定量測(cè)定實(shí)驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)

文章編號(hào)：1005－6629(2007)09－0077－03 中圖分類號(hào)：G632.479 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

［問題的由來］

課本“化學(xué)實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)”要求學(xué)生學(xué)會(huì)“制備實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)”、“性質(zhì)實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)”和 “物質(zhì)檢驗(yàn)實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)”。對(duì)“物質(zhì)檢驗(yàn)實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)”，除要求結(jié)合“性質(zhì)實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)”定性檢驗(yàn)?zāi)撤N物質(zhì)的存在，還要求學(xué)會(huì)定量測(cè)定某種物質(zhì)的含量。對(duì)制備實(shí)驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)，還要求從反應(yīng)物的用量和生產(chǎn)物的產(chǎn)率等實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行定量分析。所以， 設(shè)計(jì)定量分析類型的探究實(shí)驗(yàn)試題，讓同學(xué)們進(jìn)行簡(jiǎn)單的定量分析實(shí)驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)，探討解決實(shí)驗(yàn)方案實(shí)施過程中遇到的若干問題，是達(dá)到《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)》提出的培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的有效途徑。

［問題］

某純堿樣品中只含有NaHCO3雜質(zhì)，興趣小組為了測(cè)定該樣品中Na2CO3的純度，設(shè)計(jì)了以下幾種實(shí)驗(yàn)方案：

方案Ⅰ．取一定質(zhì)量樣品配成溶液，滴加2滴酚酞，用cmol/LHCl溶液滴定至無色，用去HCl溶液的體積為V1mL；再滴加2滴甲基橙，繼續(xù)用cmol/LHCl溶液滴定至橙色，又用去HCl溶液的體積為V2mL。用c、V1、V2計(jì)算出Na2CO3的純度。

方案Ⅱ．稱取m1g樣品溶于水，滴加過量BaCl2溶液，將所得BaCO3沉淀經(jīng)洗滌、干燥后稱得其質(zhì)量為m2g，用m1、m2計(jì)算出Na2CO3的純度。

方案Ⅲ ．稱取mg樣品與足量稀H2SO4反應(yīng)，用排飽和碳酸氫鈉溶液的方法測(cè)得生成CO2的體積為VL（已折算成標(biāo)準(zhǔn)狀況），用m、V計(jì)算出Na2CO3的純度。

方案Ⅳ．稱取m1g樣品與足量稀H2SO4溶液反應(yīng)，將生成的氣體用堿石灰吸收，稱量，測(cè)得生成CO2的質(zhì)量為m2g，用m1、m2計(jì)算出Na2CO3的純度。

回答下列問題：

（1）方案Ⅰ中依次發(fā)生反應(yīng)的離子方程式是

____________、____________。

（2）方案Ⅱ中，怎樣檢驗(yàn)加入的BaCl2溶液是否過量，請(qǐng)簡(jiǎn)述操作方法____________。

（3）方案Ⅲ和Ⅳ中都有CO2生成，不需要干燥就可測(cè)定CO2體積或質(zhì)量的是方案_____（填序號(hào)）；若生成的CO2部分殘留在反應(yīng)容器中，會(huì)使實(shí)驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生誤差的是方案____（填序號(hào)），此誤差會(huì)使測(cè)得的Na2CO3的純度_____（填“偏大”或“偏小” ）。

（4）不用任何化學(xué)試劑（除樣品外），請(qǐng)你再設(shè)計(jì)一個(gè)實(shí)驗(yàn)方案，測(cè)定該純堿樣品中Na2CO3的純度：___________________________________。

［問題解析］

Na2CO3中混有NaHCO3、Na2CO3 中混有NaOH、Na2CO3中混有NaCl、Na2SO3中混有Na2SO4、Na2O中混有Na2O2……，測(cè)定這些混合物中某種成分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，是定量測(cè)定實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)的常見問題。解決這類問題，有若干種豐富多彩的實(shí)驗(yàn)方案，其基本原理都是：通過一定的化學(xué)反應(yīng)過程，測(cè)出反應(yīng)前后可確定的兩種準(zhǔn)確數(shù)值，列式求解。

對(duì)實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)的基本要求是：①弄清反應(yīng)原理，選擇合適的化學(xué)反應(yīng)；②保證反應(yīng)完全，產(chǎn)物的量能夠準(zhǔn)確測(cè)定；③排除干擾，減小誤差，測(cè)定值必須精確；④操作簡(jiǎn)便，實(shí)際可行。

本題的設(shè)計(jì)，選擇了幾種具有代表性的實(shí)驗(yàn)方案，通過分析、比較，解決定量測(cè)定實(shí)驗(yàn)中若干問題，體現(xiàn)了以上基本原理和基本要求。

對(duì)于問題（1），必須明確Na2CO3和NaHCO3混合物中滴加鹽酸，反應(yīng)是分步進(jìn)行的。酚酞的變色范圍是pH8~10，可指示Na2CO3與鹽酸反應(yīng)生成NaHCO3的終點(diǎn)；甲基橙的變色范圍是pH3.1~4.4，可指示NaHCO3與鹽酸反應(yīng)生成CO2的終點(diǎn)；所以，方案Ⅰ中依次發(fā)生反應(yīng)的離子方程式為：CO +H+

HCO，HCO +H+ H2O+CO2↑

對(duì)于問題（2），檢驗(yàn)實(shí)驗(yàn)Ⅱ中所加BaCl2溶液是否過量，通常的方法是靜置，取上層清液少量，檢驗(yàn)其中是否含有Cl-或Ba2+，但對(duì)于定量測(cè)定，此種方法就會(huì)因溶液的取出，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)生偏差。所以，正確的操作方法是：靜置，向上層清液中再滴加BaCl2溶液，若無白色沉淀，證明BaCl2已過量，若有白色沉淀，證明BaCl2未過量。

對(duì)于問題（3），因?qū)嶒?yàn)Ⅲ是通過排“水”法測(cè)定CO2的體積的，所以CO2無需干燥。又因?yàn)樯傻腃O2替換了原有的空氣，因此殘留的CO2不影響CO2體積的測(cè)定。實(shí)驗(yàn)Ⅳ是通過堿石灰的增重來測(cè)定CO2的質(zhì)量的，而H2O蒸汽也能被堿石灰吸收，因此CO2必須經(jīng)過干燥后再通人堿石灰。若反應(yīng)后反應(yīng)容器中仍殘留CO2，測(cè)得的CO2質(zhì)量將偏小，而對(duì)于等質(zhì)量的Na2CO3和 NaHCO3與鹽酸完全反應(yīng)，Na2CO3生成的CO2的質(zhì)量較小，因此，測(cè)得的CO2質(zhì)量偏小將導(dǎo)致計(jì)算出的Na2CO3的質(zhì)量分?jǐn)?shù)偏大。

對(duì)于問題（4），若不限制“不用任何化學(xué)試劑”這個(gè)條件，仍可設(shè)計(jì)出幾種實(shí)驗(yàn)方案，開放性加大。限制此條件可降低難度，且培養(yǎng)“收斂思維”，同學(xué)們不難想到此方案是：稱取m1g樣品放在坩堝里充分灼燒，冷卻后再稱量殘留固體的質(zhì)量為m2g， 用m1、m2計(jì)算出Na2CO3的純度。

［問題拓展］

某實(shí)驗(yàn)小組的同學(xué)為探究過氧化鈉與二氧化硫的反應(yīng)， 向盛有一定量Na2O2粉末并連有尾氣吸收裝置的玻璃管中，緩緩?fù)ㄈ胱懔康腟O2氣體， 使Na2O2充分反應(yīng)。

回答下列問題：

（1）若要驗(yàn)證該產(chǎn)物中是否存在亞硫酸鈉，你設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)方案是：___________。

（2）若要進(jìn)一步驗(yàn)證該產(chǎn)物中是否存在硫酸鈉，請(qǐng)你簡(jiǎn)述檢驗(yàn)該物質(zhì)的操作方法：_________。

（3）若實(shí)驗(yàn)前測(cè)得Na2O2的質(zhì)量為m1g，實(shí)驗(yàn)后冷卻至室溫，測(cè)得固體的質(zhì)量為m2g，請(qǐng)你從定量測(cè)定的角度分析，當(dāng)兩種產(chǎn)物都有，m2的取值范圍是（用m1來表示）___________。該試樣中亞硫酸鈉的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的計(jì)算式為（用m1、m2來表示）_________________________________。

(4）若稱取mg上述反應(yīng)后的固體，請(qǐng)你測(cè)定該試樣中亞硫酸鈉的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。請(qǐng)簡(jiǎn)述一種實(shí)驗(yàn)方法__________________________________________。

［本題的實(shí)驗(yàn)原理與“問題”相同，但采用了實(shí)驗(yàn)基本操作與實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)相結(jié)合、“定性”與“定量”相結(jié)合、“選擇性”與“開放性”相結(jié)合的命題方法，可進(jìn)一步考查學(xué)生的動(dòng)手能力、探究能力、數(shù)據(jù)處理能力和創(chuàng)新思維能力。］

［拓展題解答］

（1）取少量反應(yīng)后的固體溶于水，加入足量的鹽酸，再滴入品紅溶液，若紅色褪去，加熱后又變紅色，則證明生成了Na2SO3。

（2）取少量反應(yīng)后的固體溶于水，加入鹽酸至溶液呈強(qiáng)酸性，再滴入BaCl2溶液，若產(chǎn)生白色沉淀，則證明生成了Na2SO4，若不產(chǎn)生白色沉淀，則證明未生成Na2SO4。

（3) m1

（4）將m1g樣品溶于水， 滴加足量BaCl2溶液至沉淀完全， 過濾、洗滌、干燥、 稱重得固體m2g， 用m1和m2計(jì)算亞硫酸鈉的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

將m1g樣品溶于水， 加入過量鹽酸，再滴加足量BaCl2溶液至沉淀完全， 過濾、洗滌、干燥、 稱重得固體m2g， 用m1和m2計(jì)算亞硫酸鈉的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

將m1g樣品溶于水， 加入過量的鹽酸， 充分反應(yīng)后蒸干溶液， 冷卻后稱量固體的質(zhì)量為m2g， 用m1和m2計(jì)算亞硫酸鈉的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

向m1g樣品中加入足量鹽酸或硫酸， 測(cè)量出所生成的SO2體積VmL，由V換算出Na2SO3的質(zhì)量， 進(jìn)而計(jì)算亞硫酸鈉的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

向m1g樣品中加入足量鹽酸或硫酸， 用NaOH溶液或堿石灰吸收生成的SO2并稱出其質(zhì)量為m2g， 用m1和m2計(jì)算亞硫酸鈉的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

［使用記錄］

本人曾以《定量測(cè)定實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)》作為江蘇省第六期重點(diǎn)課題《高中化學(xué)教學(xué)中學(xué)生思維梯度搭建的橋梁方法研究》的子課題，用于我校2005屆高三（1）班研究性學(xué)習(xí)的教學(xué)，取得了良好的效果。本人撰寫的論文《“化學(xué)實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)”探究性教學(xué)案例一則》于2005年5月發(fā)表在《中學(xué)化學(xué)教學(xué)參考》雜志上。

本試題已用于南京市07年2月高三期末測(cè)試卷，未發(fā)表。

［教育價(jià)值］

“化學(xué)實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)”這一教學(xué)內(nèi)容， 是培養(yǎng)學(xué)生探究能力、創(chuàng)新能力的寶貴資源， 充分利用和挖掘這一資源， 設(shè)計(jì)新穎有效的試題，對(duì)實(shí)施優(yōu)質(zhì)探究性教學(xué)過程， 提高學(xué)生綜合素質(zhì)和科學(xué)素養(yǎng)效果顯著。 本試題中實(shí)驗(yàn)探究的命題雖小，但內(nèi)涵十分豐富，從一種方案跨越到另一種方案，從若干主干問題中又產(chǎn)生出若干子問題，諸如怎樣檢驗(yàn)所加物質(zhì)是否過量，又不影響結(jié)果測(cè)定？如何檢驗(yàn)固體已洗滌干凈？怎樣測(cè)量能溶于水的氣體的體積？怎樣排除干擾，測(cè)準(zhǔn)產(chǎn)生氣體的質(zhì)量？使CO 沉淀，為什么選用BaCl2比選用CaCl2更好？怎樣處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，計(jì)算實(shí)驗(yàn)結(jié)果？等等。經(jīng)緯交織，層層遞進(jìn)，通過逐一發(fā)現(xiàn)問題，解決問題的過程，提高了學(xué)生探究能力和創(chuàng)新能力。

參考文獻(xiàn)：

[1]林尤宏.“化學(xué)實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)”.探究性教學(xué)案例一則[J]. 中學(xué)化學(xué)教學(xué)參考 2005.(5):32~34.

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