一道實驗探究題的深度剖析
——探究溶液中Ag＋與單質(zhì)S的反應

陳建托

(首都師范大學附屬中學)

科學探究是進行科學解釋和發(fā)現(xiàn)、創(chuàng)造和應用的科學實踐活動.北京市等級性考試及模擬考試中的實驗探究題情境新穎、方法靈活、思維發(fā)散空間大,可以充分考查學生的學科核心素養(yǎng),具有良好的區(qū)分度和選拔功能.2022年北京市西城區(qū)一?？荚嚨膶嶒炋骄款}是探究溶液中Ag＋與單質(zhì)S的反應,題目涉及物質(zhì)檢驗、找排干擾、對比實驗等,探究思路、實驗方法和設(shè)問形式具有較強的啟發(fā)性.筆者深入分析此題,探索實驗探究題的一般解題方法,希望對學生學習有一定的幫助.本題素材源自2015年第29屆全國高中學生化學競賽(省級賽區(qū))試題.

原題寫出下列各化學反應的方程式.

1-4 在水中,Ag2SO4與單質(zhì)S作用,沉淀變?yōu)锳g2S,分離,所得溶液加碘水不褪色.

答案3 Ag2SO4＋4S＋4 H2O→3Ag2S＋4 H2SO4.

1 一模題目

例 探究溶液中Ag＋與單質(zhì)S的反應.

資料:Ag2S不溶于6 mol?L－1鹽酸,Ag2SO3和Ag2SO4在6 mol?L－1鹽酸中均發(fā)生沉淀的轉(zhuǎn)化.

實驗Ⅰ.將10 mL 0.04 mol?L－1Ag NO3溶液與0.01 g S粉混合,水浴加熱,充分反應后,過濾,得到無色溶液a(p H≈1),沉淀除S、洗滌后得到黑色固體b.

(1)研究黑色固體b的組成.

①根據(jù)S 具有________性,推測b 中可能含有Ag2S、Ag、Ag2SO3或Ag2SO4.

②檢驗黑色固體b的成分.

實驗Ⅱ.操作流程如圖1所示.

圖1

ⅰ.取少量濾液c,先加入足量稀鹽酸,再滴加BaCl2溶液,未出現(xiàn)白色沉淀,判斷黑色固體b 中不含_________.

ⅱ.用濾液c繼續(xù)實驗證明了黑色固體b中不含Ag2SO3,可選擇的試劑是_________(填序號).

A.酸性K Mn O4溶液

B.H2O2和Ba Cl2的混合溶液

C.溴水

ⅲ.進一步實驗證實了黑色固體b中不含Ag.根據(jù)沉淀e含有Ag、氣體含有H2S,寫出同時生成Ag和H2S的離子方程式:_________.

(2)研究無色溶液a的組成.

實驗Ⅲ.操作流程如圖2所示.

圖2

①說明溶液a 中不含H2SO3的實驗證據(jù)是_________.

②加入足量稀鹽酸的作用是________.

(3)在注射器中進行實驗Ⅳ,探究Ag2SO4溶液與S的反應,所得產(chǎn)物與實驗Ⅰ相同.

①向注射器中加入的物質(zhì)是________.

②改用Ag2SO4溶液的目的是_________.

(4)用Na NO3溶液與S進行實驗Ⅴ,發(fā)現(xiàn)二者不反應.綜合以上實驗,寫出溶液中Ag＋與S反應的離子方程式并簡要說明Ag＋的作用:_______.

答案(1)①氧化性和還原.②ⅰ.Ag2SO4.ⅱ.B、C.ⅲ.Ag2S＋2 H＋＋Fe2 Ag＋Fe2＋＋H2S↑.

(2)S轉(zhuǎn)化為Ag2S發(fā)生了還原反應,反應必然同時發(fā)生氧化反應,能發(fā)生氧化反應的只有S,故在p H≈1的溶液中可能存在或H2SO3.

①向溶液a中加入足量稀鹽酸后,再加入碘水和淀粉溶液,藍色不褪去.

②排除Ag＋對和H2SO3檢驗的干擾.

(3)①10 mL 0.02 mol?L－1Ag2SO4溶液與0.01 g S粉.②排除對反應的影響.

(4)6 Ag＋＋4S＋4 H2O ＝3 Ag2S＋＋8 H＋,形成Ag2S難溶物,降低c(S2－),提高S的氧化性,利于反應發(fā)生.

2 深度剖析

根據(jù)實驗現(xiàn)象可初步預測Ag NO3與S發(fā)生氧化還原反應,氧化劑可能有,還原劑可能是S,本題探究過程則是要逐步確定氧化劑和還原劑及對應產(chǎn)物,進而確定二者的真實反應.

2.1 研究黑色固體b的組成

實驗Ⅱ?qū)⒑谏腆wb溶于一定濃度的鹽酸,將可能存在的Ag2SO3或Ag2SO4轉(zhuǎn)化分離,實驗過程分析如圖3所示.

圖3 探究黑色固體b的組成

實驗結(jié)論:黑色固體b 中有Ag2S,無Ag、Ag2SO3和Ag2SO4.

證明黑色固體b中不含Ag2SO3,也就是證明濾液c中沒有H2SO3.分析題給選項可知,利用H2SO3的還原性進行檢驗,要注意檢驗是否有明顯現(xiàn)象(實驗證據(jù)),是否有其他干擾(確保檢驗的唯一性).選項A,有Cl－干擾,不可以證明(酸性KMn O4溶液可以氧化Cl－).選項B,H2O2氧化H2SO3生成,進而生成BaSO4沉淀,可以證明(若只加H2O2不可以證明,沒有明顯實驗現(xiàn)象).選項C,H2SO3與Br2發(fā)生氧化還原反應,溴水褪色,可以證明.

沉淀e中含有Ag,氣體中含有H2S.根據(jù)銀元素守恒或硫元素守恒可以判斷黑色固體b中必然存在Ag2S(銀元素、硫元素均無其他來源).

如何檢驗黑色固體b或沉淀d中是否存在Ag?一般檢驗Ag 的方法:固體先加硝酸溶解,再滴加Na Cl溶液或鹽酸,觀察是否出現(xiàn)沉淀.本題固體b和沉淀d中存在Ag2S,Ag2S可溶于較濃的硝酸,所用硝酸濃度不能太大,但硝酸濃度較小時,Ag的溶解又不充分,加之本題試劑用量很少,不容易準確檢驗Ag是否存在.題目或是為簡化處理,所以明確給出了固體b中不存在Ag.

2.2 研究無色溶液a的組成

體系中可以升價的物質(zhì)只有S,固體b 中沒有Ag2SO3、Ag2SO4,預測溶液a中存在或H2SO3,進一步實驗如圖4所示.

圖4 探究無色溶液a的組成

實驗Ⅲ用BaCl2溶液檢驗,“碘水＋淀粉”檢驗有還原性的H2SO3,需要注意溶液a中可能存在Ag＋(Ag NO3未完全反應).一方面,Ag＋可以與Ba Cl2反應生成沉淀,干擾檢驗.另一方面,Ag＋可與碘水中I－反應生成沉淀,促進I2與水的反應,干擾H2SO3檢驗.檢驗和H2SO3需要排除Ag＋干擾,也就是加入足量稀鹽酸的作用.

2.3 研究 是否參與反應

實驗Ⅱ、Ⅲ已經(jīng)確認有Ag2S 和生成,但是否參與氧化還原反應尚不能確定.研究是否參與反應需要將Ag NO3替換為Ag2SO4進行對比實驗,當然一定要注意控制單一變量,保證溶液體積和Ag＋濃度一致(Ag2SO4濃度為Ag NO3濃度的二分之一).故實驗Ⅳ向注射器中加入的物質(zhì)是10 mL 0.02 mol?L－1Ag2SO4溶液與0.01 g S粉.實驗Ⅳ所得產(chǎn)物與實驗Ⅰ相同,再替換Ag＋進行對比實驗,用Na NO3溶液與S 進行實驗Ⅴ,發(fā)現(xiàn)二者不反應,充分排除了(H＋)參與反應的可能.

實驗Ⅳ在注射器中進行,可以排除空氣中O2的干擾,同時也排除了O2作為氧化劑的可能性.

2.4 整體分析

實驗整體分析如表1所示.

表1 整體分析

綜合以上信息,體系中反應物是Ag＋和S(還有H2O),產(chǎn)物為Ag2S和,也就是硫元素歧化,反應方程式:6 Ag＋＋4S＋4 H2O＋8 H＋.分析電極反應式:S＋2e－＝S2－可知,Ag＋與S2－形成Ag2S難溶物,降低c(S2－)可以提高S 的氧化性,利于反應發(fā)生.

讀者可以分析類似的情境:CuSO4溶液與銅粉不反應,但是Cu Cl2溶液可與銅粉反應生成Cu Cl.

3 結(jié)語

實驗探究題兼具基礎(chǔ)性、綜合性、應用性和創(chuàng)新性,凸顯對學科關(guān)鍵能力和學科核心素養(yǎng)的考查.高效解答此題需要考生在熟練掌握基礎(chǔ)知識的同時能夠快速準確讀懂題意,明確思路,靈活運用多種探究方法.

(完)