深度學習視域下的實驗思維模型構(gòu)建——以利用壓強原理的實驗考查為例

河北

一、回歸教材

“壓強原理”的應用源于2019人教版必修第二冊第五章“氮及其化合物”13頁實驗5-6，氨溶于水的噴泉實驗。該實驗為“在干燥的圓底燒瓶中充滿NH3，用帶有玻璃管和膠頭滴管(預先吸入水)的橡膠塞塞緊瓶口。倒置燒瓶，使玻璃管插入盛有水的燒杯中(預先在水里滴入少量酚酞溶液)，打開彈簧夾，擠壓膠頭滴管，使水進入燒瓶。”可觀察到圓底燒瓶內(nèi)形成粉紅色的噴泉，實驗裝置如圖1所示：

圖1

氨氣噴泉實驗成功的關(guān)鍵是圓底燒瓶要干燥，實驗前務必使氨氣充滿燒瓶且裝置氣密性良好。實驗時先打開止水夾，然后輕輕擠壓膠頭滴管使少量水進入燒瓶，由于氨氣在水中溶解度比較大，溶解度體積比為1∶700，氨氣迅速溶于水形成一水合氨，造成燒瓶內(nèi)壓強減小，外界大氣壓大于燒瓶內(nèi)氣壓，壓力克服玻璃管內(nèi)水的重力，即形成噴泉。該實驗現(xiàn)象的本質(zhì)是利用氨氣溶于水造成實驗裝置內(nèi)外壓強差，利用“壓強原理”形成的噴泉。

二、高考鏈接

壓強原理的實驗考查始終是高考的重點和難點，近幾年熱度不減，筆者先從表觀壓強大小變化維度分析幾道高考題。

1.減小裝置壓強

減小裝置內(nèi)壓強，利用“壓強原理”形成噴泉，清洗儀器等。

【例1】(2020·全國卷Ⅲ·10)噴泉實驗裝置如圖2所示。應用下列各組氣體—溶液，能出現(xiàn)噴泉現(xiàn)象的是

( )

圖2

氣體溶液AH2S稀鹽酸BHCl稀氨水CNO稀H2SO4DCO2飽和NaHCO3溶液

【答案】B

【解析】此題原理遷移自教材噴泉實驗，燒瓶內(nèi)的水換成不同溶液。產(chǎn)生噴泉現(xiàn)象的條件為燒瓶內(nèi)氣體在溶液中溶解度較大或能與溶液發(fā)生化學反應被消耗，造成裝置內(nèi)外壓強差。該題中只有B選項中的HCl能大量溶解于水生成鹽酸(溶解度體積比1∶500)且迅速與稀氨水反應，造成裝置內(nèi)壓強減小，外壓大于內(nèi)壓，從而產(chǎn)生噴泉現(xiàn)象。

【例2】(2017·全國卷Ⅰ·26節(jié)選)凱氏定氮法是測定蛋白質(zhì)中氮含量的經(jīng)典方法，其原理是用濃硫酸在催化劑存在下將樣品中有機氮轉(zhuǎn)化成銨鹽，利用如圖3所示裝置處理銨鹽，然后通過滴定測量。

圖3

回答下列問題：

(3)清洗儀器：g中加蒸餾水；打開k1，關(guān)閉k2、k3，加熱b，蒸氣充滿管路；停止加熱，關(guān)閉k1，g中蒸餾水倒吸進入c，原因是____________________；打開k2放掉水。重復操作2～3次。

【答案】c中溫度下降，管路中形成負壓

【解析】本題通過設(shè)置復雜裝置給考生解題形成壓力，并且設(shè)置新穎的清洗實驗裝置的情境，增加試題難度。實驗時首先加熱裝置b使管路中充滿水蒸氣，然后關(guān)閉k1，當c、e管道內(nèi)水蒸氣冷凝為水會造成裝置內(nèi)壓強減小，錐形瓶內(nèi)蒸餾水倒吸進入c中，重復2～3次達到清洗儀器的目的。

2.增大裝置壓強

通過化學反應或利用裝置增大體系壓強，依據(jù)“壓強原理”制備物質(zhì)是實驗題目命題的新角度。

【例3】(2018·全國卷Ⅰ·26節(jié)選)醋酸亞鉻[(CH3COO)2Cr·2H2O]為磚紅色晶體，難溶于冷水，易溶于酸，在氣體分析中用作氧氣吸收劑。一般制備方法是先在封閉體系中利用金屬鋅作還原劑，將三價鉻還原為二價鉻；二價鉻再與醋酸鈉溶液作用即可制得醋酸亞鉻。實驗裝置如圖4所示，回答下列問題：

圖4

(3)打開K3，關(guān)閉K1和K2。c中亮藍色溶液流入d，其原因是__________________________；d中析出磚紅色沉淀。為使沉淀充分析出并分離，需采用的操作是________、________、洗滌、干燥。

【答案】c中產(chǎn)生H2使壓強大于大氣壓 (冰水浴)冷卻 過濾

【解析】該題探究了醋酸亞鉻的制備原理，主要考查學生分析實驗的反應原理及利用裝置的特殊性進行操作的能力。學生從信息中得知，鋅在鹽酸溶液中先將Cr3+還原為Cr2+，同時產(chǎn)生的氫氣可排盡裝置中的空氣防止Cr2+被氧化，導致c中壓強增大，把生成的CrCl2壓入d裝置發(fā)生反應從而制得磚紅色晶體醋酸亞鉻[(CH3COO)2Cr·2H2O]。

在該題目創(chuàng)設(shè)的情境中，利用化學反應造成壓強差，從而利用壓強原理制備物質(zhì)，達到實驗目的。利用壓強變化進行物質(zhì)制備的試題是高考中的高頻試題，最早可以追溯到2003年全國舊課程卷33題Fe(OH)2制備實驗，采用了如圖5所示裝置，1管加入鋅與稀硫酸，2管加入NaOH溶液，進行實驗時先打開止水夾，一段時間后關(guān)閉止水夾，利用壓強原理使硫酸亞鐵溶液與氫氧化鈉溶液接觸。同時，產(chǎn)生的氫氣提供了無氧環(huán)境。最終產(chǎn)生白色的Fe(OH)2沉淀。

圖5

3.平衡裝置壓強

壓強差的形成可能對實驗造成干擾，為降低風險，需要平衡壓強。此類問題在2020年山東省普通高中學業(yè)水平等級考試(以下簡稱山東卷)和天津市學業(yè)水平等級性考試(以下簡稱天津卷)均有體現(xiàn)，考點為通過平衡壓強順利加入試劑或減小定量實驗體積誤差。

傳統(tǒng)光配線網(wǎng)絡(luò)（Optical Distribution Network，ODN）網(wǎng)絡(luò)通常由光纜、光連接器、光分路器、光纖配線架以及安裝連接這些器件的配套設(shè)備組成[1]。隨著光纖的海量增長，對于這些沒有ID的海量“啞資源”建設(shè)管理問題越來越突出：網(wǎng)絡(luò)建設(shè)和業(yè)務開通時間長、施工結(jié)果無校驗、資源管理效率低、光纖網(wǎng)絡(luò)維護無保障等[1]。

【例4】(2020·山東卷·20)某同學利用Cl2氧化K2MnO4制備KMnO4的裝置如圖6所示(夾持裝置略)：

回答下列問題：(1)裝置A中a的作用是。

【答案】平衡氣壓，使?jié)恹}酸順利滴下

【解析】裝置A中a的作用是平衡壓強，原因是鹽酸與漂白粉反應生成氯氣造成兩頸燒瓶內(nèi)壓強增大，使漏斗內(nèi)濃鹽酸流速緩慢，玻璃管a形成連通器，避免了加液造成壓強不均的干擾等不利因素。

【變式1】如圖7所示，定量測定氣體體積時，裝置1與裝置2相比優(yōu)點是。

裝置1

【答案】保證分液漏斗與蒸餾燒瓶內(nèi)壓強相等，液體順利流下；防止滴下的溶液液面上升排出氣體造成誤差

【解析】裝置1內(nèi)部連通，壓強相等。操作過程中，右側(cè)量氣裝置在生成氣體冷卻讀數(shù)時也要保證兩端液面相平，避免兩端有液面高度差形成內(nèi)外氣體壓強差導致讀數(shù)不準。

以上高考題情境創(chuàng)設(shè)主要基于壓強大小變化維度構(gòu)建，利用氣體溶解度或化學反應形成裝置內(nèi)壓強差變化從而解決問題。

三、模型構(gòu)建

由宏觀現(xiàn)象探析本質(zhì)特征，“裝置—操作”的視角考查一直是高考的重點與熱點。明確裝置作用是分析一個實驗原理的重要前提，積累裝置作用并構(gòu)建相應的思維模型是解決實驗問題的一條捷徑。“壓強原理”的裝置模型構(gòu)建應該基于壓強在裝置中的作用，即通過裝置進行適當操作減小壓強或增大壓強，利用壓強原理創(chuàng)造對實驗的有利條件或減小對實驗的干擾。

1.檢驗裝置堵塞(緩沖氣流)的功能

創(chuàng)設(shè)的問題情境往往是由于氣流過快，造成裝置內(nèi)壓強增大而干擾實驗。如2014年山東卷：工業(yè)上常利用含硫廢水生產(chǎn)Na2S2O3·5H2O，實驗室可用如圖8裝置(略去部分夾持儀器)模擬生產(chǎn)過程。

圖8

實驗中裝置B的作用是緩沖氣流及檢驗裝置是否堵塞。若后面裝置發(fā)生堵塞，會導致長頸漏斗內(nèi)液面上升。

2.引發(fā)化學反應的功能

創(chuàng)設(shè)的問題情境一般是通過裝置利用壓強原理引發(fā)化學反應，如2016年全國卷Ⅰ26題：氨氣與二氧化氮的反應。將上述收集到的NH3充入注射器X中，硬質(zhì)玻璃管Y中加入少量催化劑，充入NO2(兩端用夾子K1、K2夾好)。在一定溫度下按圖9所示裝置進行實驗。

圖9

操作步驟實驗現(xiàn)象解釋原因打開K1,推動注射器活塞,使X中的氣體緩慢通入Y管中①Y管中 ②反應的化學方程式 將注射器活塞退回原處并固定,待裝置恢復到室溫Y管中有少量水珠生成的氣態(tài)水凝聚打開K2③ ④

3.加快過濾的功能

創(chuàng)設(shè)的問題情境一般要求快速過濾，所以通過裝置形成負壓。如2018年4月浙江省普通高校招生選考科目考試加試題(節(jié)選)：某興趣小組以廢鐵屑制得硫酸亞鐵銨后，按下列流程制備二水合草酸亞鐵(FeC2O4·2H2O)，進一步制備高純度還原鐵粉。

已知：FeC2O4·2H2O難溶于水，150℃開始失結(jié)晶水；H2C2O4易溶于水，溶解度隨溫度升高而增大。請回答：

(2)如圖10裝置，經(jīng)過一系列操作完成步驟③中的抽濾和洗滌。請選擇合適的編號，按正確的操作順序補充完整(洗滌操作只需考慮一次)。

圖10

開抽氣泵→a→b→d→________→c→關(guān)抽氣泵。

a.轉(zhuǎn)移固液混合物 b.關(guān)活塞A c.開活塞A d.確認抽干 e.加洗滌劑洗滌

本題答案是c→e→b→d，解題的關(guān)鍵是在洗滌前，應先打開活塞A，再加入洗滌劑，最后關(guān)閉活塞A，確認抽干后，再打開活塞A，因此，需要補充的步驟為c→e→b→d。

4.防止倒吸的功能

創(chuàng)設(shè)的問題情境通常為裝置內(nèi)壓強突然變小，存在安全隱患，因此需要添加裝置或改進操作。如圖11所示是用KMnO4與濃鹽酸反應制取適量氯氣的簡易裝置。

圖11

裝置B、C、D的作用分別是：B____________________；C____________________；D____________________。

B、C、D的作用分別是向上排氣收集氯氣；安全作用，防止D中的液體倒吸入B中；吸收尾氣，防止氯氣擴散到空氣中污染環(huán)境。由于氯氣的密度比空氣大，收集氯氣時可用向上排空氣法，裝置B中導管是長進短出，裝置C中導管是短進長出，裝置B用來收集氯氣，裝置C用作安全瓶，防止D中的液體倒吸入B中，利用“肚容式”裝置減緩壓強避免造成實驗干擾。

5.檢驗實驗裝置氣密性的功能

利用壓強原理可以檢驗實驗裝置的氣密性，如圖12，首先將氣體密閉于一體積可變的容器中，通過改變氣體的溫度或體積，構(gòu)造壓強差，若產(chǎn)生氣泡或生成一段液柱，證明裝置氣密性良好。

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