3)，停止滴加NaOH溶液，加熱濃縮溶液至有大量晶體析出，在高于34℃條件下趁熱過濾(防止以Na2SO3·7H2O晶體形式析出).

解題指導(dǎo)側(cè)重于物質(zhì)制備的實(shí)驗(yàn)表述是江蘇卷近三年都考查的知識(shí)點(diǎn)，同時(shí)兼顧雜質(zhì)的分離產(chǎn)物的凈化提純，信息的呈現(xiàn)也在不斷地變化，有補(bǔ)充的提示信息、圖像圖表等，解題時(shí)要分清起點(diǎn)物質(zhì)、目標(biāo)產(chǎn)物是什么，建立起點(diǎn)與目標(biāo)的關(guān)系，充分解讀隱藏于圖像圖表的信息，并加以利用，特別是集溫度、物質(zhì)變化及溶解度的曲線圖，選擇最佳的制備條件，并在表述時(shí)要具體明確的表述出來；對(duì)于實(shí)驗(yàn)中提供的試劑(注意備選與必須使用的區(qū)別)，大膽推測(cè)各自的作用，結(jié)合前后的實(shí)驗(yàn)步驟，運(yùn)用實(shí)驗(yàn)知識(shí)與技能，一般流程是：控制特定的條件下的物質(zhì)制備、除雜凈化、過濾、洗滌、干燥等，將提供的試劑穿插到需要補(bǔ)充表述的制備步驟中去，平時(shí)要總結(jié)趁熱過濾的幾種情況如：防止低溫時(shí)會(huì)生成結(jié)晶水合物或者低溫時(shí)雜質(zhì)會(huì)析出等.

二、表述指定物質(zhì)檢驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

例3 (2014江蘇卷)已知：

某含碘廢水(pH約為8)中一定存在I2，可能存在I-、IO3-中的一種或兩種.請(qǐng)補(bǔ)充完整檢驗(yàn)含碘廢水中是否含有I-、IO3-的實(shí)驗(yàn)方案：取適量含碘廢水用CCl4多次萃取、分液，直到水層用淀粉溶液檢驗(yàn)不出有碘單質(zhì)存在；____.實(shí)驗(yàn)中可供選擇的試劑：稀鹽酸、淀粉溶液、FeCl3溶液、Na2SO3溶液.

解題指導(dǎo)提供備選試劑的物質(zhì)檢驗(yàn)，首先結(jié)合物質(zhì)的性質(zhì)特點(diǎn)、根據(jù)可供選擇的試劑設(shè)計(jì)特征現(xiàn)象明顯的實(shí)驗(yàn)，特別要研讀并運(yùn)用題干中提供的信息結(jié)合已有的知識(shí)和實(shí)驗(yàn)技能，在頭腦中構(gòu)建一個(gè)大致的框架，大膽推測(cè)，如上題中供選的淀粉溶液可推測(cè)是用來檢驗(yàn)I2的，F(xiàn)eCl3可推測(cè)是用來氧化I-使之變?yōu)镮2的，這樣I-檢驗(yàn)的大致思路就呈現(xiàn)出來了.另外實(shí)驗(yàn)操作過程要“精雕細(xì)琢”，完善實(shí)驗(yàn)的細(xì)節(jié)，本著節(jié)約、簡(jiǎn)潔原則，試劑的用量盡量少，一般為1～2 mL；如果做一組實(shí)驗(yàn)時(shí)可以一次取液分成若干等份，對(duì)比實(shí)驗(yàn)要注意控制條件變量，分別進(jìn)行判斷.

三、表述物質(zhì)凈化除雜的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.利用溶解性差異凈化除雜

例4(2015江蘇卷)已知K2FeO4具有下列性質(zhì)：①可溶于水、微溶于濃KOH溶液，②在0～5℃、強(qiáng)堿性溶液中比較穩(wěn)定，提純K2FeO4粗產(chǎn)品[含有Fe(OH)3、KCl等雜質(zhì)]的實(shí)驗(yàn)方案為：將一定量的K2FeO4粗產(chǎn)品溶于冷的3 mol·L-1KOH溶液中，____(實(shí)驗(yàn)中須使用的試劑有：飽和KOH溶液，乙醇；除常用儀器外須使用的儀器有：砂芯漏斗，真空干燥箱).

解析準(zhǔn)確解讀題干中K2FeO4性質(zhì)，推測(cè)實(shí)驗(yàn)中需用的試劑、儀器目的,如飽和KOH溶液：降低K2FeO4溶解，便于析出晶體；乙醇：洗滌晶體，因K2FeO4可溶于水；砂芯漏斗過濾難溶雜質(zhì)Fe(OH)3及K2FeO4晶體的.因此實(shí)驗(yàn)方案為：用砂芯漏斗過濾，將濾液置于冰水浴中，向?yàn)V液中加入飽和KOH溶液，攪拌、靜置，再用砂芯漏斗過濾，晶體用適量乙醇洗滌2～3次后，在真空干燥箱中干燥.

解題指導(dǎo)提供試劑、儀器，物質(zhì)凈化除雜的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，首先要解讀題干信息，把握產(chǎn)品及雜質(zhì)的性質(zhì)差異，特別要關(guān)注其溶解性在不同物質(zhì)中的變化以及隨溫度的變化曲線，原則是最大限度除去雜質(zhì)和制得需要的目標(biāo)物質(zhì)，制得晶體的途徑一般有兩種：蒸發(fā)結(jié)晶，當(dāng)有大量晶體析出時(shí)，并停止加熱，讓余熱將剩下的溶液蒸干，冷卻(降溫)結(jié)晶、或者在特定溶液中溶解度小而結(jié)晶析出，產(chǎn)生晶種和晶膜利于晶體的析出，溶液中晶體的提取，要過濾、洗滌、干燥才能得到純潔的晶體，同時(shí)要注意影響穩(wěn)定性的外界條件，用乙醇等有機(jī)溶劑來洗滌晶體一般出于降低晶體溶解度，防止溶解消耗或有機(jī)溶劑易揮發(fā)，容易低溫干燥，防止產(chǎn)品高溫分解.真空干燥箱是為干燥遇熱不穩(wěn)定熱敏性物質(zhì)、易分解和易氧化物質(zhì)及較復(fù)雜成分物品而設(shè)計(jì)的.

2.利用調(diào)節(jié)pH凈化除雜

例5 (2012江蘇卷)已知pH>11時(shí),Zn(OH)2能溶于NaOH溶液生成[Zn(OH)4]2-.下表列出了幾種離子生成氫氧化物沉淀的pH(開始沉淀的pH 按金屬離子濃度為1. 0 mol·L-1計(jì)算).

開始沉淀的pH沉淀完全的pHFe3+1. 13. 2Fe2+5. 88. 8Zn2+5. 98. 9

實(shí)驗(yàn)中可選用的試劑：30% H2O2、1. 0 mol·L-1HNO3、1. 0 mol·L-1NaOH.由除去銅的濾液(含F(xiàn)e2+、Fe3+、Zn2+)制備ZnO 的實(shí)驗(yàn)步驟依次為：①____；②____；③過濾；④____；⑤過濾、洗滌、干燥；⑥900℃煅燒.

解析實(shí)驗(yàn)的目的是從含F(xiàn)e2+、Fe3+、Zn2+的濾液中制備ZnO，通過表格可得Fe2+、Zn2+開始沉淀和沉淀完全的pH很相近，因此首先將Fe2+氧化成Fe3+再調(diào)節(jié)pH，除去Fe3+，但不能將Zn2+去除，根據(jù)已知信息pH>11時(shí)Zn(OH)2能溶于NaOH溶液生成[Zn(OH)4]2-，調(diào)節(jié)pH時(shí)要注意數(shù)值的范圍，因此①向?yàn)V液中加入適量30% H2O2，將Fe2+氧化成Fe3+；②滴加1.0 mol·L-1NaOH，調(diào)節(jié)溶液pH 約為5(或3.2≤pH<5.9)，使Fe3+沉淀完全；④向?yàn)V液中滴加1. 0 mol·L-1NaOH，調(diào)節(jié)溶液pH 約為10(或8. 9≤pH≤11)，使Zn2+沉淀完全.

變式練習(xí)(2016江蘇卷)實(shí)驗(yàn)室以一種工業(yè)廢渣(主要成分為MgCO3、Mg2SiO4和少量Fe、Al的氧化物)為原料制備MgCO3·3H2O.實(shí)驗(yàn)過程如下：

(4)請(qǐng)補(bǔ)充完整由萃取后得到的水溶液制備MgCO3·3H2O的實(shí)驗(yàn)方案：邊攪拌邊向溶液中滴加氨水，____，過濾、用水洗滌固體2～3次，在50℃下干燥，得到MgCO3·3H2O.[已知該溶液中pH=8.5時(shí)Mg(OH)2開始沉淀；pH=5.0時(shí)Al(OH)3沉淀完全].

答案：(4)至5.0

解題指導(dǎo)調(diào)節(jié)pH凈化除雜的依據(jù)是加入不會(huì)引入新雜質(zhì)(或便于除去)的物質(zhì)調(diào)節(jié)溶液的酸堿性，使雜質(zhì)離子產(chǎn)生沉淀而除去，一般是含目標(biāo)物質(zhì)的金屬氧化物或者是碳酸鹽，根據(jù)提供試劑、儀器，物質(zhì)凈化除雜的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，首先要解讀題干中圖像圖表的信息，要注意各金屬離子開始沉淀、沉淀完全的pH，在表述時(shí)要準(zhǔn)確標(biāo)出控制pH的范圍(大于等于雜質(zhì)離子完全沉淀的pH，要小于目標(biāo)金屬離開始沉淀的值)，目的是使雜質(zhì)離子沉淀而除去，目標(biāo)金屬離子不沉淀，對(duì)于與目標(biāo)金屬離子沉淀的pH相接近的雜質(zhì)離子，要先通過氧化還原反應(yīng)進(jìn)行轉(zhuǎn)化，拉大產(chǎn)生沉淀pH間的差距，如例題中Fe2+氧化成Fe3+，這樣便于除雜操作，同時(shí)調(diào)節(jié)pH可達(dá)到控制產(chǎn)生沉淀的先后順序，實(shí)現(xiàn)逐一分步除雜或提取.

3.利用提供的試劑凈化除雜

例6 (2013江蘇卷)某研究性學(xué)習(xí)小組欲從硫鐵礦燒渣(主要成分為Fe2O3、SiO2、Al2O3)出發(fā)，先制備綠礬，再合成檸檬酸亞鐵.請(qǐng)結(jié)合右圖的綠礬溶解度曲線，補(bǔ)充完整由硫鐵礦燒渣制備FeSO4·7H2O晶體的實(shí)驗(yàn)步驟(可選用的試劑：鐵粉、稀硫酸和NaOH溶液)：向一定量燒渣中加入足量的稀硫酸充分反應(yīng)，____，得到FeSO4溶液，____，得到FeSO4·7H2O晶體.

(注：Al3+開始沉淀的pH=3.0，沉淀完全的pH=5.0)

解析過濾(除去不反應(yīng)的SiO2)，向反應(yīng)液中加入足量的鐵粉(將Fe3+還原為Fe2+)，充分?jǐn)嚢韬螅渭覰aOH溶液調(diào)節(jié)反應(yīng)液的pH約為5(除去Al3+)，過濾.或過濾，向?yàn)V液中滴加過量的NaOH溶液，過濾，充分洗滌固體，向固體中加入足量稀硫酸至固體完全溶解，再加入足量的鐵粉，充分?jǐn)嚢韬?，過濾.滴加稀硫酸酸化(防止Fe2+受熱水解)加熱濃縮得到60℃(溶解度最高).冷卻至0℃結(jié)晶，過濾，少量冰水洗滌，低溫干燥

解題指導(dǎo)利用不同物質(zhì)間化學(xué)性質(zhì)的差異，充分利用提供的試劑，結(jié)合溶解性、穩(wěn)定性等隨溫度等外在條件的變化，逐步將雜質(zhì)去除并最終制備純凈的目標(biāo)物質(zhì)，首先要思路清晰，實(shí)驗(yàn)操作表述條理清楚、注意化學(xué)用語(yǔ)的規(guī)范使用和條件等“核心關(guān)鍵詞”準(zhǔn)確表達(dá)，對(duì)于多種雜質(zhì)，先除什么后除什么，注意過量、足量、適量的不同表述，目的是將雜質(zhì)完全去除，同時(shí)要注意過量試劑的影響；其次要利用題干中有關(guān)制備目標(biāo)產(chǎn)品的性質(zhì)，同時(shí)要考慮降低其溶解度、防止水解等外界條件的影響，將其從溶液中提取出來，從溶液中得到晶體一般的順序是：加熱濃縮→蒸發(fā)結(jié)晶(或冷卻結(jié)晶)→過濾、洗滌、干燥等.注意減壓過濾可加快過濾速度外，還可得到較為干燥的沉淀.

四、表述洗滌沉淀及沉淀是否完全的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

例7(2015江蘇卷)當(dāng)清液pH接近6．5時(shí)，過濾并洗滌CaCO3固體(附著(NH4)2SO4.檢驗(yàn)洗滌是否完全的方法是____.

例8 (2009江蘇卷)以工業(yè)碳酸鈣(含有少量Na+、Al3+、Fe3+等雜質(zhì))生產(chǎn)醫(yī)藥級(jí)二水合氯化鈣，先用鹽酸溶解，除雜操作是加入氫氧化鈣，調(diào)節(jié)溶液的pH為8.0～8.5，以除去溶液中的少量Al3+、Fe3+.檢驗(yàn)Fe(OH)3是否沉淀完全的實(shí)驗(yàn)操作是____.

解析如果Fe(OH)3沉淀完全則溶液中應(yīng)該Fe3+含有極少(<1×10-5mol/L)，故檢驗(yàn)時(shí)應(yīng)從是否含有Fe3+著手，因此檢驗(yàn)Fe(OH)3是否沉淀完全的實(shí)驗(yàn)操作是：取少量上層清液，滴加KSCN溶液，若不出現(xiàn)血紅色，表明Fe(OH)3沉淀完全.

變式練習(xí)1.(2013江蘇卷)檸檬酸亞鐵(FeC6H6O7)是一種易吸收的高效鐵制劑,可由綠礬(FeSO4·7H2O)通過下列反應(yīng)制備:

生成的FeCO3沉淀需經(jīng)充分洗滌，檢驗(yàn)洗滌是否完全的方法是____.

答案取最后一次的洗滌濾液1～2 mL于試管中，向其中滴加用鹽酸酸化的BaCl2溶液,若無(wú)白色沉淀產(chǎn)生，則表明已洗滌干凈.

檢驗(yàn)沉淀是否完全時(shí)，首先應(yīng)弄清產(chǎn)生沉淀的離子有哪些，如果沉淀完全則這些離子含量極少(不再產(chǎn)生沉淀等特征現(xiàn)象)，表述時(shí)依然圍繞著：取樣→滴加試劑→描述現(xiàn)象→得出結(jié)論，同時(shí)要強(qiáng)調(diào)取少量上層清液，做性質(zhì)驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)時(shí)試劑一般取用1～2 mL，滴加幾滴檢驗(yàn)試劑，結(jié)論從是否產(chǎn)生沉淀兩方面予以闡述.

五、 表述物質(zhì)含量測(cè)定的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

例9 (2009年江蘇卷，節(jié)選)用ClO2處理過的飲用水(pH為5.5～6.5)常含有一定量對(duì)人體不利的亞氯酸根離子的含量應(yīng)不超過0.2 mg·L-1.

①請(qǐng)完成相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)步驟：

步驟1：準(zhǔn)確量取VmL水樣加入到錐形瓶中.

步驟2：調(diào)節(jié)水樣的pH為7.0～8.0.

步驟3：加入足量的KI晶體.

步驟4：加少量淀粉溶液，用cmol·L-1Na2S2O3溶液滴定至終點(diǎn)，消耗Na2S2O3溶液V1mL.

步驟5：____.

步驟6：再用cmol·L-1Na2S2O3溶液滴定至終點(diǎn)，消耗Na2S2O3溶液V2mL.

解題指導(dǎo)對(duì)于物質(zhì)含量測(cè)定的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，設(shè)問角度有：補(bǔ)全實(shí)驗(yàn)步驟、誤差分析、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的優(yōu)劣評(píng)價(jià)、改進(jìn)等，解題時(shí)首先聯(lián)系上下提供的實(shí)驗(yàn)步驟，要讀懂每個(gè)步驟的目的，掌握其中的原理，理順之間的關(guān)系，要測(cè)定待測(cè)物的含量，補(bǔ)全的步驟應(yīng)該結(jié)合題干信息從已知了哪些量還要測(cè)定哪些量等著手考慮，為達(dá)到測(cè)量數(shù)值的準(zhǔn)確性，往往要對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行糾正，如對(duì)標(biāo)準(zhǔn)溶液濃度的重新標(biāo)定、做空白對(duì)比實(shí)驗(yàn)、相同條件下的重復(fù)實(shí)驗(yàn)2～3次，取平均值，但對(duì)于可能的實(shí)驗(yàn)錯(cuò)誤操作，測(cè)定數(shù)值相差較大的數(shù)據(jù)要舍棄.