化学实验综合题的命题角度分析和解题策略

吉林 赵鑫光

化学是一门以实验为基础的自然科学，学习化学离不开实验，很多化学原理和规律都是通过实验推导和论证的，因此化学实验综合题在高考化学试题中占有非常重要的地位。近年来受到试卷题量和文字量的限制，高考题目的综合性越来越高，这类化学实验的综合题逐渐成为主流题型。一道完整的化学实验综合题是将实验基本操作，物质的制备、分离、提纯，组成和性质的探究，定性和定量的分析等多个方面融为一体进行全方位的考查，这类题目具有很强的综合性，是一种较高水平的能力测试。

一、命题角度分析

纵观近几年的高考试卷，化学实验综合题主要考查以下几个角度：

1.陌生物质的制备

新物质的制备是化学学科的一个研究重点，以新物质制备为背景的实验题具有题型多变、涉及知识点多、思维发散性强等特点，这种题目能极好的考查学生综合运用化学实验基础知识解决实际问题的能力，因此备受高考命题者的青睐。解决这类问题的基本思路是首先要明确需要制备实验的目标产物，并且分析反应的原理，其次要选择合适的实验仪器和试剂，最后再理清制备新物质的步骤和流程。

2.未知物质的组成探究

这类化学实验综合题，通常是借助一些新素材来探究未知物的成分，所涉及的未知物既包括单一物质也包括混合物质，其考查形式主要是通过定性实验探究未知物的成分，通过定量实验探究未知物的分子式或化学式，或通过定性实验与定量实验相结合来探究混合物的组成。解决这类问题需要非常熟悉相关物质的特有性质、特征反应和现象，注意检验操作的顺序，尤其是混合物的定性检出顺序。

3.物质化学性质的探究

这类化学实验综合题的考查方式以验证型实验为主，即针对试题中的设问或得出的结论通过设计实验证明假设是否正确。题目设置多与一些基本理论相结合，例如物质结构、化学平衡等方面，需要学生将学过的理论知识运用到实验问题的解决中。这类题目重点考查学生对实验原理、实验过程的分析能力，综合性较强。

4.定量分析实验

这类化学实验综合题是近几年高考的高频考查方式，通过测定实验中产生气体的体积、沉淀的质量、滴定消耗标准液的体积等实验数据，经由一些定量关系来测定物质组成，相对分子质量，化学式，反应物转化率，产物产率等相关内容。这类问题的解决除了学生需要较好的分析能力之外，计算能力也是非常重要的，而且多数实验数据是来源于真实的实验过程，所以计算的数据并不是整数，在考试时间有限的情况下，学生既要保证计算的高效性，还要保证计算的准确性。

5.实验方案的评价

这是近两年来新兴的一种实验综合题的考查方式，通过题干叙述的实验步骤、实验装置图、相关数据表格等信息，让学生判断是否能达到实验目的或者得出相应的结论。这种问题的开放性较强，需要学生具有较强的发散性思维，问题的答案也不拘泥于一种，只要回答合理即可。解决这类问题首先要通读全题，找准突破口，抓住重点信息，从试剂、仪器与装置、实验操作流程、结论的描述等诸多方面的合理性入手，判断能否达到实验目的，如果不能达到目的还要提出合理的解决方案。

二、解题策略

综合性较大的化学实验题考查的内容比较复杂，范围比较广，有效的归纳、理解并掌握相关的基础知识，是重中之重。下面将从几个方面加以总结：

1.有关实验操作顺序的问题

2.分离提纯和除杂的基本方法

基本方法实 例结晶和重结晶法物质在溶液中溶解度随温度变化较大,例如分离NaCl和KNO3沉淀过滤法欲除去硫酸亚铁溶液中混有的少量硫酸铜,可加入过量铁粉,待充分反应后,过滤除去不溶物分馏、蒸馏法沸点相差较大的互溶液体,例如分离乙醇和水(加生石灰后蒸馏)萃取分液法物质在互不相溶的两个液相中溶解度差异较大,如用CCl4来萃取碘水中的I2升华法某些物质在加热的条件下易升华,如分离SiO2和I2溶解法如将铜粉和铝粉的混合物,溶解在过量的NaOH溶液里过滤分离吸收法将N2和O2的混合气体通过炙热的铜网吸收O2。再如除去CO2中混有的少量HCl和H2O,可使混合气体先通过饱和碳酸氢钠溶液后,再通过浓硫酸转化法两种物质难以直接分离,加某种试剂后变得容易分离,例如分离Al(OH)3和Fe(OH)3的混合物,先加NaOH溶液把Al(OH)3溶解,过滤,除去Fe(OH)3,再通入CO2让NaAlO2转化成Al(OH)3。再如除去苯中的苯酚,可加入氢氧化钠,使苯酚转化为苯酚钠,利用苯酚钠易溶于水,使之与苯分开增加法把杂质转化成所需要的物质,例如将CO2和SO2混合气体通过NaHCO3溶液,将SO2转化为CO2渗析法利用粒子尺寸大小差别,用半透膜进行提纯,例如除去氢氧化铁胶体中的氯离子

3.实验步骤的先后顺序

实验内容先进行的操作后进行的操作加热试管先均匀加热后局部加热排水法收集气体完成时先将导管移出水面后熄灭酒精灯制取气体先检验气密性后装药品收集气体先排净装置中的空气再收集稀释浓硫酸装倒入一定量蒸馏水再沿器壁缓慢注入浓硫酸点燃可燃气体先检验纯度后点燃用试纸检验气体先用蒸馏水润湿试纸再将试纸与气体接触配制易水解的盐溶液先溶于少量浓酸中再稀释至指定浓度配制一定物质的量浓度溶液先加蒸馏水至距容量瓶刻度线1～2 cm处后改用胶头滴管加水至刻度线使用pH试纸先用干净的玻璃棒蘸取待测溶液涂到干燥的试纸上再把试纸显示的颜色跟标准比色卡对比,读出pH

续表

4.实验操作中描述性语言的规范表述

(1)常见的基本实验操作描述

①配制一定物质的量浓度的溶液时定容的操作方法：向容量瓶中加水至离刻度线1～2 cm处，改用胶头滴管滴加，眼睛平视刻度线，滴加水至凹液面的最低点与刻度线相切。

②浓硫酸稀释(或与其他液体混合)的操作：将浓硫酸沿烧杯内壁缓缓注入水(无水乙醇、浓硝酸等)中，并不断搅拌。

③蒸发浓缩停止加热的判断标准：液体表面出现晶膜时即停止加热

④萃取的操作方法：关闭分液漏斗的旋塞，打开上口的玻璃塞，将混合物倒入分液漏斗中，充分振荡并不时打开旋塞放气。

⑤分液的操作方法：将分液漏斗放在铁架台的铁圈上静置分层，在分液漏斗下面放一个小烧杯，打开上口玻璃塞，旋开旋塞，使下层液体沿烧杯内壁流下，上层液体从上口倒出。

⑥焰色反应的操作：用洁净的铂丝蘸取盐酸在酒精灯火焰上灼烧，反复几次，直至与酒精灯火焰颜色相近为止。(用盐酸洗的原因是金属氯化物的沸点较低，灼烧时易挥发除去)再蘸取少量待测液，在酒精灯火焰上灼烧，观察火焰颜色。若为黄色，则说明溶液中含Na+；若透过蓝色钴玻璃呈紫色，则说明溶液中含K+。

⑦测溶液pH的操作：用干燥洁净的玻璃棒蘸取少量待测液点在干燥的pH试纸上，待变色后与标准比色卡对照读出溶液的pH。

⑧渗析操作：将胶体装到半透膜袋中，用线将半透膜扎好后系在玻璃棒上，浸在盛有蒸馏水烧杯中，并及时更换蒸馏水。

(2)检查气密性

①微热法：将导管插入水槽中，手握住试管，若导管口有气泡冒出，松开手时导管口回流一段水柱，说明该装置的气密性良好。

②液差法：塞紧橡皮塞，用止水夹夹住橡皮管，从长颈漏斗向试管中注水，使长颈漏斗中液面高于试管中液面，过一段时间，液面差不变，说明气密性良好。(若为分液漏斗，则需要塞紧橡皮塞，用止水夹夹住橡皮管，向分液漏斗中加入一定量的水，打开活塞，若分液漏斗中液体滴下的速率逐渐减慢至不再滴下，说明气密性良好)

③启普发生器型的装置：关闭导气管的旋塞，往球形漏斗(长颈漏斗)中加适量水，若球形漏斗(长颈漏斗)和容器中形成液面差，且液面差不变，说明装置气密性良好

(3)气体验满和检验操作

①氧气验满：用带火星的木条放在集气瓶口，木条复燃，说明氧气已收集满。

②可燃性气体(如氢气)的验纯方法：用排水法收集一小试管的气体，用大拇指摁住管口移近火焰，若听到尖锐的爆鸣声，则气体不纯；听到轻微的“噗”的一声，则气体已纯。

③二氧化碳验满：将燃着的木条平放在集气瓶口，若火焰熄灭，说明CO2已收集满。

④氨气验满：用湿润的红色石蕊试纸放在集气瓶口，若试纸变蓝说明气体已满。

⑤氯气验满：用湿润的淀粉碘化钾试纸放在集气瓶口，若试纸变蓝说明气体已满。

(4)仪器的检漏操作

①容量瓶：往容量瓶内加入一定量的水，塞好瓶塞，用食指摁住瓶塞，另一只手托住瓶底，把瓶倒立过来，观察瓶塞周围有无水漏出。如果不漏水，将瓶正立并将瓶塞旋转180度后塞紧，仍把瓶倒立过来，再检查是否漏水，如果仍不漏水，即可使用。

②分液漏斗：关闭分液漏斗的旋塞，向分液漏斗中注入少量水，观察旋塞周围是否渗水，如不渗水，再将旋塞旋转180℃，再倒立如不渗水，证明旋塞部位不漏液(这也是酸式滴定管的检漏方法)。塞好上口瓶塞，用食指摁住瓶塞，另一只手扶住旋塞处，把分液漏斗倒立过来，观察瓶塞处是否渗水，如不渗水，将分液漏斗正立后并将瓶塞旋转180°塞紧，如不渗水，证明瓶塞部位不漏水。

(5)有关沉淀的操作

①证明沉淀完全：取沉淀后的上层清液于小试管中，继续滴加沉淀剂，若无沉淀生成，说明沉淀已完全。

②洗涤沉淀：将蒸馏水沿玻璃棒注入过滤器中至浸没沉淀，静置，待水流尽后，重复2～3次。

③沉淀用乙醇洗涤的目的：(ⅰ)除去固体表面吸附的杂质；(ⅱ)固体在乙醇中溶解度较小；(ⅲ)乙醇挥发带出水分，使固体易干燥。

④判断沉淀是否洗净：取最后一次洗涤液少许，滴加某试剂，若没有某些现象，证明沉淀已洗干净。

(6)有关制气装置的作用

①固液加热型制气装置中滴液漏斗与圆底烧瓶之间导管的作用：保证圆底烧瓶液面上方压强与滴液漏斗液面上方压强相等，使滴液漏斗中的液体易于滴下；定量实验中排除用排水法测量生成气体体积时由于液体加入导致的误差。

②固液不加热型制气装置在长颈漏斗下端套一小试管的作用：形成液封，防止气体从漏斗中逸出；节约液体试剂；能控制反应速率。

(7)仪器中气体或液体的进出方向

①洗气瓶——长进短出，净化装置先除杂后干燥；

②干燥管——粗进细出，保证气体干燥充分；

③冷凝管冷却水——下进上出，保证冷却效果最好；

④排水量气——短进长出。

(8)实验中温度计的位置和作用

①测反应混合物的温度：实验中需要测定反应混合物的准确温度，因此，应将温度计插入反应混合物中。例如：(ⅰ)测物质溶解度；(ⅱ)实验室制乙烯。

②测蒸气的温度：实验中用于测量物质的沸点，由于液体在沸腾时，液体和蒸气的温度相同，所以只要测蒸气的温度。例如：(ⅰ)石油的分馏；(ⅱ)测定乙醇的沸点。

③测水浴温度：实验中需要利用水浴加热保持反应物的温度相对稳定，所以温度计则插入水浴中。例如：(ⅰ)探究温度对反应速率的影响；(ⅱ)苯的硝化反应。

(9)有关干燥剂的使用

①浓硫酸、浓磷酸、五氧化二磷作干燥剂不能干燥氨气的原因：发生酸碱中和反应。

②无水氯化钙不能干燥氨气的原因：形成八氨合氯化钙CaCl2·8NH3。

③浓硫酸不能干燥硫化氢、溴化氢、碘化氢的原因：发生氧化还原反应。

④浓硫酸不能干燥三氧化硫的原因：浓硫酸溶解三氧化硫形成发烟硫酸。

(10)实验中棉花的作用

①收集氨气：利于空气排出，并防止与空气产生对流，使氨气收集较纯净。

②高锰酸钾热分解：防止固体粉末进入导管。

(11)滴定终点判断

当向锥形瓶中滴入最后一滴标准溶液时，溶液由XX色变为XX色，且半分钟内不变色(或不恢复原色)即为滴定终点。

(12)读取量气装置中的气体体积的方法

待装置冷却至室温后，先上下移动量筒(或量气管有刻度的一侧)使量筒内外(或量气管的两侧)液面相平，然后使视线与凹液面的最低点相平读取数据。

(13)加热灼烧固体使固体失去结晶水或分解完全的操作方法：将固体放在坩埚中充分灼烧，然后放在干燥器中冷却、称量，再加热、冷却、称量直至两次称量的质量差不超过0.1 g。

(14)常见具体实验中的相关描述

①乙酸乙酯制备中饱和碳酸钠溶液的作用：(ⅰ)中和乙酸；(ⅱ)溶解乙醇；(ⅲ)降低乙酸乙酯溶解度。

②氢氧化铁胶体的制备：向沸腾的蒸馏水中逐滴滴加饱和的FeCl3溶液，继续加热当溶液变为稳定的红褐色时停止加热。

③检验卤代烃中卤原子的操作：取样与NaOH溶液共热，然后先加HNO3酸化，再加AgNO3溶液，根据沉淀颜色进行判断。

④配制FeCl3溶液时的操作方法：将称量好的氯化铁晶体置于烧杯中，先加入浓盐酸，再加入适量蒸馏水稀释至所需浓度。

⑤淀粉水解程度的判断：(ⅰ)完全水解——加入碘水，不显蓝色；(ⅱ)尚未水解——取水解液先加NaOH溶液于试管中，再加入新制的Cu(OH)2悬浊液加热，若无砖红色沉淀产生，证明淀粉没有水解；(ⅲ)部分水解——用两个试管取两份水解液，一份加入碘水显蓝色，另一份加碱中和硫酸后再加入新制的Cu(OH)2悬浊液加热，产生砖红色沉淀(同时具有上述两种现象)。

三、典型例题分析

【例1】(2019·全国卷Ⅰ·27节选)硫酸铁铵[NH4Fe(SO4)2·xH2O]是一种重要铁盐。为充分利用资源，变废为宝，在实验室中探究采用废铁屑来制备硫酸铁铵，具体流程如下：

回答下列问题：

(2)步骤②需要加热的目的是____________________，温度保持80～95℃，采用的合适加热方式是________。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)。

B

C

D

(3)步骤③中选用足量的H2O2，理由是_________________

分批加入H2O2，同时为了________________，溶液要保持pH小于0.5。

【答案】(2)加快反应速率 热水浴加热 C

(3)把Fe2+全部氧化为Fe3+防止Fe3+水解

【解析】(2)在反应的过程中加热的目的是为了加快反应速率；保持温度在100℃以下时可以使用热水浴加热(如果保持的温度在100～220℃之间可以使用油浴，高于220℃可以使用砂浴)；在反应过程中产生硫化氢气体应该用氢氧化钠溶液吸收，为了防止倒吸应该选择C选项。(3)步骤③中加入氧化剂H2O2是为了把Fe2+全部氧化为Fe3+，而且H2O2是一种绿色氧化剂，其还原产物是H2O，不会引入杂质；Fe3+在水溶液中容易水解，故保持溶液具有较强酸性的目的是防止Fe3+水解。

【例2】(2019·全国卷Ⅱ·28节选)咖啡因是一种生物碱(易溶于水及乙醇，熔点234.5℃，100℃以上开始升华)，有兴奋大脑神经和利尿等作用。茶叶中含咖啡因约1%～5%、单宁酸(Ka约为10-6，易溶于水及乙醇)约3%～10%，还含有色素、纤维素等。实验室从茶叶中提取咖啡因的流程如下图所示。

索氏提取装置如图所示。实验时烧瓶中溶剂受热蒸发，蒸汽沿蒸汽导管2上升至球形冷凝管，冷凝后滴入滤纸套筒1中，与茶叶末接触，进行萃取。萃取液液面达到虹吸管3顶端时，经虹吸管3返回烧瓶，从而实现对茶叶末的连续萃取。回答下列问题：

(1)实验时需将茶叶研细，放入滤纸套筒1中，研细的目的是________________，圆底烧瓶中加入95%乙醇为溶剂，加热前还要加几粒________。

(2)提取过程不可选用明火直接加热，原因是____________________，与常规的萃取相比，采用索氏提取器的优点是____________________。

(3)提取液需经“蒸馏浓缩”除去大部分溶剂，与水相比，乙醇作为萃取剂的优点是____________________。“蒸发浓缩”需选用的仪器除了圆底烧瓶、蒸馏头、温度计、接收管之外，还有________(填标号)。

A.直形冷凝管 B.球形冷凝管

C.接收瓶 D.烧杯

【答案】(1)增加茶叶末和乙醇接触面积 沸石

(2)乙醇是易挥发易燃液体，直接加热易发生意外引起爆炸 可多次连续萃取，提高萃取效率

(3)便于与咖啡因分离 AC

【解析】(1)提取咖啡因之前将茶叶末研细的目的是为了在提取时增加茶叶末和乙醇的接触面积，使咖啡因提取更加充分，烧瓶需要加热，加入几粒沸石可以防止加热过程中发生暴沸。(2)提取过程中不直接加热的原因是乙醇是一种易挥发易燃液体，直接加热容易发生意外引起爆炸；根据索氏提取器的结构特点，该仪器的工作原理是乙醇蒸气沿蒸汽导管上升，被球形冷凝管冷却后进入索氏提取器，浸泡茶叶，当液面高于虹吸管后，由于虹吸作用，萃取咖啡因后的乙醇沿虹吸管回到烧瓶中完成一次萃取，这样就可以实现用少量乙醇，实现多次连续萃取，可提高萃取效率。(3)咖啡因在水中和乙醇中都易溶，使用乙醇的原因是其沸点比水低，便于与咖啡因的分离；蒸发浓缩的过程实际上是对蒸馏的基本操作的考查，按照仪器组装从下到上，从左到右的顺序，可以得出答案，还需要的仪器是直形冷凝管和接收瓶故选择A和C。

【例3】(2019·全国卷Ⅲ·27节选)乙酰水杨酸(阿司匹林)是目前常用药物之一。实验室通过水杨酸进行乙酰化制备阿司匹林的一种方法如下：

水杨酸醋酸酐乙酰水杨酸熔点/℃157～159-72～-74135～138相对密度/(g·cm-3)1.441.101.35相对分子质量138102180

实验过程：在100 mL锥形瓶中加入水杨酸6.9 g及醋酸酐10 mL，充分摇动使固体完全溶解。缓慢滴加0.5 mL浓硫酸后加热，维持瓶内温度在70℃左右，充分反应。稍冷后进行如下操作：

①在不断搅拌下将反应后的混合物倒入100 mL冷水中，析出固体，过滤。

②所得结晶粗品加入50 mL饱和碳酸氢钠溶液，溶解、过滤。

③滤液用浓盐酸酸化后冷却、过滤得固体。

④固体经纯化得白色的乙酰水杨酸晶体5.4 g。

回答下列问题：

(3)①中需使用冷水，目的是_________________

(4)②中饱和碳酸氢钠的作用是

，

以便过滤除去难溶杂质。

(5)④采用的纯化方法为________。

(6)本实验的产率是________%。

【答案】(3)充分析出乙酰水杨酸固体

(4)生成可溶的乙酸水杨酸钠

(5)重结晶

(6)60

四、小 结

通过上面的命题角度分析和解题策略的归纳可以发现，化学实验综合题一般都以物质的制备过程、组成成分分析、性质检验、含量测定等为背景，以反应装置图、相关数据表格、实验流程图等形式为载体，重点考查与实验相关的仪器装置、反应原理、步骤顺序、数据计算、设计评价等方面的内容。解答这类问题时，首先要弄清实验原理，其次再结合所给流程和相关数据信息弄清每个步骤发生的变化或每个装置的作用，对于相对陌生的实验环节要学会用学过的知识进行类比迁移，最后使问题迎刃而解。