摭談化學試題中結構不良問題的類型及解答

寧夏 王開山

一、問題的提出

試卷中的化學問題主要指試卷中要求解釋或回答的題目。筆者根據化學試題中問題的設置方式將化學問題分為結構良好問題和結構不良問題。結構不良問題指問題的初始狀態、目標狀態和從初始到目標狀態中的一系列操作這三部分中，至少有一個界定不明確的問題。結構良好問題則是問題的初始狀態、目標狀態和從初始到目標狀態的這一系列操作的三部分中，定義都很明確的問題。結構良好問題的設問指向性強，學生的思考方向和角度明確，答案比較固定?；瘜W試題中結構不良問題考慮到了復雜的真實情境和社會的需要，將課堂教學與生產、生活實際聯系起來，為學生知識構建及思維培養提供了新視角。此類問題的設問指向性不強，問題具有開放性，答案不固定，對學生的能力要求較高，解答時要求學生能夠提取問題的關鍵要素，結合物質性質、反應條件、基本原理、裝置特點、實際需要等方面綜合考慮，最終達到精準解答試題的目的。

筆者在平時教學中發現，化學試題中結構不良問題主要集中在實驗綜合題和工藝流程題中，學生失分較多。究其原因，主要是對此類型問題的思考角度不明確，思考的針對性不強。為了高效解答化學試題中結構不良問題，筆者梳理了此類問題?？嫉木欧N類型與答題技巧，與各位同行交流。

二、化學試題中結構不良問題的類型及思考角度

(一)實驗準備類

問題1：實驗前需要對原料(廢料、礦石或廢鐵屑等)怎么處理？

解題思路：

(1)對塊狀礦石或塊狀廢料進行粉碎、研磨，以便后續反應能夠充分進行。

(2)如果原料是廢鐵屑，需要對廢鐵屑上的油污進行處理。處理的方法是用堿溶液進行清洗。

問題2：裝置組裝完，實驗前首先要做什么工作？

解題思路：

裝置氣密性檢查是進行氣體實驗前要做的準備工作。

(二)條件控制類

問題1：怎樣控制反應的溫度？

解題思路：

很多有機反應對溫度有具體的范圍要求，可以通過水浴、沙浴或油浴加熱來控制溫度。

問題2：適當的升高體系溫度，除了考慮加快反應速率外，還要考慮哪些問題？

解題思路：

很多反應溫度不能過高，主要是要考慮催化劑的活性溫度范圍、反應物在高溫是否會發生分解、高溫時反應物之間是否會發生副反應、反應的平衡移動和反應物是否會逸出反應體系等。

問題3：適當增大壓強除了考慮加快反應速率外，還要考慮哪些問題？

解題思路：

很多反應壓強不能過大，要考慮設備的承壓能力、生產成本的投入、化學平衡的移動等。

問題4：為了使反應充分進行，除了控制溫度和壓強以外，還需要注意的是？

解題思路：

有氣體參與的反應要根據反應的計量數控制氣體的通入速率，確保氣體能夠充分發生反應。

問題5：控制溶液pH的目的是什么？

解題思路：

控制溶液的pH主要是為了抑制某些離子的水解。

問題6：為了提高某種反應物的轉化率，除了思考溫度、壓強外，還可以采取什么措施？

解題思路：

為了提高另外一種反應物的轉化率，一般采取的其他措施是增大另外一種反應物的用量或者將產物從體系中分離出去。

(三)裝置分析類

問題1：該裝置有什么缺陷和不足？

解題思路：

缺少防倒吸裝置、缺少尾氣處理裝置、液體滴加不暢、存在安全隱患等。

問題2：某個裝置(瓶)的作用是什么？

解題思路：

(1)空瓶一般用來防止倒吸；

(2)滴液漏斗上的導管用來平衡壓強，使液體順利流下；

(3)整套裝置最后，裝有堿石灰的U形管或干燥管主要用來吸收尾氣，或防止空氣中的水蒸氣和CO2進入裝置；

(4)垂直放置的球形冷凝管的作用為冷凝回流。

(四)原因分析類

問題1：為什么要將溶液煮沸？

解題思路：

除去溶液中溶解的O2或其他氣體，避免發生副反應。

問題2：有的反應為什么反應前要先通入一會兒N2，反應后還要通入一會兒N2?

解題思路：

反應前通N2是為了將裝置內的空氣排盡，避免引起實驗誤差。反應后通入一會兒N2是為了將產生的氣體全部趕入吸收容器內，降低實驗誤差。

問題3：為什么有的反應隨著反應的進行反應速率越來越快?

解題思路：

(1)該反應放熱，溫度升高反應速率加快；

(2)生成的產物具有催化性能，化學反應速率加快；

(3)發生某一置換反應，形成了原電池，化學反應速率加快。

問題4：為什么使用冰水浴？

解題思路：

該反應放熱，使用冰水浴可以促進平衡正向移動；或降溫防止反應發生過快。

(五)操作描述類

問題1：讀取氣體體積要注意什么？

解題思路：

氣體的體積與溫度和壓強有關。在讀取氣體體積之前要將溫度冷卻至室溫并保持所收集的氣體的壓強與外界大氣壓一致，一般是通過調節液面的高度使內外液面相平來實現。

問題2：怎樣混合兩種溶液？

解題思路：

溶液混合主要考慮混合后的熱效應。如濃硫酸稀釋時會放熱，要將密度較小的溶液加入密度較大的溶液中并用玻璃棒不斷攪拌。

問題3：多種氣體參與反應，首先通入什么氣體？

解題思路：

通入氣體的順序要考慮氣體的溶解性，以便后續反應能夠充分進行。如侯氏制堿法制取NaHCO3時，首先向飽和食鹽水中通入足量的NH3，使溶液呈堿性，再通入足量的CO2，有利于CO2溶解。由于CO2在水中的溶解性較差，不能先通CO2。

問題4：怎樣將結晶后的固體純化？

解題思路：

固體純化的方法一般為重結晶。

(六)試劑選擇類

問題：為什么要選擇或不能選擇某種試劑？

解題思路：

(1)考慮所選試劑是否會引入雜質；

(2)考慮所選試劑的氧化性或還原性，避免發生氧化還原反應；

(3)要考慮是否會產生污染性的氣體；

(4)洗滌沉淀時，要考慮沉淀在所選試劑中的溶解等。

(七)安全防范類

問題1：為什么不能用明火加熱？

解題思路：

要考慮反應物的揮發性和可燃性。

問題2：實驗結束后應怎么操作？

解題思路：

加熱的化學反應，為了避免發生倒吸，首先要將溶液中的導管撤離，然后再熄滅酒精燈。

(八)措施實施類

問題：為了加快化學反應速率，可以采取什么措施？

解題思路：

(1)升高溫度；

(2)將塊狀固體粉碎、研磨；

(3)增大反應物的濃度。

(九)評價類

問題：該方法(工藝)有什么優點和不足？

解題思路：

從原料來源、原料的利用率、試劑循環使用、工藝復雜或簡便、產物污染等方面考慮。

三、真題賞析

【例1】(2021·全國甲卷·27節選)膽礬(CuSO4·5H2O)易溶于水，難溶于乙醇。某小組用工業廢銅焙燒得到的CuO(雜質為氧化鐵及泥沙)為原料與稀硫酸反應制備膽礬，并測定其結晶水的含量?；卮鹣铝袉栴}：

(2)將CuO加入到適量的稀硫酸中，加熱，其主要反應的化學方程式為____________________，與直接用廢銅和濃硫酸反應相比，該方法的優點是_______________。

【分析】該結構不良問題屬于評價類，主要考慮環保和原料的利用率問題。

【例2】(2021·全國乙卷·27節選)氧化石墨烯具有穩定的網狀結構，在能源、材料等領域有著重要的應用前景。通過氧化剝離石墨制備氧化石墨烯的一種方法如下(裝置如圖1所示)：

圖1

Ⅰ.將濃H2SO4、NaNO3、石墨粉末在c中混合，置于冰水浴中，劇烈攪拌下，分批緩慢加入KMnO4粉末，塞好瓶口。

Ⅱ.轉至油浴中，35℃攪拌1小時，緩慢滴加一定量的蒸餾水。升溫至98℃并保持1小時。

Ⅲ.轉移至大燒杯中，靜置冷卻至室溫。加入大量蒸餾水，而后滴加H2O2至懸濁液由紫色變為土黃色。

Ⅳ.離心分離，稀鹽酸洗滌沉淀。

Ⅴ.蒸餾水洗滌沉淀。

Ⅵ.冷凍干燥，得到土黃色的氧化石墨烯。

回答下列問題：

(2)步驟Ⅰ中，需分批緩慢加入KMnO4粉末并使用冰水浴，原因是_______________。

【分析】該結構不良問題屬于原因評價類，主要考慮反應放熱和反應速率方面。

【答案】該反應放熱，分批緩慢加入KMnO4粉末并使用冰水浴的原因是為了降低化學反應速率。

【解析】濃H2SO4、NaNO3、石墨粉末在c中混合會放出大量的熱，加入KMnO4粉末后化學反應速率過快，為了降低化學反應速率，需要分批緩慢加入KMnO4粉末并使用冰水浴。

【例3】(2020·全國卷Ⅰ·26節選)釩具有廣泛用途。黏土釩礦中，釩以+3、+4、+5價的化合物存在，還包括鉀、鎂的鋁硅酸鹽，以及SiO2、Fe3O4。采用以下工藝流程可由黏土釩礦制備NH4VO3。

圖2

回答下列問題：

(6)“沉釩”中析出NH4VO3晶體時，需要加入過量NH4Cl，其原因是_______________。

【分析】該結構不良問題屬于原因分析類，主要考慮產物產率的提高(原理是同離子效應)。

【答案】利用同離子效應，促進NH4VO3盡可能析出完全

【例4】(2019·全國卷Ⅱ·28節選)咖啡因是一種生物堿(易溶于水及乙醇，熔點234.5℃，100℃以上開始升華)，有興奮大腦神經和利尿等作用。茶葉中含咖啡因約1%～5%、單寧酸(Ka約為10-6，易溶于水及乙醇)約3%～10%，還含有色素、纖維素等。實驗室從茶葉中提取咖啡因的流程如圖3所示。

圖3

(1)實驗時需將茶葉研細，放入濾紙套筒1中，研細的目的是_______________。

(2)提取過程不可選用明火直接加熱，原因是__________________________________。

【分析】該結構不良問題屬于原因分析類，主要考慮反應速率和安全兩個方面。

【答案】(1)增大接觸面積，使提取更加充分

(2)乙醇易揮發，易燃

【解析】(1)萃取時將茶葉研細可以增加固液接觸面積，從而使反應更充分；

(2)乙醇易揮發，易燃燒，為防止溫度過高使揮發出的乙醇燃燒，提取過程中不可選用明火直接加熱。

【例5】(2018·全國卷Ⅲ·27節選)KIO3是一種重要的無機化合物，可作為食鹽中的補碘劑?；卮鹣铝袉栴}：

(2)利用“KClO3氧化法”制備KIO3工藝流程如圖4所示：

圖4

③與“電解法”相比，“KClO3氧化法”的主要不足之處有________(寫出一點)。

【分析】該結構不良問題主要基于環保等方面考慮對工藝進行評價。

【答案】會產生污染性的Cl2

【解析】KClO3氧化法的最大不足之處在于生產中會產生污染環境的Cl2。

化學試題中結構不良問題對教師的教學提出了更高的要求，教師在平時的教學中要結合具體元素化合物性質及反應原理和實際生產生活需求等，在課堂中不斷滲透環保、安全、節約、高效、簡便等意識，努力提升學生思考問題的精準性和有效性，在高效解答試題的同時，提升學生的綜合素養。