基于化學(xué)高考試題的專題教學(xué)設(shè)計(jì)——以“無機(jī)物制備類綜合實(shí)驗(yàn)”為例

河北

(作者單位：河北省張家口市第四中學(xué))

隨著《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)(2017年版2020年修訂)》(以下簡(jiǎn)稱《課程標(biāo)準(zhǔn)》)的逐步深入落實(shí)，化學(xué)試題的“基礎(chǔ)性、綜合性、應(yīng)用性、創(chuàng)新性”特點(diǎn)對(duì)復(fù)習(xí)備考教學(xué)提出了新的要求。充分理解《中國高考評(píng)價(jià)體系》中的理念，發(fā)掘考題所呈現(xiàn)的核心價(jià)值、學(xué)科素養(yǎng)和必備知識(shí)與關(guān)鍵能力，善用高考真題發(fā)揮其價(jià)值功能和對(duì)教學(xué)的指導(dǎo)作用，是優(yōu)化復(fù)習(xí)過程、促進(jìn)學(xué)生發(fā)展的有效途徑。

一、基于高考真題的專題教學(xué)設(shè)計(jì)思路

二輪復(fù)習(xí)的目標(biāo)是在一輪知識(shí)梳理基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)知識(shí)網(wǎng)絡(luò)化、進(jìn)行系統(tǒng)化構(gòu)建，并且提高解決問題的能力。傳統(tǒng)的二輪復(fù)習(xí)模式為專題知識(shí)網(wǎng)絡(luò)梳理和習(xí)題講練，高考真題只作為習(xí)題選擇的首選內(nèi)容。但實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，考題的考查方向轉(zhuǎn)變、情境陌生度提高、綜合性增強(qiáng)、模塊間知識(shí)關(guān)聯(lián)性加強(qiáng)等新問題集中涌現(xiàn)，僅通過簡(jiǎn)單的梳理練習(xí)很難高效達(dá)成能力提升。這就要求教師適應(yīng)核心素養(yǎng)目標(biāo)下的新高考，調(diào)整教學(xué)策略，設(shè)計(jì)引導(dǎo)學(xué)生自主構(gòu)建知識(shí)體系、總結(jié)考查模型和規(guī)律方法的專題教學(xué)，實(shí)現(xiàn)專題突破。筆者利用高考題目素材，設(shè)置專題任務(wù)情境，以問題為導(dǎo)向設(shè)計(jì)教學(xué)，在引領(lǐng)學(xué)生自主探究問題解決方案的過程中實(shí)現(xiàn)知識(shí)整合和體系構(gòu)建，在真題解答中提煉題目設(shè)問與知識(shí)體系間的內(nèi)在聯(lián)系，達(dá)成題目類型的模型構(gòu)建和解決問題的一般規(guī)律與方法的強(qiáng)化整理和深層次認(rèn)知。簡(jiǎn)要流程如圖1所示。

圖1

例如，實(shí)驗(yàn)綜合題可以有效考查證據(jù)推理和模型認(rèn)知、科學(xué)探究與創(chuàng)新意識(shí)等學(xué)科核心素養(yǎng)目標(biāo)達(dá)成情況，按照實(shí)驗(yàn)?zāi)康牟煌梢苑譃槲镔|(zhì)制備、物質(zhì)檢驗(yàn)與測(cè)定、性質(zhì)與原理探究等類型，不同類型的化學(xué)實(shí)驗(yàn)及探究活動(dòng)都有其特定的核心思路與基本方法，這就決定了不同類型的考題都有其考查內(nèi)容和設(shè)問方式的內(nèi)在規(guī)律性。按照不同實(shí)驗(yàn)類型，選取典型高考試題設(shè)計(jì)專題教學(xué)，幫助學(xué)生明確解決這些類型的實(shí)驗(yàn)任務(wù)的一般思路和常用方法，掌握必需的實(shí)驗(yàn)操作技能，可以有效落實(shí)課標(biāo)要求，促進(jìn)學(xué)生認(rèn)知和能力發(fā)展，實(shí)現(xiàn)專題突破。

二、“無機(jī)物制備類綜合實(shí)驗(yàn)”專題教學(xué)設(shè)計(jì)

任務(wù)情境設(shè)置：氯可形成多種含氧酸鹽，廣泛應(yīng)用于殺菌、消毒及化工領(lǐng)域。含氯消毒劑能夠殺滅新冠病毒，是常用防疫用品。請(qǐng)你在實(shí)驗(yàn)室中利用KOH、NaOH(其他藥品自選)制備KClO3和NaClO。

設(shè)計(jì)思路與意圖：上述情境來源于2020年全國卷Ⅲ26題的題干信息，為典型的無機(jī)物制備問題，難度較低，大多數(shù)的學(xué)生都可以參與討論，適合作為學(xué)習(xí)載體。同時(shí)該題目情境體現(xiàn)了化學(xué)在生產(chǎn)生活中的應(yīng)用，關(guān)注當(dāng)下社會(huì)熱點(diǎn)問題中化學(xué)的功能與價(jià)值，是體現(xiàn)試題情境化設(shè)計(jì)、達(dá)成教學(xué)目標(biāo)的良好素材。

問題的提出：完成該實(shí)驗(yàn)任務(wù)依次需要考慮解決哪些問題？討論完成實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。

實(shí)施建議：?jiǎn)栴}探究部分是教學(xué)的中心環(huán)節(jié)，視所教學(xué)生的學(xué)習(xí)程度，可采用分組討論匯報(bào)、集體討論、教師引導(dǎo)討論等具體操作方式。結(jié)論形成的過程注意思維的有序性引導(dǎo)。

問題討論與歸納：

1.該任務(wù)主要問題：確定制備原理——選擇適當(dāng)裝置——制備操作——分離提純。

3.裝置選擇：

(1)依據(jù)氣體制備原理、藥品狀態(tài)及反應(yīng)條件選擇氣體發(fā)生裝置

表1

(2)依據(jù)產(chǎn)品制備原理、藥品狀態(tài)及反應(yīng)條件選擇制備裝置

表2

(3)原料為氣體的綜合實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

圖2

4.操作注意事項(xiàng)

(1)以控制為目的的操作

①使用分液漏斗滴加濃鹽酸，控制氯氣產(chǎn)生速率；

②溫度控制：加熱時(shí)按所需溫度由高到低可選擇酒精噴燈(煤氣燈)、酒精燈、熱水浴，特殊需要可選用油浴、沙浴或鹽浴等；降溫可以使用冷水浴、冰水浴。水浴(油浴)加熱的優(yōu)點(diǎn)是受熱(冷)均勻、易于控溫。

(2)以安全為目的的操作——關(guān)注“先后順序”

①以氣體為中心的實(shí)驗(yàn)，應(yīng)先檢查裝置氣密性后添加藥品組裝裝置；

②可燃性氣體實(shí)驗(yàn)，先驗(yàn)純后點(diǎn)燃、先排盡空氣(驗(yàn)純)后加熱；

③防倒吸，先撤出導(dǎo)管后滅燈。

(3)以產(chǎn)品保護(hù)為目的的操作

①氫氣還原氧化銅類實(shí)驗(yàn)，先熄滅酒精燈冷卻后再停止通氫氣；

②需利用惰性氣體排出空氣保護(hù)產(chǎn)品不被氧化時(shí)，實(shí)驗(yàn)開始應(yīng)先通惰性氣體后加熱，結(jié)束時(shí)先滅燈冷卻后再停止通入氣體；

③遇水易水解的產(chǎn)品，產(chǎn)品所處裝置前后均需要干燥條件。

5.無機(jī)物的分離提純

(1)固液分離——過濾

(2)溶液中固態(tài)溶質(zhì)提取

①溶質(zhì)單一、熱穩(wěn)定性高、產(chǎn)品為非結(jié)晶水合物時(shí)，采用蒸發(fā)結(jié)晶；

②混合液中，提取結(jié)晶水合物晶體、熱穩(wěn)定性差或溶解度隨溫度變化大的晶體時(shí)，采用“蒸發(fā)濃縮、冷卻結(jié)晶、過濾、干燥”分離的方式；

③粗晶體進(jìn)一步提純，用重結(jié)晶的方法。

實(shí)驗(yàn)方案確定：綜合上述問題討論，確定實(shí)驗(yàn)方案。實(shí)驗(yàn)室法制氯氣——通入飽和食鹽水除HCl——通入熱KOH溶液及冷NaOH溶液制KClO3和NaClO——利用NaOH溶液吸收尾氣，通過蒸發(fā)濃縮、冷卻結(jié)晶、過濾、干燥等操作進(jìn)行產(chǎn)品分離提純，最后利用重結(jié)晶進(jìn)一步提純晶體。

【例1】(2020·全國卷Ⅲ·26)氯可形成多種含氧酸鹽，廣泛應(yīng)用于殺菌、消毒及化工領(lǐng)域。實(shí)驗(yàn)室中利用圖3裝置(部分裝置省略)制備KClO3和NaClO，探究其氧化還原性質(zhì)。

圖3

回答下列問題：

(1)盛放MnO2粉末的儀器名稱是________，a中的試劑為________。

(2)b中采用的加熱方式是________，c中化學(xué)反應(yīng)的離子方程式是____________________，采用冰水浴冷卻的目的是____________________。

(3)d的作用是________，可選用試劑________(填標(biāo)號(hào))。

A.Na2S B.NaCl C.Ca(OH)2D.H2SO4

(4)反應(yīng)結(jié)束后，取出b中試管，經(jīng)冷卻結(jié)晶，________，________，干燥，得到KClO3晶體。

(5)取少量KClO3和NaClO溶液分別置于1號(hào)和2號(hào)試管中，滴加中性KI溶液。1號(hào)試管溶液顏色不變。2號(hào)試管溶液變?yōu)樽厣?，加入CCl4振蕩，靜置后CCl4層顯________色?？芍摋l件下KClO3的氧化能力________(填“大于”或“小于”)NaClO。

【答案】(1)圓底燒瓶 飽和食鹽水

(3)吸收尾氣(Cl2) AC

(4)過濾 少量(冷)水洗滌

(5)紫 小于

【練后反思】將高考真題與前述的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)過程相對(duì)照，發(fā)現(xiàn)均從裝置名稱、試劑選擇、反應(yīng)原理表達(dá)、條件控制、關(guān)鍵環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)、分離提純方案選擇及操作等角度進(jìn)行問題設(shè)計(jì)，符合《課程標(biāo)準(zhǔn)》中“認(rèn)識(shí)解決這些類型的實(shí)驗(yàn)任務(wù)的一般思路和常用方法，掌握必需的實(shí)驗(yàn)操作技能”的要求，說明該思路模型的有效性，是該類實(shí)驗(yàn)問題的不變之“宗”。

【例2】(2017·全國卷Ⅰ·10)實(shí)驗(yàn)室用H2還原WO3制備金屬W的裝置如圖4所示(Zn粒中往往含有硫等雜質(zhì)，焦性沒食子酸溶液用于吸收少量氧氣)。下列說法正確的是

( )

圖4

A.①、②、③中依次盛裝KMnO4溶液、濃H2SO4、焦性沒食子酸溶液

B.管式爐加熱前，用試管在④處收集氣體并點(diǎn)燃，通過聲音判斷氣體純度

C.結(jié)束反應(yīng)時(shí)，先關(guān)閉活塞K，再停止加熱

D.裝置Q(啟普發(fā)生器)也可用于二氧化錳與濃鹽酸反應(yīng)制備氯氣

【答案】B

【設(shè)計(jì)思路與意圖】本題為2017年全國卷Ⅰ第10題，是全國卷中最先出現(xiàn)的以綜合實(shí)驗(yàn)為題干的選擇題，體現(xiàn)了“大題小做”的考題命制思想，同時(shí)題目具有一定的陌生度，有一定的啟示作用。學(xué)生在分析解題過程中與上述“利用氣體進(jìn)行的無機(jī)物制備實(shí)驗(yàn)”一般思路與常用方法做對(duì)照，體會(huì)其陌生外表下的一致性，進(jìn)一步熟練模型，提高復(fù)習(xí)效率。

【問題討論與歸納】

1.A選項(xiàng)考查流程設(shè)計(jì)與試劑選用，符合“氣體制取—除雜—制目標(biāo)物”的一般流程，結(jié)合題目信息可知KMnO4溶液可除H2S、濃H2SO4可除水蒸氣、焦性沒食子酸溶液可除氧氣，但裝置順序違背“先洗氣后干燥”的規(guī)律，因此，A項(xiàng)錯(cuò)誤。

2.B選項(xiàng)考查實(shí)驗(yàn)的安全操作，遵循使用可燃性氣體時(shí)應(yīng)先排盡空氣后加熱的規(guī)律，B項(xiàng)正確。

3.C選項(xiàng)考查產(chǎn)品保護(hù)，若先關(guān)閉活塞K，會(huì)停止通氫氣，則④處會(huì)有空氣進(jìn)入裝置，制得的金屬W會(huì)再次被氧化，C項(xiàng)錯(cuò)誤。

4.D選項(xiàng)考查氣體發(fā)生裝置選擇，二氧化錳與濃鹽酸反應(yīng)制備氯氣需加熱，而啟普發(fā)生器不能加熱，D項(xiàng)錯(cuò)誤。

5.該裝置末端缺少尾氣處理裝置，可以采用收集或放置燃著酒精燈的處理方式。

【例3】(2018·全國卷Ⅰ·26)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(jià)鉻還原為二價(jià)鉻；二價(jià)鉻再與醋酸鈉溶液作用即可制得醋酸亞鉻。實(shí)驗(yàn)裝置如圖5所示。回答下列問題：

圖5

(1)實(shí)驗(yàn)中所用蒸餾水均需經(jīng)煮沸后迅速冷卻，目的是________________。儀器a的名稱是________。

(2)將過量鋅粒和氯化鉻固體置于c中，加入少量蒸餾水，按圖連接好裝置。打開K1、K2，關(guān)閉K3。

①c中溶液由綠色逐漸變?yōu)榱了{(lán)色，該反應(yīng)的離子方程式為____________________。

②同時(shí)c中有氣體產(chǎn)生，該氣體的作用是___________。

(3)打開K3，關(guān)閉K1和K2，c中亮藍(lán)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。

(4)指出裝置d可能存在的缺點(diǎn)：___________。

【答案】(1)去除水中溶解氧 分液漏斗

(3)c中產(chǎn)生H2使壓強(qiáng)大于大氣壓 冷卻 過濾

(4)敞開體系，可能使醋酸亞鉻與空氣接觸

【設(shè)計(jì)思路與意圖】本題為2018年全國卷Ⅰ第26題，與前兩題相比，試題情境陌生度稍高，但依然是無機(jī)物制備問題，符合此類實(shí)驗(yàn)問題的特定思路與方法，只是對(duì)學(xué)生發(fā)展動(dòng)手能力和高級(jí)思維能力提出了進(jìn)一步的要求。如陌生氧化還原反應(yīng)方程式的書寫、利用氫氣排空氣防止產(chǎn)品氧化、利用氣體產(chǎn)生壓強(qiáng)差排出液體、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)等問題，有一定的難度，通過討論與分析，梳理其與一般思路與方法的契合點(diǎn)，更進(jìn)一步固化模型認(rèn)知，同時(shí)拓寬思路，體會(huì)考題“穩(wěn)中有變”但“萬變不離其宗”的特點(diǎn)，這里的“宗”就是著重考查考生是否理解并掌握高中化學(xué)課程中最基礎(chǔ)的核心知識(shí)，測(cè)評(píng)考生的關(guān)鍵能力和化學(xué)學(xué)科素養(yǎng)。