深度学习视域下的实验思维模型构建——以利用压强原理的实验考查为例

河北

一、回归教材

“压强原理”的应用源于2019人教版必修第二册第五章“氮及其化合物”13页实验5-6，氨溶于水的喷泉实验。该实验为“在干燥的圆底烧瓶中充满NH3，用带有玻璃管和胶头滴管(预先吸入水)的橡胶塞塞紧瓶口。倒置烧瓶，使玻璃管插入盛有水的烧杯中(预先在水里滴入少量酚酞溶液)，打开弹簧夹，挤压胶头滴管，使水进入烧瓶。”可观察到圆底烧瓶内形成粉红色的喷泉，实验装置如图1所示：

图1

氨气喷泉实验成功的关键是圆底烧瓶要干燥，实验前务必使氨气充满烧瓶且装置气密性良好。实验时先打开止水夹，然后轻轻挤压胶头滴管使少量水进入烧瓶，由于氨气在水中溶解度比较大，溶解度体积比为1∶700，氨气迅速溶于水形成一水合氨，造成烧瓶内压强减小，外界大气压大于烧瓶内气压，压力克服玻璃管内水的重力，即形成喷泉。该实验现象的本质是利用氨气溶于水造成实验装置内外压强差，利用“压强原理”形成的喷泉。

二、高考链接

压强原理的实验考查始终是高考的重点和难点，近几年热度不减，笔者先从表观压强大小变化维度分析几道高考题。

1.减小装置压强

减小装置内压强，利用“压强原理”形成喷泉，清洗仪器等。

【例1】(2020·全国卷Ⅲ·10)喷泉实验装置如图2所示。应用下列各组气体—溶液，能出现喷泉现象的是

( )

图2

气体溶液AH2S稀盐酸BHCl稀氨水CNO稀H2SO4DCO2饱和NaHCO3溶液

【答案】B

【解析】此题原理迁移自教材喷泉实验，烧瓶内的水换成不同溶液。产生喷泉现象的条件为烧瓶内气体在溶液中溶解度较大或能与溶液发生化学反应被消耗，造成装置内外压强差。该题中只有B选项中的HCl能大量溶解于水生成盐酸(溶解度体积比1∶500)且迅速与稀氨水反应，造成装置内压强减小，外压大于内压，从而产生喷泉现象。

【例2】(2017·全国卷Ⅰ·26节选)凯氏定氮法是测定蛋白质中氮含量的经典方法，其原理是用浓硫酸在催化剂存在下将样品中有机氮转化成铵盐，利用如图3所示装置处理铵盐，然后通过滴定测量。

图3

回答下列问题：

(3)清洗仪器：g中加蒸馏水；打开k1，关闭k2、k3，加热b，蒸气充满管路；停止加热，关闭k1，g中蒸馏水倒吸进入c，原因是____________________；打开k2放掉水。重复操作2～3次。

【答案】c中温度下降，管路中形成负压

【解析】本题通过设置复杂装置给考生解题形成压力，并且设置新颖的清洗实验装置的情境，增加试题难度。实验时首先加热装置b使管路中充满水蒸气，然后关闭k1，当c、e管道内水蒸气冷凝为水会造成装置内压强减小，锥形瓶内蒸馏水倒吸进入c中，重复2～3次达到清洗仪器的目的。

2.增大装置压强

通过化学反应或利用装置增大体系压强，依据“压强原理”制备物质是实验题目命题的新角度。

【例3】(2018·全国卷Ⅰ·26节选)醋酸亚铬[(CH3COO)2Cr·2H2O]为砖红色晶体，难溶于冷水，易溶于酸，在气体分析中用作氧气吸收剂。一般制备方法是先在封闭体系中利用金属锌作还原剂，将三价铬还原为二价铬；二价铬再与醋酸钠溶液作用即可制得醋酸亚铬。实验装置如图4所示，回答下列问题：

图4

(3)打开K3，关闭K1和K2。c中亮蓝色溶液流入d，其原因是__________________________；d中析出砖红色沉淀。为使沉淀充分析出并分离，需采用的操作是________、________、洗涤、干燥。

【答案】c中产生H2使压强大于大气压 (冰水浴)冷却 过滤

【解析】该题探究了醋酸亚铬的制备原理，主要考查学生分析实验的反应原理及利用装置的特殊性进行操作的能力。学生从信息中得知，锌在盐酸溶液中先将Cr3+还原为Cr2+，同时产生的氢气可排尽装置中的空气防止Cr2+被氧化，导致c中压强增大，把生成的CrCl2压入d装置发生反应从而制得砖红色晶体醋酸亚铬[(CH3COO)2Cr·2H2O]。

在该题目创设的情境中，利用化学反应造成压强差，从而利用压强原理制备物质，达到实验目的。利用压强变化进行物质制备的试题是高考中的高频试题，最早可以追溯到2003年全国旧课程卷33题Fe(OH)2制备实验，采用了如图5所示装置，1管加入锌与稀硫酸，2管加入NaOH溶液，进行实验时先打开止水夹，一段时间后关闭止水夹，利用压强原理使硫酸亚铁溶液与氢氧化钠溶液接触。同时，产生的氢气提供了无氧环境。最终产生白色的Fe(OH)2沉淀。

图5

3.平衡装置压强

压强差的形成可能对实验造成干扰，为降低风险，需要平衡压强。此类问题在2020年山东省普通高中学业水平等级考试(以下简称山东卷)和天津市学业水平等级性考试(以下简称天津卷)均有体现，考点为通过平衡压强顺利加入试剂或减小定量实验体积误差。

传统光配线网络（Optical Distribution Network，ODN）网络通常由光缆、光连接器、光分路器、光纤配线架以及安装连接这些器件的配套设备组成[1]。随着光纤的海量增长，对于这些没有ID的海量“哑资源”建设管理问题越来越突出：网络建设和业务开通时间长、施工结果无校验、资源管理效率低、光纤网络维护无保障等[1]。

【例4】(2020·山东卷·20)某同学利用Cl2氧化K2MnO4制备KMnO4的装置如图6所示(夹持装置略)：

回答下列问题：(1)装置A中a的作用是。

【答案】平衡气压，使浓盐酸顺利滴下

【解析】装置A中a的作用是平衡压强，原因是盐酸与漂白粉反应生成氯气造成两颈烧瓶内压强增大，使漏斗内浓盐酸流速缓慢，玻璃管a形成连通器，避免了加液造成压强不均的干扰等不利因素。

【变式1】如图7所示，定量测定气体体积时，装置1与装置2相比优点是。

装置1

【答案】保证分液漏斗与蒸馏烧瓶内压强相等，液体顺利流下；防止滴下的溶液液面上升排出气体造成误差

【解析】装置1内部连通，压强相等。操作过程中，右侧量气装置在生成气体冷却读数时也要保证两端液面相平，避免两端有液面高度差形成内外气体压强差导致读数不准。

以上高考题情境创设主要基于压强大小变化维度构建，利用气体溶解度或化学反应形成装置内压强差变化从而解决问题。

三、模型构建

由宏观现象探析本质特征，“装置—操作”的视角考查一直是高考的重点与热点。明确装置作用是分析一个实验原理的重要前提，积累装置作用并构建相应的思维模型是解决实验问题的一条捷径。“压强原理”的装置模型构建应该基于压强在装置中的作用，即通过装置进行适当操作减小压强或增大压强，利用压强原理创造对实验的有利条件或减小对实验的干扰。

1.检验装置堵塞(缓冲气流)的功能

创设的问题情境往往是由于气流过快，造成装置内压强增大而干扰实验。如2014年山东卷：工业上常利用含硫废水生产Na2S2O3·5H2O，实验室可用如图8装置(略去部分夹持仪器)模拟生产过程。

图8

实验中装置B的作用是缓冲气流及检验装置是否堵塞。若后面装置发生堵塞，会导致长颈漏斗内液面上升。

2.引发化学反应的功能

创设的问题情境一般是通过装置利用压强原理引发化学反应，如2016年全国卷Ⅰ26题：氨气与二氧化氮的反应。将上述收集到的NH3充入注射器X中，硬质玻璃管Y中加入少量催化剂，充入NO2(两端用夹子K1、K2夹好)。在一定温度下按图9所示装置进行实验。

图9

操作步骤实验现象解释原因打开K1,推动注射器活塞,使X中的气体缓慢通入Y管中①Y管中 ②反应的化学方程式 将注射器活塞退回原处并固定,待装置恢复到室温Y管中有少量水珠生成的气态水凝聚打开K2③ ④

3.加快过滤的功能

创设的问题情境一般要求快速过滤，所以通过装置形成负压。如2018年4月浙江省普通高校招生选考科目考试加试题(节选)：某兴趣小组以废铁屑制得硫酸亚铁铵后，按下列流程制备二水合草酸亚铁(FeC2O4·2H2O)，进一步制备高纯度还原铁粉。

已知：FeC2O4·2H2O难溶于水，150℃开始失结晶水；H2C2O4易溶于水，溶解度随温度升高而增大。请回答：

(2)如图10装置，经过一系列操作完成步骤③中的抽滤和洗涤。请选择合适的编号，按正确的操作顺序补充完整(洗涤操作只需考虑一次)。

图10

开抽气泵→a→b→d→________→c→关抽气泵。

a.转移固液混合物 b.关活塞A c.开活塞A d.确认抽干 e.加洗涤剂洗涤

本题答案是c→e→b→d，解题的关键是在洗涤前，应先打开活塞A，再加入洗涤剂，最后关闭活塞A，确认抽干后，再打开活塞A，因此，需要补充的步骤为c→e→b→d。

4.防止倒吸的功能

创设的问题情境通常为装置内压强突然变小，存在安全隐患，因此需要添加装置或改进操作。如图11所示是用KMnO4与浓盐酸反应制取适量氯气的简易装置。

图11

装置B、C、D的作用分别是：B____________________；C____________________；D____________________。

B、C、D的作用分别是向上排气收集氯气；安全作用，防止D中的液体倒吸入B中；吸收尾气，防止氯气扩散到空气中污染环境。由于氯气的密度比空气大，收集氯气时可用向上排空气法，装置B中导管是长进短出，装置C中导管是短进长出，装置B用来收集氯气，装置C用作安全瓶，防止D中的液体倒吸入B中，利用“肚容式”装置减缓压强避免造成实验干扰。

5.检验实验装置气密性的功能

利用压强原理可以检验实验装置的气密性，如图12，首先将气体密闭于一体积可变的容器中，通过改变气体的温度或体积，构造压强差，若产生气泡或生成一段液柱，证明装置气密性良好。

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