高考實(shí)驗(yàn)題設(shè)計(jì)的新趨勢(shì)：變量控制與證據(jù)推理

新高考的主要目的是評(píng)價(jià)學(xué)生化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的發(fā)展?fàn)顩r和學(xué)業(yè)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的達(dá)成程度，這是有別于傳統(tǒng)高考的重要特征。運(yùn)用變量控制和證據(jù)推理設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)題，能很好地考查證據(jù)推理、創(chuàng)新意識(shí)的化學(xué)核心素養(yǎng)的發(fā)展?fàn)顩r，是高考實(shí)驗(yàn)題設(shè)計(jì)的新趨勢(shì)。

一、運(yùn)用堿性變量設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)題，落實(shí)證據(jù)推理化學(xué)核心素養(yǎng)的考查

【例1】（2022年北京高考題）某小組同學(xué)探究不同條件下氯氣與二價(jià)錳化合物的反應(yīng)。

資料：i．Mn2+在一定條件下被Cl2或ClO-氧化成MnO2（棕黑色）、MnO42-（綠色）、MnO4-（紫色）。

ii．濃堿條件下，MnO4-可被OH-還原為MnO42-。

iii．Cl2的氧化性與溶液的酸堿性無(wú)關(guān)，NaClO的氧化性隨堿性增強(qiáng)而減弱。

實(shí)驗(yàn)裝置如圖1（夾持裝置略）

序號(hào) 物質(zhì)a C中實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象

通入Cl2前 通入Cl2后

I 水 得到無(wú)色溶液 產(chǎn)生棕黑色沉淀，且放置后不發(fā)生變化

II 5%NaOH

溶液 產(chǎn)生白色沉淀，在空氣中緩慢變成棕黑色沉淀 棕黑色沉淀增多，放置后溶液變?yōu)樽仙?，仍有沉?/p>

III 40%NaOH

溶液 產(chǎn)生白色沉淀，在空氣中緩慢變成棕黑色沉淀 棕黑色沉淀增多，放置后溶液變?yōu)樽仙?，仍有沉?/p>

（1）B中試劑是___________。

（2）通入Cl2前，II、III中沉淀由白色變?yōu)楹谏幕瘜W(xué)方程式為___________。

（3）對(duì)比實(shí)驗(yàn)I、II通入Cl2后的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，對(duì)于二價(jià)錳化合物還原性的認(rèn)識(shí)是___________。

（4）根據(jù)資料ii，III中應(yīng)得到綠色溶液，實(shí)驗(yàn)中得到紫色溶液，分析現(xiàn)象與資料不符的原因。

原因一：可能是通入Cl2導(dǎo)致溶液的堿性減弱。

原因二：可能是氧化劑過(guò)量，氧化劑將MnO42-氧化為MnO4-。

①化學(xué)方程式表示可能導(dǎo)致溶液堿性減弱的原因___________，但通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)定溶液的堿性變化很小。

②取III中放置后的1 mL懸濁液，加入4 mL40%NaOH溶液，溶液紫色迅速變?yōu)榫G色，且綠色緩慢加深。溶液紫色變?yōu)榫G色的離子方程式為___________，溶液綠色緩慢加深，原因是MnO2被___________（填化學(xué)式）氧化，可證明III的懸濁液中氧化劑過(guò)量。

③取II中放置后的1 mL懸濁液，加入4 mL水，溶液紫色緩慢加深，發(fā)生的反應(yīng)是___________。

④從反應(yīng)速率的角度，分析實(shí)驗(yàn)III未得到綠色溶液的可能原因___________。

【解析】（1）高錳酸鉀與鹽酸反應(yīng)制備氯氣時(shí)，有氯化氫揮發(fā)出來(lái)，B中盛飽和食鹽水，吸收Cl2中的HCl氣體，防止HCl影響氯氣與二價(jià)錳化合物反應(yīng)的探究。

（2）通入Cl2前，II、III中均加入了NaOH溶液，Mn2+與OH-反應(yīng)產(chǎn)生Mn（OH）2白色沉淀，根據(jù)“白色沉淀在空氣中緩慢變成棕黑色沉淀”推理判斷出Mn（OH）2被空氣中的氧氣氧化為MnO2：2Mn（OH）2+O2=2MnO2+2H2O。

（3）對(duì)比實(shí)驗(yàn)I、II發(fā)現(xiàn)，二者堿性不同（II加了NaOH）。實(shí)驗(yàn)I不加NaOH，則二價(jià)錳（MnSO4）不能被空氣中的氧氣氧化；實(shí)驗(yàn)II加了NaOH，則二價(jià)錳[Mn（OH）2]能被空氣中的氧氣氧化，即“二價(jià)錳化合物還原性隨溶液的堿性增強(qiáng)而增強(qiáng)”。

（4）①可能導(dǎo)致溶液堿性減弱的原因是Cl2與燒堿溶液中的OH-反應(yīng)使c（OH-）減小：Cl2+2OH-=Cl-+ClO-+H2O。

②實(shí)驗(yàn)III通入氯氣后“棕黑色沉淀增多，放置后溶液變?yōu)樽仙?，仍有沉淀”的證據(jù)推理過(guò)程為：根據(jù)資料iii “Cl2的氧化性與溶液的酸堿性無(wú)關(guān)，NaClO的氧化性隨堿性增強(qiáng)而減弱”判斷，通入堿性氫氧化錳懸濁液中的氯氣，如果接觸氫氧根就反應(yīng)生成次氯酸根和氯離子，如果接觸二氧化錳就將二氧化錳氧化紫色高錳酸根，結(jié)合①知通入氯氣后“通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)定溶液的堿性變化很小”進(jìn)一步推知，強(qiáng)堿性環(huán)境中次氯酸根氧化性減弱，不能氧化二氧化錳沉淀，綜上所述，“III中放置后的懸濁液”仍然顯強(qiáng)堿性，沉淀MnO2、紫色MnO4-、氧化劑ClO-可以共存。

“溶液紫色迅速變?yōu)榫G色”的證據(jù)推理過(guò)程為：“加入 4mL40%NaOH溶液”使“III中放置后的1 mL懸濁液”堿性增大，結(jié)合資料ii“濃堿條件下MnO4-被OH-還原為MnO42-”判斷“堿性增大導(dǎo)致紫色MnO4-被OH-還原為綠色MnO42-：4 MnO4-+4OH-=4 MnO42-+O2↑+2H2O。

“且綠色緩慢加深”的證據(jù)推理過(guò)程為：隨著紫色高錳酸根被氫氧根還原為綠色錳酸根，消耗氫氧根導(dǎo)致氫氧根離子濃度減小，次氯酸根的氧化性增強(qiáng)，將二氧化錳沉淀氧化為綠色錳酸根，錳酸根濃度增大，所以“綠色緩慢加深”，也可證明III的懸濁液中氧化劑（次氯酸根）過(guò)量。

③“II中放置后的懸濁液”的成分與“III中放置后的懸濁液”相似，也是“顯強(qiáng)堿性，沉淀MnO2、紫色MnO4-、氧化劑ClO-可以共存”。“溶液紫色緩慢加深”的證據(jù)推理過(guò)程為：“加入4 mL水”，因?yàn)橄♂寣?dǎo)致“II中放置后的

1 mL懸濁液”中氫氧根離子濃度減小，堿性減弱， ClO-氧化性增強(qiáng)，將MnO2氧化為紫色MnO4-，高錳酸根離子逐漸增大，溶液紫色緩慢加深：3ClO-+2MnO2+2OH-=2MnO4-+3Cl-+ H2O。

④由③中的“溶液紫色緩慢加深”反應(yīng)“3ClO-+2MnO2+ 2OH-=2 MnO4-+3Cl-+H2O”判斷，堿性環(huán)境中次氯酸根的氧化性大于高錳酸根，由此推理出從反應(yīng)速率的角度，實(shí)驗(yàn)III未得到綠色溶液的可能原因是“ClO-將MnO42-氧化為MnO4-的速率大于MnO4-被OH-還原為MnO42-的速率”。

【答案】（1）飽和食鹽水

（2）2Mn（OH）2+O2=2MnO2+2H2O

（3）（二價(jià)錳化合物還原性）隨堿性增強(qiáng)而增強(qiáng)（或二價(jià)錳化合物在中性或弱酸性條件下只能被氧化到MnO2，在堿性條件下可以被氧化到更高價(jià)態(tài)）

（4）①Cl2+2OH-=Cl-+ClO-+H2O

②4 MnO4-+4OH-=4MnO42-+O2↑+2H2O ClO-（或NaClO）

③3ClO-+2MnO2+2OH-=2MnO4-+3Cl-+H2O

④c（OH-）和c（ClO-）均很大時(shí)，ClO-將MnO42-氧化為MnO4-的速率大于MnO4-被OH-還原為MnO42-的速率

【點(diǎn)評(píng)】本題的自變量是堿性強(qiáng)弱（氫氧根離子濃度大?。?，因變量是“堿性強(qiáng)二價(jià)錳化合物還原性強(qiáng)”和“NaClO氧化性隨堿性增強(qiáng)而減小”。推理的證據(jù)是實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象、題干給出的信息及所學(xué)中學(xué)化學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)。由于變量控制可以讓考生動(dòng)態(tài)認(rèn)識(shí)化學(xué)反應(yīng)，證據(jù)推理可以提高考生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)倪壿嬎季S能力和準(zhǔn)確的文字表達(dá)能力，因此利用變量控制和證據(jù)推理設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)題是新高考命題的必然趨勢(shì)。

二、運(yùn)用操作變量設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)題，落實(shí)探究創(chuàng)新化學(xué)核心素養(yǎng)的考查

【例2】某實(shí)驗(yàn)小組同學(xué)為探究不同操作配制的銀氨溶液中的主要成分，采用如圖2裝置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，已知電導(dǎo)率傳感器是測(cè)量溶液中電荷流動(dòng)難易程度的傳感器。

（1）寫出儀器a的名稱________________________。

（2）實(shí)驗(yàn)一，用注射器向25 mL蒸餾水和15 mL 0.12 mol/LAgNO3混合后的溶液中，滴加1.2 mol/L氨水，測(cè)得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖3，滴至A點(diǎn)時(shí)加入的氨水共4.5 mL。由M到A反應(yīng)過(guò)程電導(dǎo)率減小的原因是：溶液中自由移動(dòng)離子數(shù)目不變、溶液的________________增大、溶液的____________________減小。

（3）實(shí)驗(yàn)二，用注射器向15 mL0.12 mol/LAgNO3溶液中滴加1.2 mol/L氨水至O點(diǎn)，過(guò)濾，洗滌沉淀的操作為____________________________，向沉淀中繼續(xù)加入3.0mL 氨水時(shí)電導(dǎo)率最大，此過(guò)程離子方程式為__________________________________，應(yīng)加入________mL蒸餾水，再測(cè)定溶液pH。

（4）若實(shí)驗(yàn)二最終pH為12.6，上述實(shí)驗(yàn)過(guò)程判斷實(shí)驗(yàn)一所得銀氨溶液的溶質(zhì)是[Ag（NH3）2]NO3和NH3·H2O的實(shí)驗(yàn)證據(jù)是______________________，利用化學(xué)反應(yīng)和計(jì)算判斷實(shí)驗(yàn)一銀氨溶液成分是[Ag（NH3）2]NO3和NH3·H2O的推理過(guò)程：_________________________________。

【解析】（1）儀器a的名稱是三頸燒瓶或三口燒瓶。

（2）MO段發(fā)生的反應(yīng)是：AgNO3+ NH3·H2O = AgOH↓+NH4NO3，Ag+物質(zhì)的量等于生成+物質(zhì)的量，故溶液中自由移動(dòng)離子數(shù)目不變，但溶液體積增大，自由移動(dòng)離子濃度減小，電導(dǎo)率減小。

（3）洗滌沉淀的操作為：向過(guò)濾器中注入蒸餾水，直至沒(méi)過(guò)沉淀，待水自然流出后，重復(fù)上述操作兩到三次。此過(guò)程是AgOH沉淀溶于氨水（弱堿）生成強(qiáng)電解質(zhì)[Ag（NH3）2]OH（氫氧化二氨合銀），反應(yīng)的離子方程式為AgOH+2NH3·H2O=[Ag（NH3）2]++OH-+2H2O；兩個(gè)實(shí)驗(yàn)的變量是“過(guò)濾”：實(shí)驗(yàn)二“過(guò)濾”，實(shí)驗(yàn)一“不過(guò)濾，所以兩個(gè)實(shí)驗(yàn)反應(yīng)后溶液的總體積應(yīng)該相同，均為44.5 mL，實(shí)驗(yàn)二應(yīng)加入蒸餾水44.5 mL-3.0 mL =41.5 mL。

（4）“實(shí)驗(yàn)二最終pH為12.6”是因?yàn)檫^(guò)濾出的AgOH溶于氨水生成強(qiáng)電解質(zhì)[Ag（NH3）2]OH：[Ag（NH3）2]OH= [Ag（NH3）2]++ OH-，溶液中的陰離子是OH-。當(dāng)實(shí)驗(yàn)一溶

液的體積為44.5 mL時(shí)，pH=10.82，兩個(gè)實(shí)驗(yàn)溶液體積均為44.5 mL時(shí)，實(shí)驗(yàn)二的c（OH-）明顯大于實(shí)驗(yàn)一的，據(jù)此可推

斷；實(shí)驗(yàn)一所得銀氨溶液的溶質(zhì)是[Ag（NH3）2]NO3 和NH3·H2O；推理過(guò)程為：實(shí)驗(yàn)依次發(fā)生的反應(yīng)是：AgNO3+ NH3·H2O =AgOH+NH4NO3、AgOH+NH4NO3+ NH3·H2O=[Ag（NH3）2]NO3+2H2O，總反應(yīng)為：AgNO3+

2NH3·H2O=[Ag（NH3）2]NO3+2H2O，[Ag（NH3）2]NO3顯中性，反應(yīng)后NH3·H2O過(guò)量，n（NH3·H2O）=1.2 mol/L×4.5×10-3? L-

15×10-3 L×0.12 mol/L×2 =1.8×10-3 mol，過(guò)量的弱堿氨水使溶液的pH=10.82。

【答案】（1）三頸燒瓶（或三口燒瓶）

（2）體積 自由移動(dòng)離子濃度

（3）向過(guò)濾器中注入蒸餾水，直至沒(méi)過(guò)沉淀，待水自然流出后，重復(fù)上述操作兩到三次 AgOH+2NH3·H2O= [Ag（NH3）2]++OH-+2H2O 41.5

（4） pH=10.82 實(shí)驗(yàn)依次發(fā)生的反應(yīng)是：AgNO3+ NH3·H2O=AgOH↓+NH4NO3、AgOH+NH4NO3+ NH3·H2O=[Ag（NH3）2]NO3+2H2O，總反應(yīng)為：AgNO3+

2NH3·H2O=[Ag（NH3）2]NO3+2H2O，[Ag（NH3）2]NO3顯中性，反應(yīng)后NH3·H2O過(guò)量，n（NH3·H2O）=1.2mol/L×4.5×10-3L-15×10-3L×0.12mol/L×2 =1.8×10-3mol，過(guò)量的弱堿氨水使溶液的pH=10.82。

【點(diǎn)評(píng)】新課標(biāo)“素養(yǎng)4 科學(xué)探究與創(chuàng)新意識(shí)”明確要求考生“敢于質(zhì)疑，勇于創(chuàng)新”。本題通過(guò)實(shí)驗(yàn)操作變量是否過(guò)濾，探究得出不過(guò)濾時(shí)銀氨溶液的成分是硝酸二氨合銀和過(guò)量的氨水，過(guò)濾時(shí)銀氨溶液的成分是氫氧化二氨合銀，很好地落實(shí)了“敢于質(zhì)疑，勇于創(chuàng)新”的新課標(biāo)要求。