高考備考中“無機物質(zhì)制備類實驗題”的解題策略

廣西 金敖然

化學實驗綜合題是各類高考試卷的必考題型，而無機物質(zhì)制備類實驗題又是這類題型的重要組成部分，可以綜合考查實驗儀器和藥品的選擇、實驗操作、物質(zhì)制備原理、物質(zhì)的分離與提純、實驗的設計與評價、物質(zhì)組成、樣品含量的計算等知識。同時還可以結(jié)合反應原理中的平衡移動、反應速率以及元素化合物等知識多維度進行考查?？稍诳疾橹信囵B(yǎng)學生的思維能力，促進學生化學學科核心素養(yǎng)的發(fā)展。作為復習備考的高三學生首先要具備系統(tǒng)的化學實驗理論知識，從多角度對“無機物質(zhì)制備類實驗題”進行分析和訓練，構(gòu)建解決這類題型的思維模型，優(yōu)化解題方案，力求快速精準地突破“無機物質(zhì)制備類實驗題”，從而達到高效復習的目的。

一、研究高考真題，發(fā)現(xiàn)考點，揭示本質(zhì)

近三年全國卷化學試題中，都設置一道實驗選擇題和一道實驗綜合題，分值共計20分或21分，由此可見其重要程度，筆者將近三年全國卷化學實驗綜合題的考查情況整理如表1所示：

表1 2019—2021年全國卷實驗綜合題考情統(tǒng)計

縱觀近三年的8套試卷，5次考查形式為無機物質(zhì)制備，2次考查形式為有機物質(zhì)制備，1次考查形式為探究類實驗。無機物質(zhì)制備類實驗題出題概率達到62.5%。由表1可知高考試卷中重點考查無機物制備過程中涉及的儀器或使用的藥品、物質(zhì)的分離與提純、實驗的基本操作、化學用語、元素化合物的性質(zhì)、計算及誤差分析等。教師需掌握該題型的考查特點，指導學生學習解題策略、建立思維模型，提高學生的解題能力，培養(yǎng)學生的學科素養(yǎng)。

二、構(gòu)建解題思維模型

1.有確定裝置示意圖類制備無機物的實驗題

面對這類試題，教師要引導學生認真審題，快速準確獲取有用信息，即該實驗的實驗目的，然后根據(jù)題中給的實驗裝置圖和所學的實驗基本知識，結(jié)合圖1所示的氣體制備實驗模型進行實驗設計。解題時學生需依據(jù)試題情境及目標產(chǎn)物選擇實驗的發(fā)生裝置及所需藥品。接下來對制得的氣體進行凈化，一般先除雜再干燥，此處學生需要結(jié)合氣體的性質(zhì)和裝置圖選擇合適的除雜劑和干燥劑。收集氣體或者做完氣體性質(zhì)實驗之后，還要看尾氣是否有毒或易燃易爆，學生要進行尾氣處理并選擇合適的裝置。學生對實驗整體進行分析設計的同時，還要關注每處關鍵裝置內(nèi)的實驗現(xiàn)象是什么，涉及哪些化學反應原理和規(guī)律。最后學生通觀全局進行實驗評價，包括是否缺少裝置、數(shù)據(jù)的處理、誤差分析等。

圖1 常見氣體制備模型

2.有流程圖的無機物制備類實驗題

此類試題中涉及的工藝往往來源于真實的化學工業(yè)，命題人以框圖的形式將流程中的每一步工藝，呈現(xiàn)在學生面前。該題型重點考查實驗的操作、陌生方程式的書寫、物質(zhì)的分離與提純、化學反應原理、實驗的評價以及計算等。流程圖的基本模型如圖2所示：

圖2 實驗流程圖模型

化學工藝流程圖中涉及的反應過程往往都比較復雜，需要對反應條件進行控制，學生對于如何控制反應條件掌握得不是很好，筆者現(xiàn)將一些相關內(nèi)容歸納為以下幾點：

(1)控制溫度在一定范圍內(nèi)

該操作的目的是避免溫度過低反應速率慢，同時也避免溫度過高引起如鹽酸、氨水等物質(zhì)的揮發(fā)；避免溫度過高引起如NH4HCO3、H2O2等物質(zhì)的分解；避免溫度過高引起過度的鹽類水解；避免溫度過高使可逆反應向吸熱反應方向移動；避免溫度過高發(fā)生副反應。

(2)如何調(diào)節(jié)溶液的pH

流程圖中調(diào)節(jié)溶液的pH的目的往往是使某些金屬離子轉(zhuǎn)化成沉淀進而分離。但在調(diào)節(jié)溶液的pH的過程中一定要注意不要引入新雜質(zhì)，如除去Cu2+中的Fe3+宜用CuO、Cu(OH)2、CuCO3等來調(diào)節(jié)溶液的pH，而不用NaOH或者氨水。

(3)如何從溶液中獲得晶體

對于單一溶質(zhì)的溶液，如果產(chǎn)品晶體中不含結(jié)晶水，實驗中往往采用的操作是蒸發(fā)結(jié)晶；如果產(chǎn)品晶體中含有結(jié)晶水，宜采用蒸發(fā)濃縮、冷卻結(jié)晶、過濾、洗滌、干燥等一系列操作來獲得晶體。對于含有兩種溶質(zhì)的溶液，且兩種溶質(zhì)的溶解度隨溫度變化的差異比較大時，可以采用重結(jié)晶的方法獲得兩種晶體，具體操作為：蒸發(fā)結(jié)晶、趁熱過濾(獲得溶解度變化小的晶體)、再冷卻結(jié)晶、過濾(獲得溶解度變化大的晶體)。

(4)用不同液體洗滌的目的

用水洗滌產(chǎn)品的目的是洗去產(chǎn)品表面的可溶性雜質(zhì)；用冷水或者乙醇溶液洗滌產(chǎn)品的目的是除去產(chǎn)品表面可溶性雜質(zhì)，同時減少產(chǎn)品因溶解而造成的損失；用乙醇洗滌產(chǎn)品的目的是洗去產(chǎn)品表面的水分，加速干燥。

3.應用模型，解決問題

學生應用好解題模型可以快速理解題意，理順解題思路，規(guī)范答題，提高解題的準確率。

【例1】(2020·全國卷Ⅲ·26節(jié)選)氯可形成多種含氧酸鹽，廣泛應用于殺菌、消毒及化工領域。實驗室中利用圖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中化學反應的離子方程式是____________________，采用冰水浴冷卻的目的是________。

(3)d的作用是____________，可選用試劑________(填標號)。

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

【答案】(1)圓底燒瓶 飽和食鹽水

(3)吸收尾氣(Cl2) AC

【解析】首先教師根據(jù)裝置類無機物制備的思維模型劃分出各個“工作區(qū)”，進行逐一分析：

圖4

氯氣的制備，是在圓底燒瓶中完成，故盛放MnO2粉末的儀器名稱是圓底燒瓶，a裝置的位置在發(fā)生裝置和制備產(chǎn)品的裝置之間，故為凈化裝置。而凈化包括除雜和干燥，由于b裝置內(nèi)為試管浸化水溶液中的反應，因此氯氣無需干燥，但需除去氯氣中的氯化氫氣體，則a裝置中盛裝的是飽和食鹽水。此處教師也可以鼓勵學生積極思考為什么要除去氯化氫氣體呢？引導學生通過觀察b裝置再結(jié)合元素化合物的性質(zhì)綜合分析，得出除去氯氣中的氯化氫氣體，有利于提高KOH的利用率和KClO3的產(chǎn)率的結(jié)論。由此得出a裝置的存在是非常必要的。對于b、c兩個裝置，學生在學習氯氣的性質(zhì)時應該知道氯氣與堿液反應在不同溫度時產(chǎn)物是不一樣的。溫度高時反應主要生成氯酸鹽，常溫或者溫度低時主要生成次氯酸鹽，再結(jié)合實驗目的學生不難得出b裝置是制取KClO3的，而c裝置是制取NaClO的。c裝置冰水浴的作用就是“避免生成NaClO3”。d裝置是實驗中多余氯氣的處理裝置，學生可以根據(jù)氯氣具有氧化性和與堿溶液反應的性質(zhì)選擇Na2S、Ca(OH)2作為吸收劑。

【例2】(2019·全國卷Ⅰ· 27節(jié)選)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5所示：

圖5

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小于0.5。

A

B

C

D

(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。

【答案】(1)堿煮水洗

(2)加快反應 熱水浴 C

(3)將Fe2+全部氧化為Fe3+；不引入雜質(zhì) 防止Fe3+水解

(4)加熱濃縮、冷卻結(jié)晶、過濾(洗滌)

【解析】教師還是根據(jù)流程圖類無機物制備的思維模型劃分出各個“工作區(qū)”，進行逐一分析：

圖6

(1)原料的預處理。為了提高鐵制品的抗氧化能力，需在其表面上涂抹保護層，用堿液浸泡廢鐵屑除去表面油污，有利于下一步鐵元素的溶解。

(2)分離鐵元素。學生利用元素及其化合物知識可知單質(zhì)鐵可以溶解于H2SO4，利用水浴加熱將溫度控制在80～95℃有利于提高溶解的速率，最后過濾可以得到以FeSO4為主要成分的濾液。

(3)制備硫酸鐵銨。利用綠色氧化劑H2O2將FeSO4氧化成Fe2(SO4)3，再加入(NH4)2SO4生成NH4Fe(SO4)2。

(4)獲得目標產(chǎn)物。由于產(chǎn)品還含有結(jié)晶水，所以采用加熱濃縮、冷卻結(jié)晶、過濾(洗滌)等操作獲得目標產(chǎn)品。

【例3】(2021·全國乙卷·27節(jié)選)氧化石墨烯具有穩(wěn)定的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，在能源、材料等領域有著重要的應用前景。通過氧化剝離石墨制備氧化石墨烯的一種方法如下(裝置如圖7所示)：

圖7

Ⅰ.將濃H2SO4、NaNO3、石墨粉末在c中混合，置于冰水浴中，劇烈攪拌下，分批緩慢加入KMnO4粉末，塞好瓶口。

Ⅱ.轉(zhuǎn)至油浴中，35℃攪拌1小時，緩慢滴加一定量的蒸餾水。升溫至98℃并保持1小時。

Ⅲ.轉(zhuǎn)移至大燒杯中，靜置冷卻至室溫。加入大量蒸餾水，而后滴加H2O2至懸濁液由紫色變?yōu)橥咙S色。

Ⅳ.離心分離，稀鹽酸洗滌沉淀。

Ⅴ.蒸餾水洗滌沉淀。

Ⅵ.冷凍干燥，得到土黃色的氧化石墨烯。

回答下列問題：

(2)步驟Ⅰ中，需分批緩慢加入KMnO4粉末并使用冰水浴，原因是________________________。

(3)步驟Ⅱ中的加熱方式采用油浴，不使用熱水浴，原因是________________________。

(4)步驟Ⅲ中，H2O2的作用是(以離子方程式表示)。

【答案】(2)反應放熱，防止反應過快

(3)反應溫度接近水的沸點，油浴更易控溫

【解析】建立思維模型

圖8

(1)原料預處理。緩慢加入KMnO4目的是避免反應過于劇烈難以控制。

(3)分離提純。利用離心機分離產(chǎn)物，再依次用稀鹽酸、蒸餾水洗滌沉淀，得到目標產(chǎn)物。