摭谈化学试题中结构不良问题的类型及解答

宁夏 王开山

一、问题的提出

试卷中的化学问题主要指试卷中要求解释或回答的题目。笔者根据化学试题中问题的设置方式将化学问题分为结构良好问题和结构不良问题。结构不良问题指问题的初始状态、目标状态和从初始到目标状态中的一系列操作这三部分中，至少有一个界定不明确的问题。结构良好问题则是问题的初始状态、目标状态和从初始到目标状态的这一系列操作的三部分中，定义都很明确的问题。结构良好问题的设问指向性强，学生的思考方向和角度明确，答案比较固定。化学试题中结构不良问题考虑到了复杂的真实情境和社会的需要，将课堂教学与生产、生活实际联系起来，为学生知识构建及思维培养提供了新视角。此类问题的设问指向性不强，问题具有开放性，答案不固定，对学生的能力要求较高，解答时要求学生能够提取问题的关键要素，结合物质性质、反应条件、基本原理、装置特点、实际需要等方面综合考虑，最终达到精准解答试题的目的。

笔者在平时教学中发现，化学试题中结构不良问题主要集中在实验综合题和工艺流程题中，学生失分较多。究其原因，主要是对此类型问题的思考角度不明确，思考的针对性不强。为了高效解答化学试题中结构不良问题，笔者梳理了此类问题常考的九种类型与答题技巧，与各位同行交流。

二、化学试题中结构不良问题的类型及思考角度

(一)实验准备类

问题1：实验前需要对原料(废料、矿石或废铁屑等)怎么处理？

解题思路：

(1)对块状矿石或块状废料进行粉碎、研磨，以便后续反应能够充分进行。

(2)如果原料是废铁屑，需要对废铁屑上的油污进行处理。处理的方法是用碱溶液进行清洗。

问题2：装置组装完，实验前首先要做什么工作？

解题思路：

装置气密性检查是进行气体实验前要做的准备工作。

(二)条件控制类

问题1：怎样控制反应的温度？

解题思路：

很多有机反应对温度有具体的范围要求，可以通过水浴、沙浴或油浴加热来控制温度。

问题2：适当的升高体系温度，除了考虑加快反应速率外，还要考虑哪些问题？

解题思路：

很多反应温度不能过高，主要是要考虑催化剂的活性温度范围、反应物在高温是否会发生分解、高温时反应物之间是否会发生副反应、反应的平衡移动和反应物是否会逸出反应体系等。

问题3：适当增大压强除了考虑加快反应速率外，还要考虑哪些问题？

解题思路：

很多反应压强不能过大，要考虑设备的承压能力、生产成本的投入、化学平衡的移动等。

问题4：为了使反应充分进行，除了控制温度和压强以外，还需要注意的是？

解题思路：

有气体参与的反应要根据反应的计量数控制气体的通入速率，确保气体能够充分发生反应。

问题5：控制溶液pH的目的是什么？

解题思路：

控制溶液的pH主要是为了抑制某些离子的水解。

问题6：为了提高某种反应物的转化率，除了思考温度、压强外，还可以采取什么措施？

解题思路：

为了提高另外一种反应物的转化率，一般采取的其他措施是增大另外一种反应物的用量或者将产物从体系中分离出去。

(三)装置分析类

问题1：该装置有什么缺陷和不足？

解题思路：

缺少防倒吸装置、缺少尾气处理装置、液体滴加不畅、存在安全隐患等。

问题2：某个装置(瓶)的作用是什么？

解题思路：

(1)空瓶一般用来防止倒吸；

(2)滴液漏斗上的导管用来平衡压强，使液体顺利流下；

(3)整套装置最后，装有碱石灰的U形管或干燥管主要用来吸收尾气，或防止空气中的水蒸气和CO2进入装置；

(4)垂直放置的球形冷凝管的作用为冷凝回流。

(四)原因分析类

问题1：为什么要将溶液煮沸？

解题思路：

除去溶液中溶解的O2或其他气体，避免发生副反应。

问题2：有的反应为什么反应前要先通入一会儿N2，反应后还要通入一会儿N2?

解题思路：

反应前通N2是为了将装置内的空气排尽，避免引起实验误差。反应后通入一会儿N2是为了将产生的气体全部赶入吸收容器内，降低实验误差。

问题3：为什么有的反应随着反应的进行反应速率越来越快?

解题思路：

(1)该反应放热，温度升高反应速率加快；

(2)生成的产物具有催化性能，化学反应速率加快；

(3)发生某一置换反应，形成了原电池，化学反应速率加快。

问题4：为什么使用冰水浴？

解题思路：

该反应放热，使用冰水浴可以促进平衡正向移动；或降温防止反应发生过快。

(五)操作描述类

问题1：读取气体体积要注意什么？

解题思路：

气体的体积与温度和压强有关。在读取气体体积之前要将温度冷却至室温并保持所收集的气体的压强与外界大气压一致，一般是通过调节液面的高度使内外液面相平来实现。

问题2：怎样混合两种溶液？

解题思路：

溶液混合主要考虑混合后的热效应。如浓硫酸稀释时会放热，要将密度较小的溶液加入密度较大的溶液中并用玻璃棒不断搅拌。

问题3：多种气体参与反应，首先通入什么气体？

解题思路：

通入气体的顺序要考虑气体的溶解性，以便后续反应能够充分进行。如侯氏制碱法制取NaHCO3时，首先向饱和食盐水中通入足量的NH3，使溶液呈碱性，再通入足量的CO2，有利于CO2溶解。由于CO2在水中的溶解性较差，不能先通CO2。

问题4：怎样将结晶后的固体纯化？

解题思路：

固体纯化的方法一般为重结晶。

(六)试剂选择类

问题：为什么要选择或不能选择某种试剂？

解题思路：

(1)考虑所选试剂是否会引入杂质；

(2)考虑所选试剂的氧化性或还原性，避免发生氧化还原反应；

(3)要考虑是否会产生污染性的气体；

(4)洗涤沉淀时，要考虑沉淀在所选试剂中的溶解等。

(七)安全防范类

问题1：为什么不能用明火加热？

解题思路：

要考虑反应物的挥发性和可燃性。

问题2：实验结束后应怎么操作？

解题思路：

加热的化学反应，为了避免发生倒吸，首先要将溶液中的导管撤离，然后再熄灭酒精灯。

(八)措施实施类

问题：为了加快化学反应速率，可以采取什么措施？

解题思路：

(1)升高温度；

(2)将块状固体粉碎、研磨；

(3)增大反应物的浓度。

(九)评价类

问题：该方法(工艺)有什么优点和不足？

解题思路：

从原料来源、原料的利用率、试剂循环使用、工艺复杂或简便、产物污染等方面考虑。

三、真题赏析

【例1】(2021·全国甲卷·27节选)胆矾(CuSO4·5H2O)易溶于水，难溶于乙醇。某小组用工业废铜焙烧得到的CuO(杂质为氧化铁及泥沙)为原料与稀硫酸反应制备胆矾，并测定其结晶水的含量。回答下列问题：

(2)将CuO加入到适量的稀硫酸中，加热，其主要反应的化学方程式为____________________，与直接用废铜和浓硫酸反应相比，该方法的优点是_______________。

【分析】该结构不良问题属于评价类，主要考虑环保和原料的利用率问题。

【例2】(2021·全国乙卷·27节选)氧化石墨烯具有稳定的网状结构，在能源、材料等领域有着重要的应用前景。通过氧化剥离石墨制备氧化石墨烯的一种方法如下(装置如图1所示)：

图1

Ⅰ.将浓H2SO4、NaNO3、石墨粉末在c中混合，置于冰水浴中，剧烈搅拌下，分批缓慢加入KMnO4粉末，塞好瓶口。

Ⅱ.转至油浴中，35℃搅拌1小时，缓慢滴加一定量的蒸馏水。升温至98℃并保持1小时。

Ⅲ.转移至大烧杯中，静置冷却至室温。加入大量蒸馏水，而后滴加H2O2至悬浊液由紫色变为土黄色。

Ⅳ.离心分离，稀盐酸洗涤沉淀。

Ⅴ.蒸馏水洗涤沉淀。

Ⅵ.冷冻干燥，得到土黄色的氧化石墨烯。

回答下列问题：

(2)步骤Ⅰ中，需分批缓慢加入KMnO4粉末并使用冰水浴，原因是_______________。

【分析】该结构不良问题属于原因评价类，主要考虑反应放热和反应速率方面。

【答案】该反应放热，分批缓慢加入KMnO4粉末并使用冰水浴的原因是为了降低化学反应速率。

【解析】浓H2SO4、NaNO3、石墨粉末在c中混合会放出大量的热，加入KMnO4粉末后化学反应速率过快，为了降低化学反应速率，需要分批缓慢加入KMnO4粉末并使用冰水浴。

【例3】(2020·全国卷Ⅰ·26节选)钒具有广泛用途。黏土钒矿中，钒以+3、+4、+5价的化合物存在，还包括钾、镁的铝硅酸盐，以及SiO2、Fe3O4。采用以下工艺流程可由黏土钒矿制备NH4VO3。

图2

回答下列问题：

(6)“沉钒”中析出NH4VO3晶体时，需要加入过量NH4Cl，其原因是_______________。

【分析】该结构不良问题属于原因分析类，主要考虑产物产率的提高(原理是同离子效应)。

【答案】利用同离子效应，促进NH4VO3尽可能析出完全

【例4】(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图3所示。

图3

(1)实验时需将茶叶研细，放入滤纸套筒1中，研细的目的是_______________。

(2)提取过程不可选用明火直接加热，原因是__________________________________。

【分析】该结构不良问题属于原因分析类，主要考虑反应速率和安全两个方面。

【答案】(1)增大接触面积，使提取更加充分

(2)乙醇易挥发，易燃

【解析】(1)萃取时将茶叶研细可以增加固液接触面积，从而使反应更充分；

(2)乙醇易挥发，易燃烧，为防止温度过高使挥发出的乙醇燃烧，提取过程中不可选用明火直接加热。

【例5】(2018·全国卷Ⅲ·27节选)KIO3是一种重要的无机化合物，可作为食盐中的补碘剂。回答下列问题：

(2)利用“KClO3氧化法”制备KIO3工艺流程如图4所示：

图4

③与“电解法”相比，“KClO3氧化法”的主要不足之处有________(写出一点)。

【分析】该结构不良问题主要基于环保等方面考虑对工艺进行评价。

【答案】会产生污染性的Cl2

【解析】KClO3氧化法的最大不足之处在于生产中会产生污染环境的Cl2。

化学试题中结构不良问题对教师的教学提出了更高的要求，教师在平时的教学中要结合具体元素化合物性质及反应原理和实际生产生活需求等，在课堂中不断渗透环保、安全、节约、高效、简便等意识，努力提升学生思考问题的精准性和有效性，在高效解答试题的同时，提升学生的综合素养。