一道實驗探究題的深度剖析
——探究溶液中Ag＋與單質S的反應

陳建托

(首都師范大學附屬中學)

科學探究是進行科學解釋和發現、創造和應用的科學實踐活動.北京市等級性考試及模擬考試中的實驗探究題情境新穎、方法靈活、思維發散空間大,可以充分考查學生的學科核心素養,具有良好的區分度和選拔功能.2022年北京市西城區一模考試的實驗探究題是探究溶液中Ag＋與單質S的反應,題目涉及物質檢驗、找排干擾、對比實驗等,探究思路、實驗方法和設問形式具有較強的啟發性.筆者深入分析此題,探索實驗探究題的一般解題方法,希望對學生學習有一定的幫助.本題素材源自2015年第29屆全國高中學生化學競賽(省級賽區)試題.

原題寫出下列各化學反應的方程式.

1-4 在水中,Ag2SO4與單質S作用,沉淀變為Ag2S,分離,所得溶液加碘水不褪色.

答案3 Ag2SO4＋4S＋4 H2O→3Ag2S＋4 H2SO4.

1 一模題目

例 探究溶液中Ag＋與單質S的反應.

資料:Ag2S不溶于6 mol?L－1鹽酸,Ag2SO3和Ag2SO4在6 mol?L－1鹽酸中均發生沉淀的轉化.

實驗Ⅰ.將10 mL 0.04 mol?L－1Ag NO3溶液與0.01 g S粉混合,水浴加熱,充分反應后,過濾,得到無色溶液a(p H≈1),沉淀除S、洗滌后得到黑色固體b.

(1)研究黑色固體b的組成.

①根據S 具有________性,推測b 中可能含有Ag2S、Ag、Ag2SO3或Ag2SO4.

②檢驗黑色固體b的成分.

實驗Ⅱ.操作流程如圖1所示.

圖1

ⅰ.取少量濾液c,先加入足量稀鹽酸,再滴加BaCl2溶液,未出現白色沉淀,判斷黑色固體b 中不含_________.

ⅱ.用濾液c繼續實驗證明了黑色固體b中不含Ag2SO3,可選擇的試劑是_________(填序號).

A.酸性K Mn O4溶液

B.H2O2和Ba Cl2的混合溶液

C.溴水

ⅲ.進一步實驗證實了黑色固體b中不含Ag.根據沉淀e含有Ag、氣體含有H2S,寫出同時生成Ag和H2S的離子方程式:_________.

(2)研究無色溶液a的組成.

實驗Ⅲ.操作流程如圖2所示.

圖2

①說明溶液a 中不含H2SO3的實驗證據是_________.

②加入足量稀鹽酸的作用是________.

(3)在注射器中進行實驗Ⅳ,探究Ag2SO4溶液與S的反應,所得產物與實驗Ⅰ相同.

①向注射器中加入的物質是________.

②改用Ag2SO4溶液的目的是_________.

(4)用Na NO3溶液與S進行實驗Ⅴ,發現二者不反應.綜合以上實驗,寫出溶液中Ag＋與S反應的離子方程式并簡要說明Ag＋的作用:_______.

答案(1)①氧化性和還原.②ⅰ.Ag2SO4.ⅱ.B、C.ⅲ.Ag2S＋2 H＋＋Fe2 Ag＋Fe2＋＋H2S↑.

(2)S轉化為Ag2S發生了還原反應,反應必然同時發生氧化反應,能發生氧化反應的只有S,故在p H≈1的溶液中可能存在或H2SO3.

①向溶液a中加入足量稀鹽酸后,再加入碘水和淀粉溶液,藍色不褪去.

②排除Ag＋對和H2SO3檢驗的干擾.

(3)①10 mL 0.02 mol?L－1Ag2SO4溶液與0.01 g S粉.②排除對反應的影響.

(4)6 Ag＋＋4S＋4 H2O ＝3 Ag2S＋＋8 H＋,形成Ag2S難溶物,降低c(S2－),提高S的氧化性,利于反應發生.

2 深度剖析

根據實驗現象可初步預測Ag NO3與S發生氧化還原反應,氧化劑可能有,還原劑可能是S,本題探究過程則是要逐步確定氧化劑和還原劑及對應產物,進而確定二者的真實反應.

2.1 研究黑色固體b的組成

實驗Ⅱ將黑色固體b溶于一定濃度的鹽酸,將可能存在的Ag2SO3或Ag2SO4轉化分離,實驗過程分析如圖3所示.

圖3 探究黑色固體b的組成

實驗結論:黑色固體b 中有Ag2S,無Ag、Ag2SO3和Ag2SO4.

證明黑色固體b中不含Ag2SO3,也就是證明濾液c中沒有H2SO3.分析題給選項可知,利用H2SO3的還原性進行檢驗,要注意檢驗是否有明顯現象(實驗證據),是否有其他干擾(確保檢驗的唯一性).選項A,有Cl－干擾,不可以證明(酸性KMn O4溶液可以氧化Cl－).選項B,H2O2氧化H2SO3生成,進而生成BaSO4沉淀,可以證明(若只加H2O2不可以證明,沒有明顯實驗現象).選項C,H2SO3與Br2發生氧化還原反應,溴水褪色,可以證明.

沉淀e中含有Ag,氣體中含有H2S.根據銀元素守恒或硫元素守恒可以判斷黑色固體b中必然存在Ag2S(銀元素、硫元素均無其他來源).

如何檢驗黑色固體b或沉淀d中是否存在Ag?一般檢驗Ag 的方法:固體先加硝酸溶解,再滴加Na Cl溶液或鹽酸,觀察是否出現沉淀.本題固體b和沉淀d中存在Ag2S,Ag2S可溶于較濃的硝酸,所用硝酸濃度不能太大,但硝酸濃度較小時,Ag的溶解又不充分,加之本題試劑用量很少,不容易準確檢驗Ag是否存在.題目或是為簡化處理,所以明確給出了固體b中不存在Ag.

2.2 研究無色溶液a的組成

體系中可以升價的物質只有S,固體b 中沒有Ag2SO3、Ag2SO4,預測溶液a中存在或H2SO3,進一步實驗如圖4所示.

圖4 探究無色溶液a的組成

實驗Ⅲ用BaCl2溶液檢驗,“碘水＋淀粉”檢驗有還原性的H2SO3,需要注意溶液a中可能存在Ag＋(Ag NO3未完全反應).一方面,Ag＋可以與Ba Cl2反應生成沉淀,干擾檢驗.另一方面,Ag＋可與碘水中I－反應生成沉淀,促進I2與水的反應,干擾H2SO3檢驗.檢驗和H2SO3需要排除Ag＋干擾,也就是加入足量稀鹽酸的作用.

2.3 研究 是否參與反應

實驗Ⅱ、Ⅲ已經確認有Ag2S 和生成,但是否參與氧化還原反應尚不能確定.研究是否參與反應需要將Ag NO3替換為Ag2SO4進行對比實驗,當然一定要注意控制單一變量,保證溶液體積和Ag＋濃度一致(Ag2SO4濃度為Ag NO3濃度的二分之一).故實驗Ⅳ向注射器中加入的物質是10 mL 0.02 mol?L－1Ag2SO4溶液與0.01 g S粉.實驗Ⅳ所得產物與實驗Ⅰ相同,再替換Ag＋進行對比實驗,用Na NO3溶液與S 進行實驗Ⅴ,發現二者不反應,充分排除了(H＋)參與反應的可能.

實驗Ⅳ在注射器中進行,可以排除空氣中O2的干擾,同時也排除了O2作為氧化劑的可能性.

2.4 整體分析

實驗整體分析如表1所示.

表1 整體分析

綜合以上信息,體系中反應物是Ag＋和S(還有H2O),產物為Ag2S和,也就是硫元素歧化,反應方程式:6 Ag＋＋4S＋4 H2O＋8 H＋.分析電極反應式:S＋2e－＝S2－可知,Ag＋與S2－形成Ag2S難溶物,降低c(S2－)可以提高S 的氧化性,利于反應發生.

讀者可以分析類似的情境:CuSO4溶液與銅粉不反應,但是Cu Cl2溶液可與銅粉反應生成Cu Cl.

3 結語

實驗探究題兼具基礎性、綜合性、應用性和創新性,凸顯對學科關鍵能力和學科核心素養的考查.高效解答此題需要考生在熟練掌握基礎知識的同時能夠快速準確讀懂題意,明確思路,靈活運用多種探究方法.

(完)