探尋命題思路 把握解題規(guī)律
——化學(xué)實(shí)驗(yàn)綜合題的命題與解題剖析

吉林 趙鑫光 郝家琳

化學(xué)實(shí)驗(yàn)綜合題通常以真實(shí)的化學(xué)化工實(shí)驗(yàn)為背景，通過系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和完備的研究方法加以呈現(xiàn)。該試題因綜合程度高、命題素材廣、考查角度靈活等特點(diǎn)在高考中高頻出現(xiàn)。該試題主要考查學(xué)生對(duì)基本儀器的識(shí)別與應(yīng)用能力，物質(zhì)的制備、除雜與分離操作能力，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象分析能力，實(shí)驗(yàn)步驟的改進(jìn)和設(shè)計(jì)能力，語(yǔ)言描述、總結(jié)與評(píng)價(jià)能力以及數(shù)據(jù)處理能力等，具有較強(qiáng)的選拔功能。

近年來，化學(xué)實(shí)驗(yàn)綜合題常通過新穎的實(shí)驗(yàn)情境，要求考生根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮驮?，解決真實(shí)問題，將基礎(chǔ)知識(shí)、必備技能和研究方法與情境結(jié)合，體現(xiàn)了高考命題對(duì)“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”及“科學(xué)探究與創(chuàng)新意識(shí)”化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的考查。本文嘗試以“坎尼扎羅反應(yīng)”為例，對(duì)化學(xué)實(shí)驗(yàn)綜合題的命題與解題進(jìn)行簡(jiǎn)單剖析，希望對(duì)廣大一線教師有所幫助。

【反應(yīng)原理】

意大利化學(xué)家坎尼扎羅在1895年，通過用草木灰處理苯甲醛獲得了苯甲酸和苯甲醇，這個(gè)反應(yīng)通常稱為坎尼扎羅反應(yīng)。它是一個(gè)含醛基化合物的歧化反應(yīng)，其反應(yīng)原理是

該反應(yīng)過程中放出較大熱量。

【實(shí)驗(yàn)裝置】

本實(shí)驗(yàn)可能用到的實(shí)驗(yàn)裝置如圖所示：

a

b

c

d

【實(shí)驗(yàn)步驟】

①向儀器A中加入0.1 mol新蒸餾的呋喃甲醛，用冰水浴冷卻，向儀器B中加入8 mL 33%的NaOH溶液，在機(jī)械攪拌下，緩慢滴加氫氧化鈉溶液，控制反應(yīng)溫度為8～12℃，滴加完成后保持溫度在8～12℃，回流20 min，得到黏稠的黃色漿狀物。

②將儀器A中的產(chǎn)物倒入盛有約20 mL水的燒杯中，粗產(chǎn)品完全溶解，溶液呈暗紅色，將混合物倒入分液漏斗，用乙醚萃取4次，每次10 mL，合并醚層備用。

③向水層中分批加入25%鹽酸，調(diào)節(jié)至pH=3，冷卻結(jié)晶，過濾得到呋喃甲酸粗品(略帶黃色)。

④在醚層中加入適量無水硫酸鎂，振蕩?kù)o置，過濾后轉(zhuǎn)移至蒸餾裝置，采用水浴蒸出乙醚，繼續(xù)加熱蒸餾得到產(chǎn)品呋喃甲醇3.5 mL。

⑤將呋喃甲酸粗品，用適量水加熱溶解，停止加熱稍冷后加入0.2～0.3 g活性炭，繼續(xù)加熱煮沸3～5 min，趁熱減壓過濾，將濾液冷卻至室溫后，再用冰水浴冷卻，過濾，洗滌，80～85℃烘干，得到呋喃甲酸樣品4.8 g。

⑥呋喃甲酸純度的測(cè)定：取1.120 g呋喃甲酸樣品，配成溶液，并在100 mL容量瓶中定容備用。配制氫氧化鉀溶液，經(jīng)鄰苯二甲酸氫鉀標(biāo)定后，其濃度為0.080 0 mol·L-1。準(zhǔn)確量取20.00 mL呋喃甲酸溶液于錐形瓶中，滴加合適的指示劑，用標(biāo)定后的氫氧化鉀溶液滴定，平行滴定三次的數(shù)據(jù)如表1所示。

表1

【相關(guān)信息】

實(shí)驗(yàn)中可能用到的相關(guān)物質(zhì)的物理性質(zhì)如表2所示。

表2

【設(shè)問方向一：對(duì)實(shí)驗(yàn)原理的理解和分析】

(1)實(shí)驗(yàn)時(shí)要緩慢滴加氫氧化鈉溶液，其原因是________________。

(2)反應(yīng)過程中溫度要控制在8～12℃，溫度過高或過低對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響是________。

(3)步驟③中化學(xué)反應(yīng)的離子方程式為____________________________。

(4)配制的氫氧化鉀溶液需要標(biāo)定，其原因是________________。

【分析及參考答案】

(1) 由題干信息中“該反應(yīng)過程中放出較大熱量”可知該反應(yīng)為放熱反應(yīng)，滴加氫氧化鈉過快會(huì)使溫度升高，發(fā)生副反應(yīng)，影響產(chǎn)物的產(chǎn)率。

(2)溫度過高，會(huì)導(dǎo)致發(fā)生副反應(yīng)，使該反應(yīng)產(chǎn)率降低；溫度過低，反應(yīng)速率過慢，使連續(xù)滴加的NaOH聚集，一旦開始反應(yīng)溫度將無法控制。

(4)因氫氧化鉀固體會(huì)吸水，且配制溶液時(shí)氫氧化鉀會(huì)與空氣中的CO2反應(yīng)，造成溶液濃度不準(zhǔn)確，故滴定前應(yīng)該用基準(zhǔn)物進(jìn)行標(biāo)定，確定其準(zhǔn)確濃度。

(6)由甲醛、苯甲醛、呋喃甲醛的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)式可知，它們共同的特點(diǎn)是與醛基相連的碳原子上沒有氫原子，而乙醛中與醛基相連的碳原子上有氫原子，故能發(fā)生坎尼扎羅反應(yīng)的醛的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)為與醛基相連的碳原子上沒有氫原子(或無α-H的醛)。

【設(shè)問方向二：對(duì)實(shí)驗(yàn)儀器的辨識(shí)和選擇】

(7)裝置圖中，儀器A～G的名稱分別是A_________，B_________，C_________，D_________，E_________，F(xiàn)_________，G_________。

(8)與普通分液漏斗相比，儀器B的優(yōu)點(diǎn)是____________________________。

(9)在滴加氫氧化鈉的過程中，機(jī)械攪拌的目的是________________。

(10)水浴蒸餾乙醚時(shí)應(yīng)選用容積為________的圓底燒瓶。

A.25 mL B.50 mL C.100 mL D.250 mL

(11)步驟⑥中準(zhǔn)確稱量呋喃甲酸樣品應(yīng)使用的儀器是________。

【分析及參考答案】

(7)考查對(duì)基本化學(xué)儀器的辨識(shí)，故A為三頸燒瓶，B為恒壓滴液漏斗，C為球形冷凝管，D為溫度計(jì)，E為圓底燒瓶，F(xiàn)為直形冷凝管，G為錐形瓶。

(8)恒壓滴液漏斗與普通分液漏斗相比，有一個(gè)連通分液漏斗和反應(yīng)容器的恒壓管，它可以平衡氣壓，便于液體順利滴下，防止滴加的液體揮發(fā)損失，也可以防止漏斗中的液體與空氣中的氧氣、水蒸氣、二氧化碳等發(fā)生反應(yīng)而損失。

(9)根據(jù)反應(yīng)原理和各物質(zhì)的物理性質(zhì)，氫氧化鈉溶液與呋喃甲醛不互溶，該反應(yīng)在兩相中進(jìn)行，機(jī)械攪拌可以增大兩相的接觸面積，加快反應(yīng)速率。

(11)步驟⑥中稱量呋喃甲酸的質(zhì)量需要精確到0.001 g，故選擇的儀器應(yīng)該為電子天平或分析天平。

【設(shè)問方向三：對(duì)實(shí)驗(yàn)試劑的選取和使用】

(12)實(shí)驗(yàn)中應(yīng)使用新蒸餾的呋喃甲醛，其原因是________________。

(13)步驟②中選用乙醚作為萃取劑的原因是________________。

(14)步驟④中無水硫酸鎂的作用是________，

其作用原理為________，蒸餾醚層獲取呋

喃甲醇前必須過濾的原因是________________。

(15)滴定過程中使用的指示劑是____________，其原因是________。

其滴定至終點(diǎn)的現(xiàn)象是________。

【分析及參考答案】

(12)根據(jù)題干信息中呋喃甲醛的性質(zhì)“在空氣中易被氧化變色”，可得出：久置的呋喃甲醛會(huì)被空氣中的氧氣氧化為呋喃甲酸，而使反應(yīng)物不純。

(13)本題考查萃取劑的選用原則，選用乙醚作萃取劑的原因?yàn)橐韵氯c(diǎn)：①乙醚與水不互溶；②呋喃甲醇在乙醚中溶解度比在水中大；③呋喃甲醇與乙醚不反應(yīng)。

(14)本題考查無水鹽作為干燥劑的原理，無水硫酸鎂的作用是除去有機(jī)物中少量的水，其原理是無水硫酸鎂可與游離水形成結(jié)晶水合物從而將水除去；因結(jié)晶水合物不穩(wěn)定會(huì)受熱分解出水蒸氣，與產(chǎn)物同時(shí)蒸出，導(dǎo)致產(chǎn)物不純，故蒸餾前必須過濾。

(15)本題考查酸堿中和滴定時(shí)指示劑的選擇，使用的指示劑是酚酞溶液，其原因是呋喃甲酸鉀是一個(gè)強(qiáng)堿弱酸鹽，達(dá)到滴定終點(diǎn)時(shí)溶液顯堿性，故使用酚酞試劑作為指示劑可以減少滴定終點(diǎn)的誤差。滴定終點(diǎn)的判斷方法是滴入最后一滴氫氧化鉀標(biāo)準(zhǔn)溶液后，錐形瓶?jī)?nèi)溶液的顏色由無色變?yōu)闇\紅色且半分鐘內(nèi)不恢復(fù)。

【設(shè)問方向四：對(duì)實(shí)驗(yàn)步驟、現(xiàn)象的理解和解釋】

(16)步驟①中，在反應(yīng)過程中控制反應(yīng)溫度在8～12℃之間的方法是________。

(17)步驟②中得到的暗紅色液體，用乙醚萃取后得到的物質(zhì)是________(寫名稱和結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)式)。每次分液時(shí)，乙醚層應(yīng)該從分液漏斗的________(填“上口”或“下口”)倒出。

(18)步驟④中，水浴蒸餾乙醚時(shí)，尾接管(牛角管)的m端口應(yīng)連接橡膠管并深入到水槽底部，其目的是________________________；在開始加熱前應(yīng)先________，再開始加熱，判斷乙醚已經(jīng)蒸餾完全的依據(jù)是________________。

(19)步驟⑤中，提純呋喃甲酸的方法為________(填方法名稱)，加入活性炭的目的是________________。如未停止加熱，直接加入活性炭可能導(dǎo)致的后果是________。

活性炭的用量應(yīng)有所控制，若加入過量活性炭可能導(dǎo)致的后果是________________。

(20)步驟⑤中，濾液冷卻至室溫后，繼續(xù)冰水浴冷卻的目的是________________；烘干溫度為80～85℃，溫度過高可能造成的后果是________________。

【分析及參考答案】

(16)該反應(yīng)放熱，如想控制反應(yīng)溫度，應(yīng)該將三頸燒瓶適當(dāng)浸在冰水浴中，保證反應(yīng)溫度在8～12℃之間。

(18)乙醚沸點(diǎn)較低，且與空氣混合后遇明火會(huì)燃燒，故應(yīng)將牛角管的m端口連接橡膠管并深入到水槽底部，其目的是減少乙醚揮發(fā)到空氣中，與空氣混合遇明火爆炸；蒸餾操作的順序是先通入冷凝水，再開始加熱；當(dāng)牛角管末端無液體滴出或溫度計(jì)示數(shù)略有下降后繼續(xù)上升時(shí)可表明乙醚已經(jīng)蒸餾完全。

(19)根據(jù)步驟⑤中的描述，該提純方法為重結(jié)晶；活性炭具有多孔性，其作用是對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行脫色；活性炭的孔道中吸附有氣體，若未停止加熱直接加入活性炭會(huì)使吸附的氣體瞬間受熱膨脹，引起暴沸造成危險(xiǎn)；由于活性炭的吸附性是沒有選擇性的，故加入活性炭過多會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品被活性炭吸附，降低產(chǎn)量。

(20)因呋喃甲酸的溶解度隨溫度降低而減小，故冷卻至室溫后，繼續(xù)冰水浴冷卻的目的是降低呋喃甲酸的溶解度，盡可能多的獲得產(chǎn)品，增大產(chǎn)率；根據(jù)題干中信息，呋喃甲酸超過100℃干燥容易升華，造成產(chǎn)率降低。

【設(shè)問方向五：對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析和處理】

(21)簡(jiǎn)述如何量取0.1 mol呋喃甲醛？

________。

(22)由實(shí)驗(yàn)相關(guān)信息和數(shù)據(jù)可計(jì)算出

①呋喃甲酸的純度為________；

②呋喃甲酸的產(chǎn)率為________；

③呋喃甲醇的產(chǎn)率為________(計(jì)算結(jié)果均保留三位有效數(shù)字)。

【分析及參考答案】

(21)根據(jù)表格信息，經(jīng)過計(jì)算，0.1 mol呋喃甲醛的體積為0.1×96÷1.16 mL=8.28 mL，應(yīng)該使用10 mL量筒量取8.3 mL呋喃甲醛液體。

【設(shè)問方向六：對(duì)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案的改進(jìn)和創(chuàng)新】

(23)乙醚完全蒸出后若采用常壓蒸餾呋喃甲醇，繼續(xù)加熱前應(yīng)將蒸餾裝置(如圖b所示)中的________(填儀器名稱)換成________(填儀器名稱)，若無對(duì)應(yīng)儀器進(jìn)行更換，一個(gè)簡(jiǎn)單的操作是________，

加熱到達(dá)所需溫度前，應(yīng)將________(填儀器編號(hào))更換為另一干凈的相同儀器，收集________℃的餾分可得到產(chǎn)品。

(24)蒸餾呋喃甲醇時(shí)也可以采用減壓蒸餾裝置(如圖c所示)，H是一根毛細(xì)玻璃管，其作用是________；

減壓蒸餾的作用是________。

(25)趁熱減壓過濾裝置如圖d所示，將n端接入真空泵，減壓過濾和常壓過濾相比其優(yōu)點(diǎn)是________；

趁熱減壓過濾的目的是____________________；趁熱減壓過濾需要使用雙層濾紙，因在過濾過程中單層濾紙容易破裂，其原因是________。

【分析及參考答案】

(23)呋喃甲醇的沸點(diǎn)為171℃，當(dāng)液體的沸點(diǎn)超過140℃時(shí)，為防止冷凝管炸裂，應(yīng)將直形冷凝管換成空氣冷凝管；若沒有空氣冷凝管，應(yīng)停止向直形冷凝管中通水，并將冷凝管中殘留的水排盡后用作空氣冷凝使用；接收餾分前應(yīng)更換新的干凈的錐形瓶，以確保收集的餾分純凈；呋喃甲醇的沸點(diǎn)為171℃，故收集產(chǎn)品時(shí)溫度計(jì)示數(shù)應(yīng)為171℃。

(24)本題考查的是減壓蒸餾的基本原理，毛細(xì)玻璃管的作用是提供氣化中心；因?yàn)橐后w的沸點(diǎn)隨壓強(qiáng)的減小而降低，故減壓蒸餾的作用是在較低溫度下蒸餾出沸點(diǎn)較高的餾分，防止溫度過高造成有機(jī)物分解。

(25)減壓過濾的原理是減小抽濾瓶中的壓強(qiáng)，在大氣壓的作用下，將液體快速過濾，故與常壓過濾相比，其優(yōu)點(diǎn)是加快過濾速度；趁熱減壓過濾的目的是需要分別進(jìn)行考慮的：趁熱是為了防止產(chǎn)物在過濾時(shí)析出，影響產(chǎn)量，而減壓是為了加快過濾速度，過濾是為了除去不溶性的雜質(zhì)；使用雙層濾紙是因?yàn)楦邷叵滤嵝匀芤簩?duì)濾紙有較強(qiáng)腐蝕作用，若使用單層濾紙容易造成透濾。

縱觀歷年高考化學(xué)實(shí)驗(yàn)綜合題，雖呈現(xiàn)方式可能不盡相同，但考查的核心知識(shí)相對(duì)穩(wěn)定。內(nèi)容上一般以物質(zhì)的制備、性質(zhì)的探究等為載體，主要考查化學(xué)方程式的書寫、實(shí)驗(yàn)基本操作的描述和實(shí)驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)優(yōu)化等。命題選取的反應(yīng)原理既源于教材又高于教材；試題考查要求重視對(duì)實(shí)驗(yàn)基本操作和基本能力的考查，將實(shí)驗(yàn)方法滲透于試題中，增加對(duì)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)的考查力度；設(shè)問上具有由易到難的梯度，既有對(duì)教材知識(shí)的考查，又有對(duì)實(shí)驗(yàn)綜合內(nèi)容的考查。針對(duì)高考試題，教師引導(dǎo)學(xué)生備考時(shí)要注重解決問題或解題的思維模型，注重尋找原理依據(jù)，掌握基本方法，分析思路過程，注重對(duì)語(yǔ)言描述等幾個(gè)方面的訓(xùn)練，以求在備考過程中達(dá)到事半功倍的效果。