定量实验问题的解答策略探析

江苏 陈 颖 李万春

定量实验问题的解答策略探析

在近年来的高考中，定量实验一直是考查的热点。这类试题的特点是阅读量大，信息多，密切联系生产生活实际，学生很难把要考查的问题与所学习过的相关的化学知识联系起来，感到难以下手。下面就解答这类试题所需的知识要点和解题策略略加分析，期望对读者有所帮助。

一、实验数据的测定方法

1．沉淀法

先将某种成分转化为沉淀，然后称量纯净、干燥的沉淀的质量，再进行相关计算。

2．测气体体积法

对于产生气体的反应，可以通过测定气体体积的方法测定样品纯度。

3．测气体质量法

将生成的气体通入足量的吸收剂中，通过称量实验前后吸收剂的质量，求得所吸收气体的质量，然后进行相关计算。

4．滴定法

即利用滴定操作原理，通过酸碱中和滴定、沉淀滴定或氧化还原反应滴定等获得相应数据后再进行相关计算。

二、分析问题的思维模型

定量实验要计算的内容主要有：(1)产品的产率或物质中某组分的质量分数；(2)利用滴定原理进行物质的量浓度、物质的量和质量的计算；(3)物质的化学式、相对分子(或原子)质量、中和热等。

还有一些制备实验，目标产物易水解或易潮解，我们就要在目标产物制备装置的左侧和右侧设置防止水蒸气进入的装置(如装有碱石灰的干燥管等)。

三、题型示例

无水AlCl3在183 ℃时升华，遇潮湿空气产生大量白雾，某科研小组利用下图装置制取纯净的无水AlCl3。

(1)试分析各装置中的试剂及其作用。

(2)指出该套装置在设计上的一处缺陷。

本题是一道典型的有气体参与的制备实验，利用本文讲解的方法分析如下：

【模块思维】加热条件下用浓盐酸和二氧化锰反应制得的氯气中含有水蒸气和氯化氢，所以要设置除去氯化氢的除杂装置和干燥装置，然后将所得纯净氯气与铝粉在加热条件下反应制取目标产物，由于AlCl3易升华，故需要设计收集装置，又由于AlCl3遇水蒸气易水解，故收集装置右侧应有吸收水蒸气的装置，氯气有毒，最后还要有尾气处理装置。

【模块装置】利用上述模块化思维分析，不难得出本实验所涉及的装置为：制取氯气装置→除氯化氢装置→干燥装置→制取氯化铝的装置→收集装置→防干扰装置(防止水蒸气进入制取氯化铝的装置)→尾气处理装置。

【试题答案】(1)A：浓盐酸和二氧化锰；制取氯气。B：饱和食盐水；吸收氯化氢。C：浓硫酸；吸收水蒸气。D：铝粉；与氯气反应制取氯化铝。E：收集氯化铝。F：浓硫酸；防止水蒸气进入装置E中。G：NaOH溶液；吸收氯气，防止污染。

定量实验的内容包括：实验原理、仪器和试剂、实验操作步骤及注意事项、有关计算和误差分析等。

定量实验问题都有一个需要测量的量(可称之为目的量)，但是目的量通常是无法直接测量出来的，而是通过另外的可以测量出来的量(可称之为可测量)计算而求得。因此，我们可以对定量实验进行建模分析：

目的量化学反应原理化学计算可测量

目的量的出现没有一定的规律，它可以是相对原子质量、相对分子质量，也可以是质量分数、结晶水合物中水的分子数，还可以是分子组成等，这主要取决于题目的背景和命题人的意愿。尽管如此，但是在具体的定量实验题里，目的量是明确的，不难把握。可测量是解题的核心，它可决定化学实验所需要的仪器和装置，决定实验步骤的先后次序，决定测量结果的读取与记录，决定误差存在的可能性，决定实验过程中需要注意的有关事项等。在中学化学中，可测量通常是固体物质的质量、气体的体积和消耗溶液的体积三种。所以一旦明确了何为可测量，围绕可测量分析设计实验，进行有关计算，问题就能迎刃而解。

三、解决问题的基本方法

为了说明问题，下面我们紧扣上述模型，具体举例，分析解答定量实验题的基本方法。

1.物质质量测定法

这类问题的可测量是反应生成的沉淀或气体的质量，可根据化学反应原理或守恒原理确定目的量。

例1下列实验步骤是兴趣小组对某矿物样品含量的测定，样品成分为FeO、FeS2、SiO2、及其他杂质，杂质不与酸碱反应，受热稳定。(步骤中所加试剂均为足量)

①称量mg样品在硬质玻璃管中灼烧，简化实验装置如下：

②D瓶溶液H2O2溶液BaCl2溶液连续操作1固体(ag)

③

C中

固体稀硫酸→滤渣(bg)

→滤液H2O2溶液NaOH溶液滤渣连续操作2红棕色

固体(cg)

(1)A瓶内所盛试剂是________溶液。

(2)若步骤②中不加入双氧水，则对测定硫元素含量的影响是________(填“偏高”“偏低”或“无影响”) 。

(3)从步骤③的bg滤渣入手，可测定SiO2的含量，下面各组试剂中不适合测定的是________。

A.NaOH溶液、稀硫酸

B.Ba(OH)2溶液、盐酸

C.氨水、稀硫酸

D.NaOH溶液、盐酸

(4)求样品中FeO的质量分数(列出算式即可)：________________ 。

解析：样品灼烧时生成SO2，SO2被NaOH溶液吸收。本题通过测定反应后一系列产物的质量，可分别求出样品中FeO、FeS2、SiO2等物质的质量分数。

(1)A瓶内的试剂是强碱溶液，目的是吸收空气中的CO2气体，防止CO2进入D装置。

(2)H2O2能将SO2-3氧化为SO2-4。若此步骤不加H2O2，则应根据所得BaSO3的质量计算硫元素的含量，因为空气中的O2会将SO2-3部分氧化为SO2-4，使所得沉淀的质量偏大，测得的硫元素的含量偏高。

(3)滤渣中的杂质不与酸、碱反应，则可用强碱溶液溶解滤渣中的SiO2，过滤后用稀硫酸或稀盐酸洗涤残留固体，通过测定残留固体的质量即可测定SiO2的含量。

(4)通过Fe2O3的质量可求样品中Fe元素的总量：n(Fe)=2c160 mol；通过BaSO4的质量可求FeS2的量：n(FeS2)=a233×12 mol；样品中FeO的物质的量为：n(FeO)=2c160-a233×12 mol，其质量分数为c160×2-a233×12×72m×100%。

答案：(1)NaOH(或KOH等合理答案) (2)偏高 (3)BC (4)c160×2-a233×12×72m×100%

2.气体体积测定法

这类问题的可测量是反应生成的气体的体积，可根据物质的量的换算原理确定目的量。

例2为了测定已部分变质的过氧化钠样品的纯度，设计如图所示的实验装置，图中Q为弹性良好的气球，称取一定量的样品放入其中，按如图所示的装置安装好仪器，打开分液漏斗的活塞，将稀硫酸滴入气球中。

(1)为测定反应时生成气体的总体积，滴加稀H2SO4前必须关闭________ (填“K1”“K2”或“K3”，下同)，打开________ 。

(2)当上述反应停止时，将K1、K2、K3均关闭，然后先打开K2，再缓缓打开K1，这时可观察到的现象是________________________。

(3)b中装的固体试剂是________，为何要缓缓打开K1？

。

(4)实验结束时，量筒Ⅰ中有xmL水，量筒Ⅱ中收集到ymL气体，如果上述气体体积均已折算成标准状况，则过氧化钠的纯度是________ (用含x、y的式子表示)。

解析：变质的Na2O2中含有Na2CO3，在样品中加入稀硫酸后，气球Q中可生成O2与CO2两种气体。本实验可通过测定CO2和O2的体积，然后经换算求出Na2O2的纯度。将稀H2SO4加入气球前，关闭K1和K2，打开K3，反应结束时气球膨胀的体积与量筒Ⅰ中所接收的水的体积相等，此即为CO2与O2的体积之和。待气球中反应完全后，关闭K3，打开K2，再缓缓打开K1，此时气球渐瘪，气体会经干燥管b进入量筒Ⅱ，CO2被干燥管中的碱石灰吸收，量筒Ⅱ中收集到气体的体积即为O2的体积。由题意可知，CO2和O2的总体积为xmL，O2的体积为ymL，故CO2的体积为(x-y) mL，根据化学方程式可知Na2O2与Na2CO3的物质的量之比为2y∶(x-y)，则Na2O2的纯度为w(Na2O2)=2y×782y×78+106(x-y)×100%=78y53x+25y×100%。

答案：(1)K1、K2K3(2)气球Q慢慢变小，气体进入量筒Ⅱ中 (3)碱石灰 控制气体的流速，使CO2被充分吸收 (4)78y53x+25y×100%

3．滴定数据分析法

这类问题的可测量是滴定实验中消耗标准溶液的体积，通常要根据多步反应的关系式计算目的量。

例3YBa2Cu3Ox(钇钡铜氧)是近年来被科学家发现的一种高温超导材料，其中Y、Ba、O三种元素都有固定的化合价，分别为+3、+2、-2，而Cu是+2和+3的混合价态。现用碘量法进行测定：

取一定质量的YBa2Cu3Ox样品，用稀盐酸溶解，在氮气的保护下加过量的KI固体，样品中的Cu3+和Cu2+分别氧化KI生成I2，用0.100 mol·L-1Na2S2O3溶液滴定得到的I2，终点时消耗Na2S2O3溶液21.00 mL。有关反应如下：

Cu3++3I-CuI↓+I2

2Cu2++4I-2CuI↓+I2

I2+2S2O2-32I-+S4O2-6

另取一份质量相等的YBa2Cu3Ox样品，用稀盐酸溶解，煮沸，使其中的Cu3+全部转化为Cu2+，冷却后再用碘量法滴定，终点时消耗0.100 mol·L-1Na2S2O3溶液 15. 00 mL。

试回答：

(1)碘量法中应选用的指示剂是________。

(2)碘量法滴定终点的现象为

。

(3)Cu3+和Cu2+的物质的量之比为________。

(4)x值为________。

解析：本题的目的量是YBa2Cu3Ox中的x的值，可测量是Cu3+和Cu2+的物质的量之比。利用滴定原理，结合关系式法，可求出可测量，由可测量和基础化学知识即可求出目的量。

计算用的关系式是：Cu3+～I2～2S2O2-3，2Cu2+～I2～2S2O2-3。

设样品中Cu3+、Cu2+的物质的量分别为a、b，则：

2a+b=21.00×10-3L×0.100 mol·L-1

a+b=15.00×10-3L×0.100 mol·L-1

解得：a=6.00×10-4mol,b=9.00×10-4mol，a∶b=2∶3。

由YBa2Cu3Ox中各元素化合价之和为零原理得：3+2×2+3×25×3+3×35×2=2x，x=7.1。

答案：(1)淀粉溶液 (2)溶液的蓝色褪去且半分钟内不恢复原色 (3)2∶3 (4)7.1

(作者单位：江苏省常州市横山桥高级中学)

山西省大同市灵丘县豪洋中学，河北省涞水县第四中学)