2020年全国化学Ⅱ卷27题的评析及教学启示

摘要： 以2020年全国化学Ⅱ卷27题为例进行研究，归纳内容分布，总结试题特点，拓展试题外延。结合对近四年全国卷实验题部分设问的分析，发现全国卷实验题与“实验-性质-原理”三元整合策略的具体内涵与认知方式存在关联。使用该策略指导教学设计，以“基于铁元素的三元整合教学”为例，探讨三元整合策略在高三专题复习教学中的应用，并提出若干教学建议。

关键词： 实验试题; 试题评析; “实验-性质-原理”三元整合; 教学启示

文章编号： 1005-6629（2021）03-0089-06

中图分类号： G633.8

文献标识码： B

1  试题评析

实验题是每年高考化學的必考试题，其内涵丰富，包含化学仪器的认识、实验操作的选用、实验现象的描述、实验结果的评价、物质性质的验证、反应原理的分析、未知事件的预测以及上述内容的综合应用等，体现了化学学科知识、能力、方法、思想、情感与价值观的统一[1]。

1.1  2020年全国化学Ⅱ卷27题呈现

本题选自2020年全国化学Ⅱ卷： 苯甲酸可作食品防腐剂。实验室可通过甲苯氧化制苯甲酸，反应原理及有关数据简示如下：

名称相对分子质量熔点/℃沸点/℃密度/g·mL-1溶解性

甲苯92-95110.60.867不溶于水，易溶于乙醇

苯甲酸122122.4（100℃左右开始升华）248—微溶于冷水，易溶于乙醇、热水

实验步骤：

（1） 在装有温度计、冷凝管和搅拌器的三颈烧瓶中加入1.5mL甲苯、100mL水和4.8g（约0.03mol）高锰酸钾，慢慢开启搅拌器，并加热回流至回流液不再出现油珠。

（2） 停止加热，继续搅拌，冷却片刻后，从冷凝管上口慢慢加入适量的饱和亚硫酸氢钠溶液，并将反应混合物趁热过滤，用少量热水洗涤滤渣。合并滤液和洗涤液，于冰水浴中冷却，然后用浓盐酸酸化至苯甲酸析出完全。将析出的苯甲酸过滤，用少量冷水洗涤，放在沸水浴上干燥。称量，粗产品为1.0g。

（3） 纯度测定： 称取0.122g粗产品，配成乙醇溶液，于100mL容量瓶中定容。每次移取25.00mL溶液，用0.01000mol·L-1的KOH标准溶液滴定。三次滴定平均消耗21.50mL的KOH标准溶液。

回答下列问题：

（1） 根据上述实验药品用量，三颈烧瓶的最适宜规格为        （填标号）。

A. 100mL    B.250mL

C.500mL    D.1000mL

（2） 在反应装置中应选用        冷凝管（填“直形”或“球形”），当回流液不再出现油珠即可判断反应已完成，其判断理由是        。

（3） 加入适量饱和亚硫酸氢钠溶液的目的是        ;该步骤亦可用草酸在酸性条件下处理，请用反应的离子方程式表达其原理        。

（4） “用少量热水洗涤滤渣”一步中滤渣的主要成分是        。

（5） 干燥苯甲酸晶体时，若温度过高，可能出现的结果是        。

（6） 本实验制备的苯甲酸的纯度为        ;据此估算本实验中苯甲酸的产率最接近于        （填标号）。

A. 70%B. 60%

C. 50%D. 40%

（7） 若要得到纯度更高的苯甲酸，可通过在水中        的方法提纯。

1.2  内容分析

苯甲酸又称安息香酸，可作为药物或防腐剂。最初苯甲酸是由安息香胶干馏制得，工业上多是在催化剂条件下用空气氧化甲苯制得，实验室常用KMnO4在中性条件下氧化甲苯制得。

KMnO4在酸性和中性条件下都有氧化性，但还原产物不同。强酸性时Mn（+7）被还原为Mn2+，氧化能力太强，选择性差，只适用于制备非常稳定的化合物，且Mn2+盐难以回收，工业上很少使用酸性氧化法;而在中性条件下，Mn（+7）被还原为MnO2，氧化能力适中，选择性好，产物钾盐或钠盐易溶于水，产品的分离与精制简单，副产品MnO2用途广泛。

本题是以苯甲酸的制备、分离、纯度测定为线索，是人教版选修五实验“苯甲酸的重结晶”的升级版。它主要利用KMnO4在中性条件下氧化甲苯制取苯甲酸，主要操作包括： 回流反应→分离提纯→盐酸酸化→纯度测定等。表1从问题情境、必备知识、考纲要求、学科能力对20-Ⅱ题进行分布状况分析。

1.3  试题特点

与近年全国卷实验题风格一致，本题特点是选用情境相对陌生、题目设问不是已有知识的简单重现，而是以真实实验情境为素材，凸显化学实验、物质性质、反应原理的三元整合。本题设置由浅入深，层层推进，不仅考查考生的实验功底，更是考查考生能否基于物质性质和反应原理的认识角度去解决复杂陌生情境中的实验问题。关于高考试题与三元整合策略的具体内涵、认知方式的关联如图1所示。

高考实验题基本围绕元素化学事实展开，知识上

旨在考查学生对相关元素及其化合物性质、反应等事实系统了解和掌握的程度;能力上旨在考查学生应用元素化合物的性质、基本反应原理来分析陌生反应的实验装置、实验操作和预测实验现象、实验结论的能

力，甚至是在陌生情境中解决问题的能力[2];素养上强调宏微结合、变化观念、平衡思想、证据推理的渗透。近年来全国卷高考实验题部分设问必须要自觉从“三元整合”的认识方式寻求突破口才能达到试题设计要求，表2所示的是基于“三元整合”角度评价近四年全国卷实验题的部分设问。

实验题题目设问节选基于三元整合的思路分析

2017年全国Ⅲ卷（3） 为探究硫酸亚铁的分解产物……实验后反应管中残留固体为红色粉末。

① C、 D中溶液依次為        （填标号）。C、 D中有气泡冒出，并可观察到的现象分别为        。

a. 品红  b. NaOH  c. BaCl2  d. Ba（NO3）2  e. 浓H2SO4

② 写出硫酸亚铁高温分解反应的化学方程式        。① 根据实验现象“红色粉末”推知产物有Fe2O3。

② 根据氧化还原反应从Fe元素升价推知产物有SO2;根据元素守恒原理推出产物有SO3。

③ 确定检验对象后要有检验型实验设计防干扰的意识，主动判断检验顺序。

④ 要有扎实的物质性质知识基础，知道SO3极易和水完全化合，只能先检验;SO2有强还原性，易被硝酸盐溶液氧化，所以不能利用Ba（NO3）2检验SO3。

2018年全国Ⅰ卷（2） 将过量锌粒和氯化铬固体置于c中，加入少量蒸馏水，按图连接好装置，打开K1、 K2，关闭K3。

① c中溶液由绿色逐渐变为亮蓝色，该反应的离子方程式为        。

② 同时c中有气体产生，该气体的作用是        。① 根据实验现象——溶液颜色和气体，推测合理产物。

② 结合产物推出两个竞争反应机理： Zn+2Cr3+Zn2++2Cr2+， Zn+2H+Zn2++H2↑。

③ 要有灵敏的物质性质意识，根据“氧气吸收剂”能推测出醋酸亚铬有强还原性，因此要排尽装置中空气，防止被氧化变质。

2019年全国Ⅰ卷（2） ……铁屑中含有少量硫化物，反应产生的气体需要净化处理，合适的装置为        （填标号）。

① 这是对实验过程中尾气处理的考查。

② 要有扎实的物质性质知识基础： A.硫化物与非氧化性酸生成H2S;B.H2S在水中溶解度不大，用水吸收效果差;C.H2S是酸性气体，可用NaOH溶液吸收。

③ 要有实验评价意识，不能简单考虑H2S量少、不容易倒吸直接选用导管。

④ 要有反应原理意识，能从导管口气液接触面积小分析，尤其大量H2逸出时H2S吸收不充分，故倒扣漏斗更好。

2020年全国Ⅱ卷……实验室可通过甲苯氧化制苯甲酸，其反应原理简示如下：

实验步骤：

（1） ……并加热回流至回流液不再出现油珠。

（2） ……从冷凝管上口慢慢加入适量饱和亚硫酸氢钠溶液，并将反应混合物趁热过滤，用少量热水洗涤滤渣。合并滤液和洗涤液，于冰水浴中冷却，然后用浓盐酸酸化至苯甲酸析出完全……

（3） 加入适量饱和亚硫酸氢钠溶液的目的是        。① 关于实验试剂作用的判断，要有完善的实验观，能从物质制备和分离提纯的认识角度思考。

② 要有扎实的物质性质知识基础，能从NaHSO3有还原性方面思考，结合反应混合体系的成分考虑作用。

③ 结合转化过程的反应原理和实验现象——回流液不再出现油珠进行证据推理： 说明甲苯完全反应，KMnO4有剩余。

④ 再结合KMnO4有强氧化性能氧化浓盐酸，使后续第二步原料利用率降低，必须要先除去过量的KMnO4。

1.4  试题拓展

本题属中档题，但背后有很多值得从“三元整合”方面去挖掘的地方，见表3。

问题层次拓展问题参考答案基于三元整合的思路分析

单一版块冷凝管作用是什么？冷凝回流，提高原料利用率。从有机物易挥发的性质考虑。

搅拌器作用是什么？增大两相接触面积，加快反应速率。从反应速率的影响因素考虑。

趁热过滤意义是什么？防止溶液温度下降使苯甲酸钾盐析出。从物质溶解性随温度变化分析。

粗产品中含有的主要杂质是什么或从析出苯甲酸后的滤液回收利用的主要物质是什么？KCl。从物质转化的过程原理分析成分。

三元整合为何选用中性KMnO4氧化甲苯，而不选用酸性条件？中性条件Mn（+7）被还原为MnO2，氧化能力适中，选择性好;产物钾盐易溶于水，产品的分离与精制简单，副产品MnO2用途广泛。① 了解物质氧化性强弱与环境酸碱性有关;

② 从原理上明白有机反应大多存在副反应，氧化性太强容易引起副反应;

③ 从实验评价角度判断出生成MnO2较Mn2+更有利于后续分离提纯，且MnO2可回收利用。

判断用H2O2代替NaHSO3溶液是否合理，并说明原因？合理： H2O2能还原KMnO4，且不引进杂质;

不合理： 反应混合物中有大量MnO2，会使加入的H2O2剧烈分解。① 要有扎实的物质性质知识基础，知道H2O2有还原性，能除去过量KMnO4。另外，要知道MnO2是H2O2分解的催化剂;

② 要从原理上认识MnO2催化H2O2分解是一个速率极快的反应;

③ 从评价实验原料H2O2利用率的角度判断出不合理性。

写出加入NaHSO3溶液发生反应的离子方程式。2MnO-4+3HSO-32MnO2↓+3SO2-4+H++H2O① 要有扎实的物质性质知识基础，知道NaHSO3和KMnO4发生氧化还原反应;

② 了解物质氧化机理与环境有关，根据题目的转化原理能初步判断出在中性条件下KMnO4的还原产物是MnO2;

③ 根据题目提示的操作“趁热过滤”进一步推理得出加入NaHSO3后KMnO4的还原产物是MnO2。

2  教学启示

近几年来全国卷实验题在情境维度和知识维度的水平有所降低，但是很多来自课内元素化合物实验及其迁移在认知进程维度方面的水平有所提升，特别是分析与解决问题中高阶水平考查比重增大，化学实验、物质性质和反应原理的整合考查日趋明显，与三元整合策略指导下的课堂教学有着共同目标。

2.1  三元整合策略的定义与理论依据

“三元整合策略”是指教师以某种元素为核心的一系列物质设计成整合型情境，对化学实验、物质性质和反应原理进行综合学习的教学方法[3]。

三元整合策略的核心理论依据是问题本位学习理论，这是近年来受到广泛重视的基于建构主义教学改革的一种教学思路。“问题本位学习”强调把学习设置于复杂的、有意义的问题情境中，通过让学习者合作解决真實性问题来学习隐含于问题背后的科学知识，形成解决问题的技能，并形成自主学习的能力[4]。

三元整合策略主张基于学生在化学实验、物质性质和反应原理三大版块的已有知识创设认知冲突，以“认知冲突”作为课堂教学的研究线索，以课标考纲的知识、方法、能力和素养为教学暗线，围绕驱动性问题不断提出解释和修正解释，结合实验强化学生有序观察现象的能力和建立有效解决问题的思维程序。通过三重表征教学提高学生的逻辑思维与语言表达能力，在运用已有知识对外输出的过程中培育学生宏微结合、变化观念、证据推理、实验探究等核心素养。

2.2  基于三元整合策略的教学案例实施

“基于铁元素的三元整合教学”是三元整合策略在高三实验专题备考复习课的具体应用。通过5个检验型实验串起整个课堂，其教学内容和物质检验模块基于思维进阶的教学设计模型见表4和图2。

实验实验目的实验操作问题拓展

1检验FeSO4是否变质并制备Fe（OH）2（1） 描述实验操作;

（2） 预测现象并说出判断依据。

2检验Fe（OH）2是否被氧化（1） 描述实验操作;

（2） 预测现象并说出判断依据。

3实验2血红色溶液性质的检验取少量实验2得到的血红色溶液于试管中，加入足量铁粉，充分振荡。（1） 预测现象并说出判断依据;

（2） 书写过程中涉及反应的离子方程式。

4对预测反应发生与否的检验取少量实验2得到的血红色溶液于试管中，加入过量的KI溶液，充分振荡。（1） 预测现象并说出判断依据;

（2） 猜测发生哪些反应，写出相应离子方程式;

（3） 设计尽可能多的实验方案证明你的猜测（方案包括操作、现象和结论，下同）。

5综合应用取少量硫酸铁溶液于试管中滴加几滴KSCN溶液，再加入稍过量Na2SO3固体，充分振荡。（1） 预测现象并说出判断依据;

（2） 猜测发生哪些反应，并写出离子方程式;

（3） 设计尽可能多的实验方案证明你的猜测。

2.3  备考教学建议

高考实验题命题严格遵循考试大纲，以无机物、实验基础与探究、化学反应原理作为主要考查内容，注重考查化学观念、思维方法、关键能力，渗透化学学科核心素养。而三元整合策略是核心素养视角下实验专题复习课的有效教学取向。对使用三元整合策略构思高三微专题课堂复习提出以下教学建议： （1）结合复习专题，利用熟悉的内容制造一系列不能用已有知识经验直接处理而感到疑难的问题情境，模仿高考命题素材的陌生化;（2）制造或设置促使学生自觉地从不同知识角度（如物质性质、基本理论等）、从不同思维角度（如类比、模型等）去分析问题和解决问题的问题链，贴近高考命题的思维角度;（3）课堂上充分调动学生根据已有知识、基本观念（元素观、分类观、变化观、守恒观等）、化学素养（宏微结合、变化观念、平衡思想、模型认知等）进行证据推理，最终形成问题解决的认知模型，以实现高考命题的问题解决要求。建设这种课堂，必定有利于形成解决问题的原理或规则，并成为认知结构中的一个组成部分，对解决陌生情境下的高考实验题有十分重要的意义。

参考文献：

[1]钟辉生， 谢名军， 姜建文. 核心素养视角下的高考试题分析——评2017年全国高考I卷理综化学试题[J]. 化学教学， 2018， （5）： 75～80.

[2]教育部考试中心. 2017年普通高等学校招生全国统一考试系列用书——高考理科试题分析（理科综合分册）[M]. 北京： 高等教育出版社， 2017： 43.

[3]钟国华， 林建芬. 基于“实验-性质-原理”三元整合策略的高三化学微专题复习研究——以“弱电解质的电离与电离平衡”为例[J]. 化学教育， 2018， 39（5）： 38～43.

[4]黄爱华， 林炜. 基于“问题本位学习”理论的“大问题”教学[J]. 课程·教材·教法， 2017， （7）： 38～42.