运用控制变量思想巧解沉淀溶解平衡类试题

2021-01-11北京李淑平

高中数理化 2020年23期

关键词：白色考查溶液

◇ 北京李淑平

分析近几年高考对“难溶电解质的溶解平衡”的考查可以发现,基于实际工业生产过程中沉淀的生成、溶解或者转化是高考必考考点.考查形式和内容多样,从选择题到填空题,从工业流程题到实验探究题均有涉及.

1 提出和验证假设的探究过程中,控制变量的思想要时时印在脑海中

在实验探究中往往考查实验猜想、设计和实施能力,考查科学表达探究结果的能力.

例1某研究小组进行Mg(OH)2沉淀溶解和生成的实验探究.实验如图1所示.

图1

(1)比较2.0mol·L－1盐酸溶液的pH1和2.0 mol·L－1NH4Cl溶液的pH2大小:pH1pH2,原因是________.

(2)用平衡移动原理解释ⅰ中沉淀溶解的原因:_______.

(3)ⅲ是ⅰ和ⅱ的对比实验,目的是排除____.

(4)推测ⅱ中沉淀溶解的原因.

推测1:NH4Cl溶液显酸性,溶液中的H＋可以结合OH－,进而使沉淀溶解.

推测2:_____________________________.

(5)为探究ⅱ中沉淀溶解的原因,小组同学继续进行实验:

① 取________溶液,向其中滴加2滴浓氨水,得到pH为8的混合溶液,再向实验Ⅰ制得的Mg(OH)2沉淀中加入该混合溶液,沉淀溶解.

② 上述实验结果证明(4)中的推测________成立,理由是________.

解析

(1)出题者搭设小台阶,降低下一步理论分析的难度.由于盐酸完全电离,NH＋4发生部分水解:＋H2O⇌NH3·H2O＋H＋,导致同浓度的两溶液中,盐酸溶液中的H＋浓度大于NH4Cl溶液中H＋浓度.

(2)考查沉淀转化的文字表述四步走(摆出平衡、谈条件、说移动、得结论).因存在平衡 Mg(OH)2(s)⇌Mg2＋(aq)＋2OH－(aq),盐酸中的 H＋与 OH－中和使得OH－浓度减小,平衡向右移动,沉淀溶解.

(3)简单考查控制变量法的应用,所以ⅲ对比实验是排除实验ⅰ、ⅱ中溶剂水使沉淀溶解的干扰.但是如果只答排除水电离出的H＋和OH－的干扰就错了,因水的电离极其微弱,要抓主要矛盾.

(4)补充推测2,与第(1)问铺设的台阶有关.要针对NH4Cl的强酸弱碱盐的性质进行推测,即应聚焦在“NH＋4容易结合OH－生成弱电解质”这个关键点上,所以推测2为溶液中c(NH＋4)较大,NH＋4结合OH－促进沉淀溶解.

(5)再次应用控制变量法.①仍是研究图中ⅱ沉淀的溶解.首先药品必须和NH4Cl相关,滴加氨水制成混合溶液是为了调节c(H＋).即取4mL2.0mol·L－1NH4Cl,一定要注意必须写出体积和浓度.以往也设计成把NH4Cl替换成中性的CH3COONH4溶液进行论证同样结论.这是此题精华所在,但是审题不细也很难拿到满分.②考查根据实验验证得出结论的能力,推测2更合理.理由是混合后溶液中c(H＋)＝10－8mol·L－1非常小,c(NH＋4)比2.0mol·L－1还要大,故能确定是因为NH＋4结合OH－使沉淀溶解.

例2实验目的:验证Mg(OH)2可以向更难溶的Fe(OH)3转化.

实验:① 将0.1mol·L－1MgCl2溶液和0.5 mol·L－1NaOH溶液等体积混合得到浊液;

② 取少量①中浊液,滴加0.1mol·L－1FeCl3溶液,出现红褐色沉淀;

③ 将①中浊液过滤,取少量白色沉淀,滴加0.1 mol·L－1FeCl3溶液,白色沉淀变为红褐色.

请问实验②和③均能说明Fe(OH)3比Mg(OH)2难溶吗?

解析

在制取Mg(OH)2的过程中,给出的NaOH溶液远远过量.取浊液,滴加0.1mol·L－1FeCl3溶液,出现红褐色沉淀,先发生反应Fe3＋＋3OH－＝Fe(OH)3↓,而不是3Mg(OH)2＋2Fe3＋＝3Mg2＋＋2Fe(OH)3,无法验证实验目的.

新高考形势下,实验探究题中沉淀转化与氧化还原反应结合起来就增加了试题的难度,那我们该如何应对呢?

2 分析好溶液内的粒子行为,从复分解和氧化还原两个方面考虑粒子间的相互作用

例3(2016年北京卷第28题,节选)以Na2SO3溶液和不同金属的硫酸盐溶液作为实验对象,探究盐的性质和盐溶液间反应的多样性,如表1所示.

表1

(1)经检验,现象Ⅰ中白色沉淀是Ag2SO3.用离子方程式解释现象Ⅰ:_______.

图2

① 白色沉淀A是BaSO4,试剂1是________.

② 证实沉淀中含有Cu2＋和的理由是____.

解析

(1)审题.Ag2SO4是微溶物,绝对不溶的物质是没有的,难溶(微溶)≠不溶.在饱和Ag2SO4溶液中,粒子是以离子形式存在的.该反应实质是,而不是Ag2SO4＋.

(2)①因为白色沉淀A是BaSO4,检验溶液中是否存在,一般的操作为先加入过量的稀盐酸排除其他离子干扰,再加入BaCl2溶液沉淀,所以可知试剂1是HCl和BaCl2溶液.

②洗净的棕黄色沉淀加入KI,看到了白色沉淀.也许是Cu＋＋I－＝CuI↓,或是(白色)＋I2.因为上层清液中能检测到有生成,所以推断把氧化成的氧化剂是I2,I2被消耗后,此时用淀粉溶液检测另一份上层清液,就检测不到I2的存在.说明一定发生了如下反应:

此题旨在考查学生筛选信息、获取证据、求证结果以及将思维过程表达出来的能力.相似题型可关注2013年高考北京卷第10题.在配制浊液过程中,必须关注所加溶液的量.在探究题中,多数都要运用变量控制、定性和定量相结合的方式解决问题.

例4(2015年北京卷第28题,节选)为探讨化学平衡移动原理与氧化还原反应规律的联系,某同学通过改变浓度研究“2Fe3＋(aq)＋2I－⇌2Fe2＋(aq)＋I2”反应中Fe3＋和Fe2＋的相互转化.实验如图3所示.

图3

(1)ⅲ是ⅱ的对比实验,目的是排除ⅱ中______造成的影响.

(2)ⅰ和ⅱ的颜色变化表明平衡逆向移动,Fe2＋向Fe3＋转化.用化学平衡移动原理解释原因:_____.

图4

(3)根据氧化还原反应的规律,该同学推测ⅰ中Fe2＋向Fe3＋转化的原因:外加 Ag＋使c(I－)降低,导致I－的还原性弱于Fe2＋.用图4装置(a、b均为石墨电极)进行实验验证.

①K闭合时,指针向右偏转.b作________极.

② 当指针归零(反应达到平衡)后,向U形管左管中滴加0.01mol·L－1AgNO3溶液.产生的现象证实了其推测.该现象是________.

(4)按照(3)的原理,该同学用图4装置进行实验,证实了ⅱ中Fe2＋向Fe3＋转化的原因.

① 转化原因是________.

② 与(3)实验对比,不同的操作是________.

解析

(1)运用控制变量思想分析,答案应是排除溶液稀释对颜色变化的影响.如果只答“水的影响”是不全面的.

(2)注意审题,此题要同时表达出ⅰ和ⅱ改变2个条件对平衡移动的影响,所以,加入Ag＋发生反应Ag＋＋I－＝AgI↓,降低c(I－)或增大c(Fe2＋),平衡均逆向移动.

(3)运用电化学手段探究实验并表征实验现象.b作正极,这里要清楚描述U形管和电流计两处的现象:左管产生黄色沉淀,指针向左偏转.

(4)通过电化学手段表征可逆的氧化还原反应中浓度变化对氧化性、还原性的影响,近几年北京高考多次出现,体现了建立模型并应用模型进行实验的思想.因此①中Fe2＋向Fe3＋转化的原因是Fe2＋随浓度增大,还原性增强,使Fe2＋还原性强于I－.②是对模型再次进行应用,不能脱离原实验ⅱ,所以与(3)实验对比不同的操作是向右管中加入1mL1mol·L－1FeSO4溶液.