論實(shí)驗(yàn)復(fù)習(xí)課堂中物質(zhì)合成題的理性思維的培養(yǎng)

浙江 應(yīng)化德

化學(xué)學(xué)科知識(shí)原理的重要應(yīng)用是物質(zhì)的合成，以滿足社會(huì)發(fā)展的需要。而物質(zhì)的合成涉及化學(xué)反應(yīng)原理、實(shí)驗(yàn)條件的控制、物質(zhì)分離提純、目標(biāo)產(chǎn)品的分析等方面，是化學(xué)知識(shí)原理的綜合應(yīng)用，是體現(xiàn)化學(xué)學(xué)科價(jià)值的重要內(nèi)容。

對(duì)于大多數(shù)學(xué)生來說，化學(xué)實(shí)驗(yàn)的學(xué)習(xí)有一定困難，因?yàn)榇蠖鄬?shí)驗(yàn)是在新的情景、新的物質(zhì)合成過程中進(jìn)行考查的，平時(shí)沒有具體接觸過這些物質(zhì)的合成。本文就實(shí)驗(yàn)復(fù)習(xí)的支撐點(diǎn)、化學(xué)基本操作背后的原理、實(shí)驗(yàn)條件控制理論依據(jù)、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案的實(shí)驗(yàn)思想等方面進(jìn)行闡述，從而培養(yǎng)學(xué)生的理性思維，提高學(xué)生的遷移能力、具體問題具體分析能力、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)能力等。

一、合成實(shí)驗(yàn)題設(shè)計(jì)的一般過程和思路

浙江實(shí)驗(yàn)試題均以物質(zhì)制備為主線，且一般是合成不常見物質(zhì)增加陌生度，其基本設(shè)計(jì)思路主要包含四個(gè)方面，復(fù)習(xí)的關(guān)鍵是落實(shí)各個(gè)考點(diǎn)，明白實(shí)驗(yàn)的目的，理解實(shí)驗(yàn)原理，且實(shí)驗(yàn)具有整體性，各種實(shí)驗(yàn)措施都是為了更好地合成目標(biāo)產(chǎn)品，提高原料的利用率。考查的重點(diǎn)是反應(yīng)條件控制和產(chǎn)品的分離提純。

【2017.11浙江選考加試題31題】某興趣小組用鋁箔制備Al2O3、AlCl3·6H2O及明礬大晶體，具體流程如下：

已知：AlCl3·6H2O易溶于水、乙醇及乙醚；明礬在水中的溶解度如表。

溫度/℃010203040608090溶解度/g3.003.995.908.3911.724.871.0109

請(qǐng)回答：

(1)步驟Ⅰ中的化學(xué)方程式為_______________________________________。

步驟Ⅱ中生成Al(OH)3的離子方程式為_______________________________________。

(2)步驟Ⅲ，下列操作合理的是________。

A．坩堝洗凈后，無需擦干，即可加入Al(OH)3灼燒

B．為了得到純Al2O3，需灼燒至恒重

C．若用坩堝鉗移動(dòng)灼熱的坩堝，需預(yù)熱坩堝鉗

D．坩堝取下后放在石棉網(wǎng)上冷卻待用

E．為確保稱量準(zhǔn)確，灼燒后應(yīng)趁熱稱重

(3)步驟Ⅳ，選出在培養(yǎng)規(guī)則明礬大晶體過程中合理的操作并排序：_______________________________________。

①迅速降至室溫 ②用玻璃棒摩擦器壁 ③配制90℃的明礬飽和溶液 ④自然冷卻至室溫 ⑤選規(guī)則明礬小晶體并懸掛在溶液中央 ⑥配制高于室溫10～20℃的明礬飽和溶液

(4)由溶液A制備AlCl3·6H2O的裝置如圖：

①通入HCl的作用是抑制AlCl3水解和________。

②步驟Ⅴ，抽濾時(shí)，用玻璃纖維替代濾紙的理由是______________________________；洗滌時(shí)，合適的洗滌劑是________。

③步驟Ⅵ，為得到純凈的AlCl3·6H2O，宜采用的干燥方式是_______________________________________。

【點(diǎn)評(píng)】重點(diǎn)考查儀器的使用(坩堝)、化學(xué)反應(yīng)原理(化學(xué)方程式書寫)、實(shí)驗(yàn)條件控制(大晶體培養(yǎng)的方法、通入HCl的作用)、產(chǎn)品的分離提純(抽濾濾紙選擇、洗滌劑選擇、干燥方法選擇)。試題看似簡(jiǎn)單，實(shí)則不易，得分率低。難點(diǎn)在坩堝使用、大晶體析出方法，不會(huì)遷移對(duì)比，找不到支撐點(diǎn)；還有洗滌劑選擇、帶結(jié)晶水晶體干燥方法選擇的理論依據(jù)。

二、實(shí)驗(yàn)復(fù)習(xí)的支撐點(diǎn)

教材實(shí)驗(yàn)是學(xué)習(xí)和復(fù)習(xí)實(shí)驗(yàn)的重要材料，也是對(duì)比分析推理的重要支撐點(diǎn)，硫酸亞鐵銨(摩爾鹽)的制備、乙酰水楊酸(阿司匹林)的合成、硝酸鉀晶體的制備、食醋總酸度的測(cè)定等都是復(fù)習(xí)的好材料；掌握基本操作及操作背后的原理，如萃取振蕩的方法，用右手壓住分液漏斗的玻璃塞，左手握住旋塞，將分液漏斗倒轉(zhuǎn)過來，用力振搖。開始時(shí)，振搖速度要慢，振搖幾次后，將漏斗上口向下傾斜，下部支管斜向上方，左手仍握住旋塞，用拇指和食指旋開旋塞放氣，放氣時(shí)支管口不能對(duì)著人，也不能對(duì)著火，要引導(dǎo)學(xué)生分析其原因？晶體制備的過濾、洗滌、干燥的方法及其原理等。

在海帶中碘元素的分離檢測(cè)中，幾乎容納高中實(shí)驗(yàn)的大部分操作，操作步驟如下：

1.復(fù)習(xí)要點(diǎn)

(1)儀器的使用方法

(2)實(shí)驗(yàn)的裝置及作用

(3)實(shí)驗(yàn)基本操作及背后的原理

(4)實(shí)驗(yàn)注意點(diǎn)及其評(píng)價(jià)

2.問題設(shè)計(jì)

(1)什么是分離？什么是提純？物質(zhì)分離、提純的基本原則是什么？

(2)物質(zhì)分離、提純方法選擇的依據(jù)是什么？物質(zhì)的分離、提純的方法主要有哪些？

(3)如何測(cè)定有機(jī)物中某種元素的存在？碘元素在海帶中的存在形式如何？

(4)海帶中碘元素的分離及檢驗(yàn)的步驟如何？問題涉及多種。

①用到了哪些儀器？各儀器使用需注意哪些事項(xiàng)？

②涉及了哪些基本操作？各操作要點(diǎn)及背后原理是什么？

③灰分加30 mL蒸餾水后為什么要加熱？

④I-→I2可加入哪些試劑？

⑤氯水為什么不能加過量？

⑥碘元素在整個(gè)過程中存在形式怎樣？

⑦實(shí)驗(yàn)前為什么要用刷子而不能用水洗食用干海帶？

⑧I2易升華，為什么還可以對(duì)干海帶加熱灼燒？

⑨如何檢驗(yàn)I2？

⑩如何從I2的苯或CCl4溶液中分離出碘？為什么蒸餾出的CCl4中有淡紫色？

可以用類似的方法復(fù)習(xí)各重要經(jīng)典實(shí)驗(yàn)。

三、實(shí)驗(yàn)條件控制

實(shí)驗(yàn)條件控制是成功合成物質(zhì)的關(guān)鍵。如：(1)干燥條件；(2)溫度控制；(3)pH的控制；(4)加料速度；(5)攪拌；(6)冷卻、冷凝；(7)題干中的信息、反應(yīng)原理；(8)通入保護(hù)氣(N2或稀有氣體、H2、HCl)等。理解這些條件控制背后的原因，形成理性思維。

1.溫度控制

溫度為何不宜過高？溫度過高可能會(huì)導(dǎo)致什么后果？展開發(fā)散思維。

(1)化學(xué)反應(yīng)逆向移動(dòng)，反應(yīng)物轉(zhuǎn)化率降低；(2)反應(yīng)物生成目標(biāo)產(chǎn)品的選擇性降低；(3)沸點(diǎn)低的反應(yīng)物揮發(fā)，升華；(4)反應(yīng)物分解，或生成物分解；(5)水解程度增大；(6)副反應(yīng)增多；(7)催化劑失活；(8)碳化結(jié)焦；(9)工業(yè)耗能大，反應(yīng)太快，生產(chǎn)危險(xiǎn)等。

溫度為何不宜過低？參照上述“溫度為何不宜過高”展開聯(lián)想思維。

2.氣體通入反應(yīng)器的速率

為何不能太快？

(1)來不及吸收或反應(yīng)；(2)壓力太大；(3)反應(yīng)太快；(4)可能產(chǎn)生副反應(yīng)。

為何不能太慢？參照上述“為何不能太快”展開聯(lián)想思維。

3.壓強(qiáng)控制

減壓的目的有哪些？

(1)減壓過濾，加快過濾速率，得到較干燥的產(chǎn)品；(2)降低物質(zhì)沸點(diǎn)；(3)加快干燥；(4)加快蒸餾、蒸發(fā)；(5)平衡的移動(dòng)提高轉(zhuǎn)化率。

4.控制溶液的pH

控制溶液的pH通常是為了中和酸或堿、選擇性沉淀某離子、促進(jìn)或抑制某離子的水解、輔助反應(yīng)(有些反應(yīng)需酸化或堿化)、將鹽轉(zhuǎn)化為酸，提供酸性或堿性環(huán)境，如酸性或堿性高錳酸鉀溶液等。

四、一些實(shí)驗(yàn)操作、方法、原理

1.洗滌劑選擇

晶體產(chǎn)品一般都要洗滌，洗滌劑選擇的依據(jù)是洗去晶體表面吸附的雜質(zhì)而盡量減少目標(biāo)產(chǎn)品的損失，也就是說選擇的洗滌劑對(duì)雜質(zhì)來說是溶解度大，易溶解除去。所以首先看晶體從什么溶液中析出吸附什么雜質(zhì)，分析雜質(zhì)與晶體的溶解性選擇相應(yīng)的洗滌劑。常見的洗滌劑有：濾液、熱水、冷水、乙醇、乙醇水溶液、乙醚、濃鹽酸及信息提供的試劑。如：上述例題AlCl3·6H2O晶體的洗滌劑應(yīng)選濃鹽酸，原因是已知AlCl3·6H2O易溶于水、乙醇及乙醚，用濃鹽酸可以洗去NaCl等雜質(zhì)，利用其揮發(fā)性脫離晶體表面。

注意洗滌晶體時(shí)的具體操作(一般過濾與減壓過濾的洗滌區(qū)別)，用玻璃棒引流，洗滌時(shí)不能攪拌，及證明沉淀已洗凈的操作。

2.晶體結(jié)晶方法的選擇

(1)蒸發(fā)結(jié)晶

開始時(shí)蒸發(fā)濃縮減少溶劑，然后析出晶體，適用于將溶解度受溫度影響不大的某溶質(zhì)形成晶體從水溶液中析出。蒸發(fā)溶液時(shí)，蒸發(fā)皿不要墊石棉網(wǎng)加熱，蒸發(fā)至剩余少量水時(shí)停止加熱，利用余熱蒸干溶液，并不斷用玻璃棒攪拌。若是帶結(jié)晶水的晶體，出現(xiàn)晶膜時(shí)，要停止加熱，自然冷卻結(jié)晶。

(2)冷卻結(jié)晶

通過降低溫度而降低溶質(zhì)的溶解度析出晶體，適用于將溶解度受溫度影響較大的某溶質(zhì)形成晶體從水溶液中析出，結(jié)晶水合物也常用此法結(jié)晶。如：上述例題 AlCl3·6H2O 晶體是在通入HCl的同時(shí)冷卻結(jié)晶。

注意在結(jié)晶操作過程中常用到趁熱過濾，如：NaCl中混有少量KNO3的分離操作中。

3.晶體干燥方法的選擇

晾干(在空氣中不會(huì)吸水的固體，如鐵粉，不加熱干燥)；干燥劑干燥(干燥劑可選擇生石灰、氫氧化鈉、堿石灰、氯化鈣、石蠟片)；烘干(選定合適的溫度、恒溫等)；用濾紙吸干；減壓過濾干燥；洗滌劑洗干等。如：上述例題 AlCl3·6H2O 晶體可用減壓過濾干燥或低溫干燥。

4.反應(yīng)終點(diǎn)的判斷及方法選擇

(1)酸堿指示劑，酚酞，甲基橙(紅)，如：中和滴定；

(2)淀粉溶液，與I2有關(guān)的反應(yīng)；

(3)自身指示劑，如：KMnO4(紫紅色)、Ag2Cr2O4(黃色)等；

(4)油滴消失，如：皂化反應(yīng)，取一滴反應(yīng)液滴在熱水中，若無油滴出現(xiàn)，說明已完全皂化；

(5)分水器，水不增多反應(yīng)完全；

(6)其他，如：不再產(chǎn)生氣泡、不再分層、顏色不變(平衡體系)等。

五、優(yōu)質(zhì)試題欣賞

【超級(jí)全能生2017.8浙江聯(lián)考選考加試題31題】Sn元素位于周期表ⅣA族，SnCl4可用作媒染劑和催化劑，工業(yè)上常用氯氣與金屬錫在300℃反應(yīng)制備。SnCl4極易水解。SnCl2、SnCl4的一些物理數(shù)據(jù)如下:

物質(zhì)狀態(tài)熔點(diǎn)/℃沸點(diǎn)/℃Sn銀白色固體2322 260SnCl2無色晶體246652SnCl4無色液體-33114

實(shí)驗(yàn)操作如下：

a.把干燥的儀器按裝置連接好，在儀器1中加入8 mL濃鹽酸，在儀器2中加入1.0 g KClO3，在儀器5中加入 2～3顆Sn粒；

b.打開活塞，讓鹽酸流下，均勻產(chǎn)生Cl2并充滿整套裝置，然后加熱Sn粒，將生成的SnCl4收集在儀器6中；

c.Sn粒反應(yīng)完畢后，停止加熱，同時(shí)停止滴加鹽酸，取下儀器6，迅速蓋好蓋子。

用下列裝置合成四氯化錫(夾持裝置略)。

注：儀器3中各加入0.6 mL濃硫酸

請(qǐng)回答：

(1)儀器1的名稱是________。

(2)下列說法不正確的是________。

A.裝置連接好,加入藥品前要檢查裝置的氣密性

B.產(chǎn)生的Cl2先充滿整套裝置,這步操作不可以省略

C.操作中應(yīng)控制鹽酸的滴入速率,不能太快,也不能太慢

D.儀器6可用冰水浴冷卻,也可以自然冷卻

(3)儀器6后還應(yīng)連接A、B裝置，A裝置的作用是________________________。

(4)已知SnCl2易被水解，易氧化且還原性Sn2+>I-，SnCl4氧化性弱。有關(guān)SnCl4和SnCl2的說法不正確的是________。

A．產(chǎn)品SnCl4中溶有少量的SnCl2，可用如圖所示的裝置提純

B．實(shí)驗(yàn)室配制SnCl2溶液時(shí)，除加入鹽酸外，還應(yīng)加入錫粒

C．將產(chǎn)品溶于鹽酸，可用溴水檢測(cè)，若溴水橙色褪去，說明SnCl4中含有SnCl2

(5)經(jīng)測(cè)定產(chǎn)品中含有少量的SnCl2，可能的原因是_____________(用化學(xué)方程式表示)。