例談定量實(shí)驗(yàn)中的數(shù)據(jù)處理

安徽 湯 偉（特級(jí)教師）

例談定量實(shí)驗(yàn)中的數(shù)據(jù)處理

安徽 湯 偉（特級(jí)教師）

化學(xué)學(xué)科不僅注重定性實(shí)驗(yàn)研究，還特別注重定量實(shí)驗(yàn)的研究，針對(duì)定量實(shí)驗(yàn)，我們不僅需要掌握其實(shí)驗(yàn)的基本操作要點(diǎn)，把握如何測(cè)定相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，另外還要注意這些實(shí)驗(yàn)的基本計(jì)算和誤差分析，下面做一具體分析：

一、定量實(shí)驗(yàn)過程中數(shù)據(jù)的測(cè)定與計(jì)算技巧

1．沉淀法

先將某種成分轉(zhuǎn)化為沉淀，然后稱量純凈、干燥的沉淀的質(zhì)量，再進(jìn)行相關(guān)計(jì)算，如測(cè)定溶液中碳酸鈉中含量，可以通過轉(zhuǎn)化為碳酸鈣沉淀，通過測(cè)定碳酸鈣沉淀的質(zhì)量推算出碳酸鈉的量。

2．測(cè)氣體體積法

對(duì)于產(chǎn)生氣體的反應(yīng)，可以通過測(cè)定氣體體積的方法測(cè)定樣品純度。如測(cè)定純堿碳酸鈉的純度，我們可以通過加入酸，使其轉(zhuǎn)化為CO2氣體，通過測(cè)定CO2氣體，推算出純堿的純度。解答該類問題時(shí)，我們還要把握測(cè)定氣體常用的方法及其相關(guān)的裝置特點(diǎn)，下列裝置中，A是常規(guī)的量氣裝置，B、C、D是改進(jìn)后的裝置。

3．測(cè)氣體質(zhì)量法

將生成的氣體通入足量的吸收劑中，通過稱量實(shí)驗(yàn)前后吸收劑的質(zhì)量，求得所吸收氣體的質(zhì)量，然后進(jìn)行相關(guān)計(jì)算。如測(cè)定純堿碳酸鈉的純度，我們可以通過加入酸，使其轉(zhuǎn)化為CO2氣體，然后讓干燥的CO2氣體通過堿石灰吸收，通過質(zhì)量增加量推算純堿的量。

4．滴定法

即利用滴定操作原理，通過酸堿中和滴定、沉淀滴定和氧化還原反應(yīng)滴定等獲得相應(yīng)數(shù)據(jù)后再進(jìn)行相關(guān)計(jì)算。該方法涉及的計(jì)算在高考中屬于高頻考點(diǎn)，如2016年天津卷、浙江卷、新課標(biāo)卷等均涉及滴定的相關(guān)計(jì)算問題。

通過以上各種方測(cè)定出相關(guān)數(shù)據(jù)后，我們要學(xué)會(huì)正確的建立關(guān)系式（一般采用元素守恒，屬于氧化還原反應(yīng)的，還常常采用電子守恒），通過關(guān)系式，推算相關(guān)結(jié)論。

例1 （2016新課標(biāo)Ⅰ，27題節(jié)選）在化學(xué)分析中采用K2CrO4為指示劑，以AgNO3標(biāo)準(zhǔn)溶液滴定溶液中的Cl－，利用Ag＋與生成磚紅色沉淀，指示到達(dá)滴定終點(diǎn)。當(dāng)溶液中Cl－恰好完全沉淀（濃度等于1．0×10－5mol·L－1）時(shí)，溶液中c（Ag＋）為________mol·L－1，此時(shí)溶液中c（）等于________mol·L－1。（已知Ag2CrO4、AgCl的Ksp分別為2．0×10－12和2．0×10－10）。

分析：當(dāng)溶液中Cl－離子完全沉淀時(shí)，即Cl－濃度等于1．0×10－5mol·L－1時(shí)，c（Ag＋）＝Ksp（AgCl）/c（Cl－）＝2．0×10－10/1．0×10－5＝2．0×10－5；此時(shí)溶液中c（）＝Ksp（Ag2CrO4）/c2（Ag＋）＝2．0×10－12/（2．0×10－5）2＝5．0×10－3。

例2 （2016新課標(biāo)Ⅰ，28節(jié)選）“有效氯含量”可用來衡量含氯消毒劑的消毒能力，其定義是：每克含氯消毒劑的氧化能力相當(dāng)于多少克Cl2的氧化能力。NaClO2的有效氯含量為________。（計(jì)算結(jié)果保留兩位小數(shù)）

分析：每克NaClO2的物質(zhì)的量為＝mol，根據(jù)電子轉(zhuǎn)移數(shù)目相等可知，氯氣的物質(zhì)的量為，則氯氣的質(zhì)量為mol× 71g/mol＝1．57g。

例3 （2016新課標(biāo)Ⅰ，36節(jié)選）高錳酸鉀純度的測(cè)定：稱取1．080 0g樣品，溶解后定容于100mL容量瓶中，搖勻。取濃度為0．200 0mol·L－1的H2C2O4標(biāo)準(zhǔn)溶液20．00mL，加入稀硫酸酸化，用KMnO4溶液平行滴定三次，平均消耗的體積為24．48mL。該樣品的純度為______ __________（列出計(jì)算式即可，已知＋5H2C2O4＋ 6H＋2Mn2＋＋10CO2↑＋8H2O）。

解析：根據(jù)離子反應(yīng)方程式2MnO－4＋5H2C2O4＋ 6H＋2Mn2＋＋10CO2↑＋8H2O，可以得出高錳酸鉀與草酸的關(guān)系：2KMnO4→5H2C2O4，由此推理得出樣品的純度為。

二、定量實(shí)驗(yàn)中相關(guān)數(shù)據(jù)的處理與計(jì)算技巧

如何捕獲實(shí)驗(yàn)過程中的有用信息，其中實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與整理是一個(gè)行之有效的方法，在高考中具體的體現(xiàn)主要有：

1．?dāng)?shù)據(jù)表格化

該類試題的特點(diǎn)是通過多次分組實(shí)驗(yàn)或不同物質(zhì)的實(shí)驗(yàn)，得出不同組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，我們針對(duì)該數(shù)據(jù)，解題的關(guān)鍵點(diǎn)在于通過審題，獲取有用信息，然后對(duì)表格中數(shù)據(jù)進(jìn)行比較分析，依據(jù)物質(zhì)的性質(zhì)、變化規(guī)律，然后進(jìn)行解答。

例1 （2015新課標(biāo)卷Ⅱ，26）酸性鋅錳干電池是一種一次電池，外殼為金屬鋅，中間是碳棒，其周圍是有碳粉，二氧化錳，氯化鋅和氯化銨等組成的填充物，該電池在放電過程產(chǎn)生MnOOH，回收處理該廢電池可以得到多種化工原料，有關(guān)數(shù)據(jù)如下圖所示：

回答下列問題：

（1）該電池的正極反應(yīng)式為______________，電池反應(yīng)的離子方程式為________。

（2）維持電流強(qiáng)度為0．5A，電池工作五分鐘，理論消耗Zn________g。（已知F＝96 500C/mol）

（3）廢電池糊狀填充物加水處理后，過濾，濾液中主要有氯化鋅和氯化銨，兩者可以通過________分離回收，濾渣的主要成分是二氧化錳、________和______，欲從中得到較純的二氧化錳，最簡便的方法是_____________，其原理是_____________。

（4）用廢電池的鋅皮制作七水合硫酸鋅，需去除少量雜質(zhì)鐵，其方法是：加入新硫酸和雙氧水，溶解，鐵變?yōu)開_____；加堿調(diào)節(jié)pH為______，鐵剛好完全沉淀（離子濃度小于1×10－5mol/L時(shí)，即可認(rèn)為該離子沉淀完全）。繼續(xù)加堿調(diào)節(jié)pH為_____，鋅開始沉淀（假定Zn2＋濃度為0．1mol/L）。若上述過程不加雙氧水的后果是______，原因是________ ________。

答案：（1）MnO2＋e－＋H＋MnOOH Zn＋ 2MnO2＋2H＋Zn2＋＋2MnOOH （2）0．05 （3）加熱濃縮、冷卻結(jié)晶 鐵粉 MnOOH 在空氣中加熱 碳粉轉(zhuǎn)變?yōu)镃O2，MnOOH氧化為MnO2（4）Fe3＋2．7 6 Zn2＋和Fe2＋分離不開 Fe（OH）2和Zn（OH）2的Ksp相近

2．?dāng)?shù)據(jù)圖象化

圖象化是用直線圖或曲線圖對(duì)化學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)果加以處理的一種簡明化形式。它適用于一個(gè)量的變化引起另一個(gè)量的變化的情況。圖象化的最大特點(diǎn)是鮮明、直觀、簡單、明了。針對(duì)直角坐標(biāo)系題的解題關(guān)鍵點(diǎn)在于解題時(shí)要求學(xué)生首先弄清楚自變量和因變量到底是什么，注意理解起點(diǎn)、終點(diǎn)、轉(zhuǎn)折點(diǎn)的含義。然后根據(jù)所學(xué)知識(shí)分析概念、圖象、數(shù)值三者之間的關(guān)系。

例2 （2016新課標(biāo)Ⅱ，27節(jié)選）丙烯腈（CH2CHCN）是一種重要的化工原料，工業(yè)上可用“丙烯氨氧化法”生產(chǎn)，主要副產(chǎn)物有丙烯醛（CH2CHCHO）和乙腈（CH3CN）等?；卮鹣铝袉栴}：

（1）圖（a）為丙烯腈產(chǎn)率與反應(yīng)溫度的關(guān)系曲線，最高產(chǎn)率對(duì)應(yīng)的溫度為460℃。低于460℃時(shí)，丙烯腈的產(chǎn)率________（填“是”或“不是”）對(duì)應(yīng)溫度下的平衡產(chǎn)率，判斷理由是________________________________________；高于460℃時(shí)，丙烯腈產(chǎn)率降低的可能原因是________（雙選，填標(biāo)號(hào)）。

A．催化劑活性降低 B．平衡常數(shù)變大

C．副反應(yīng)增多 D．反應(yīng)活化能增大

（2）丙烯腈和丙烯醛的產(chǎn)率與n（氨）/n（丙烯）的關(guān)系如圖（b）所示。由圖可知，最佳n（氨）/n（丙烯）約為________，理由是_________________________________________________進(jìn)料氣：氨、空氣、丙烯的理論體積比約為________。

解析：（1）460℃以前，是建立平衡階段，所以溫度低于460℃，丙烯腈的產(chǎn)率不是對(duì)應(yīng)溫度下的平衡產(chǎn)率；針對(duì)該反應(yīng)為放熱反應(yīng)，所以達(dá)到平衡后，升高溫度，平衡會(huì)逆向移動(dòng)，平衡產(chǎn)率會(huì)降低；溫度較高，催化劑的活性會(huì)降低或失去活性，另外副反應(yīng)也會(huì)明顯增多，所以會(huì)造成丙烯腈的產(chǎn)率降低，即AC選項(xiàng)符合題意，升高溫度，因?yàn)槠胶饽嫦蛞苿?dòng)，平衡常數(shù)會(huì)減小，選項(xiàng)B錯(cuò)誤，溫度的改變不會(huì)影響反應(yīng)活化能的改變，所以選項(xiàng)D錯(cuò)誤。（3）根據(jù)提供的圖示可以得出，n（氨）/n（丙烯）約為1時(shí)，此時(shí)產(chǎn)物主要是丙烯腈，副產(chǎn)物幾乎沒有，是最佳比；根據(jù)化學(xué)反應(yīng)C3H6（g）＋NH3（g）＋3/2O2（g）C3H3N（g）＋3H2O（g），氨氣、氧氣、丙烯按2∶3∶2的體積比加入反應(yīng)達(dá)到最佳狀態(tài)，而空氣中氧氣約占20%，所以進(jìn)料氨、空氣、丙烯的理論體積約為2∶15∶2或1∶7．5∶1。

答案：（1）不是 該反應(yīng)為放熱反應(yīng)，平衡產(chǎn)率應(yīng)隨溫度升高而降低 AC

（2）1 該比例下丙烯腈產(chǎn)率最高，而副產(chǎn)物丙烯醛產(chǎn)率最低 1∶7．5∶1

（作者單位：安徽省靈璧中學(xué)）