“素养”维度下例析化学实验题创新

■湖北省武汉市洪山高级中学 张 杰

在近年高考化学试题中，都无一例外地设置了化学实验主观题。无论其命题素材如何改变，实验装置如何转换，考查的重心始终没有出离“物质制备与纯化”“物质组成与性质探究”“定量测定”“实验方案设计、评价”四大热门主题。但若从化学学科核心素养维度出发，仔细分析比对，就不难发现其中的新意：强调化学思想观念的建构，强调无机、有机知识的适当融合；要求考生能发现和提出有探究价值的问题，能从问题的假设出发，确定探究目的，设计探究方案，富有科学探究精神和探究能力。

例1“银-菲洛嗪法”是检测居室内甲醛（化学式CH2O）含量的常用方法之一。化学学习小组利用其原理设计如图1所示装置测定新装修居室内空气中甲醛的含量。（夹持装置略去）

图1

已知：甲醛能被银氨溶液、酸性KMnO4溶液氧化生成CO2；10-5mol·L-1的紫色KMnO4溶液遇甲醛气体即褪色；毛细管内径不超过1mm。

请回答下列问题：

（1）银氨溶液的制备。打开K3，打开分液漏斗活塞，将饱和食盐水慢慢滴入圆底烧瓶中。饱和食盐水的作用是____，当观察到三颈烧瓶中____时，关闭K3和分液漏斗活塞。

（2）室内空气中甲醛含量的测定。

①用热水浴加热三颈烧瓶，打开K1，将滑动隔板慢慢由最右端抽到最左端，吸入1L室内空气，关闭K1。打开K2，缓慢推动滑动隔板，将气体全部推出，关闭K2。装置中毛细管的作用是____。

再重复上述操作4次。

②向充分反应后的溶液中加入稀硫酸调节溶液pH=1，再加入足量Fe2（SO4）3溶液，写出加入Fe2（SO4）3溶液后发生反应的离子方程式：___。立即加入菲洛嗪，Fe2+与菲洛嗪形成有色物质，在562nm 处测定吸光度，测得生成Fe2+1.12mg。空气中甲醛的含量为____mg·L-1。

（3）关闭K3，将三颈烧瓶中的溶液换为24.00mL10-4mol· L-1的KMnO4溶液，量取KMnO4溶液使用的仪器是____（量筒、酸式滴定管、碱式滴定管）。再加入2 mL 6mol·L-1的硫酸酸化后重新测定空气中甲醛的含量。当三颈瓶中溶液恰好褪色时，向容器A 中共抽气_____次。

解析：（1）参考CaC2的水解反应，可知氮化镁和水反应的产物中含有氨气（用于B 中制备银氨溶液）；用饱和食盐水代替水，以减缓反应速率；氨水溶液和硝酸银溶液反应，先产生白色沉淀AgOH，而后逐渐溶解在氨水中，银氨溶液的配制过程要求氨水不宜过量，故白色沉淀恰好溶解时，应及时关闭K3和分液漏斗活塞。

（2）①装置中毛细管的作用是减小气体通入的速度，使空气中所含的甲醛气体被完全吸收，若气流过快则难以保证；②甲醛被氧化为CO2，银氨被还原为银，生成的银又被加入的Fe2（SO4）3氧化，离子方程式为Ag+Fe3+══Ag++Fe2+；甲 醛与Ag（NH3）2OH反应中，碳元素化合价由0价→+4价，银元素由+1 价→0 价；生成的银又被铁离子氧化，铁离子本身又被还原为亚铁离子，m（Fe2+）=1.12mg，n（Fe2+）=2×10-5mol，根据得失电子守恒，若消耗的甲醛为a mol，则4a=2×10-5×1，解得a=5×10-6；由于实验共进行了5次操作，所以测得1L空气中甲醛的含量为1×10-6mol，即为1×10-6mol·L-1×30×103mg·mol-1=0.03mg·L-1。

（3）使用量筒无法达到0.01 mL 的精度要求，而高锰酸钾溶液具有强氧化性，会腐蚀碱式滴定管下端的橡胶管，所以用酸式滴定管（或移液管）量取；根据（2）中计算结果：1L空气中甲醛的含量为1×10-6mol，它被KMnO4溶液氧化为二氧化碳，KMnO4被还原为Mn2+，若向容器A 中共抽气b 次，根据得失电子守恒：b×4×1×10-6=24×10-3×10-4×（7-2），b=3。

答案：（1）饱和食盐水和氮化镁反应制备氨气，并减缓反应速率 白色沉淀恰好溶解

（2）①减小气体的通入速度，使空气中甲醛气体被完全吸收 ②Ag+Fe3+══Ag++Fe2+0.03

（3）酸式滴定管（或移液管） 3

素养视角点评：解答（1）需要由已学习过的“乙炔的实验室制法”进行迁移，能识别化学中常见的物质模型和化学反应的理论模型。（2）中书写的离子方程式虽简单，但并不是常规反应，若从氧化还原或元素化合物知识角度推演，容易产生纠结，需紧扣“Fe2+与菲洛嗪形成有色物质”这一信息，确定是Fe3+与生成的Ag发生了氧化还原反应从而产生Fe2+。具有证据意识，建立观点、结论和证据之间的逻辑关系，能从定性与定量结合上收集证据，推出合理的结论。

改编价值延伸：a.在导管末端放置多孔球泡达到与毛细管相同的作用。b.就三颈烧瓶右侧的导气管管口所处的位置提问（考查氨气极易溶于水的特性及防倒吸措施）。c.将“向充分反应后的溶液中加入稀硫酸调节溶液pH=1”设置为一个待填的实验步骤，考查考生对银氨溶液及银镜反应认知的完整性及逻辑的严密性。

例2硫化钠又称硫化碱，为无色、易溶于水和热乙醇的固体，常用于制造硫代硫酸钠、多硫化钠、硫化染料等。实验室中用工业硫化钠（因含重金属硫化物和煤粉等而呈褐色）、纯碱等物质制备硫代硫酸钠晶体（Na2S2O3·5H2O）的原理如下：

回答下列问题：

（1）工业硫化钠的纯化。

将18g工业硫化钠加入烧瓶中，再加入150 mL 95%的乙醇溶液和8 mL水。用如图2所示装置进行沸水浴加热，并回流40min，趁热过滤，冷却、搅拌、结晶、倾析，除去上层母液；最后用95%的乙醇溶液洗涤、烘干，得到Na2S·9H2O 晶体。图2中仪器a 的名称是_____，该过程中回流40min的目的是_____。

图2

（2）硫代硫酸钠的制备。

称取纯化后的Na2S·9H2O 晶体14.4g和m gNa2CO3，混合后置于锥形瓶中，加入150mL蒸馏水，微热后按下页图3所示组装仪器；然后，打开分液漏斗的活塞和螺旋夹6，并适当调节该螺旋夹，向锥形瓶中通入SO2气体，当溶液呈中性时，停止通入SO2气体，对反应后溶液进行后续处理，即可制得硫代硫酸钠（Na2S2O3·5H2O）。

①适当调节螺旋夹6的目的是____。

图3

②实验过程中，通入SO2一段时间后，溶液中会生成大量淡黄色沉淀，然后又变澄清。生成淡黄色沉淀的化学方程式为____。若通入SO2气体时间过长，会降低硫代硫酸钠的产率，原因是____。

③为提高产品纯度，节约原料，m=____g。

④反应结束后，需对溶液进行后续处理，得到硫代硫酸钠晶体（Na2S2O3·5H2O），其操作是蒸发浓缩、冷却结晶、过滤、____、烘干。称量所得产品，质量为a g，则Na2S2O3·5H2O 的产率为____（用含a 的代数式表示）。

解析：（1）仪器a为（球形）冷凝管；回流40min的目的是为了保证硫化钠完全溶解在热的乙醇中。

（2）①适当调节螺旋夹6 可以控制二氧化硫的流速，若流速过快，二氧化硫来不及充分反应，同时也可能引起倒吸。

②通入SO2一段时间后，溶液中生成的大量淡黄色沉淀是单质S，追溯其反应根源，可以分步理解为：酸性较强的亚硫酸（SO2溶于水形成的）与Na2S 反应制得 H2S 和Na2SO3；H2S与SO2继续反应生成单质S，故反应为2Na2S+3SO2══3S ↓+2Na2SO3。若通入的SO2时间过长，就会使溶液呈现较强的酸性，而硫代硫酸钠会与酸反应H2O），导致产率降低。

③制备Na2S2O3的反应为2Na2S+Na2CO3+4SO2══3Na2S2O3+CO2，n（Na2S）∶n（Na2CO3）=2∶1。加 入 了m（Na2S·9H2O）=14.4g，n（Na2S·9H2O）=0.06 mol，所以n（Na2CO3）=0.03 mol，m（Na2CO3）=3.18g。

④从溶液中得到晶体的具体过程为：蒸发浓缩、冷却结晶、过滤、洗涤、烘干。n（Na2S·9H2O）=0.06 mol，所以生成物中n（Na2S2O3）=0.09 mol，m （Na2S2O3）=0.09mol×248g·mol-1=22.32g，实际得到ag，产率为

答案：（1）球形冷凝管 保证硫化钠充分溶解 （2）①控制气体流速，保证SO2充分反应，防倒吸 ②2Na2S+3SO2══3S↓+2Na2SO3通入SO2时间过长，会使溶液酸性较强，导致Na2S2O3因反应而损耗 ③3.18 ④洗涤

素养视角点评：（1）解答本问题需要对化学常规仪器有较全面的了解，需要深刻地理解固液萃取的含义，并构建热乙醇溶解硫化钠固体这一实验情景。（2）中调节螺旋夹6的目的考查，凸显了培养实验意识的重要性，关注反应效率、实验安全，具有理论联系实际的观念；求m 的值并非单纯地考查化学计算，通过研究方程式2Na2S+3SO23S↓+2Na2SO3的两种产物，发现若用于下一个反应则 会 多 出1 molS；引导考生利用反应Na2CO3+SO2══Na2SO3+CO2，再补足1 molNa2SO3，从而确定了三种反应物Na2S、Na2CO3、SO2的计量关系，也从S元素的角度体现了“原子经济性”。这要求考生有将化学成果应用于生产、生活的意识，在实践中逐步形成节约成本、循环利用、保护环境等观念。

改编价值延伸：a.考查“趁热过滤”的目的（滤去重金属硫化物和煤粉，而硫化钠不会析出）。b.书写Na2S、Na2CO3、SO2三者反应制备Na2S2O3的方程式。c.设置产品纯度测定的滴定实验，比如用高锰酸钾标准液滴定的方法测样品的纯度，考查滴定原理、滴定终点现象、纯度计算等。