例談“新高考”中如何解答化學實驗探究題

湯 偉(正高級教師)

(安徽省靈璧中學)

通過調研,我們發(fā)現很多考生對“新高考”背景下化學實驗探究題的解答思路不夠清晰,面對試題提供的情境,不知如何探究分析.下面以2022年“新高考”化學實驗探究試題為例,進行分析說明.

1 如何探究物質的性質

該類高考試題的命制特點常常根據物質的分類、化合價的高低、組成元素、分子結構特點等進行預測或猜想可能有的性質,然后選擇特定試劑進行實驗探究,解答過程中常常會出現超出教材所學范圍的情況,即出現一些教材講述內容之外的反應,我們需要根據所學化學原理進行推理探究.解答該類試題的基本思路如圖1所示.

圖1

例1(2022年北京卷)某小組同學探究不同條件下氯氣與二價錳化合物的反應.

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關,NaClO的氧化性隨堿性增強而減弱.

實驗裝置如圖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方程式為________.

(3)對比實驗Ⅰ、Ⅱ通入Cl2后的實驗現象,對于二價錳化合物還原性的認識是________.

(4)根據資料ⅱ,Ⅲ中應得到綠色溶液,實驗中得到紫色溶液,分析現象與資料不符的原因.

原因一:可能是通入Cl2導致溶液的堿性減弱.

①用化學方程式表示可能導致溶液堿性減弱的原因:_________,但通過實驗測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_________,溶液綠色緩慢加深,原因是MnO2被_________(填“化學式”)氧化,可證明Ⅲ的懸濁液中氧化劑過量.

③?、蛑蟹胖煤蟮?mL懸濁液,加入4mL水,溶液紫色緩慢加深,發(fā)生的反應是_________.

④從反應速率的角度,分析實驗Ⅲ未得到綠色溶液的可能原因:_______.

分析該實驗探究的目的是“探究不同條件下氯氣與二價錳化合物的反應”,裝置C 是完成該實驗目的的主要裝置圖.試題以“不同條件下氯氣與二價錳化合物的反應”為情境,注重考查物質性質的實驗探究.(1)根據裝置圖及物質性質特點,容易得出裝置A 中HCl與KMnO4發(fā)生反應制取Cl2,由于鹽酸具有揮發(fā)性,為排除HCl對溶液酸堿性的影響,在裝置B 中盛放飽和NaCl溶液,除去Cl2中的雜質HCl.(2)通入Cl2前,Ⅱ、Ⅲ中Mn2＋與NaOH 電離產生的OH-反應容易產生Mn(OH)2白色沉淀,該沉淀又會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方程式為2Mn(OH)2＋O2＝2MnO2＋2H2O.(3)根據試題提供的資料“Mn2＋在一定條件下被Cl2或ClO-氧化成MnO2(棕黑色)、(綠色)、(紫色)”以及對比實驗Ⅰ、Ⅱ所提供的信息,可以得出二價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,可能會使溶液的堿性減弱,反應的方程式為Cl2＋2NaOH＝NaCl＋NaClO＋H2O;②實驗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,說明在濃堿條件下,被還原為,該離子方程式為;根據試題提供的資料“Cl2的氧化性與溶液的酸堿性無關,NaClO 的氧化性隨堿性增強而減弱”可以推理得出溶液綠色緩慢加深,原因是MnO2被氧化,此時氧化劑應該是NaClO;③根據上述分析,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)生的反應為④實驗Ⅲ未得到綠色溶液,從反應速率的角度分析,可以得出反應過程中生成的速率明顯要快于生成的速率,以致于實驗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態(tài).

(4)①Cl2＋2NaOH＝NaCl＋NaClO＋H2O.

③3ClO-＋2MnO2＋2OH-＝2＋3Cl-＋H2O.

④溶液中存在反應:

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

2 如何控制變量,探究反應條件對實驗的影響

控制變量,探究反應條件對實驗的影響是新課標、新高考背景下考查的熱點題型之一,影響反應的外界因素有很多時,我們在設計實驗探究時需要控制其他因素相同或不變,再進行實驗,即控制變量思想的應用.解答該類試題的基本思路如圖3所示.

圖3

在明確實驗目的,確立具體探究問題的前提下,解答該類問題需要把握如下關鍵點.

1)確定變量:首先要認真審題,厘清影響實驗探究結果的因素有哪些.

2)定多變一:在探究時,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題存在怎樣的關系;然后通過分析每種因素與所探究問題之間的關系,得出所有影響因素與所探究問題之間的關系.

3)數據有效:解答時注意選擇數據(或設置實驗)要有效,且變量統(tǒng)一,否則無法作出正確判斷.

例2(2022年廣東卷)食醋是烹飪美食的調味品,有效成分主要為醋酸(用HAc表示).HAc的應用與其電離平衡密切相關.25 ℃時,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_________mL.(2)下列關于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:稀釋HAc溶液或改變Ac-濃度,HAc電離平衡會發(fā)生移動.

設計方案并完成實驗: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,測定pH,記錄數據.

表2

①根據表中信息,補充數據:a＝_________,b＝_______.

②由實驗Ⅰ和Ⅱ可知,稀釋HAc溶液,電離平衡_________(填“正”或“逆”)向移動;結合表中數據,給出判斷理由:________.

③由實驗Ⅱ～Ⅷ可知,增大Ac-濃度,HAc電離平衡逆向移動.

實驗結論:假設成立.

(4)該小組成員分析上表數據發(fā)現: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.

對比數據發(fā)現,實驗Ⅷ中pH＝4.65與資料數據Ka＝10-4.76存在一定差異;推測可能由物質濃度準確程度不夠引起,故先準確測定HAc溶液的濃度再驗證.

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,消耗體積為22.08 mL,則該HAc 溶液的濃度為________mol·L-1.畫出上述過程的滴定曲線示意圖并標注滴定終點.

②用上述HAc溶液和0.1000mol·L-1NaOH溶液配制等物質的量的HAc與NaAc混合溶液,測定pH,結果與資料數據相符.

(5)小組成員進一步提出:如果只有濃度均約為0.1mol·L-1的HAc 和NaOH 溶液,如何準確測定HAc的Ka.小組同學設計方案并進行實驗.請完成下面Ⅱ中的內容.

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

Ⅱ._______,測得溶液的pH 為4.76.

實驗總結:得到的結果與資料數據相符,方案可行.

(6)根據Ka可以判斷弱酸的酸性強弱.寫出一種無機弱酸及其用途:_______.

分析該試題不僅考查了化學實驗中的一些基本操作(如一定物質的量濃度溶液的配制、酸堿中和滴定),還通過問題(3)考查了控制變量思想,即反應條件探究類實驗問題.

(1)根據溶液稀釋過程中,溶質的物質的量守恒,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)根據一定物質的量濃度的溶液配制的實驗操作,可以得出:圖示A 中,用手觸碰瓶口,會污染試劑及對皮膚造成傷害;圖示B中,定容時,需平視而不能夠仰視或俯視;圖示D 中,定容后的操作應該是蓋上瓶塞,將容量瓶來回顛倒,將溶液搖勻,顛倒過程中,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實驗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,由實驗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實驗Ⅰ所得溶液的pH＝2.86,實驗Ⅱ的溶液中c(HAc)為實驗Ⅰ的1/10,稀釋過程中,若不考慮電離平衡移動,則實驗Ⅱ所得溶液的pH＝2.86＋1＝3.86,但實際溶液的pH＝3.36＜3.86,說明稀釋過程中,溶液中c(H＋)增大,即電離平衡正向移動.

(4)①根據滴定發(fā)生的中和反應:

可以得出滴定至終點時,n(HAc)＝n(NaOH),由此推理、計算可得c(HAc)＝0.1104 mol·L-1;滴定過程中,當,溶液的pH＝2.88,當V(NaOH)＝11.04mL 時,n(NaAc)＝n(HAc),溶液的pH＝4.76,當V(NaOH)＝22.08mL時,達到滴定終點,溶液中溶質為NaAc,Ac-發(fā)生水解,溶液呈弱堿性,當NaOH 溶液過量較多時,c(NaOH)無限接近0.1 mol·L-1,溶液的pH 接近13,因此滴定曲線如圖4所示.

圖4

(5)向20.00 mL 的HAc 溶液中加入V1mL NaOH 溶液達到滴定終點,滴定終點的溶液中溶質為NaAc,當n(NaAc)∶n(HAc)＝1時,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)不同的無機弱酸在生活中應用廣泛,如HClO具有強氧化性,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;實驗Ⅱ相較于實驗Ⅰ,醋酸溶液稀釋了10倍,而實驗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)