定量實驗問題的解答策略探析

江蘇 陳 穎 李萬春

定量實驗問題的解答策略探析

在近年來的高考中，定量實驗一直是考查的熱點。這類試題的特點是閱讀量大，信息多，密切聯(lián)系生產(chǎn)生活實際，學生很難把要考查的問題與所學習過的相關的化學知識聯(lián)系起來，感到難以下手。下面就解答這類試題所需的知識要點和解題策略略加分析，期望對讀者有所幫助。

一、實驗數(shù)據(jù)的測定方法

1．沉淀法

先將某種成分轉(zhuǎn)化為沉淀，然后稱量純凈、干燥的沉淀的質(zhì)量，再進行相關計算。

2．測氣體體積法

對于產(chǎn)生氣體的反應，可以通過測定氣體體積的方法測定樣品純度。

3．測氣體質(zhì)量法

將生成的氣體通入足量的吸收劑中，通過稱量實驗前后吸收劑的質(zhì)量，求得所吸收氣體的質(zhì)量，然后進行相關計算。

4．滴定法

即利用滴定操作原理，通過酸堿中和滴定、沉淀滴定或氧化還原反應滴定等獲得相應數(shù)據(jù)后再進行相關計算。

二、分析問題的思維模型

定量實驗要計算的內(nèi)容主要有：(1)產(chǎn)品的產(chǎn)率或物質(zhì)中某組分的質(zhì)量分數(shù)；(2)利用滴定原理進行物質(zhì)的量濃度、物質(zhì)的量和質(zhì)量的計算；(3)物質(zhì)的化學式、相對分子(或原子)質(zhì)量、中和熱等。

還有一些制備實驗，目標產(chǎn)物易水解或易潮解，我們就要在目標產(chǎn)物制備裝置的左側(cè)和右側(cè)設置防止水蒸氣進入的裝置(如裝有堿石灰的干燥管等)。

三、題型示例

無水AlCl3在183 ℃時升華，遇潮濕空氣產(chǎn)生大量白霧，某科研小組利用下圖裝置制取純凈的無水AlCl3。

(1)試分析各裝置中的試劑及其作用。

(2)指出該套裝置在設計上的一處缺陷。

本題是一道典型的有氣體參與的制備實驗，利用本文講解的方法分析如下：

【模塊思維】加熱條件下用濃鹽酸和二氧化錳反應制得的氯氣中含有水蒸氣和氯化氫，所以要設置除去氯化氫的除雜裝置和干燥裝置，然后將所得純凈氯氣與鋁粉在加熱條件下反應制取目標產(chǎn)物，由于AlCl3易升華，故需要設計收集裝置，又由于AlCl3遇水蒸氣易水解，故收集裝置右側(cè)應有吸收水蒸氣的裝置，氯氣有毒，最后還要有尾氣處理裝置。

【模塊裝置】利用上述模塊化思維分析，不難得出本實驗所涉及的裝置為：制取氯氣裝置→除氯化氫裝置→干燥裝置→制取氯化鋁的裝置→收集裝置→防干擾裝置(防止水蒸氣進入制取氯化鋁的裝置)→尾氣處理裝置。

【試題答案】(1)A：濃鹽酸和二氧化錳；制取氯氣。B：飽和食鹽水；吸收氯化氫。C：濃硫酸；吸收水蒸氣。D：鋁粉；與氯氣反應制取氯化鋁。E：收集氯化鋁。F：濃硫酸；防止水蒸氣進入裝置E中。G：NaOH溶液；吸收氯氣，防止污染。

定量實驗的內(nèi)容包括：實驗原理、儀器和試劑、實驗操作步驟及注意事項、有關計算和誤差分析等。

定量實驗問題都有一個需要測量的量(可稱之為目的量)，但是目的量通常是無法直接測量出來的，而是通過另外的可以測量出來的量(可稱之為可測量)計算而求得。因此，我們可以對定量實驗進行建模分析：

目的量化學反應原理化學計算可測量

目的量的出現(xiàn)沒有一定的規(guī)律，它可以是相對原子質(zhì)量、相對分子質(zhì)量，也可以是質(zhì)量分數(shù)、結(jié)晶水合物中水的分子數(shù)，還可以是分子組成等，這主要取決于題目的背景和命題人的意愿。盡管如此，但是在具體的定量實驗題里，目的量是明確的，不難把握。可測量是解題的核心，它可決定化學實驗所需要的儀器和裝置，決定實驗步驟的先后次序，決定測量結(jié)果的讀取與記錄，決定誤差存在的可能性，決定實驗過程中需要注意的有關事項等。在中學化學中，可測量通常是固體物質(zhì)的質(zhì)量、氣體的體積和消耗溶液的體積三種。所以一旦明確了何為可測量，圍繞可測量分析設計實驗，進行有關計算，問題就能迎刃而解。

三、解決問題的基本方法

為了說明問題，下面我們緊扣上述模型，具體舉例，分析解答定量實驗題的基本方法。

1.物質(zhì)質(zhì)量測定法

這類問題的可測量是反應生成的沉淀或氣體的質(zhì)量，可根據(jù)化學反應原理或守恒原理確定目的量。

例1下列實驗步驟是興趣小組對某礦物樣品含量的測定，樣品成分為FeO、FeS2、SiO2、及其他雜質(zhì)，雜質(zhì)不與酸堿反應，受熱穩(wěn)定。(步驟中所加試劑均為足量)

①稱量mg樣品在硬質(zhì)玻璃管中灼燒，簡化實驗裝置如下：

②D瓶溶液H2O2溶液BaCl2溶液連續(xù)操作1固體(ag)

③

C中

固體稀硫酸→濾渣(bg)

→濾液H2O2溶液NaOH溶液濾渣連續(xù)操作2紅棕色

固體(cg)

(1)A瓶內(nèi)所盛試劑是________溶液。

(2)若步驟②中不加入雙氧水，則對測定硫元素含量的影響是________(填“偏高”“偏低”或“無影響”) 。

(3)從步驟③的bg濾渣入手，可測定SiO2的含量，下面各組試劑中不適合測定的是________。

A.NaOH溶液、稀硫酸

B.Ba(OH)2溶液、鹽酸

C.氨水、稀硫酸

D.NaOH溶液、鹽酸

(4)求樣品中FeO的質(zhì)量分數(shù)(列出算式即可)：________________ 。

解析：樣品灼燒時生成SO2，SO2被NaOH溶液吸收。本題通過測定反應后一系列產(chǎn)物的質(zhì)量，可分別求出樣品中FeO、FeS2、SiO2等物質(zhì)的質(zhì)量分數(shù)。

(1)A瓶內(nèi)的試劑是強堿溶液，目的是吸收空氣中的CO2氣體，防止CO2進入D裝置。

(2)H2O2能將SO2-3氧化為SO2-4。若此步驟不加H2O2，則應根據(jù)所得BaSO3的質(zhì)量計算硫元素的含量，因為空氣中的O2會將SO2-3部分氧化為SO2-4，使所得沉淀的質(zhì)量偏大，測得的硫元素的含量偏高。

(3)濾渣中的雜質(zhì)不與酸、堿反應，則可用強堿溶液溶解濾渣中的SiO2，過濾后用稀硫酸或稀鹽酸洗滌殘留固體，通過測定殘留固體的質(zhì)量即可測定SiO2的含量。

(4)通過Fe2O3的質(zhì)量可求樣品中Fe元素的總量：n(Fe)=2c160 mol；通過BaSO4的質(zhì)量可求FeS2的量：n(FeS2)=a233×12 mol；樣品中FeO的物質(zhì)的量為：n(FeO)=2c160-a233×12 mol，其質(zhì)量分數(shù)為c160×2-a233×12×72m×100%。

答案：(1)NaOH(或KOH等合理答案) (2)偏高 (3)BC (4)c160×2-a233×12×72m×100%

2.氣體體積測定法

這類問題的可測量是反應生成的氣體的體積，可根據(jù)物質(zhì)的量的換算原理確定目的量。

例2為了測定已部分變質(zhì)的過氧化鈉樣品的純度，設計如圖所示的實驗裝置，圖中Q為彈性良好的氣球，稱取一定量的樣品放入其中，按如圖所示的裝置安裝好儀器，打開分液漏斗的活塞，將稀硫酸滴入氣球中。

(1)為測定反應時生成氣體的總體積，滴加稀H2SO4前必須關閉________ (填“K1”“K2”或“K3”，下同)，打開________ 。

(2)當上述反應停止時，將K1、K2、K3均關閉，然后先打開K2，再緩緩打開K1，這時可觀察到的現(xiàn)象是________________________。

(3)b中裝的固體試劑是________，為何要緩緩打開K1？

。

(4)實驗結(jié)束時，量筒Ⅰ中有xmL水，量筒Ⅱ中收集到y(tǒng)mL氣體，如果上述氣體體積均已折算成標準狀況，則過氧化鈉的純度是________ (用含x、y的式子表示)。

解析：變質(zhì)的Na2O2中含有Na2CO3，在樣品中加入稀硫酸后，氣球Q中可生成O2與CO2兩種氣體。本實驗可通過測定CO2和O2的體積，然后經(jīng)換算求出Na2O2的純度。將稀H2SO4加入氣球前，關閉K1和K2，打開K3，反應結(jié)束時氣球膨脹的體積與量筒Ⅰ中所接收的水的體積相等，此即為CO2與O2的體積之和。待氣球中反應完全后，關閉K3，打開K2，再緩緩打開K1，此時氣球漸癟，氣體會經(jīng)干燥管b進入量筒Ⅱ，CO2被干燥管中的堿石灰吸收，量筒Ⅱ中收集到氣體的體積即為O2的體積。由題意可知，CO2和O2的總體積為xmL，O2的體積為ymL，故CO2的體積為(x-y) mL，根據(jù)化學方程式可知Na2O2與Na2CO3的物質(zhì)的量之比為2y∶(x-y)，則Na2O2的純度為w(Na2O2)=2y×782y×78+106(x-y)×100%=78y53x+25y×100%。

答案：(1)K1、K2K3(2)氣球Q慢慢變小，氣體進入量筒Ⅱ中 (3)堿石灰 控制氣體的流速，使CO2被充分吸收 (4)78y53x+25y×100%

3．滴定數(shù)據(jù)分析法

這類問題的可測量是滴定實驗中消耗標準溶液的體積，通常要根據(jù)多步反應的關系式計算目的量。

例3YBa2Cu3Ox(釔鋇銅氧)是近年來被科學家發(fā)現(xiàn)的一種高溫超導材料，其中Y、Ba、O三種元素都有固定的化合價，分別為+3、+2、-2，而Cu是+2和+3的混合價態(tài)。現(xiàn)用碘量法進行測定：

取一定質(zhì)量的YBa2Cu3Ox樣品，用稀鹽酸溶解，在氮氣的保護下加過量的KI固體，樣品中的Cu3+和Cu2+分別氧化KI生成I2，用0.100 mol·L-1Na2S2O3溶液滴定得到的I2，終點時消耗Na2S2O3溶液21.00 mL。有關反應如下：

Cu3++3I-CuI↓+I2

2Cu2++4I-2CuI↓+I2

I2+2S2O2-32I-+S4O2-6

另取一份質(zhì)量相等的YBa2Cu3Ox樣品，用稀鹽酸溶解，煮沸，使其中的Cu3+全部轉(zhuǎn)化為Cu2+，冷卻后再用碘量法滴定，終點時消耗0.100 mol·L-1Na2S2O3溶液 15. 00 mL。

試回答：

(1)碘量法中應選用的指示劑是________。

(2)碘量法滴定終點的現(xiàn)象為

。

(3)Cu3+和Cu2+的物質(zhì)的量之比為________。

(4)x值為________。

解析：本題的目的量是YBa2Cu3Ox中的x的值，可測量是Cu3+和Cu2+的物質(zhì)的量之比。利用滴定原理，結(jié)合關系式法，可求出可測量，由可測量和基礎化學知識即可求出目的量。

計算用的關系式是：Cu3+～I2～2S2O2-3，2Cu2+～I2～2S2O2-3。

設樣品中Cu3+、Cu2+的物質(zhì)的量分別為a、b，則：

2a+b=21.00×10-3L×0.100 mol·L-1

a+b=15.00×10-3L×0.100 mol·L-1

解得：a=6.00×10-4mol,b=9.00×10-4mol，a∶b=2∶3。

由YBa2Cu3Ox中各元素化合價之和為零原理得：3+2×2+3×25×3+3×35×2=2x，x=7.1。

答案：(1)淀粉溶液 (2)溶液的藍色褪去且半分鐘內(nèi)不恢復原色 (3)2∶3 (4)7.1

(作者單位：江蘇省常州市橫山橋高級中學)

山西省大同市靈丘縣豪洋中學，河北省淶水縣第四中學)