湖北 寧 鵬

以元素化合物性質為載體的探究性實驗題的解答策略

探究性實驗題是近年來高考命題的熱點題型，其中以化學實驗為基礎，以元素化合物性質為載體，考查實驗方案的設計和評價是其命題的重點和落腳點。探究性實驗題設置的情境新穎、取材廣泛、考查靈活，具有探究性、開放性及靈活性等特點，此類題能很好地考查學生分析問題、解決問題和創新思維的能力，在高考中具有很好的選拔功能，同時，這樣的探究性實驗題也是學生感到最為棘手和最難得分的大題之一。本文對探究性實驗題型的解答策略進行梳理，并結合考綱，以近幾年的有關高考題為例具體分析，希望在高考復習備考中，能幫助考生將元素化合物性質和探究性實驗有機結合起來，提高考生的分析能力、設計能力和實驗探究能力，突破高考化學探究性實驗題。

題型一：物質性質驗證類探究性實驗題的實驗方案設計

此類題一般的解答策略為：分析物質的結構→推測可能具有的性質→推測可能發生的化學反應→設計實驗方案(方法、步驟、藥品的選擇、儀器的選擇和連接、現象、分析、結論)→實施實驗→分析得出結論。此類題型主要有兩種：一種是條件限制型的，即對實驗裝置、實驗試劑、檢驗方法做了限定，應根據命題人的思路進行探究并作答。作為應試題目，限制型的題目是考查的重點；另一種是開放型的，能達到驗證目的的實驗方案均可。解決限制型的試題首先要根據題設條件綜合分析實驗的目的和原理，弄清解題思路，再具體作答，切忌自己主觀臆斷。其次要注意驗證某性質一般應通過某個具體化學反應的實驗現象來達到驗證目的，因此做這類題目時要排除其他干擾因素對驗證的影響。

【例1】(2015新課標Ⅰ，26)草酸(乙二酸)存在于自然界的植物中，其K1=5.4×10-2，K2=5.4×10-5。草酸的鈉鹽和鉀鹽易溶于水，而其鈣鹽難溶于水。草酸晶體(H2C2O4·2H2O)無色，熔點為101℃，易溶于水，受熱脫水、升華，170℃以上分解。回答下列問題：

(1)甲組同學按照如圖所示的裝置，通過實驗檢驗草酸晶體的分解產物。裝置C中可觀察到的現象是________________，由此可知草酸晶體分解的產物中有___________ 。裝置B的主要作用是___________。

(2)乙組同學認為草酸晶體分解的產物中含有CO，為進行驗證，選用甲組實驗中的裝置A、B和下圖所示的部分裝置(可以重復選用)進行實驗。

①乙組同學的實驗裝置中，依次連接的合理順序為A、B、___________ 。裝置H反應管中盛有的物質是___________ 。

②能證明草酸晶體分解產物中有CO的現象是___________。

(3)設計實驗證明：

①草酸的酸性比碳酸的強___________ 。

②草酸為二元酸___________ 。

【解析】(1)結合題中信息“草酸晶體受熱脫水、升華，170℃以上分解”，再根據實驗裝置圖和氧化還原反應有關知識可推知，草酸晶體受熱分解產物為CO2、CO、H2O； 草酸的鈉鹽和鉀鹽易溶于水，而其鈣鹽難溶于水，草酸易揮發，導致生成的氣體中含有草酸，草酸和氫氧化鈣反應生成難溶性的草酸鈣而干擾二氧化碳的檢驗，B裝置溫度較低，有冷凝作用，防止干擾二氧化碳的檢驗。(2)由裝置A、B出來的氣體含有CO2、CO，容易想到用灼熱CuO(或Fe2O3)來氧化CO，進而檢驗其產物CO2，但要注意到原產物中有CO2，故要設計除去CO2和驗證CO2除盡的環節。最終確認連接順序F(除CO2)、D(驗證CO2被除盡)、G(干燥)、H(氧化CO)、D(通過驗證CO2來證明CO的存在)、I(尾氣處理，CO有毒)；H中要裝CuO(或Fe2O3)。(3)①利用強酸制取弱酸原理進行驗證。 ②利用NaOH標準溶液滴定草酸溶液進行驗證。

【答案】(1)有氣泡逸出，澄清石灰水變渾濁 CO2冷凝(水蒸氣、草酸等)，避免草酸進入裝置C反應生成沉淀，干擾CO2的檢驗 (2)①F、D、G、H、D、I CuO(或Fe2O3) ②H中的黑色粉末變為紅色(或紅棕色粉末變為黑色)，其后的D中澄清的石灰水變渾濁 (3)①向盛有少量NaHCO3溶液的試管中滴加草酸溶液，有氣泡產生 ②用氫氧化鈉標準溶液滴定草酸溶液，消耗氫氧化鈉的物質的量是草酸的兩倍

【點評】本題以草酸的性質為載體考查CO、CO2的性質驗證、氧化還原反應、化學實驗基本知識和化學實驗方案設計，難度中等。考查與考綱中“了解常用儀器的用途和使用方法，能對常見物質進行檢驗，根據試題要求設計實驗方案”的要求是吻合的。

題型二：物質性質探究類實驗題的實驗方案設計和評價

此類題一般的解答策略為：根據物質的性質→提出問題和猜想→推測可能發生的化學反應→設計實驗方案(方法、步驟、藥品的選擇、儀器的選擇和連接、現象、分析、結論)→觀察分析實驗現象→得出結論。在探究過程中往往利用對比實驗進行對照和比較，從而探究和揭示某種規律，解釋某種現象形成的原因或證明某種反應機理。在進行實驗評價時，一定要注意思維的嚴密性，實驗設計中，關鍵點是對試劑的選擇和實驗條件的調控。

【例2】(2013四川，9)為了探究AgNO3的氧化性和熱穩定性，某化學興趣小組設計了如下實驗。

Ⅰ．AgNO3的氧化性

將光亮的鐵絲伸入AgNO3溶液中，一段時間后將鐵絲取出。為檢驗溶液中Fe的氧化產物，將溶液中的Ag+除盡后，進行了如下實驗。可選用的試劑：KSCN溶液、K3[Fe(CN)6]溶液、氯水。

(1)請完成下表：

操作現象結論取少量除盡Ag+后的溶液于試管中,加入KSCN溶液,振蕩① 存在Fe3+取少量除盡Ag+后的溶液于試管中,加入② ,振蕩③ 存在Fe2+

【實驗結論】Fe的氧化產物為Fe2+和Fe3+

Ⅱ．AgNO3的熱穩定性

用下圖所示的實驗裝置A加熱AgNO3固體，產生紅棕色氣體，在裝置D中收集到無色氣體。當反應結束后，試管中殘留固體為黑色。

(2)裝置B的作用是___________。

(3)經小組討論并驗證該無色氣體為O2，其驗證方法是___________。

(4)【查閱資料】Ag2O和粉末狀的Ag均為黑色；Ag2O可溶于氨水。

【提出假設】試管中殘留的黑色固體可能是：ⅰ．Ag；ⅱ．Ag2O；ⅲ．Ag和Ag2O

【實驗驗證】該小組為驗證上述設想，分別取少量黑色固體放入試管中，進行了如下實驗。

實驗編號操作現象a加入足量氨水,振蕩黑色固體不溶解b加入足量稀硝酸,振蕩黑色固體溶解,并有氣體產生

【實驗評價】根據上述實驗，不能確定固體產物成分的實驗是___________ (填實驗編號)。

【實驗結論】根據上述實驗結果，該小組得出的AgNO3固體熱分解的產物有___________ 。

【解析】Ⅰ．(1)略。Ⅱ．(2)略。(3)略。(4)已知條件中Ag2O可溶于氨水，因此實驗a加入足量氨水，黑色固體不溶解，說明黑色固體為Ag單質；而實驗b中加入足量稀硝酸，由于兩種固體均能夠溶于稀硝酸，因此固體溶解并產生氣體的現象只能說明含有Ag單質，但不能確定是否含有Ag2O，因此不能確定固體成分的實驗是b。由上述幾種實驗結果分析可得硝酸銀受熱分解的產物為Ag、NO2、O2。

【答案】 (1)①溶液呈紅色 ②K3[Fe(CN)6]溶液 ③產生藍色沉淀 (2)防倒吸 (3)用帶火星的木條伸入集氣瓶內，木條復燃，證明無色氣體為O2(4)① b ②Ag、NO2、O2

【點評】考綱中要求“掌握化學實驗的基本操作，了解實驗室一般事故的預防和處理方法；能對常見的物質進行檢驗；能根據實驗試題要求，設計、評價實驗方案，分析得出合理結論”，本題以AgNO3的氧化性和熱穩定性為載體考查了Fe3+和Fe2+的檢驗、Ag和Ag2O的性質、裝置的作用、實驗操作等知識，意在考查考生的化學實驗基本操作能力、實驗方案設計能力、提取信息分析問題和解決問題的能力，難度中等。

題型三：物質制備探究類實驗題的實驗方案設計、評價和改進

物質制備探究類實驗，從左到右，一般會出現下列幾部分裝置：氣體(物質)制備裝置→除雜凈化裝置→干燥裝置→收集或性質實驗裝置→吸收或尾氣處理裝置。遇到具體實驗問題時，只要對照上述裝置路線進行適當的取舍，即可達到目的。制備實驗中實驗裝置除了上面這幾部分基本裝置外，為了使實驗更加科學、合理、完美，經常出現改進、優化類裝置，如防倒吸裝置、平衡壓強裝置、不同氣體充分混合裝置、冷凝回流裝置等。當題中給出裝置時，可以對照上述順序把整套裝置劃分為幾個模塊，便于理清思路。當需要自己設計制備裝置時，可以把它作為路線圖，便于設計最佳的制備方案。最后結合物質制備原理和有關元素化合物知識進行解答即可。

【例3】(2014四川，9)硫代硫酸鈉是一種重要的化工產品。某興趣小組擬制備硫代硫酸鈉晶體(Na2S2O3·5H2O)。

Ⅰ．[查閱資料]

(1)Na2S2O3·5H2O是無色透明晶體，易溶于水，其稀溶液與BaCl2溶液混合無沉淀生成。

(2)向Na2CO3和Na2S混合溶液中通入SO2可制得Na2S2O3，所得產品常含有少量Na2SO3和Na2SO4。

(3)Na2SO3易被氧化；BaSO3難溶于水，可溶于稀HCl。

Ⅱ．[制備產品]

實驗裝置如圖所示(省略夾持裝置)：

實驗步驟：

(1)檢查裝置氣密性，按圖示加入試劑。儀器a的名稱是___________ ；E中的試劑是___________ (選填下列字母編號)。

A.稀H2SO4B．NaOH溶液 C．飽和NaHSO3溶液

(2)先向C中燒瓶加入Na2S和Na2CO3混合溶液，再向A中燒瓶滴加濃H2SO4。

(3)待Na2S和Na2CO3完全消耗后，結束反應。過濾C中混合物，濾液經___________ (填寫操作名稱)、結晶、過濾、洗滌、干燥、得到產品。

Ⅲ．[探究與反思]

(1)為驗證產品中含有Na2SO3和Na2SO4，該小組設計了以下實驗方案，請將方案補充完整。(所需試劑從稀HNO3、稀H2SO4、稀HCl、蒸餾水中選擇)

取適量產品配成稀溶液，滴加足量BaCl2溶液，有白色沉淀生成，___________ ，若沉淀未完全溶解，并有刺激性氣味的氣體產生，則可確定產品中含有Na2SO3和Na2SO4。

(2)為減少裝置C中生成的Na2SO4的量，在不改變原有裝置的基礎上對實驗步驟(2)進行了改進，改進后的操作是___________ 。

(3)Na2S2O3·5H2O的溶解度隨溫度升高顯著增大，所得產品通過___________ 方法提純。

【解析】Ⅱ．略。Ⅲ．(1)由Ⅰ中的資料知生成的白色沉淀為BaSO3和BaSO4，BaSO4難溶于稀HCl，BaSO3可溶于稀HCl。(2)由于亞硫酸鹽易被氧化，故裝置中的O2能氧化Na2SO3，為減少C中生成Na2SO4的量，應先將裝置中空氣排盡，可先用A裝置中生成的SO2將裝置中空氣排盡。(3)略。

【答案】 Ⅱ．(1)分液漏斗 B (3)蒸發

Ⅲ． (1)過濾，用蒸餾水洗滌沉淀，向沉淀中加入足量稀HCl (2)先向A中燒瓶滴加濃硫酸，產生的氣體將裝置中空氣排盡后，再向C中燒瓶加入Na2S和Na2CO3混合溶液 (3)重結晶

【點評】本題以制備硫代硫酸鈉晶體為載體考查了物質的制備、化學實驗基本操作、物質的檢驗和提純、實驗方案設計和改進，均為考綱所要求的。考查了學生應用元素化合物知識分析問題和解決問題的能力，特別考查了學生科學、規范的語言表達能力，難度中等。

題型四：化學反應原理探究類實驗題的實驗方案設計和評價

化學反應原理探究類實驗題是對未知的化學規律或實驗發生的反應原理進行探究。試題一般會以化學反應裝置圖、圖表或對照實驗等形式，提供實驗探究的過程及結果，讓考生結合實驗的過程分析實驗發生的原因。這類問題常以基本的化學反應原理(如氧化還原反應、化學反應速率及化學平衡問題)作為切入點進行情境設計，常用變量法、規律法探究。其中，有關方案的設計要保證：首先，原理要具有科學性，不能憑空捏造；其次，要有對照性，考慮到各種因素可能對實驗有影響所以要控制變量，只能有一個因素是變量，其余幾個是一樣的；最后，實驗裝置要簡易，操作必須安全可行，效果要明顯。解答時注意根據元素化合物的反應原理和反應現象做出正確判斷和解答。

【例4】(2015福建，25節選)某化學興趣小組制取氯酸鉀和氯水并進行有關探究實驗。

實驗一 制取氯酸鉀和氯水

利用如圖所示的實驗裝置進行實驗。

(1)制取實驗結束后，取出B中試管冷卻結晶、過濾、洗滌。該實驗操作過程需要的玻璃儀器有___________ 。

(2)若對調B和C裝置的位置，___________ (填“能”或 “不能”)提高B中氯酸鉀的產率。

實驗二 氯酸鉀與碘化鉀反應的探究

(3)在不同條件下KClO3可將KI氧化為I2或KIO3。該小組設計了系列實驗研究反應條件對反應產物的影響，其中系列a實驗的記錄表如下(實驗在室溫下進行)：

試管編號12340.20mol·L-1KI/mL1.01.01.01.0KClO3(s)/g0.100.100.100.106.0mol·L-1H2SO4/mL03.06.09.0蒸餾水/mL9.06.03.00實驗現象

①系列a實驗的實驗目的是___________。

②設計1號試管實驗的作用是___________。

③若2號試管實驗現象為“黃色溶液”，取少量該溶液加入淀粉溶液顯藍色；假設氧化產物唯一，還原產物為KCl，則此反應的離子方程式為___________。

【解析】(1)略。(2)Cl2在水中的溶解度不大，對調B和C，可以除去Cl2中的HCl。(3)①根據表格數據可知，KI、KClO3的物質的量不變，改變的只有硫酸的體積和水的多少，二者的體積和相等，可見研究的目的就是研究反應體系中硫酸濃度對反應產物的影響；②設計1號試管實驗的作用是硫酸溶液沒有加入，濃度是0，對照實驗，比較影響。③由題意知反應生成了I2和KCl，根據氧化還原反應中電子守恒、電荷守恒及原子守恒，可得該反應的離子方程式。

【點評】本題以制取氯酸鉀和氯水為載體考查了儀器的選擇、化學實驗基本操作、實驗方案設計、評價和化學反應原理的探究，是對考綱中“化學實驗基礎知識與技能的綜合應用”的考查，難度較大。

題型五：猜想判斷類探究實驗題的實驗方案設計和評價

這類題一般由兩部分組成，一部分是提出若干假設(猜想部分)，另一部分是對其中的某種假設做出驗證(實驗設計部分)。這類題集基本儀器的使用、物質的檢驗、實驗設計等于一身，綜合考查考生的實驗能力。解決這類問題需要明確科學探究的一般步驟：主要有“提出問題→猜想假設→科學探究→得出結論”4個步驟，一般情況下提出問題主要由試題本身在題干中提出，而“猜想假設→科學探究→得出結論”3個步驟是學生作答的關鍵所在。

【例5】(2015安徽，28)某研究小組將純凈的SO2氣體通入0.1 mol·L-1的Ba(NO3)2溶液中，得到了BaSO4沉淀，為探究上述溶液中何種微粒能氧化通入的SO2，該小組提出了如下假設：

假設二：溶液中溶解的O2

(1)驗證假設一

該小組設計實驗驗證了假設一，請在下表空白處填寫相關實驗現象。

實驗步驟實驗現象結論實驗1:在盛有不含O2的25mL0.1mol·L-1BaCl2溶液的燒杯中,緩慢通入純凈的SO2氣體 實驗2:在盛有不含O2的25mL0.1mol·L-1Ba(NO3)2溶液的燒杯中,緩慢通入純凈的SO2氣體 假設一成立

(2)為深入研究該反應，該小組還測得上述兩個實驗中溶液pH隨通入SO2體積的變化曲線如下圖。

實驗1中溶液pH變小的原因是________________；V1時，實驗2中溶液pH小于實驗1的原因是________(用離子方程式表示)。

(3)驗證假設二

請設計實驗驗證假設二，寫出實驗步驟、預期現象和結論。

實驗步驟、預期現象和結論(不要求寫具體操作過程)

(4)若假設二成立，請預測：在相同條件下，分別用足量的O2和KNO3氧化相同的H2SO3溶液(溶液體積變化忽略不計)，充分反應后兩溶液的pH前者___________ (填“大于”或“小于”)后者，理由是___________。

【點評】本題以一定條件下SO2與BaCl2的反應為載體，利用氧化還原反應原理考查探究性實驗，考查考生綜合運用所學知識分析問題的能力以及實驗設計能力，也是對考綱中“化學實驗基礎知識與技能的綜合應用”的考查，屬于開放性、綜合性很強的探究性實驗題，要求考生具有規范的語言表達能力，難度很大。

題型六：定量分析探究類實驗題的實驗方案設計和評價

定量分析探究類的核心是“定量”，因而實驗的設計應圍繞定什么量、如何定量、如何精確定量等一系列問題設計簡單定量實驗方案。高中定量實驗一般有滴定法、沉淀法、測氣體體積或質量法等。其中滴定法是高考考查的重點，即利用滴定原理，通過酸堿中和滴定、沉淀滴定或和氧化還原反應滴定等獲得相應數據后再進行相關計算。定量探究實驗的關鍵是對數據的分析和篩選處理。

【例6】(2014新課標Ⅱ，28節選)某小組以COCl2·6H2O、NH4Cl、H2O2、濃氨水為原料，在活性炭催化下，合成了橙黃色晶體X。為確定其組成，進行如下實驗。

①氨的測定：精確稱取wg X，加適量水溶解，注入如圖所示的三頸瓶中，然后逐滴加入足量10% NaOH溶液，通入水蒸氣，將樣品液中的氨全部蒸出，用V1mLc1mol·L-1的鹽酸標準溶液吸收。蒸氨結束后取下接收瓶，用c2mol·L-1NaOH標準溶液滴定過剩的HCl，到終點時消耗V2mL NaOH溶液。