借“防”突破無機(jī)制備類實(shí)驗(yàn)綜合題的“難點(diǎn)”

湖南 周學(xué)興 王 靜

實(shí)驗(yàn)題是高考必考題型，得分率較低，究其根本原因是“實(shí)驗(yàn)體驗(yàn)少”。制備類實(shí)驗(yàn)是高考化學(xué)常見的一個(gè)類型，主要分為有機(jī)制備、無機(jī)制備，其中無機(jī)制備又分為氣體參與制備類、溶液制備類等。

1 高考背景

教育部網(wǎng)站2月19日發(fā)布《教育部關(guān)于做好2021年普通高校招生工作的通知》指出深化考試內(nèi)容改革。2021年高考命題要堅(jiān)持“立德樹人”，加強(qiáng)對學(xué)生德智體美勞全面發(fā)展的考查和引導(dǎo)。優(yōu)化情境設(shè)計(jì)，增強(qiáng)試題開放性、靈活性，充分發(fā)揮高考命題的育人作用和積極導(dǎo)向作用。實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新試題的呈現(xiàn)方式種類多，探究題以新實(shí)驗(yàn)的探究過程為主，制備類實(shí)驗(yàn)則以陌生物質(zhì)的制備為主等，陌生物質(zhì)的制備會給予該物質(zhì)的信息，這些信息主要是命題者針對該物質(zhì)的獲取進(jìn)行有選擇性的提供。

近五年高考化學(xué)真題中制備類實(shí)驗(yàn)題的考查載體與考點(diǎn)，見表1。

表1 近五年制備類實(shí)驗(yàn)題的考查情況匯總

不難發(fā)現(xiàn)制備類實(shí)驗(yàn)題在高考化學(xué)中屬于高頻考題，為了更好地制備更多的純凈產(chǎn)品，需要進(jìn)行各種“防”，比如防氧化、防水解、防溫度過高、防雜質(zhì)氣體的干擾等。

2 解題模型

首先將實(shí)驗(yàn)綜合題進(jìn)行分類，若是制備類，則應(yīng)通過產(chǎn)品的性質(zhì)和反應(yīng)物的性質(zhì)思考是否有“防”的對象。

先思考需要“防”的對象，然后積累各種“防”所需要注意的試劑選擇和實(shí)驗(yàn)操作，有助于從“宏觀”上快速突破制備類實(shí)驗(yàn)綜合題，尤其是氣體參與類和溶液型無機(jī)制備類實(shí)驗(yàn)綜合題。

2.1 小試牛刀

【例1】(2021·重慶市適應(yīng)性考試·16)四氯化錫(SnCl4)，常溫下為無色液體，易水解。某研究小組利用氯氣與硫渣反應(yīng)制備四氯化錫，其過程如圖所示(夾持、加熱及控溫裝置略)。

硫渣的化學(xué)組成

物質(zhì)SnCu2SPbAsSb其他雜質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%64.4325.827.341.230.370.81

氯氣與硫渣反應(yīng)相關(guān)產(chǎn)物的熔沸點(diǎn)

物質(zhì)性質(zhì)SnCl4CuClPbCl2AsCl3SbCl3S熔點(diǎn)/℃-33426501-1873112沸點(diǎn)/℃1141 490951130221444

請回答以下問題：

(1)A裝置中，盛濃鹽酸裝置中a管的作用是________，b瓶中的試劑是________。

A

(2)氮?dú)獗Ｗo(hù)下，向B裝置的三頸瓶中加入適量SnCl4浸沒硫渣，通入氯氣發(fā)生反應(yīng)。

B

C

①生成SnCl4的化學(xué)反應(yīng)方程式為________；

②其中冷凝水的入口是________，e中試劑使用堿石灰而不用無水氯化鈣的原因是________；

③實(shí)驗(yàn)中所得固體渣經(jīng)過處理，可回收的主要金屬有________和________。

(3)得到的粗產(chǎn)品經(jīng)C裝置提純，應(yīng)控制溫度為________℃。

【解題模型】

根據(jù)分析可知裝置e的作用是防止外界空氣中的H2O進(jìn)入反應(yīng)裝置，致使SnCl4水解，同時(shí)吸收尾氣Cl2。故b瓶中試劑應(yīng)為濃硫酸，防止Cl2帶入水蒸氣，引起產(chǎn)品水解。“潛在”考查方向“應(yīng)先通一段時(shí)間Cl2將空氣趕盡，再發(fā)生反應(yīng)”，本題采用N2作保護(hù)氣。

【例2】(2018·全國卷Ⅰ·26)醋酸亞鉻[(CH3COO)2Cr·2H2O]為磚紅色晶體，難溶于冷水，易溶于酸，在氣體分析中用作氧氣吸收劑。一般制備方法是先在封閉體系中利用金屬鋅作還原劑，將三價(jià)鉻還原為二價(jià)鉻；二價(jià)鉻再與醋酸鈉溶液作用即可制得醋酸亞鉻。實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。回答下列問題：

圖1

(1)實(shí)驗(yàn)中所用蒸餾水均需經(jīng)煮沸后迅速冷卻，目的是____________________。儀器a的名稱是________。

(2)將過量鋅粒和氯化鉻固體置于c中，加入少量蒸餾水，按圖連接好裝置。打開K1、K2，關(guān)閉K3。

①c中溶液由綠色逐漸變?yōu)榱了{(lán)色，該反應(yīng)的離子方程式為________________；

②同時(shí)c中有氣體產(chǎn)生，該氣體的作用是____________________。

(3)打開K3，關(guān)閉K1和K2。c中亮藍(lán)色溶液流入d，其原因是________；

d中析出磚紅色沉淀。為使沉淀充分析出并分離，需采用的操作是________、________、洗滌、干燥。

(4)指出裝置d可能存在的缺點(diǎn)________。

【解題模型】

通過該解題模型可快速分析出難點(diǎn)設(shè)問的“(4)(5)問”。分離出醋酸亞鉻可采取降溫結(jié)晶，過濾、洗滌干燥。裝置存在的缺陷，必然是相對實(shí)驗(yàn)?zāi)康亩缘模吹玫疆a(chǎn)品可能不夠“好”——未防止O2的干擾。

綜上所述，通過產(chǎn)品性質(zhì)、反應(yīng)物性質(zhì)，抓住“防”字要領(lǐng)，可迅速突破無機(jī)制備類實(shí)驗(yàn)綜合題。故應(yīng)該對常見需要“防”的對象進(jìn)行系統(tǒng)總結(jié)，可提高解題的效率。

2.2 “防”字匯總

縱觀歷年高考試題，深挖外在信息和內(nèi)在信息，抓住無機(jī)制備類需要“防”的方向，突破實(shí)驗(yàn)操作、試劑作用等難點(diǎn)。其中外在信息指的是直接指明物質(zhì)性質(zhì)的信息，內(nèi)在信息指的是該物質(zhì)為常見物質(zhì)，比如“Fe3+”需“防水解”，再如“Fe2+”需“防被氧化”。具體總結(jié)歸納，見表2。

表2 常見信息與“防”的對象的關(guān)系

3 原創(chuàng)試題

通過上述分析與總結(jié)，讓原創(chuàng)試題命制過程中對“考點(diǎn)”的設(shè)置更加有理有據(jù)。比如為了凸顯“防”溫度過高的原因分析，筆者命制了兩道實(shí)驗(yàn)綜合題，命題過程如下。

首先，實(shí)驗(yàn)綜合題常考類型題有制備類、性質(zhì)探究類、定量類、原理探究類等，最終選擇無機(jī)溶液制備類實(shí)驗(yàn)。

其次結(jié)合社會、生活等領(lǐng)域的重要化學(xué)用品，選擇含氯消毒劑NaClO2溶液的制備和SiCl4的制備，分別考查對“防”溫度影響和“防”空氣和水的影響及產(chǎn)品冷凝易堵塞的難點(diǎn)。

最終命制兩道原創(chuàng)試題如下：

【原創(chuàng)試題1】亞氯酸鈉(NaClO2)是一種高效含氯消毒劑和漂白劑，主要用于自來水、污水等水環(huán)境的殺菌消毒，也常用作紙漿、砂糖、油脂的漂白劑。圖2為生產(chǎn)亞氯酸鈉的流程之一，所得NaClO2具有純度高的優(yōu)點(diǎn)。

圖2

已知：NaClO2飽和溶液低于38℃時(shí)析出NaClO2·3H2O，高于38℃時(shí)析出NaClO2，高于60℃時(shí)NaClO2分解成NaClO3和NaCl。

試回答下列問題：

(1)儀器a的名稱為________。

(2)裝置A用來制取ClO2，反應(yīng)的離子方程式為____________________。

圖3

(4)C裝置采用“冰水浴”的目的是________。

(5)充分反應(yīng)后，從產(chǎn)品溶液獲取NaClO2晶體的操作是：55℃恒溫減壓蒸發(fā)結(jié)晶、趁熱過濾、________℃水洗滌、干燥。

【答案】(1)三頸瓶(或三頸燒瓶或三口燒瓶)

(3)4 0.8 還原

(4)防止溫度過高，NaClO2分解成NaClO3和NaCl，H2O2受熱易分解

(5)38～55(區(qū)間任一溫度均給分)

在試題設(shè)置“難點(diǎn)”考查時(shí)，選擇分離提純和“冰水浴”兩個(gè)角度來考查“防”溫度過高的重要信息，通過測試發(fā)現(xiàn)第(5)問有較高的區(qū)分度。同時(shí)凸顯了日常生活中化學(xué)試劑起到的重要作用，體現(xiàn)了化學(xué)學(xué)科價(jià)值，滲透了社會責(zé)任與科學(xué)態(tài)度的核心素養(yǎng)。

【原創(chuàng)試題2】“中國芯”的發(fā)展離不開單晶硅先進(jìn)制造工藝，四氯化硅是重要中間產(chǎn)物。實(shí)驗(yàn)室制備四氯化硅的裝置如圖4所示：

圖4

已知：

②四氯化硅遇水極易水解；

③粗硅含鐵、鋁、磷等雜質(zhì)，在高溫下均能與氯氣直接反應(yīng)生成相應(yīng)的氯化物；

④有關(guān)物質(zhì)的物理常數(shù)見下表：

物質(zhì)SiCl4AlCl3FeCl3PCl5沸點(diǎn)/℃57.7—315—熔點(diǎn)/℃-70.0———升華溫度/℃—180300162

請回答下列問題：

(1)寫出裝置A中發(fā)生反應(yīng)的離子方程式：________________，儀器i的名稱為________，其作用為________。

(2)當(dāng)觀察到________________現(xiàn)象時(shí)，點(diǎn)燃裝置D的酒精燈。裝置B中的試劑為________，若是去掉裝置B，帶來的危害是________。

(3)有同學(xué)認(rèn)為裝置D右端相連的導(dǎo)管為粗導(dǎo)管，其理由是________。

(4)裝置E中集氣瓶收集到的粗產(chǎn)品除SiCl4外，還含有少量AlCl3、FeCl3、PCl5，可通過________(填分離提純方法)可得到高純度產(chǎn)品以及少量殘留物。

(5)為了分析殘留物雜質(zhì)中鐵元素的含量，先將殘留物預(yù)處理，使鐵元素還原成Fe2+，再用KMnO4標(biāo)準(zhǔn)溶液在酸性條件下進(jìn)行氧化還原滴定，某同學(xué)稱取5.0 g殘留物后，經(jīng)預(yù)處理后在容量瓶中配制成100 mL溶液，取25.00 mL試樣于錐形瓶中，消耗1.000×10-2mol/L KMnO4標(biāo)準(zhǔn)溶液20.00 mL，則殘留物中鐵元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)是________。

(2)D(E)中充滿黃綠色氣體 飽和食鹽水 HCl與Si反應(yīng)產(chǎn)生H2，與Cl2反應(yīng)發(fā)生爆炸

(3)細(xì)導(dǎo)管 容易出現(xiàn)堵塞現(xiàn)象

(4)蒸餾(精餾)

(5)4.480%

該題以硅元素相關(guān)物質(zhì)的制備為載體，考查儀器的使用、實(shí)驗(yàn)控制條件、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理等。本題通過“防”字要領(lǐng)的理解，可快速突破難點(diǎn)——“(2)(3)問”的分析。

4 結(jié)束語

無機(jī)物制備是實(shí)驗(yàn)綜合題考查的主要方向，在高三化學(xué)復(fù)習(xí)備考中，抓住“防”字要領(lǐng)，不僅可以提高“難點(diǎn)”的分析與突破，還節(jié)約了分析和思考時(shí)間，大大地提高了解題效率。同時(shí)結(jié)合筆者命制試題的一般過程，拋磚引玉，為廣大教師提供一定的命題思路。