化學實驗題的評析及實證

李玉炫

摘要：基于若干實驗試題存在缺乏科學性與實證性的問題，以通常條件下酸化的NO₃^-是否一定可以氧化強還原性離子Fe²⁺、I^-；Fe（OH）₂制備過程中白色沉淀迅速變灰綠色是否—定是因為被氧化成Fe（OH）₃； AICl₃溶液和MgCl₂溶液能否用氨水來進行區別三個典型案例做了系列實驗并進行了理論分析，發現這三個案例中大家普遍認為的結論與所做的實驗事實不符，存在認識的誤區，進而引導實驗命題必須關注科學性及實證性。

關鍵詞：實驗題；科學性；實證性；NO₃^-氧化性；Fe（OH）₂制備

文章編號：1005-6629（2016）2-0054-05

中圖分類號：G633.8

文獻標識碼：B

1 問題的提出

我國著名化學家傅鷹先生曾說過：“化學是實驗的科學，只有實驗才是最高的法庭。”然而實際上在許多實驗題的命制過程中，經常出現命題者閉門造車，僅憑經驗出題，從而出現不少科學性錯誤的情況。筆者在平時的教學中收集了一些題例，并進行了實驗及理論的論證，發現有許多實驗題違背科學性，望能與同行共同商榷。

2 實驗題缺乏科學性及實證性具體案例

2.1 NO₃^-在酸性條件下一定能氧化強還原性離子Fe²⁺、I^-嗎

普遍認為，通常條件下酸化的N03具有很強的氧化性。強還原性離子Fe²⁺、I^-與NO₃^-會因發生氧化還原反應而不能大量共存，因此從2010年至今許多高考試題中有了如下試題的命制。

至今很多化學教師都認為NO₃^-在酸性條件下與Fe²⁺、I^-不能常量或大量共存。事實是否如此呢？我們先看正確的NO₃^-檢驗方法：取少量待測樣品于試管中，加入新制的約2mL 1 mol·L^-1硫酸亞鐵銨溶液[稱取39.2g硫酸亞鐵銨（NH₄）₂Fe（SO₄）₂-8H20，溶于95mL水中，加入5mL 6mol·L^-1稀硫酸及2藥匙還原鐵粉，靜置30分鐘至用0.1 mol·L^-1KSCN溶液檢驗無Fe³⁺后備用]，充分振蕩后，沿試管內壁緩慢注入2mL 98%濃硫酸，濃硫酸與上述混合液會分層，若在交界面出現棕色環，說明有NO₃^-存在，若無棕色環，則無NO₃^-存在。

在做上述檢驗時，將NaNO₃^-溶液與酸性硫酸亞鐵（用上述新制硫酸亞鐵溶液）混合，用力振蕩，可并沒有出現黃色，將所得溶液分成兩等份，進行如下實驗（見表2）。

通過以上實驗說明：在上述酸性條件下稀的NO₃^-并不能氧化Fe²⁺，NO₃^-只有在濃硫酸（與混合液接觸會放熱，且有較高濃度的H⁺）存在下才能將Fe²⁺氧化，產生NO，并且NO與Fe²⁺結合產生棕色物質[Fe（NO）]²⁺。

同時在教學中還存在這樣一個誤區，即化合價越高，其氧化性越強，認為稀硝酸的氧化性要強于亞硝酸。事實并非如此。查閱資料有如下描用是相當復雜的，查閱資料，從反應機理上看，硝酸的氧化作用可以認為首先被還原成NO₂，但是因為NO₂的產量不多，它來不及逸出反應體系又被水反應或被進一步還原成NO或N₂、NH₄₊等。硝酸的氧化性與硝酸光化分解而來的NO₂催化作用有關，NO₂起著傳遞電子的作用。

硝酸通過NO₂獲得還原劑的電子，反應便被加速。

硝酸越濃，酸中溶有的NO₂越多，反應速度就越快。而在極稀的硝酸中，NO₂的量趨于零，所以反應速率極慢，也就檢驗不出有Fe³⁺。而發煙硝酸有很強的氧化性，就是因為在酸中溶解有很多的NO₂的緣故。為驗證這一解釋，再設計如下實驗：

將六組實驗的溶液均分為兩份，一份為對照，另一份同時放入80～90℃水浴中加熱10分鐘，六支試管的溶液除第一、第二組溶液基本不變外，其他四組均明顯變深，其中第六組加熱后變得最深（血紅色）。通過這些實驗現象表明，前面所述的動力學分析是有道理的。極稀的硝酸與Fe²⁺、I^-反應的速率極慢，可認為它們可以共存。因此表1的試題命制均存在缺乏實驗實證及科學性錯誤，在命制有關離子共存的試題時應當回避這類問題。

2.2 Fe（OH）₂白色沉淀迅速變灰綠色是因為被氧化成Fe（OH）₃嗎

有關Fe（OH）₂的制備，相信各位同行都非常熟悉，具體操作是：用長滴管吸取煮沸過的氫氧化鈉溶液并插入新制的硫酸亞鐵溶液的底部，小心注出氫氧化鈉溶液。endprint

出現的現象是：產生白色沉淀并迅速變灰綠色，最后變紅褐色。

現象解釋及結論：Fe（OH）₂是白色沉淀，但極易被氧氣氧化成Fe（OH）₃，所以迅速變灰綠最后變紅褐色。

事實上具體操作時很難看到“白色沉淀”這一現象，在分析這一原因時，很多老師認為是堿性條件下Fe（OH）₂被溶解氧或空氣中的氧氣氧化。于是就設計如何在隔絕空氣條件下制備白色Fe（OH）₂，甚至2003年全國統一高考的實驗題考查用Fe與稀H₂SO₄制FeSO₄和H₂，并利用H₂將裝置中的氧氣及溶液中的溶解氧驅除出去，再將新制的FeSO₄溶液壓入NaOH溶液中（如圖1）；此外還有油封法、電解法等等。筆者對這三種方法均實際操作過，效果最好的是電解法（如圖2）（a接電源正極，b接電源負極），但時間長了仍然出現灰綠色（理論上不應該出現，因為電解過程中還在不斷產生氫氣），而且學生提出這樣一個問題：未被氧化的白色氫氧化亞鐵與被氧化生成的紅褐色氫氧化鐵混合按配色原理無法出現灰綠色？

筆者發現產生的灰綠色沉淀是絮狀沉淀，由此提出設想：此灰綠色物質并不是Fe（OH）₃，而是生成的Fe（OH）₂絮狀沉淀，性質類似Fe（OH）₃、Al（OH）₃等金屬氫氧化物凝膠，膠粒直徑1～lOOnm之間，有較大的表面積，因此有較強的吸附作用，不同的膠體會選擇性地吸附溶液中的離子，大家知道，金屬氫氧化物膠粒帶正電，因此Fe（OH）₂膠體吸附了較多的亞鐵離子而呈灰綠色。若是如此，①膠體受熱時吸附能力會減弱，將已經變灰綠色的Fe（OH）₂膠體加熱應該會變白；②若減少帶淺綠色Fe²⁺的量，讓膠體無Fe²⁺可吸附，則制出的膠體應該是白色的，因此設計了以下兩個驗證實驗：

（1）取4mL 1 mol·L^-1新制的FeSO₄溶液于試管中，用長滴管吸取2mL 4 mol·L^-1NaOH溶液（煮沸過），插入試管底部，注入NaOH溶液，剛注入時觀察到白色沉淀，隨后立即變灰綠色沉淀，再將這試管放入50～60℃的水浴中，筆者驚奇地發現，灰綠色沉淀竟然變成了白色（實驗現象見圖3a、圖3b）。這應當是溫度升高，膠體吸附能力降低所致。

（2）取4mL濃的NaOH溶液于試管中（煮沸過），用長滴管吸取2mL新制的FeSO₄溶液，擂入試管底部，注入FeSO₄溶液（注意：不要注完，滴管上方的溶液與空氣接觸會有部分被氧化），筆者又發現得到的沉淀是白色且長時間不會變灰綠（見圖4a、圖4b）。說明Fe²⁺少量時，Fe（OH）₂膠體無Fe²⁺吸附，可長時間見到Fe（OH）₂沉淀的真面目。

上述兩個實驗證明，前面所提出的新制Fe（OH）₂呈灰綠色是因其是膠體吸附Fe²⁺的假設是正確的。因此只要反其道而行之，改變（將少量NaOH溶液擠入過量FeSO₄溶液中的）傳統的實驗操作方法，而把少量FeSO₄溶液擠入過量的NaOH溶液中，即實驗過程中FeSO₄溶液少量，NaOH溶液過量，便可輕而易舉地得到白色Fe（OH）₂沉淀。從而沒必要再命制有關如何改進方法制取Fe（OH）₂的有關試題了。

2.3 AlCl₃溶液和MgCl₂溶液不能用氨水來區別嗎

在大家的普遍意識里，由于氨水加入MgCl₂、AlCl₃這兩種溶液中均會出現白色沉淀，不能用氨水來鑒別兩種溶液，所以才有了如下試題的命制：

事實真的如此嗎？筆者設計實驗進行驗證。

取少量MgCl₂溶液、AlICl₃溶液（濃度均為0.1 mol·L^-1），當分別滴入少量稀氨水時，AlCl₃立即出現白色沉淀，而MgCl₂溶液加少量稀氨水并不產生沉淀，需加稀氨水至過量，使溶液pH達到8.87{可依K。。[Mg（OH）₂]來進行計算}以上方能出現沉淀。這說明AlCl₃、MgCl₂與氨水均能產生沉淀不是絕對的，實際上MgCl₂與NH₃·H₂O的反應存在一個平衡，在Mg（OH）₂沉淀中加入飽和NH₄Cl或CH₃COONH₄溶液，Mg（OH）₂沉淀會完全溶解。稀氨水是可以用來鑒別較稀的AlCl₃溶液和MgCl₂溶液的?？梢?，表6所列試題也存在科學性錯誤。

結語：從上述的三個實驗案例我們得到一個啟示，在命制中學化學實驗題時，應重視實驗的實證，尤其是教材之外的實驗，不能單純從理論推導、想象是什么樣的現象及結論就進行試題的命制，而應推導加實驗的實證后再進行命制。因此，作為命題者在命制實驗題時，應尊重科學、注重實證的研究，從而命制出高質量的試題，避免發生科學性錯誤而誤導學生。endprint