氧化還原實(shí)驗(yàn)探究題命題情境與命題視角窺探

陳建托

(首都師范大學(xué)附屬中學(xué))

科學(xué)探究是進(jìn)行科學(xué)解釋和發(fā)現(xiàn)、創(chuàng)造和應(yīng)用的科學(xué)實(shí)踐活動(dòng),化學(xué)實(shí)驗(yàn)是探究和學(xué)習(xí)物質(zhì)及其變化的基本方法,是科學(xué)探究的一種重要途徑。

北京市高考化學(xué)命題注重科學(xué)探究的考查,試卷壓軸題一般以實(shí)驗(yàn)探究題形式呈現(xiàn),而氧化還原相關(guān)的情境因具有很強(qiáng)的綜合性、復(fù)雜性,是探究題重要切入點(diǎn)之一。本文研究北京市近幾年高考題、模擬題中與氧化還原相關(guān)的實(shí)驗(yàn)探究題,分析命題情境,梳理命題視角,期望給予高三復(fù)習(xí)和備考一定的幫助。

一、命題情境

《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)》(2017年版2020年修訂)提出“以真實(shí)情境為測試載體”的命題原則。“無情境不命題”,北京市實(shí)驗(yàn)探究題一般以真實(shí)情境為載體,立足于解決實(shí)際問題,實(shí)現(xiàn)對(duì)學(xué)生基礎(chǔ)知識(shí)、關(guān)鍵能力和學(xué)科素養(yǎng)的考查。

氧化還原相關(guān)實(shí)驗(yàn)探究題命題情境主要有以下特點(diǎn):

①情境具有真實(shí)性、科學(xué)性且具有正確的價(jià)值導(dǎo)向,落實(shí)高考立德樹人的核心功能。

②一般選取核心元素的重要化合物進(jìn)行多角度的實(shí)驗(yàn)探究。

③情境合理地、立體化地將化學(xué)學(xué)科核心內(nèi)容緊密關(guān)聯(lián),構(gòu)建具有內(nèi)部邏輯的整體。

④情境具有一定的綜合性、復(fù)雜性,體系一般多物質(zhì)、多性質(zhì)、多反應(yīng)、多干擾,解決問題需要多步分析推理、靈活遷移應(yīng)用。例如2019年北京高考探究SO2與AgNO3溶液的反應(yīng),體系有多種物質(zhì),物質(zhì)有多重性質(zhì),反應(yīng)有多種可能,如圖1所示。

圖1 SO2與AgNO3溶液反應(yīng)體系

筆者將北京市近10年高考題(含等級(jí)性考試)和近3年模擬題(含高三上學(xué)期期末考試,本文簡稱高三期末)中相關(guān)情境歸納,簡析4類典型情境。

(一)氧化性物質(zhì)+還原性物質(zhì)復(fù)雜反應(yīng)體系

一般命題選取學(xué)生相對(duì)熟悉的物質(zhì),但物質(zhì)性質(zhì)多元,物質(zhì)之間的反應(yīng)比較復(fù)雜,除氧化還原反應(yīng)外還可能涉及酸堿反應(yīng)、沉淀反應(yīng)、絡(luò)合反應(yīng),濃度、溫度、溶液的pH等反應(yīng)條件會(huì)影響反應(yīng)進(jìn)行,反應(yīng)速率和反應(yīng)限度也影響反應(yīng)的競爭性。這種情境命題切入點(diǎn)豐富,在考題中比較普遍。

(二)物質(zhì)制備或性質(zhì)探究

選取具有典型氧化性或還原性的物質(zhì),對(duì)其制備或性質(zhì)進(jìn)行探究。這種情境涵蓋面廣泛,設(shè)置問題靈活,突出對(duì)實(shí)驗(yàn)技能的考查。

(三)意外現(xiàn)象

化學(xué)學(xué)科的魅力之一在于其不確定性,實(shí)驗(yàn)中經(jīng)常出現(xiàn)預(yù)期之外的現(xiàn)象,這也成為常見命題情境之一。意外現(xiàn)象情境可以構(gòu)建“原有認(rèn)知→情境沖突→解決問題→新的認(rèn)知”的思維歷程,將反應(yīng)原理、實(shí)驗(yàn)操作、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)和結(jié)論概括等有機(jī)融合。相關(guān)題目如表1所示。

表1 意外現(xiàn)象考題

(四)可逆氧化還原反應(yīng)

依托可逆氧化還原反應(yīng)開展的探究實(shí)驗(yàn),可關(guān)聯(lián)平衡移動(dòng)、平衡常數(shù)測定和計(jì)算、反應(yīng)速率、氧化性還原性變化、電化學(xué)等知識(shí),題目思維量大、綜合度高。近幾年相關(guān)考題如表2所示。

二、命題視角

實(shí)驗(yàn)探究題情境復(fù)雜新穎,命題視角豐富靈活,這種命題形式和趨勢(shì)可以起到反套路、反押題的作用,引導(dǎo)摒棄機(jī)械刷題。本文給出幾種經(jīng)典命題視角。

(一)氧化性、還原性變化

1.氧化性、還原性影響因素探究

探究物質(zhì)氧化性還原性影響因素常采取的辦法是控制變量進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn),設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)時(shí)要控制濃度、溫度等條件一致,保證單一變量,勿引入多余干擾因素。

2.沉淀反應(yīng)或絡(luò)合反應(yīng)對(duì)物質(zhì)氧化性或還原性的影響

反應(yīng)物或產(chǎn)物發(fā)生沉淀反應(yīng)或絡(luò)合反應(yīng)引起物質(zhì)濃度改變,影響物質(zhì)氧化性或還原性,進(jìn)而影響氧還反應(yīng)的進(jìn)行。

【例1】(2021年北京房山一模節(jié)選改編)化學(xué)變化是有條件的。某小組同學(xué)探究I-與金屬陽離子的氧化還原反應(yīng),實(shí)驗(yàn)過程如表3。已知:同濃度的稀溶液中氧化性:Ag+>Fe3+>Cu2+。

表3 實(shí)驗(yàn)過程

(3)實(shí)驗(yàn)Ⅲ中Cu2+與I-反應(yīng)的離子方程式是________________________。

(5)該小組同學(xué)進(jìn)一步分析認(rèn)為,實(shí)驗(yàn)Ⅲ發(fā)生氧化還原反應(yīng)的原因是________,實(shí)驗(yàn)Ⅳ沒有發(fā)生氧化還原反應(yīng)的原因是:________________。

(二)物質(zhì)干擾

進(jìn)行氧化還原相關(guān)的實(shí)驗(yàn),體系中可能會(huì)有其他物質(zhì)干擾,影響核心物質(zhì)和反應(yīng)的探究。排除物質(zhì)干擾常用兩種方法。

1.直接去除干擾物質(zhì)

如果干擾物質(zhì)容易去除,則直接去除干擾物質(zhì)進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)。如2011年北京高考,探究SO2與可溶性鋇鹽的反應(yīng),存在兩種干擾,一是裝置中的空氣,可以實(shí)驗(yàn)前通一段時(shí)間氮?dú)馊コ?二是銅與濃硫酸反應(yīng)揮發(fā)的硫酸酸霧,可以通過飽和NaHSO3溶液洗氣去除。

2.替換干擾因素,進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)Ⅰ.粉紅色的CoCl2溶液或CoSO4溶液在空氣中久置,無明顯變化。

實(shí)驗(yàn)Ⅱ.向0.1 mol/L CoCl2溶液中滴入2滴酸性KMnO4溶液,無明顯變化。

實(shí)驗(yàn)Ⅲ.按如圖2所示裝置進(jìn)行實(shí)驗(yàn),觀察到電壓表指針偏轉(zhuǎn)。

圖2 實(shí)驗(yàn)裝置

①甲同學(xué)根據(jù)實(shí)驗(yàn)Ⅲ得出結(jié)論:Co2+可以被酸性KMnO4溶液氧化。

乙同學(xué)補(bǔ)充實(shí)驗(yàn)Ⅳ,____________(補(bǔ)全實(shí)驗(yàn)操作及現(xiàn)象),否定了該觀點(diǎn)。

【簡析】實(shí)驗(yàn)欲探究Co2+與KMnO4溶液的反應(yīng),但有Cl-干擾。一方面可以替換Cl-進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn),將實(shí)驗(yàn)Ⅲ中的0.1 mol/L CoCl2溶液替換為0.1 mol/L CoSO4溶液,指針幾乎不偏轉(zhuǎn);另一方面,也可以替換Co2+進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn),將實(shí)驗(yàn)Ⅲ中的0.1 mol/L CoCl2溶液替換為0.2 mol/L NaCl溶液進(jìn)行實(shí)驗(yàn),指針偏轉(zhuǎn)幅度與實(shí)驗(yàn)Ⅲ相同。

(三)競爭反應(yīng)

在發(fā)生氧化還原反應(yīng)的同時(shí)還可能存在其他類型反應(yīng)的競爭,即體系為多反應(yīng)體系。舉例如表4所示。

表4 競爭反應(yīng)

1.雙液電池避免非氧化還原反應(yīng)干擾

對(duì)于多反應(yīng)體系,若需要進(jìn)行氧化還原反應(yīng)、避免其他反應(yīng)類型,可以采用雙液電池裝置,如圖3所示。例如探究硫酸銅溶液與硫化鈉溶液的氧化還原反應(yīng),若二者直接接觸會(huì)立即產(chǎn)生CuS沉淀而影響氧化還原反應(yīng)的進(jìn)行,運(yùn)用雙液電池裝置可以避免兩種物質(zhì)直接接觸,進(jìn)而避免沉淀反應(yīng)。

圖3 雙液電池裝置

2.絡(luò)合反應(yīng)避免氧化或沉淀反應(yīng)

如FeCl3溶液與Na2S溶液混合制備Fe2S3,可能發(fā)生氧化還原反應(yīng),加入NaF將Fe3+絡(luò)合,降低c(Fe3+)進(jìn)而降低Fe3+氧化性,可以避免氧還反應(yīng),從而制得Fe2S3。

再如2021年北京高考,鐵黃(FeOOH)純度可以通過產(chǎn)品的耗酸量確定,如圖4所示。

圖4 鐵黃純度測定

本題為返滴法,用NaOH溶液滴定剩余H2SO4。但是溶液b中存在Fe3+,會(huì)與NaOH反應(yīng)生成沉淀干擾滴定,加入過量Na2C2O4將Fe3+絡(luò)合,可以避免Fe3+與NaOH反應(yīng)。

3.反應(yīng)主次、快慢、先后的協(xié)調(diào)與競爭

反應(yīng)主次、快慢和先后涉及反應(yīng)速率與反應(yīng)限度等因素。舉例幾種情況。

①先A再B。若體系中可以進(jìn)行兩種反應(yīng)A、B,且先進(jìn)行A,過一段時(shí)間再進(jìn)行B,一般是A反應(yīng)的速率快(活化能低),B反應(yīng)的限度大(平衡常數(shù)大)。

②A多B少。體系中同時(shí)進(jìn)行兩種反應(yīng)A、B,A反應(yīng)的比例高于B反應(yīng),一般是A反應(yīng)的速率快,B反應(yīng)的速率慢。

③連續(xù)反應(yīng)。體系中A反應(yīng)生成M物質(zhì),B反應(yīng)消耗M物質(zhì)。若M有積累剩余,則A反應(yīng)速率快;若M幾乎無積累,則B反應(yīng)速率更快。

(四)氧還產(chǎn)物多樣化

因反應(yīng)物濃度、相對(duì)用量(滴加順序)或pH等因素的改變,反應(yīng)產(chǎn)物有多種可能。

三、結(jié)語

氧化還原相關(guān)的實(shí)驗(yàn)探究題一般具有完整的邏輯,可從以下幾個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行分析推理:

①明確目的;

②識(shí)別變量和干擾;

③設(shè)計(jì)并進(jìn)行實(shí)驗(yàn),實(shí)現(xiàn)變量控制和排除干擾;

④結(jié)合反應(yīng)原理進(jìn)行分析解釋。

題目分析模型如圖5所示。

圖5 分析模型

氧化還原相關(guān)實(shí)驗(yàn)探究題大多以素養(yǎng)立意為命題導(dǎo)向,強(qiáng)化實(shí)驗(yàn)情境、基礎(chǔ)知識(shí)、實(shí)驗(yàn)?zāi)芰皩W(xué)科思想之間的高度聯(lián)系。教師在教學(xué)中需要注重情境化教學(xué),精心設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)探究活動(dòng),培養(yǎng)學(xué)生對(duì)復(fù)雜體系進(jìn)行觀察、分析和推理的能力,進(jìn)而全面提升學(xué)生學(xué)科素養(yǎng),落實(shí)立德樹人根本任務(wù)。