2019年高考化學實驗試題（全國卷）的評析及啟示

摘要： 以2019年高考化學（全國卷）3道實驗題為例作試題分析，歸納考查要求，拓展試題外延，提出在高三復習課使用“實驗性質(zhì)原理”三元整合策略指導教學設(shè)計，探討基于實驗情境實現(xiàn)物質(zhì)性質(zhì)和反應(yīng)原理的整合教學在高三元素化合物專題復習中的應(yīng)用，并提出若干教學建議。

關(guān)鍵詞： 高考實驗題; 試題分析; 三元整合策略; 高三復習

文章編號： 10056629（2020）01008006

中圖分類號： G633.8

文獻標識碼： B

1試題評析

化學是一門以實驗為基礎(chǔ)的學科，很多基本理論來自對實驗現(xiàn)象的觀察與分析和對實驗數(shù)據(jù)的整理與歸納。掌握經(jīng)典的實驗方法和重要的操作技能是化學學習的重點，包括對化學儀器的認識和使用、驗證化學物質(zhì)的性質(zhì)、預(yù)測或分析某個反應(yīng)的發(fā)生，或是上述內(nèi)容的綜合[1]。

2019年全國卷3道實驗題均以物質(zhì)制備為命題主線，考查對制備過程核心反應(yīng)、條件控制的認識，考查對產(chǎn)物分離提純方法、裝置和操作的選擇，考查對反應(yīng)過程所加試劑作用的理解，考查對實驗的合理評價，考查對物質(zhì)組成、實驗產(chǎn)率等定量計算的掌握，滲透宏微結(jié)合、變化觀念、平衡思想和證據(jù)推理等核心素養(yǎng)。

1.1全國Ⅰ卷

1.1.1原題再現(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，具體流程如下：

______

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(yīng)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(jié)晶水數(shù)，將樣品加熱到150℃時，失掉1.5個結(jié)晶水，失重5.6%。硫酸鐵銨晶體的化學式為______。

1.1.2試題分析

本題以硫酸鐵銨制備為素材，圍繞“制備→測定”展開，與人教版選修6“莫爾鹽制備”有一定相似性，均是利用溶解度差異進行制備。制備過程涉及原料前處理和核心反應(yīng)，測定過程涉及結(jié)晶水比例測定。

制備過程涉及的物質(zhì)變化，突出“變化思想”。其中包括原料前處理→硫酸溶解→雙氧水氧化→加入硫酸銨→冷卻熱飽和溶液→獲得產(chǎn)品，側(cè)重考查對方法原理、實驗裝置、所選試劑、操作步驟的分析，詳見表1。

總的來說，制備過程的考查大多屬于記憶層次，設(shè)問直截了當、簡潔明了，不涉及陌生裝置、陌生操作、陌生物質(zhì)、陌生反應(yīng);定量測定的背景是采用熱重法測定硫酸鐵銨晶體的結(jié)晶水數(shù)，是初三物質(zhì)中某元素質(zhì)量分數(shù)或混合物中某組分質(zhì)量分數(shù)計算的簡單遷移，相比復雜的關(guān)系式法計算大大降低了難度。

1.1.3試題拓展

綜上，本題屬于容易題，但試題背后有很多值得思考之處，提出以下幾點僅供參考：

（1） 原料前處理的常見方法有哪些？

（2） 水浴、油浴有何區(qū)別？

（3） 尾氣吸收何時考慮防倒吸？Cl2、 CO2、 H2S等在水中溶解度不大，若用本題D裝置吸收，會否引起倒吸？若是該氣體中混有大量難溶性氣體如N2、 H2呢？

（4） 本題涉及條件控制，如步驟③保持溶液pH小于0.5和分批加入H2O2等。條件控制的根本原因是什么？實驗中為何分批加入H2O2？

（5） 硫酸鐵銨制備與侯德榜制堿法類似，均是利用溶解度差異進行，但這兩種方法的差異是什么？

（6） 該實驗中硫酸銨與硫酸鐵理論比例為多少？若產(chǎn)品混有少量硫酸銨或硫酸鐵，如何進一步純化？

（7） 熱重法測定原理是什么？“失重”如何定義？一般通過實驗測量的數(shù)據(jù)是什么，能否如本題所示直接測得“失掉1.5個結(jié)晶水”？

1.2全國Ⅱ卷

1.2.1原題再現(xiàn)

咖啡因是一種生物堿（易溶于水及乙醇，熔點234.5℃， 100℃以上開始升華），有興奮大腦神經(jīng)和利尿等作用。茶葉中含咖啡因約1%～5%、單寧酸（Ka約為10-4，易溶于水及乙醇）約3%～10%，還含有色素、纖維素等。實驗室從茶葉中提取咖啡因的流程如下圖所示。

______

索氏提取裝置如圖甲所示。實驗時燒瓶中溶劑受熱蒸發(fā)，蒸氣沿蒸氣導管2上升至球形冷凝管，冷凝后滴入濾紙?zhí)淄?中，與茶葉末接觸，進行萃取。萃取液液面達到虹吸管3頂端時產(chǎn)生虹吸現(xiàn)象，經(jīng)虹吸管3返回燒瓶，從而實現(xiàn)對茶葉末的連續(xù)萃取?；卮鹣铝袉栴}：

（1） 實驗時需將茶葉研細，放入濾紙?zhí)淄?中，研細的目的是______，圓底燒瓶中加入95%乙醇為溶劑，加熱前還要加幾粒______。

甲

（2） 提取過程不可選用明火直接加熱，原因是______，與常規(guī)的萃取相比，采用索氏提取器的優(yōu)點是______。

（3） 提取液需經(jīng)“蒸餾濃縮”除去大部分溶劑，與水相比，乙醇作為萃取劑的優(yōu)點是______?！罢舭l(fā)濃縮”需選用的儀器除了圓底燒瓶、蒸餾頭、溫度計、接收管之外，還有______（填標號）。

A. 直形冷凝管

B. 球形冷凝管

C. 接收瓶

D. 燒杯

（4） 濃縮液加生石灰的作用是中和______和吸收______。

（5） 可采用如圖乙所示的簡易裝置分離提純咖啡因。將粉狀物放入蒸發(fā)皿中并小火加熱，咖啡因在扎有小孔的濾紙上凝結(jié)，該分離提純方法的名稱是______。

乙

1.2.2試題分析

咖啡因是天然食品添加劑，可用于制造興奮性飲料;也是制藥業(yè)的重要原料，可用于合成復方阿司匹林等。

以前獲取咖啡因的途徑之一是人工合成。由于人工合成的咖啡因含有原料殘留，長期食用會產(chǎn)生殘毒作用，因此多國已禁止在飲料中使用合成咖啡因，并加強從植物提取咖啡因的工藝研究。本題以茶葉中咖啡因的提取為素材，與山東版化學選修6綜合實驗活動“從茶葉中提取咖啡因”有一定相似度。

物質(zhì)提取有兩種常見方法： 一是將雜質(zhì)逐一除去，步驟較為繁瑣，但能盡可能多地體現(xiàn)物質(zhì)化學性質(zhì)的應(yīng)用;二是通過專一方法將有效成分直接提取，如萃取法、離子交換樹脂法等。從固體物質(zhì)萃取化合物的一種方法是用溶劑長期浸潤固體而將目標物質(zhì)浸出。此法耗時長、溶劑用量大、效率不高。

本實驗利用索氏提取法，過程包括： 索氏提取→蒸餾濃縮→生石灰除雜→升華分離，主要側(cè)重實驗評價和分離提純，與教材核心知識基本吻合，詳見表2。

本題情境和裝置比較陌生，但只要仔細閱讀信息，就會發(fā)現(xiàn)題目考查的都是考綱的基本內(nèi)容。題目設(shè)問由淺入深，層層推進，不僅考查實驗?zāi)芰?，更考查閱讀理解能力、知識應(yīng)用能力、信息獲取能力、分析和解決問題的能力?？忌鉀Q實驗問題的過程是其觀察能力的敏銳性、判斷問題的準確性和有序思維的縝密性的全面表現(xiàn)過程。

1.2.3試題拓展

綜上，本題屬于中檔題，其背后還有很多值得思考之處，歸納以下幾點僅供參考：

（1） 茶葉能否像海帶提碘一樣先灼燒灰化再索氏提??？

（2） 該實驗?zāi)芊袷褂谩罢舭l(fā)濃縮”代替“蒸餾濃縮”除去溶劑，為什么？

（3） 該實驗?zāi)芊袷褂檬焓掖嫔遥瑸槭裁矗?/p>

（4） 升華法用于提純物質(zhì)的適合范圍是什么？

1.3全國Ⅲ卷

1.3.1原題再現(xiàn)

乙酰水楊酸（阿司匹林）是目前常用藥物之一。實驗室通過水楊酸進行乙?；苽浒⑺酒チ值囊环N方法如下：

COOHOH+（CH3CO）2O濃H2SO4△

COOHOCOCH3+CH3COOH

水楊酸______醋酸酐______乙酰水楊酸

水楊酸醋酸酐乙酰水楊酸

熔點/℃157～159-72～-74135～138

相對密度/（g·cm﹣3）1.441.101.35

相對分子質(zhì)量138102180

實驗過程： 在100mL錐形瓶中加入水楊酸6.9g及醋酸酐10mL，充分搖動使固體完全溶解。緩慢滴加0.5mL濃硫酸，搖勻后加熱，維持瓶內(nèi)溫度在70℃左右，充分反應(yīng)。稍冷后進行如下操作：

① 在不斷攪拌下將反應(yīng)后的混合物倒入100mL冷水中，析出固體，過濾。

② 所得結(jié)晶粗品加入50mL飽和碳酸氫鈉溶液，溶解、過濾。

③ 濾液用濃鹽酸酸化后冷卻、過濾得固體。

④ 固體經(jīng)純化得白色的乙酰水楊酸晶體5.4g。

回答下列問題：

（1） 該合成反應(yīng)中應(yīng)采用______加熱。（填標號）

A. 熱水浴

B. 酒精燈

C. 煤氣燈

D. 電爐

（2） 下列玻璃儀器中，①中需使用的有______（填標號），不需使用的______（填名稱）。

（3） ①中需使用冷水，目的是______。

（4） ②中飽和碳酸氫鈉的作用是______，以便過濾除去難溶雜質(zhì)。

（5） ④采用的純化方法為______。

（6） 本實驗的產(chǎn)率是______%。

1.3.2試題分析

阿司匹林又叫乙酰水楊酸，是解熱鎮(zhèn)痛藥，常用于治療發(fā)熱、神經(jīng)痛等，是三大經(jīng)典藥物之一。酚羥基也能成酯，但不能通過酯化反應(yīng)制備，只能由酚和酰氯或酸酐反應(yīng)。水楊酸和乙酸酐的乙酰化反應(yīng)是阿司匹林的經(jīng)典制備方法。

本題有機物的制備包含三個核心環(huán)節(jié)： 合成制備→分離提純→實驗評價，詳見表3。

本題以阿司匹林的制備為情景，綜合考察分析和解決問題的能力。

第（2）～（5）問涉及產(chǎn)物分離提純。液態(tài)有機物分離提純的常見模板見表4。

本題難點在于阿司匹林的分離提純與學生熟知的模板不同，需要學生結(jié)合有機物的理化性質(zhì)和信息提示進而分析，凸顯“證據(jù)推理”的考查。證據(jù)推理是邏輯推理能力在化學學科中重要的表現(xiàn)形式，要求考生能夠根據(jù)證據(jù)，對物質(zhì)組成、結(jié)構(gòu)及性質(zhì)變化進行分析推理[2]。

1.3.3試題拓展

綜上，本題屬于中檔題，部分設(shè)問有一定難度。另外，試題背后還有很多值得挖掘之處，提出以下幾點僅供參考：

（1） 請從乙酰水楊酸的結(jié)構(gòu)預(yù)測其水溶性和化學性質(zhì)。

（2） 乙酸酐為何使用過量？

（3） 操作②中溶解至何時才進行過濾？

（4） 如何檢驗乙酰水楊酸粗品中是否含有殘留的水楊酸？

（5） 本實驗乙?；磻?yīng)的原子利用率是多少？

（6） 胃腸道癥狀是阿司匹林最常見的不良反應(yīng)，如何解決？

2教學啟示

近年來實驗題在情境維度和知識維度上的水平有所降低，很多來自課內(nèi)元素化合物實驗及其遷移，但在認知進程維度上的水平有所提升，特別是分析與解決問題中高階水平考查比重增大，化學實驗、物質(zhì)性質(zhì)和反應(yīng)原理的整合考查日趨明顯。

2.1提出并創(chuàng)設(shè)三元整合教學模式

為了適應(yīng)高考實驗題的能力要求，筆者提出在元素化合物微專題復習使用“實驗性質(zhì)原理”三元整合策略組織教學。三元整合策略，是指教師要結(jié)合以某種元素為核心的一系列物質(zhì)設(shè)計整合型實驗，將實驗情境、物質(zhì)性質(zhì)和反應(yīng)原理進行整合學習，三者關(guān)系見圖1[3]。三元整合策略的依據(jù)是元素化合物課型的教學特點與規(guī)律，其顯性教學任務(wù)是設(shè)置實驗情境，讓學生習得常見物質(zhì)的組成、結(jié)構(gòu)、性質(zhì)、變化、用途、制備等知識;以化學基本概念或理論、反應(yīng)原理為基礎(chǔ)構(gòu)建思維模式。其中，實驗活動與問題情境是整合元素化合物性質(zhì)知識、化學概念與反應(yīng)原理的重要載體，決定教與學的效果。三元整合策略要求教師引導學生從問題到結(jié)論、從一般到個別、從實驗現(xiàn)象到反應(yīng)本質(zhì)，提升學生的高階思維能力和化學核心素養(yǎng)。

三元整合教學模式見圖2，宏觀設(shè)計的特色是以“認知沖突”作為課堂教學的研究線索貫穿始終，以課標考綱的知識、方法、能力和素養(yǎng)為教學核心暗線，結(jié)合真實實驗強化學生有序觀察現(xiàn)象的能力和建立有效解決問題的思維程序，通過三重表征教學提高學生的邏輯思維與語言表達能力，在應(yīng)用已有知識對外輸出過程中培育學生宏微結(jié)合、變化觀念、證據(jù)推理、實驗探究等核心素養(yǎng)。

2.2備考教學建議

近年來全國高考實驗題呈現(xiàn)由“能力立意”向“加強能力考查，滲透學科核心素養(yǎng)考核”變化的特點[4]，三元整合策略是核心素養(yǎng)視角下元素化合物專題復習課的有效教學取向。為了實現(xiàn)實驗情境、物質(zhì)性質(zhì)、反應(yīng)原理三個核心相互促進，筆者結(jié)合核心素養(yǎng)提出相關(guān)教學建議： （1）注重宏微結(jié)合。能用化學用語正確表征物質(zhì)的化學性質(zhì)，能利用基本概念和基本理論對核心反應(yīng)進行分類和分析說明;（2）養(yǎng)成變化觀念。能依據(jù)物質(zhì)類別和元素價態(tài)列舉常見物質(zhì)的化學性質(zhì)及其轉(zhuǎn)化關(guān)系;（3）強化證據(jù)推理。能根據(jù)已有知識預(yù)測陌生物質(zhì)的化學性質(zhì)和變化，能分析、解釋實驗現(xiàn)象;（4）建立模型認知。能根據(jù)基本理論梳理解決問題的一般思維程序;（5）落實實驗探究。能根據(jù)物質(zhì)性質(zhì)、反應(yīng)原理進行實驗方案設(shè)計與評價。

參考文獻：

[1]鐘輝生， 謝名軍， 姜建文. 核心素養(yǎng)視角下的高考試題分析——評2017年全國高考Ⅰ卷理綜化學試題[J]. 化學教學， 2018， （5）： 75～80.

[2]教育部考試中心. 2018年普通高等學校招生全國統(tǒng)一考試系列用書·高考理科試題分析（理科綜合分冊）[M]. 北京： 高等教育出版社， 2018： 8.

[3]鐘國華， 林建芬. 基于“實驗性質(zhì)原理”三元整合策略的高三化學微專題復習研究——以“弱電解質(zhì)的電離與電離平衡”為例[J]. 化學教育， 2018， 39（5）： 38～43.

[4]單旭峰. 在繼承的基礎(chǔ)上探索創(chuàng)新——2017年高考全國卷化學試題解讀[J]. 中學化學教學參考， 2017， （7）： 59～61.