2019年全国Ⅱ卷理综化学实验题剖析

2019-12-20李阳魏梦雪李学强

化学教与学 2019年11期

关键词：咖啡因升华

李阳魏梦雪李学强

摘要：通过对2019年高考全国Ⅱ卷理综化学实验题分析，阐述试题背后所蕴含的试题意图，帮助一线教师能够改变以往实验授课模式，将传统实验与最新成果、大学化学相联系，提升对实验的认识，从而帮助学生全面掌握现代化的中学实验。

关键词：咖啡因;索氏提取;蒸馏浓缩;升华

文章编号：1008-0546（2019）11-0055-03

中图分类号：G633.8

文献标识码：B

doi： 10.3969/j.issn.1008-0546.2019.11.015

化学是一门以实验为主的自然学科，其主要目的就是培养学生的创新意识，让学生对化学产生巨大兴趣;实验的设置也符合课标对学生的素养要求。课标指出科学探究与创新意识[1]。认识科学探究是进行科学解释和发现、创造和应用的科学实践活动;能发现和提出有探究价值的问题;能从问题和假设出发，依据探究目的，设计探究方案，运用化学实验、调查等方法进行实验探究;勤于实践，善于合作，敢于质疑，勇于创新。2019年全国理综Ⅱ卷化学实验题中以提取咖啡因为实验情景，基于粗盐提纯、苯甲酸重结晶、海带提碘等传统实验为基础，与大学有机实验提取咖啡因相互结合，综合考查学生的实验能力。高考作为衔接高中与大学之间重要的桥梁之外，在知识体系中也存在着相互关联。

一、咖啡因概述

咖啡因又称咖啡碱，化学名称1，3，7-三甲基黄嘌呤，分子式C8H10N402，结构式图1所示。通常以无结晶水与一个结晶水的形式存在，为白色粉末或白色针状结晶，无臭，味苦。目前，有关咖啡因的制备主要有机溶剂提取法、水-有机溶剂提取法[2]、微波提取-升华法[3]、超临界CO2提取法[4]、离子液体提取法[5]等多种提取方法。其在生产生活领域发挥着重要作用。

高考真题中的流程是专业流程的简化版，符合高三学生的认知发展。用简单的提取液、浓缩液、粉状物、咖啡因（样品）等关键词构成了工艺流程的主要线路。学生以粗盐提纯、苯甲酸重结晶、海带提碘、萃取有机物等相关实验背景，对考题中的流程进行分析整理。

考查学生对所学知识的掌握。而大学所用的提取咖啡因其步骤繁琐流程复杂，如图2所示从茶叶末到产品需要考虑多种操作步骤及其他影响因素[6]。因此考题中的流程为简化版的流程。

2.简化却不简单

考题中所呈现的信息量庞杂。题干中介绍咖啡因的物理性质及用途，茶叶中含有的含量及其他杂质，提取咖啡因流程图，索氏提取装置的工作原理。题干中大量的信息对学生解决看似简单的试题存在一定难度。第一小问考查研磨及沸石的作用;第二小问考查索氏提取器的优点及提取过程中不能使用明火的原因;第三小问考查乙醇与水相比作为萃取剂的优点及蒸馏装置的连接;第四小问考查生石灰的作用;第五小问考查分离提纯的名称。所有问题设计都包含着学生对基础实验的掌握与理解。

3.物理化学解读升华

升华是利用固体混合物的蒸气压或挥发度不同，将不纯净的固体化合物在熔点温度以下加热，利用产物蒸气压高，杂质蒸气压低的特点，使产物不经过液体过程而直接气化，从而达到分离固体混合物的目的[7]。一般来说，能够通过升华操作进行纯化的物质是那些在熔点温度以下具有较高蒸气压的固体物质。这类物质具有三相点，即固、液、气三相并存之点。

4.提高信息利用率

试题中的信息对于解题至关重要，只有分析信息背后所蕴含的玄机才能轻松应对每道问题。信息一：咖啡因极易溶于水和乙醇，熔点234.5℃，1OO℃以上开始升华。其信息一说明水和乙醇都可以作为溶剂使用，但乙醇和水相比沸点低易蒸发;信息二：茶叶中含有咖啡因约1%-5%，单宁酸Ka=10-4极易溶于水和乙醇，含量约3%-10%。信息二说明在提取咖啡因的过程中有杂质单宁酸且含量比咖啡因的含量高，单宁酸为酸性物质且极易溶于水和乙醇，因此在除杂过程中必须用碱中和除去多余的水;信息三：索氏提取装置中溶剂受热蒸汽遇冷液化与茶叶接触，进行萃取，实现对茶叶末的连续萃取。信息三是对咖啡因极易溶于水和乙醇的再次强调，突出溶剂为乙醇，并且展示索氏提取装置可连续萃取的优点。

三、从教材实验到考题实验

1.蒸馏

高中教材中首次提到的蒸馏装置为实验室制取蒸馏水（装置如图3所示），其原理是利用混合物中各组分的沸点不同，用蒸馏的方法除去易挥发、难挥发或不挥发的杂质[8]。考题中的蒸馏浓缩过程与课本中制取蒸馏水的原理一致，都采取了利用沸点的不同将其分离，达到除杂的目的。

2.萃取

萃取是指用一种溶剂把物质从它与另一种溶剂所组成的溶液里提取出来。教材中用四氯化碳萃取碘的饱和水溶液。其目的是将碘从水溶液中萃取到四氯化碳中，从而达到分离的目的[8]。考题中可以把索氏提取装置体系看为分液漏斗，茶叶末就是课本中的碘的饱和水溶液，但两者的最大不同是索氏提取装置（如图4）可以连续进行萃取操作，而分液漏斗只能单次萃取，萃取效率低。萃取中采用的溶剂为乙醇，与课本上用四氯化碳一致，均为有机溶剂，但不同之處在于课本实验中无需考虑有机溶剂沸点问题，只是简单地进行萃取与分离，而考题中需要考虑其沸点，因此在选择溶剂时就成为考点，需要学生进行判断。

3.蒸发

教材在粗盐提纯过程中使用蒸发的方法得到较为纯净的盐（如图5所示）。其原理为盐水受热，水分蒸发，当分别达到饱和浓度时，以晶体形式析[8]。考题中为了得到粉状物，试题中也采用蒸发的方式。其原理与粗盐提纯一致。

四、结论与启示

1.重视基础实验，拓宽基础实验应用范围

高中化学实验是学习化学知识的基础，在教学过程要重视传统实验。首先，对传统实验中的每一个步骤都要明白其目的与作用;其次，要根据物质的物理及化学性质设计出相应的装置;最后，能用高中所学的相关实验解决生活中相似问题。例如，虾蟹壳中甲壳素的提取、食品中碘的提取与检验、净水剂高铁酸钾的制备、探究饮料的酸碱性及维生素C的检验、阿司匹林药片中有效成分的检测、空气中二氧化硫含量的测定、雪花膏的制备、黑枸杞中提取花青素等[9]。通过将所学实验与生活实际相互联系，拓宽学生对传统实验的认可感。

2.深化高中实验，使高中大学相互衔接

高中介绍过海水提溴的方法，在此基础上也可以给学生介绍电解盐卤（氯化钠被分离后的母液）来制取。此外，实验室还用制备氯的方法来制备溴，但用溴化物与浓硫酸的混合物来代替HBr[10]。2NaBr+3H2SO4+Mn02=2NaHSO4+MnSO4+2H2O+Br2;在介绍金属制备时，利用工艺流程向学生讲解火法从黄铜矿（CuFeS2）中提炼Cu。其主要步骤分为富集、焙烧、制冰铜、制泡铜、制精铜;在学习无机非金属硅时，应向学生介绍由石英砂到高纯硅的工艺流程。其过程为Si02+C=Si+2CO ↑（制得粗硅）;Si+2Cl2=SiCl4;SiCl4+2H2=Si+4HCl（制备高纯硅）。通过上述介绍，将高中知识与大学知识相互融合，为学生在以后的学习中奠定一定基础。

3.引入最新成果，以新成果为背景

教师在日常的教学中除了将课本上的知识传授给学生之外，还应时常关注我国科学家发表的重要成果，将最新成果与学生进行交流。如考题采用发表在Nature中Sm-Fe-As- 0-F铁基化合物的超导体为背景[11]，考查学生砷的氢化物的结构式、沸点;铁、钐价层电子排布;氟、氧离子比较;化合物分子式及晶胞密度等相关知识。将抽象难懂的最新成果转化为学生现有的认知水平。

通过本文相关论述，以高考实验题为背景剖析真题实验与传统实验的联系与区别，提醒师生在日常的教与学中应该重视传统实验，并且以传统实验为基础，以大学實验为辅助，探索属于新时代下新的中学实验体系。

参考文献

[1] 中华人民共和国教育部.普通高中化学课程标准（2017版）[M].北京：人民教育出版社，2018：4-5

[2]徐凤英.茶叶中咖啡因提取方法与工艺[J].宁夏农林科技，2012，53（11）：102-103

[3]韩亭亭，祁玥，王立宁.从茶叶中提取咖啡因的实验研究进展[J].广州化工，2017，45（1）：28-30

[4]赵旭壮，郭维强，唐远谋等.超临界C02萃取茶叶中咖啡碱工艺研究[J].食品与发酵科技，2011，47（5）：34-36

[5]黄飞，徐慧敏，王杰等.离子液体提取茶叶中咖啡因的工艺研究[J].齐齐哈尔大学学报（自然科学版），2017，33（2）：48-52

[6]王俊儒，李学强，陈晓婷主编.有机化学实验（第三版）[M].北京：高等教育出版社，2019：192-196

[7]杜凤沛，高丕英，沈明主编.简明物理化学（第二版）[M].北京：高等教育出版社，2009：89-93

[8]普通高中课程标准实验教科书[M].北京：人民教育出版社.化学必修1：5-8

[9]王磊主编.中学化学实验及教学研究[M].北京：北京师范大学出版社，2009：196-202

[10]北京师范大学等校编.无机化学（第四版）[M].北京：高等教育出版社，2002：455-459