例談“新高考”中如何解答化學(xué)實(shí)驗(yàn)探究題

湯 偉(正高級(jí)教師)

(安徽省靈璧中學(xué))

通過(guò)調(diào)研,我們發(fā)現(xiàn)很多考生對(duì)“新高考”背景下化學(xué)實(shí)驗(yàn)探究題的解答思路不夠清晰,面對(duì)試題提供的情境,不知如何探究分析.下面以2022年“新高考”化學(xué)實(shí)驗(yàn)探究試題為例,進(jìn)行分析說(shuō)明.

1 如何探究物質(zhì)的性質(zhì)

該類(lèi)高考試題的命制特點(diǎn)常常根據(jù)物質(zhì)的分類(lèi)、化合價(jià)的高低、組成元素、分子結(jié)構(gòu)特點(diǎn)等進(jìn)行預(yù)測(cè)或猜想可能有的性質(zhì),然后選擇特定試劑進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究,解答過(guò)程中常常會(huì)出現(xiàn)超出教材所學(xué)范圍的情況,即出現(xiàn)一些教材講述內(nèi)容之外的反應(yīng),我們需要根據(jù)所學(xué)化學(xué)原理進(jìn)行推理探究.解答該類(lèi)試題的基本思路如圖1所示.

圖1

例1(2022年北京卷)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)、(綠色)、(紫色).

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2所示(夾持裝置略).

圖2

表1

(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_(kāi)_______.

(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.

①用化學(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?、笾蟹胖煤蟮? mL 懸濁液,加入4mL 40%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_(kāi)________,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1mL懸濁液,加入4mL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:_______.

分析該實(shí)驗(yàn)探究的目的是“探究不同條件下氯氣與二價(jià)錳化合物的反應(yīng)”,裝置C 是完成該實(shí)驗(yàn)?zāi)康牡闹饕b置圖.試題以“不同條件下氯氣與二價(jià)錳化合物的反應(yīng)”為情境,注重考查物質(zhì)性質(zhì)的實(shí)驗(yàn)探究.(1)根據(jù)裝置圖及物質(zhì)性質(zhì)特點(diǎn),容易得出裝置A 中HCl與KMnO4發(fā)生反應(yīng)制取Cl2,由于鹽酸具有揮發(fā)性,為排除HCl對(duì)溶液酸堿性的影響,在裝置B 中盛放飽和NaCl溶液,除去Cl2中的雜質(zhì)HCl.(2)通入Cl2前,Ⅱ、Ⅲ中Mn2＋與NaOH 電離產(chǎn)生的OH-反應(yīng)容易產(chǎn)生Mn(OH)2白色沉淀,該沉淀又會(huì)被溶解在溶液中的氧氣氧化為棕黑色MnO2,所以通入Cl2前,Ⅱ、Ⅲ中沉淀由白色變?yōu)楹谏幕瘜W(xué)方程式為2Mn(OH)2＋O2＝2MnO2＋2H2O.(3)根據(jù)試題提供的資料“Mn2＋在一定條件下被Cl2或ClO-氧化成MnO2(棕黑色)、(綠色)、(紫色)”以及對(duì)比實(shí)驗(yàn)Ⅰ、Ⅱ所提供的信息,可以得出二價(jià)錳化合物在中性水溶液中被氧化為MnO2,而添加燒堿后,即在堿性條件下可以被氧化為紫色的.(4)①Cl2通入NaOH 溶液中可以與之反應(yīng),可能會(huì)使溶液的堿性減弱,反應(yīng)的方程式為Cl2＋2NaOH＝NaCl＋NaClO＋H2O;②實(shí)驗(yàn)Ⅲ的懸濁液中加入4mL40% NaOH 溶液,溶液紫色迅速變?yōu)榫G色,且綠色緩慢加深,說(shuō)明在濃堿條件下,被還原為,該離子方程式為;根據(jù)試題提供的資料“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”可以推理得出溶液綠色緩慢加深,原因是MnO2被氧化,此時(shí)氧化劑應(yīng)該是NaClO;③根據(jù)上述分析,可以得出Ⅱ中放置后的1mL懸濁液,加入4 mL 水,溶液紫色緩慢加深,發(fā)生的反應(yīng)為④實(shí)驗(yàn)Ⅲ未得到綠色溶液,從反應(yīng)速率的角度分析,可以得出反應(yīng)過(guò)程中生成的速率明顯要快于生成的速率,以致于實(shí)驗(yàn)中難以觀察到綠色溶液,由此推理可以得出答案.

答案(1)飽和NaCl溶液.

(2)2Mn(OH)2＋O2＝2MnO2＋2H2O.

(3)二價(jià)錳化合物在中性或弱酸性條件下只能被氧化為MnO2,在堿性條件下可以被氧化到更高價(jià)態(tài).

(4)①Cl2＋2NaOH＝NaCl＋NaClO＋H2O.

③3ClO-＋2MnO2＋2OH-＝2＋3Cl-＋H2O.

④溶液中存在反應(yīng):

在堿性條件下,c(OH-)和c(ClO-)均很大時(shí),反應(yīng)ⅱ的速度快于反應(yīng)ⅰ.

2 如何控制變量,探究反應(yīng)條件對(duì)實(shí)驗(yàn)的影響

控制變量,探究反應(yīng)條件對(duì)實(shí)驗(yàn)的影響是新課標(biāo)、新高考背景下考查的熱點(diǎn)題型之一,影響反應(yīng)的外界因素有很多時(shí),我們?cè)谠O(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)探究時(shí)需要控制其他因素相同或不變,再進(jìn)行實(shí)驗(yàn),即控制變量思想的應(yīng)用.解答該類(lèi)試題的基本思路如圖3所示.

圖3

在明確實(shí)驗(yàn)?zāi)康?確立具體探究問(wèn)題的前提下,解答該類(lèi)問(wèn)題需要把握如下關(guān)鍵點(diǎn).

1)確定變量:首先要認(rèn)真審題,厘清影響實(shí)驗(yàn)探究結(jié)果的因素有哪些.

2)定多變一:在探究時(shí),先確定其他因素不變,只改變一種因素,看這種因素與探究的問(wèn)題存在怎樣的關(guān)系;然后通過(guò)分析每種因素與所探究問(wèn)題之間的關(guān)系,得出所有影響因素與所探究問(wèn)題之間的關(guān)系.

3)數(shù)據(jù)有效:解答時(shí)注意選擇數(shù)據(jù)(或設(shè)置實(shí)驗(yàn))要有效,且變量統(tǒng)一,否則無(wú)法作出正確判斷.

例2(2022年廣東卷)食醋是烹飪美食的調(diào)味品,有效成分主要為醋酸(用HAc表示).HAc的應(yīng)用與其電離平衡密切相關(guān).25 ℃時(shí),HAc 的Ka＝1.75×10-5＝10-4.76.

(1)配制250 mL0.1 mol·L-1的HAc溶液,需5mol·L-1HAc溶液的體積為_(kāi)________mL.(2)下列關(guān)于250 mL 容量瓶的操作,正確的是_______.

(3)某小組研究25 ℃下HAc電離平衡的影響因素.

提出假設(shè):稀釋HAc溶液或改變Ac-濃度,HAc電離平衡會(huì)發(fā)生移動(dòng).

設(shè)計(jì)方案并完成實(shí)驗(yàn):用濃度均為0.1 mol·L-1的HAc和NaAc溶液,按表2配制總體積相同的系列溶液,測(cè)定pH,記錄數(shù)據(jù).

表2

①根據(jù)表中信息,補(bǔ)充數(shù)據(jù):a＝_________,b＝_______.

②由實(shí)驗(yàn)Ⅰ和Ⅱ可知,稀釋HAc溶液,電離平衡_________(填“正”或“逆”)向移動(dòng);結(jié)合表中數(shù)據(jù),給出判斷理由:________.

③由實(shí)驗(yàn)Ⅱ～Ⅷ可知,增大Ac-濃度,HAc電離平衡逆向移動(dòng).

實(shí)驗(yàn)結(jié)論:假設(shè)成立.

(4)該小組成員分析上表數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn):隨著n(NaAc)∶n(HAc)的增加,c(H＋)的值逐漸接近HAc的Ka.

查閱資料獲悉:一定條件下,按n(NaAc)∶n(HAc)＝1 配制的溶液中,c(H＋)的值等于HAc的Ka.

對(duì)比數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn),實(shí)驗(yàn)Ⅷ中pH＝4.65與資料數(shù)據(jù)Ka＝10-4.76存在一定差異;推測(cè)可能由物質(zhì)濃度準(zhǔn)確程度不夠引起,故先準(zhǔn)確測(cè)定HAc溶液的濃度再驗(yàn)證.

①移取20.00 mL HAc溶液,加入2 滴酚酞溶液,用0.1000 mol·L-1NaOH 溶液滴定至終點(diǎn),消耗體積為22.08 mL,則該HAc 溶液的濃度為_(kāi)_______mol·L-1.畫(huà)出上述過(guò)程的滴定曲線(xiàn)示意圖并標(biāo)注滴定終點(diǎn).

②用上述HAc溶液和0.1000mol·L-1NaOH溶液配制等物質(zhì)的量的HAc與NaAc混合溶液,測(cè)定pH,結(jié)果與資料數(shù)據(jù)相符.

(5)小組成員進(jìn)一步提出:如果只有濃度均約為0.1mol·L-1的HAc 和NaOH 溶液,如何準(zhǔn)確測(cè)定HAc的Ka.小組同學(xué)設(shè)計(jì)方案并進(jìn)行實(shí)驗(yàn).請(qǐng)完成下面Ⅱ中的內(nèi)容.

Ⅰ.移取20.00mL HAc溶液,用NaOH 溶液滴定至終點(diǎn),消耗NaOH 溶液V1mL.

Ⅱ._______,測(cè)得溶液的pH 為4.76.

實(shí)驗(yàn)總結(jié):得到的結(jié)果與資料數(shù)據(jù)相符,方案可行.

(6)根據(jù)Ka可以判斷弱酸的酸性強(qiáng)弱.寫(xiě)出一種無(wú)機(jī)弱酸及其用途:_______.

分析該試題不僅考查了化學(xué)實(shí)驗(yàn)中的一些基本操作(如一定物質(zhì)的量濃度溶液的配制、酸堿中和滴定),還通過(guò)問(wèn)題(3)考查了控制變量思想,即反應(yīng)條件探究類(lèi)實(shí)驗(yàn)問(wèn)題.

(1)根據(jù)溶液稀釋過(guò)程中,溶質(zhì)的物質(zhì)的量守恒,可以得出250mL×0.1mol·L-1＝V×5mol·L-1,解得V＝5.0mL,即所需醋酸溶液的體積為5.0mL.

(2)根據(jù)一定物質(zhì)的量濃度的溶液配制的實(shí)驗(yàn)操作,可以得出:圖示A 中,用手觸碰瓶口,會(huì)污染試劑及對(duì)皮膚造成傷害;圖示B中,定容時(shí),需平視而不能夠仰視或俯視;圖示D 中,定容后的操作應(yīng)該是蓋上瓶塞,將容量瓶來(lái)回顛倒,將溶液搖勻,顛倒過(guò)程中,左手食指抵住瓶塞,右手扶住容量瓶底部.由此得出圖示C正確.

(3)①實(shí)驗(yàn)Ⅶ的溶液中n(NaAc)∶n(HAc)＝3∶4,V(HAc)＝4.00mL,因此V(NaAc)＝3.00mL,即a＝3.00,由實(shí)驗(yàn)Ⅰ可知,溶液最終的體積為40.00mL,因此V(H2O)＝40.00 mL-4.00 mL-3.00mL＝33.00mL,即b＝33.00;②實(shí)驗(yàn)Ⅰ所得溶液的pH＝2.86,實(shí)驗(yàn)Ⅱ的溶液中c(HAc)為實(shí)驗(yàn)Ⅰ的1/10,稀釋過(guò)程中,若不考慮電離平衡移動(dòng),則實(shí)驗(yàn)Ⅱ所得溶液的pH＝2.86＋1＝3.86,但實(shí)際溶液的pH＝3.36＜3.86,說(shuō)明稀釋過(guò)程中,溶液中c(H＋)增大,即電離平衡正向移動(dòng).

(4)①根據(jù)滴定發(fā)生的中和反應(yīng):

可以得出滴定至終點(diǎn)時(shí),n(HAc)＝n(NaOH),由此推理、計(jì)算可得c(HAc)＝0.1104 mol·L-1;滴定過(guò)程中,當(dāng),溶液的pH＝2.88,當(dāng)V(NaOH)＝11.04mL 時(shí),n(NaAc)＝n(HAc),溶液的pH＝4.76,當(dāng)V(NaOH)＝22.08mL時(shí),達(dá)到滴定終點(diǎn),溶液中溶質(zhì)為NaAc,Ac-發(fā)生水解,溶液呈弱堿性,當(dāng)NaOH 溶液過(guò)量較多時(shí),c(NaOH)無(wú)限接近0.1 mol·L-1,溶液的pH 接近13,因此滴定曲線(xiàn)如圖4所示.

圖4

(5)向20.00 mL 的HAc 溶液中加入V1mL NaOH 溶液達(dá)到滴定終點(diǎn),滴定終點(diǎn)的溶液中溶質(zhì)為NaAc,當(dāng)n(NaAc)∶n(HAc)＝1時(shí),溶液中c(H＋)的值等于HAc的Ka,因此另取20.00 mL HAc,加入mLNaOH 溶液,能夠使溶液中

(6)不同的無(wú)機(jī)弱酸在生活中應(yīng)用廣泛,如HClO具有強(qiáng)氧化性,可用于漂白和消毒,H2SO3具有還原性,可用作還原劑,在葡萄酒中添加適量H2SO3可用作防腐劑.

答案(1)5.0.

(2)C.

(3)①3.00;33.00;②正;實(shí)驗(yàn)Ⅱ相較于實(shí)驗(yàn)Ⅰ,醋酸溶液稀釋了10倍,而實(shí)驗(yàn)Ⅱ的pH 增大值小于1.

(4)0.1104;如圖4.

(5)另取20.00 mL HAc,加入mL NaOH溶液.

(6)HClO;作漂白劑或消毒液(或H2SO3;作還原劑、防腐劑).

(完)