例谈“新高考”中如何解答化学实验探究题

2023-03-18正高级教师

高中数理化 2023年4期

汤伟(正高级教师)

(安徽省灵璧中学)

通过调研,我们发现很多考生对“新高考”背景下化学实验探究题的解答思路不够清晰,面对试题提供的情境,不知如何探究分析.下面以2022年“新高考”化学实验探究试题为例,进行分析说明.

1 如何探究物质的性质

该类高考试题的命制特点常常根据物质的分类、化合价的高低、组成元素、分子结构特点等进行预测或猜想可能有的性质,然后选择特定试剂进行实验探究,解答过程中常常会出现超出教材所学范围的情况,即出现一些教材讲述内容之外的反应,我们需要根据所学化学原理进行推理探究.解答该类试题的基本思路如图1所示.

图1

例1(2022年北京卷)某小组同学探究不同条件下氯气与二价锰化合物的反应.

资料:ⅰ.Mn2＋在一定条件下被Cl2或ClO-氧化成MnO2(棕黑色)、(绿色)、(紫色).

ⅲ.Cl2的氧化性与溶液的酸碱性无关,NaClO的氧化性随碱性增强而减弱.

实验装置如图2所示(夹持装置略).

图2

表1

(1)B中试剂是________.

(2)通入Cl2前,Ⅱ、Ⅲ中沉淀由白色变为黑色的化学方程式为________.

(3)对比实验Ⅰ、Ⅱ通入Cl2后的实验现象,对于二价锰化合物还原性的认识是________.

(4)根据资料ⅱ,Ⅲ中应得到绿色溶液,实验中得到紫色溶液,分析现象与资料不符的原因.

原因一:可能是通入Cl2导致溶液的碱性减弱.

①用化学方程式表示可能导致溶液碱性减弱的原因:_________,但通过实验测定溶液的碱性变化很小.

②取Ⅲ中放置后的1 mL 悬浊液,加入4mL 40%NaOH 溶液,溶液紫色迅速变为绿色,且绿色缓慢加深.溶液紫色变为绿色的离子方程式为_________,溶液绿色缓慢加深,原因是MnO2被_________(填“化学式”)氧化,可证明Ⅲ的悬浊液中氧化剂过量.

③取Ⅱ中放置后的1mL悬浊液,加入4mL水,溶液紫色缓慢加深,发生的反应是_________.

④从反应速率的角度,分析实验Ⅲ未得到绿色溶液的可能原因:_______.

分析该实验探究的目的是“探究不同条件下氯气与二价锰化合物的反应”,装置C 是完成该实验目的的主要装置图.试题以“不同条件下氯气与二价锰化合物的反应”为情境,注重考查物质性质的实验探究.(1)根据装置图及物质性质特点,容易得出装置A 中HCl与KMnO4发生反应制取Cl2,由于盐酸具有挥发性,为排除HCl对溶液酸碱性的影响,在装置B 中盛放饱和NaCl溶液,除去Cl2中的杂质HCl.(2)通入Cl2前,Ⅱ、Ⅲ中Mn2＋与NaOH 电离产生的OH-反应容易产生Mn(OH)2白色沉淀,该沉淀又会被溶解在溶液中的氧气氧化为棕黑色MnO2,所以通入Cl2前,Ⅱ、Ⅲ中沉淀由白色变为黑色的化学方程式为2Mn(OH)2＋O2＝2MnO2＋2H2O.(3)根据试题提供的资料“Mn2＋在一定条件下被Cl2或ClO-氧化成MnO2(棕黑色)、(绿色)、(紫色)”以及对比实验Ⅰ、Ⅱ所提供的信息,可以得出二价锰化合物在中性水溶液中被氧化为MnO2,而添加烧碱后,即在碱性条件下可以被氧化为紫色的.(4)①Cl2通入NaOH 溶液中可以与之反应,可能会使溶液的碱性减弱,反应的方程式为Cl2＋2NaOH＝NaCl＋NaClO＋H2O;②实验Ⅲ的悬浊液中加入4mL40% NaOH 溶液,溶液紫色迅速变为绿色,且绿色缓慢加深,说明在浓碱条件下,被还原为,该离子方程式为;根据试题提供的资料“Cl2的氧化性与溶液的酸碱性无关,NaClO 的氧化性随碱性增强而减弱”可以推理得出溶液绿色缓慢加深,原因是MnO2被氧化,此时氧化剂应该是NaClO;③根据上述分析,可以得出Ⅱ中放置后的1mL悬浊液,加入4 mL 水,溶液紫色缓慢加深,发生的反应为④实验Ⅲ未得到绿色溶液,从反应速率的角度分析,可以得出反应过程中生成的速率明显要快于生成的速率,以致于实验中难以观察到绿色溶液,由此推理可以得出答案.

答案(1)饱和NaCl溶液.

(2)2Mn(OH)2＋O2＝2MnO2＋2H2O.

(3)二价锰化合物在中性或弱酸性条件下只能被氧化为MnO2,在碱性条件下可以被氧化到更高价态.

(4)①Cl2＋2NaOH＝NaCl＋NaClO＋H2O.

③3ClO-＋2MnO2＋2OH-＝2＋3Cl-＋H2O.

④溶液中存在反应:

在碱性条件下,c(OH-)和c(ClO-)均很大时,反应ⅱ的速度快于反应ⅰ.

2 如何控制变量,探究反应条件对实验的影响

控制变量,探究反应条件对实验的影响是新课标、新高考背景下考查的热点题型之一,影响反应的外界因素有很多时,我们在设计实验探究时需要控制其他因素相同或不变,再进行实验,即控制变量思想的应用.解答该类试题的基本思路如图3所示.

图3

在明确实验目的,确立具体探究问题的前提下,解答该类问题需要把握如下关键点.

1)确定变量:首先要认真审题,厘清影响实验探究结果的因素有哪些.

2)定多变一:在探究时,先确定其他因素不变,只改变一种因素,看这种因素与探究的问题存在怎样的关系;然后通过分析每种因素与所探究问题之间的关系,得出所有影响因素与所探究问题之间的关系.

3)数据有效:解答时注意选择数据(或设置实验)要有效,且变量统一,否则无法作出正确判断.

例2(2022年广东卷)食醋是烹饪美食的调味品,有效成分主要为醋酸(用HAc表示).HAc的应用与其电离平衡密切相关.25 ℃时,HAc 的Ka＝1.75×10-5＝10-4.76.

(1)配制250 mL0.1 mol·L-1的HAc溶液,需5mol·L-1HAc溶液的体积为_________mL.(2)下列关于250 mL 容量瓶的操作,正确的是_______.

(3)某小组研究25 ℃下HAc电离平衡的影响因素.

提出假设:稀释HAc溶液或改变Ac-浓度,HAc电离平衡会发生移动.

设计方案并完成实验:用浓度均为0.1 mol·L-1的HAc和NaAc溶液,按表2配制总体积相同的系列溶液,测定pH,记录数据.

表2

①根据表中信息,补充数据:a＝_________,b＝_______.

②由实验Ⅰ和Ⅱ可知,稀释HAc溶液,电离平衡_________(填“正”或“逆”)向移动;结合表中数据,给出判断理由:________.

③由实验Ⅱ～Ⅷ可知,增大Ac-浓度,HAc电离平衡逆向移动.

实验结论:假设成立.

(4)该小组成员分析上表数据发现:随着n(NaAc)∶n(HAc)的增加,c(H＋)的值逐渐接近HAc的Ka.

查阅资料获悉:一定条件下,按n(NaAc)∶n(HAc)＝1 配制的溶液中,c(H＋)的值等于HAc的Ka.

对比数据发现,实验Ⅷ中pH＝4.65与资料数据Ka＝10-4.76存在一定差异;推测可能由物质浓度准确程度不够引起,故先准确测定HAc溶液的浓度再验证.

①移取20.00 mL HAc溶液,加入2 滴酚酞溶液,用0.1000 mol·L-1NaOH 溶液滴定至终点,消耗体积为22.08 mL,则该HAc 溶液的浓度为________mol·L-1.画出上述过程的滴定曲线示意图并标注滴定终点.

②用上述HAc溶液和0.1000mol·L-1NaOH溶液配制等物质的量的HAc与NaAc混合溶液,测定pH,结果与资料数据相符.

(5)小组成员进一步提出:如果只有浓度均约为0.1mol·L-1的HAc 和NaOH 溶液,如何准确测定HAc的Ka.小组同学设计方案并进行实验.请完成下面Ⅱ中的内容.

Ⅰ.移取20.00mL HAc溶液,用NaOH 溶液滴定至终点,消耗NaOH 溶液V1mL.

Ⅱ._______,测得溶液的pH 为4.76.

实验总结:得到的结果与资料数据相符,方案可行.

(6)根据Ka可以判断弱酸的酸性强弱.写出一种无机弱酸及其用途:_______.

分析该试题不仅考查了化学实验中的一些基本操作(如一定物质的量浓度溶液的配制、酸碱中和滴定),还通过问题(3)考查了控制变量思想,即反应条件探究类实验问题.

(1)根据溶液稀释过程中,溶质的物质的量守恒,可以得出250mL×0.1mol·L-1＝V×5mol·L-1,解得V＝5.0mL,即所需醋酸溶液的体积为5.0mL.

(2)根据一定物质的量浓度的溶液配制的实验操作,可以得出:图示A 中,用手触碰瓶口,会污染试剂及对皮肤造成伤害;图示B中,定容时,需平视而不能够仰视或俯视;图示D 中,定容后的操作应该是盖上瓶塞,将容量瓶来回颠倒,将溶液摇匀,颠倒过程中,左手食指抵住瓶塞,右手扶住容量瓶底部.由此得出图示C正确.

(3)①实验Ⅶ的溶液中n(NaAc)∶n(HAc)＝3∶4,V(HAc)＝4.00mL,因此V(NaAc)＝3.00mL,即a＝3.00,由实验Ⅰ可知,溶液最终的体积为40.00mL,因此V(H2O)＝40.00 mL-4.00 mL-3.00mL＝33.00mL,即b＝33.00;②实验Ⅰ所得溶液的pH＝2.86,实验Ⅱ的溶液中c(HAc)为实验Ⅰ的1/10,稀释过程中,若不考虑电离平衡移动,则实验Ⅱ所得溶液的pH＝2.86＋1＝3.86,但实际溶液的pH＝3.36＜3.86,说明稀释过程中,溶液中c(H＋)增大,即电离平衡正向移动.

(4)①根据滴定发生的中和反应:

可以得出滴定至终点时,n(HAc)＝n(NaOH),由此推理、计算可得c(HAc)＝0.1104 mol·L-1;滴定过程中,当,溶液的pH＝2.88,当V(NaOH)＝11.04mL 时,n(NaAc)＝n(HAc),溶液的pH＝4.76,当V(NaOH)＝22.08mL时,达到滴定终点,溶液中溶质为NaAc,Ac-发生水解,溶液呈弱碱性,当NaOH 溶液过量较多时,c(NaOH)无限接近0.1 mol·L-1,溶液的pH 接近13,因此滴定曲线如图4所示.