高考化學(xué)實(shí)驗(yàn)題的創(chuàng)新設(shè)計(jì)和解題策略

王方 李鳳

【摘要】化學(xué)是以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的科學(xué)，無論是在平時(shí)的教學(xué)中，還是在高考題中，實(shí)驗(yàn)都占據(jù)著舉足輕重的位置。近年來的高考化學(xué)實(shí)驗(yàn)題更加注重創(chuàng)新性和獨(dú)特性，重點(diǎn)考查考生的知識掌握情況和化學(xué)核心素養(yǎng)。本文結(jié)合最新的高考實(shí)驗(yàn)題，對該類題型的創(chuàng)新點(diǎn)和解題策略進(jìn)行深入分析，并總結(jié)一些特點(diǎn)和規(guī)律。

【關(guān)鍵詞】高考化學(xué)? ?實(shí)驗(yàn)題? ?創(chuàng)新設(shè)計(jì)? ?解題策略

【中圖分類號】G633.8【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A【文章編號】1992-7711（2020）27-169-02

實(shí)驗(yàn)是高中化學(xué)知識學(xué)習(xí)的有效方法，也是化學(xué)試題的良好載體。2020年《考試大綱》中強(qiáng)調(diào)高考更加注重化學(xué)學(xué)科的特質(zhì)、認(rèn)識問題的視角以及化學(xué)學(xué)科獨(dú)有的思想和方法，會增加題目的思考容量，更能體現(xiàn)考生的學(xué)習(xí)潛能、靈活運(yùn)用所學(xué)知識解決實(shí)際問題的能力?？v觀近幾年的全國及地方高考題，實(shí)驗(yàn)題的考察逐步趨向于往“新情境”、“新儀器”、“新內(nèi)容”等創(chuàng)新的方向發(fā)展，因此不僅要求學(xué)生掌握基本的化學(xué)理論知識、實(shí)驗(yàn)操作技能和基本方法，還要求學(xué)生能夠舉一反三，從課本上的內(nèi)容出發(fā)，進(jìn)行合理的知識遷移和重組，突破題目的創(chuàng)新點(diǎn)，方能順利地解決問題。本文以2020年全國及地方高考化學(xué)卷的實(shí)驗(yàn)題為例，詳細(xì)分析了題目中的創(chuàng)新設(shè)計(jì)和解題策略。

一、實(shí)驗(yàn)原理探究的創(chuàng)新

【創(chuàng)新設(shè)計(jì)】采用電化學(xué)裝置探究不同物質(zhì)氧化性或還原性的相對強(qiáng)弱，利用原電池中電子的轉(zhuǎn)移方向來判斷電子的得失情況。

【解題策略】本題區(qū)別于傳統(tǒng)的“以強(qiáng)制弱”的判斷方法，利用原電池原理探究不同化合價(jià)鐵的氧化還原能力，需要考生能夠從氧化性和還原性的本質(zhì)出發(fā)，從得失電子的難易程度來進(jìn)行分析，才能得出正確結(jié)論。在上述原電池裝置中，左邊燒杯中有鐵電極及FeSO4溶液，由（3）知電流表顯示電子由鐵電極流向石墨電極，說明左邊燒杯中為負(fù)極即失電子的極，由（4）知一段時(shí)間后鐵電極溶液中c（Fe2+）增加了0.02mol/L，說明負(fù)極電極反應(yīng)為Fe -2e-= Fe2+，由此說明Fe的失電子能力強(qiáng)于溶液中的Fe2+，即還原性強(qiáng)于Fe2+;右邊燒杯中為正極即得電子的極，由（4）知石墨電極上未見Fe析出，即Fe2+未得電子，得電子的是Fe3+，因此電極反應(yīng)為Fe3++e-=Fe2+，說明Fe3+的得電子能力要強(qiáng)于溶液中的Fe2+，即氧化性強(qiáng)于Fe2+，從而得出第（5）問的正確答案。

二、實(shí)驗(yàn)過程和方法的創(chuàng)新

請回答：

（1）步驟Ⅰ單向閥的作用是? ? ? ? ? ? ;裝置C中的反應(yīng)混合溶液pH過高或過低將導(dǎo)致產(chǎn)率降低，原因是? ? ? ? ? ? 。

【創(chuàng)新設(shè)計(jì)】利用單向閥實(shí)現(xiàn)防倒吸的目的，操作簡單易行;利用pH計(jì)監(jiān)測反應(yīng)體系的pH，防止pH過高或過低，保證實(shí)驗(yàn)的成功率。

【解題策略】本題利用一系列的反應(yīng)制備Na2S2O3·5H2O，需要制備并吸收利用SO2氣體，從安全性的角度考慮，考生要聯(lián)想到防倒吸這一關(guān)鍵性的操作，但題中沒有采用傳統(tǒng)的懸空式、肚容式、儲液安全瓶式等傳統(tǒng)的防倒吸裝置，而是將氣體通過單向閥通入反應(yīng)液中，結(jié)合單向閥的特性，不難想到單向閥的主要作用是防倒吸;同時(shí)在反應(yīng)裝置中采用pH計(jì)來監(jiān)測反應(yīng)溶液的pH，因此pH過高或過低都可能會對反應(yīng)產(chǎn)生不利的影響，結(jié)合題目中的已知條件可知，pH過高時(shí)，即通入SO2氣體較少，可能會導(dǎo)致反應(yīng)物Na2CO3、Na2S反應(yīng)不充分，pH過低時(shí)，即通入SO2過多時(shí)，需考慮到硫代硫酸鈉酸性條件下不穩(wěn)定易歧化生成SO2和S的特性進(jìn)行回答。

三、產(chǎn)品純化處理的創(chuàng)新

例3 【2020全國Ⅱ卷節(jié)選】苯甲酸可用作食品防腐劑。實(shí)驗(yàn)室可通過甲苯氧化制苯甲酸，其反應(yīng)原理簡示如下：

實(shí)驗(yàn)步驟：

（1）在裝有溫度計(jì)、冷凝管和攪拌器的三頸燒瓶中加入1.5 mL甲苯、100 mL水和4.8 g（約0.03 mol）高錳酸鉀，慢慢開啟攪拌器，并加熱回流至回流液不再出現(xiàn)油珠。

（2）停止加熱，繼續(xù)攪拌，冷卻片刻后，從冷凝管上口慢慢加入適量飽和亞硫酸氫鈉溶液，并將反應(yīng)混合物趁熱過濾，用少量熱水洗滌濾渣。合并濾液和洗滌液，于冰水浴中冷卻，然后用濃鹽酸酸化至苯甲酸析出完全。將析出的苯甲酸過濾，用少量冷水洗滌，放在沸水浴上干燥。稱量，粗產(chǎn)品為1.0 g.

回答問題：

（3）加入適量飽和亞硫酸氫鈉溶液的目的是? ? ? ? ? ? ?;該步驟亦可用草酸在酸性條件下處理，請用反應(yīng)的離子方程式表達(dá)其原理? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?。

（4）“用少量熱水洗滌濾渣”一步中濾渣的主要成分是? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?。

（5）干燥苯甲酸晶體時(shí)，若溫度過高，可能出現(xiàn)的結(jié)果是? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 。

【創(chuàng)新設(shè)計(jì)】反應(yīng)停止之后，從冷凝管上口加入亞硫酸氫鈉溶液，然后趁熱過濾，并合并濾液和洗滌液，冷卻后加濃鹽酸酸化至苯甲酸晶體析出，用冷水洗滌，放在沸水浴上干燥得到粗產(chǎn)品。

【解題策略】從題中所給方程式和表格中可得出有關(guān)苯甲酸的關(guān)鍵性信息：弱酸，易升華，微溶于冷水，易溶于乙醇和熱水。在第一步的制備過程中需要采用高錳酸鉀作為氧化劑，得到苯甲酸鉀，然后采用濃鹽酸酸化才能得到苯甲酸，此時(shí)考生要聯(lián)想到高錳酸鉀和濃鹽酸在常溫下就可發(fā)生反應(yīng)產(chǎn)生有毒氣體Cl2，為了避免該副反應(yīng)發(fā)生，在加入鹽酸前要加入一些還原性物質(zhì)消耗掉高錳酸鉀，因此第（3）問中飽和亞硫酸氫鈉溶液的目的是去過量的高錳酸鉀，避免在用鹽酸酸化時(shí)，產(chǎn)生氯氣，草酸作為一種還原性較強(qiáng)的物質(zhì)，也可以起到類似的作用，發(fā)生反應(yīng)為2MnO4-+5H2C2O4+6H+=2Mn2++10CO2↑+8H2O;第（4）問中用熱水洗滌濾渣MnO2可以盡可能的將殘留在濾渣上的苯甲酸洗下來并合并到濾液中，減少產(chǎn)品的損失;第（5）問中干燥苯甲酸晶體采用沸水浴，而不是直接加熱，保證溫度不會過高，否則可能會導(dǎo)致苯甲酸晶體的升華。

四、產(chǎn)品純度計(jì)算的創(chuàng)新

例4 【2020山東高考化學(xué)卷節(jié)選】某FeC2O4·2H2O樣品中可能含有的雜質(zhì)為Fe2（C2O4）3、H2C2O4·2H2O，采用KMnO4滴定法測定該樣品的組成，實(shí)驗(yàn)步驟如下：

Ⅰ.取mg樣品于錐形瓶中，加入稀H2SO4溶解，水浴加熱至75℃。用 cmol﹒L-1的KMnO4溶液趁熱滴定至溶液出現(xiàn)粉紅色且30s內(nèi)不褪色，消耗KMnO4溶液V1mL。

Ⅱ.向上述溶液中加入適量還原劑將Fe3+完全還原為Fe2+，加入稀H2SO4酸化后，在75℃繼續(xù)用KMnO4溶液滴定至溶液出現(xiàn)粉紅色且30s內(nèi)不褪色，又消耗KMnO4溶液V2mL.

樣品中所含H2C2O4·2H2O（M=126g·mol-1）的質(zhì)量分?jǐn)?shù)表達(dá)式為? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 。

下列關(guān)于樣品組成分析的說法，正確的是? ? ? ? ? ?（填標(biāo)號）。

A.? ? ?=3時(shí)，樣品中一定不含雜質(zhì)

B.? ? ?越大，樣品中H2C2O4·2H2O含量一定越高

C.若步驟I中滴入KMnO4溶液不足，則測得樣品中Fe元素含量偏低

D.若所用KMnO4溶液實(shí)際濃度偏低，則測得樣品中Fe元素含量偏高

【創(chuàng)新設(shè)計(jì)】樣品及雜質(zhì)均含有還原性較強(qiáng)的離子，簡單的氧化還原滴定難以確定樣品的純度，因此在測定樣品純度時(shí)分兩步進(jìn)行滴定，需要利用電子守恒列方程進(jìn)行計(jì)算，同時(shí)需要根據(jù)計(jì)算結(jié)果對影響產(chǎn)品純度的因素進(jìn)行分析。

【解題策略】在第Ⅰ步中，樣品溶于稀H2SO4后，會生成H2C2O4，同時(shí)溶液中還含有Fe2+，兩者都可以消耗KMnO4，其中的變化關(guān)系為H2C2O4→CO2、Fe2+→Fe3+、MnO4-→Mn2+，不妨設(shè)樣品中的FeC2O4·2H2O為x mol，F(xiàn)e2（C2O4）3為y mol，H2C2O4·2H2O為 z mol，則生成的H2C2O4為（x+3y+z）mol，F(xiàn)e2+為 x mol，消耗KMnO4為cV1×10-3 mol，根據(jù)電子守恒可列式2（x+3y+z）+ x = 5 cV1×10-3，設(shè)為①式;在第Ⅱ步中，將Fe3+完全還原為Fe2+，再次用KMnO4溶液滴定，其中的變化關(guān)系為Fe2+→Fe3+、MnO4-→Mn2+，其中Fe2+為（x+2y）mol，消耗KMnO4為cV2×10-3 mol，根據(jù)電子守恒列式x+2y = 5 cV2×10-3，設(shè)為②式，聯(lián)立①式和②式，即可解得z為? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?mol，進(jìn)而求出H2C2O4·2H2O的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?×100%;關(guān)于樣品的組成，根據(jù)上述式子可知? ? ? =3：時(shí)，H2C2O4·2H2O含量為0，但無法確定Fe2（C2O4）3是否存在，所以A選項(xiàng)錯(cuò)誤;? ? ?越大時(shí)，H2C2O4·2H2O的質(zhì)量分?jǐn)?shù)越大，B正確;鐵元素的含量主要是通過第二步的滴定確定的，第一步的滴定不影響鐵元素含量的計(jì)算，C錯(cuò)誤;若所用KMnO4溶液實(shí)際濃度偏低，則消耗KMnO4的體積會偏大，導(dǎo)致計(jì)算出的鐵元素的含量偏大，D正確，因此正確答案為BD.

五、小結(jié)

綜上所述，高考化學(xué)實(shí)驗(yàn)題越來越注重科學(xué)性、可行性、安全性、簡約性，具有以下特點(diǎn)：①情境陌生;②題目信息呈現(xiàn)多樣化（圖、表、方程式或其他化學(xué)用語）;③問題貼合實(shí)際而非憑空想象;④考察信息的吸收和整合能力、分析和解決問題的能力、實(shí)驗(yàn)和探究能力、計(jì)算能力等多種能力。作為教師在平常的教學(xué)中，要注重創(chuàng)設(shè)情境，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行探究和思考，利用已學(xué)知識靈活處理新情境下的實(shí)際問題，切實(shí)提高學(xué)生的化學(xué)核心素養(yǎng)。

【參考文獻(xiàn)】

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