以元素化合物性质为载体的探究性实验题的解答策略

湖北 宁 鹏

以元素化合物性质为载体的探究性实验题的解答策略

探究性实验题是近年来高考命题的热点题型，其中以化学实验为基础，以元素化合物性质为载体，考查实验方案的设计和评价是其命题的重点和落脚点。探究性实验题设置的情境新颖、取材广泛、考查灵活，具有探究性、开放性及灵活性等特点，此类题能很好地考查学生分析问题、解决问题和创新思维的能力，在高考中具有很好的选拔功能，同时，这样的探究性实验题也是学生感到最为棘手和最难得分的大题之一。本文对探究性实验题型的解答策略进行梳理，并结合考纲，以近几年的有关高考题为例具体分析，希望在高考复习备考中，能帮助考生将元素化合物性质和探究性实验有机结合起来，提高考生的分析能力、设计能力和实验探究能力，突破高考化学探究性实验题。

题型一：物质性质验证类探究性实验题的实验方案设计

此类题一般的解答策略为：分析物质的结构→推测可能具有的性质→推测可能发生的化学反应→设计实验方案(方法、步骤、药品的选择、仪器的选择和连接、现象、分析、结论)→实施实验→分析得出结论。此类题型主要有两种：一种是条件限制型的，即对实验装置、实验试剂、检验方法做了限定，应根据命题人的思路进行探究并作答。作为应试题目，限制型的题目是考查的重点；另一种是开放型的，能达到验证目的的实验方案均可。解决限制型的试题首先要根据题设条件综合分析实验的目的和原理，弄清解题思路，再具体作答，切忌自己主观臆断。其次要注意验证某性质一般应通过某个具体化学反应的实验现象来达到验证目的，因此做这类题目时要排除其他干扰因素对验证的影响。

【例1】(2015新课标Ⅰ，26)草酸(乙二酸)存在于自然界的植物中，其K1=5.4×10-2，K2=5.4×10-5。草酸的钠盐和钾盐易溶于水，而其钙盐难溶于水。草酸晶体(H2C2O4·2H2O)无色，熔点为101℃，易溶于水，受热脱水、升华，170℃以上分解。回答下列问题：

(1)甲组同学按照如图所示的装置，通过实验检验草酸晶体的分解产物。装置C中可观察到的现象是________________，由此可知草酸晶体分解的产物中有___________ 。装置B的主要作用是___________。

(2)乙组同学认为草酸晶体分解的产物中含有CO，为进行验证，选用甲组实验中的装置A、B和下图所示的部分装置(可以重复选用)进行实验。

①乙组同学的实验装置中，依次连接的合理顺序为A、B、___________ 。装置H反应管中盛有的物质是___________ 。

②能证明草酸晶体分解产物中有CO的现象是___________。

(3)设计实验证明：

①草酸的酸性比碳酸的强___________ 。

②草酸为二元酸___________ 。

【解析】(1)结合题中信息“草酸晶体受热脱水、升华，170℃以上分解”，再根据实验装置图和氧化还原反应有关知识可推知，草酸晶体受热分解产物为CO2、CO、H2O； 草酸的钠盐和钾盐易溶于水，而其钙盐难溶于水，草酸易挥发，导致生成的气体中含有草酸，草酸和氢氧化钙反应生成难溶性的草酸钙而干扰二氧化碳的检验，B装置温度较低，有冷凝作用，防止干扰二氧化碳的检验。(2)由装置A、B出来的气体含有CO2、CO，容易想到用灼热CuO(或Fe2O3)来氧化CO，进而检验其产物CO2，但要注意到原产物中有CO2，故要设计除去CO2和验证CO2除尽的环节。最终确认连接顺序F(除CO2)、D(验证CO2被除尽)、G(干燥)、H(氧化CO)、D(通过验证CO2来证明CO的存在)、I(尾气处理，CO有毒)；H中要装CuO(或Fe2O3)。(3)①利用强酸制取弱酸原理进行验证。 ②利用NaOH标准溶液滴定草酸溶液进行验证。

【答案】(1)有气泡逸出，澄清石灰水变浑浊 CO2冷凝(水蒸气、草酸等)，避免草酸进入装置C反应生成沉淀，干扰CO2的检验 (2)①F、D、G、H、D、I CuO(或Fe2O3) ②H中的黑色粉末变为红色(或红棕色粉末变为黑色)，其后的D中澄清的石灰水变浑浊 (3)①向盛有少量NaHCO3溶液的试管中滴加草酸溶液，有气泡产生 ②用氢氧化钠标准溶液滴定草酸溶液，消耗氢氧化钠的物质的量是草酸的两倍

【点评】本题以草酸的性质为载体考查CO、CO2的性质验证、氧化还原反应、化学实验基本知识和化学实验方案设计，难度中等。考查与考纲中“了解常用仪器的用途和使用方法，能对常见物质进行检验，根据试题要求设计实验方案”的要求是吻合的。

题型二：物质性质探究类实验题的实验方案设计和评价

此类题一般的解答策略为：根据物质的性质→提出问题和猜想→推测可能发生的化学反应→设计实验方案(方法、步骤、药品的选择、仪器的选择和连接、现象、分析、结论)→观察分析实验现象→得出结论。在探究过程中往往利用对比实验进行对照和比较，从而探究和揭示某种规律，解释某种现象形成的原因或证明某种反应机理。在进行实验评价时，一定要注意思维的严密性，实验设计中，关键点是对试剂的选择和实验条件的调控。

【例2】(2013四川，9)为了探究AgNO3的氧化性和热稳定性，某化学兴趣小组设计了如下实验。

Ⅰ．AgNO3的氧化性

将光亮的铁丝伸入AgNO3溶液中，一段时间后将铁丝取出。为检验溶液中Fe的氧化产物，将溶液中的Ag+除尽后，进行了如下实验。可选用的试剂：KSCN溶液、K3[Fe(CN)6]溶液、氯水。

(1)请完成下表：

操作现象结论取少量除尽Ag+后的溶液于试管中,加入KSCN溶液,振荡① 存在Fe3+取少量除尽Ag+后的溶液于试管中,加入② ,振荡③ 存在Fe2+

【实验结论】Fe的氧化产物为Fe2+和Fe3+

Ⅱ．AgNO3的热稳定性

用下图所示的实验装置A加热AgNO3固体，产生红棕色气体，在装置D中收集到无色气体。当反应结束后，试管中残留固体为黑色。

(2)装置B的作用是___________。

(3)经小组讨论并验证该无色气体为O2，其验证方法是___________。

(4)【查阅资料】Ag2O和粉末状的Ag均为黑色；Ag2O可溶于氨水。

【提出假设】试管中残留的黑色固体可能是：ⅰ．Ag；ⅱ．Ag2O；ⅲ．Ag和Ag2O

【实验验证】该小组为验证上述设想，分别取少量黑色固体放入试管中，进行了如下实验。

实验编号操作现象a加入足量氨水,振荡黑色固体不溶解b加入足量稀硝酸,振荡黑色固体溶解,并有气体产生

【实验评价】根据上述实验，不能确定固体产物成分的实验是___________ (填实验编号)。

【实验结论】根据上述实验结果，该小组得出的AgNO3固体热分解的产物有___________ 。

【解析】Ⅰ．(1)略。Ⅱ．(2)略。(3)略。(4)已知条件中Ag2O可溶于氨水，因此实验a加入足量氨水，黑色固体不溶解，说明黑色固体为Ag单质；而实验b中加入足量稀硝酸，由于两种固体均能够溶于稀硝酸，因此固体溶解并产生气体的现象只能说明含有Ag单质，但不能确定是否含有Ag2O，因此不能确定固体成分的实验是b。由上述几种实验结果分析可得硝酸银受热分解的产物为Ag、NO2、O2。

【答案】 (1)①溶液呈红色 ②K3[Fe(CN)6]溶液 ③产生蓝色沉淀 (2)防倒吸 (3)用带火星的木条伸入集气瓶内，木条复燃，证明无色气体为O2(4)① b ②Ag、NO2、O2

【点评】考纲中要求“掌握化学实验的基本操作，了解实验室一般事故的预防和处理方法；能对常见的物质进行检验；能根据实验试题要求，设计、评价实验方案，分析得出合理结论”，本题以AgNO3的氧化性和热稳定性为载体考查了Fe3+和Fe2+的检验、Ag和Ag2O的性质、装置的作用、实验操作等知识，意在考查考生的化学实验基本操作能力、实验方案设计能力、提取信息分析问题和解决问题的能力，难度中等。

题型三：物质制备探究类实验题的实验方案设计、评价和改进

物质制备探究类实验，从左到右，一般会出现下列几部分装置：气体(物质)制备装置→除杂净化装置→干燥装置→收集或性质实验装置→吸收或尾气处理装置。遇到具体实验问题时，只要对照上述装置路线进行适当的取舍，即可达到目的。制备实验中实验装置除了上面这几部分基本装置外，为了使实验更加科学、合理、完美，经常出现改进、优化类装置，如防倒吸装置、平衡压强装置、不同气体充分混合装置、冷凝回流装置等。当题中给出装置时，可以对照上述顺序把整套装置划分为几个模块，便于理清思路。当需要自己设计制备装置时，可以把它作为路线图，便于设计最佳的制备方案。最后结合物质制备原理和有关元素化合物知识进行解答即可。

【例3】(2014四川，9)硫代硫酸钠是一种重要的化工产品。某兴趣小组拟制备硫代硫酸钠晶体(Na2S2O3·5H2O)。

Ⅰ．[查阅资料]

(1)Na2S2O3·5H2O是无色透明晶体，易溶于水，其稀溶液与BaCl2溶液混合无沉淀生成。

(2)向Na2CO3和Na2S混合溶液中通入SO2可制得Na2S2O3，所得产品常含有少量Na2SO3和Na2SO4。

(3)Na2SO3易被氧化；BaSO3难溶于水，可溶于稀HCl。

Ⅱ．[制备产品]

实验装置如图所示(省略夹持装置)：

实验步骤：

(1)检查装置气密性，按图示加入试剂。仪器a的名称是___________ ；E中的试剂是___________ (选填下列字母编号)。

A.稀H2SO4B．NaOH溶液 C．饱和NaHSO3溶液

(2)先向C中烧瓶加入Na2S和Na2CO3混合溶液，再向A中烧瓶滴加浓H2SO4。

(3)待Na2S和Na2CO3完全消耗后，结束反应。过滤C中混合物，滤液经___________ (填写操作名称)、结晶、过滤、洗涤、干燥、得到产品。

Ⅲ．[探究与反思]

(1)为验证产品中含有Na2SO3和Na2SO4，该小组设计了以下实验方案，请将方案补充完整。(所需试剂从稀HNO3、稀H2SO4、稀HCl、蒸馏水中选择)

取适量产品配成稀溶液，滴加足量BaCl2溶液，有白色沉淀生成，___________ ，若沉淀未完全溶解，并有刺激性气味的气体产生，则可确定产品中含有Na2SO3和Na2SO4。

(2)为减少装置C中生成的Na2SO4的量，在不改变原有装置的基础上对实验步骤(2)进行了改进，改进后的操作是___________ 。

(3)Na2S2O3·5H2O的溶解度随温度升高显著增大，所得产品通过___________ 方法提纯。

【解析】Ⅱ．略。Ⅲ．(1)由Ⅰ中的资料知生成的白色沉淀为BaSO3和BaSO4，BaSO4难溶于稀HCl，BaSO3可溶于稀HCl。(2)由于亚硫酸盐易被氧化，故装置中的O2能氧化Na2SO3，为减少C中生成Na2SO4的量，应先将装置中空气排尽，可先用A装置中生成的SO2将装置中空气排尽。(3)略。

【答案】 Ⅱ．(1)分液漏斗 B (3)蒸发

Ⅲ． (1)过滤，用蒸馏水洗涤沉淀，向沉淀中加入足量稀HCl (2)先向A中烧瓶滴加浓硫酸，产生的气体将装置中空气排尽后，再向C中烧瓶加入Na2S和Na2CO3混合溶液 (3)重结晶

【点评】本题以制备硫代硫酸钠晶体为载体考查了物质的制备、化学实验基本操作、物质的检验和提纯、实验方案设计和改进，均为考纲所要求的。考查了学生应用元素化合物知识分析问题和解决问题的能力，特别考查了学生科学、规范的语言表达能力，难度中等。

题型四：化学反应原理探究类实验题的实验方案设计和评价

化学反应原理探究类实验题是对未知的化学规律或实验发生的反应原理进行探究。试题一般会以化学反应装置图、图表或对照实验等形式，提供实验探究的过程及结果，让考生结合实验的过程分析实验发生的原因。这类问题常以基本的化学反应原理(如氧化还原反应、化学反应速率及化学平衡问题)作为切入点进行情境设计，常用变量法、规律法探究。其中，有关方案的设计要保证：首先，原理要具有科学性，不能凭空捏造；其次，要有对照性，考虑到各种因素可能对实验有影响所以要控制变量，只能有一个因素是变量，其余几个是一样的；最后，实验装置要简易，操作必须安全可行，效果要明显。解答时注意根据元素化合物的反应原理和反应现象做出正确判断和解答。

【例4】(2015福建，25节选)某化学兴趣小组制取氯酸钾和氯水并进行有关探究实验。

实验一 制取氯酸钾和氯水

利用如图所示的实验装置进行实验。

(1)制取实验结束后，取出B中试管冷却结晶、过滤、洗涤。该实验操作过程需要的玻璃仪器有___________ 。

(2)若对调B和C装置的位置，___________ (填“能”或 “不能”)提高B中氯酸钾的产率。

实验二 氯酸钾与碘化钾反应的探究

(3)在不同条件下KClO3可将KI氧化为I2或KIO3。该小组设计了系列实验研究反应条件对反应产物的影响，其中系列a实验的记录表如下(实验在室温下进行)：

试管编号12340.20mol·L-1KI/mL1.01.01.01.0KClO3(s)/g0.100.100.100.106.0mol·L-1H2SO4/mL03.06.09.0蒸馏水/mL9.06.03.00实验现象

①系列a实验的实验目的是___________。

②设计1号试管实验的作用是___________。

③若2号试管实验现象为“黄色溶液”，取少量该溶液加入淀粉溶液显蓝色；假设氧化产物唯一，还原产物为KCl，则此反应的离子方程式为___________。

【解析】(1)略。(2)Cl2在水中的溶解度不大，对调B和C，可以除去Cl2中的HCl。(3)①根据表格数据可知，KI、KClO3的物质的量不变，改变的只有硫酸的体积和水的多少，二者的体积和相等，可见研究的目的就是研究反应体系中硫酸浓度对反应产物的影响；②设计1号试管实验的作用是硫酸溶液没有加入，浓度是0，对照实验，比较影响。③由题意知反应生成了I2和KCl，根据氧化还原反应中电子守恒、电荷守恒及原子守恒，可得该反应的离子方程式。

【点评】本题以制取氯酸钾和氯水为载体考查了仪器的选择、化学实验基本操作、实验方案设计、评价和化学反应原理的探究，是对考纲中“化学实验基础知识与技能的综合应用”的考查，难度较大。

题型五：猜想判断类探究实验题的实验方案设计和评价

这类题一般由两部分组成，一部分是提出若干假设(猜想部分)，另一部分是对其中的某种假设做出验证(实验设计部分)。这类题集基本仪器的使用、物质的检验、实验设计等于一身，综合考查考生的实验能力。解决这类问题需要明确科学探究的一般步骤：主要有“提出问题→猜想假设→科学探究→得出结论”4个步骤，一般情况下提出问题主要由试题本身在题干中提出，而“猜想假设→科学探究→得出结论”3个步骤是学生作答的关键所在。

【例5】(2015安徽，28)某研究小组将纯净的SO2气体通入0.1 mol·L-1的Ba(NO3)2溶液中，得到了BaSO4沉淀，为探究上述溶液中何种微粒能氧化通入的SO2，该小组提出了如下假设：

假设二：溶液中溶解的O2

(1)验证假设一

该小组设计实验验证了假设一，请在下表空白处填写相关实验现象。

实验步骤实验现象结论实验1:在盛有不含O2的25mL0.1mol·L-1BaCl2溶液的烧杯中,缓慢通入纯净的SO2气体 实验2:在盛有不含O2的25mL0.1mol·L-1Ba(NO3)2溶液的烧杯中,缓慢通入纯净的SO2气体 假设一成立

(2)为深入研究该反应，该小组还测得上述两个实验中溶液pH随通入SO2体积的变化曲线如下图。

实验1中溶液pH变小的原因是________________；V1时，实验2中溶液pH小于实验1的原因是________(用离子方程式表示)。

(3)验证假设二

请设计实验验证假设二，写出实验步骤、预期现象和结论。

实验步骤、预期现象和结论(不要求写具体操作过程)

(4)若假设二成立，请预测：在相同条件下，分别用足量的O2和KNO3氧化相同的H2SO3溶液(溶液体积变化忽略不计)，充分反应后两溶液的pH前者___________ (填“大于”或“小于”)后者，理由是___________。

【点评】本题以一定条件下SO2与BaCl2的反应为载体，利用氧化还原反应原理考查探究性实验，考查考生综合运用所学知识分析问题的能力以及实验设计能力，也是对考纲中“化学实验基础知识与技能的综合应用”的考查，属于开放性、综合性很强的探究性实验题，要求考生具有规范的语言表达能力，难度很大。

题型六：定量分析探究类实验题的实验方案设计和评价

定量分析探究类的核心是“定量”，因而实验的设计应围绕定什么量、如何定量、如何精确定量等一系列问题设计简单定量实验方案。高中定量实验一般有滴定法、沉淀法、测气体体积或质量法等。其中滴定法是高考考查的重点，即利用滴定原理，通过酸碱中和滴定、沉淀滴定或和氧化还原反应滴定等获得相应数据后再进行相关计算。定量探究实验的关键是对数据的分析和筛选处理。

【例6】(2014新课标Ⅱ，28节选)某小组以COCl2·6H2O、NH4Cl、H2O2、浓氨水为原料，在活性炭催化下，合成了橙黄色晶体X。为确定其组成，进行如下实验。

①氨的测定：精确称取wg X，加适量水溶解，注入如图所示的三颈瓶中，然后逐滴加入足量10% NaOH溶液，通入水蒸气，将样品液中的氨全部蒸出，用V1mLc1mol·L-1的盐酸标准溶液吸收。蒸氨结束后取下接收瓶，用c2mol·L-1NaOH标准溶液滴定过剩的HCl，到终点时消耗V2mL NaOH溶液。