分類解析環保理念下的化學實驗探究試題

四川

本文是瀘州市2018年普教科研資助金項目重點課題《基于網閱大數據的微專題教學提升高三學生化學核心素養研究》(批準文號：瀘教科[2018]110號)階段性研究成果之一。

化學是一門以實驗為基礎的自然學科，它源于生活、聯系生活、關注生活。很多化學實驗探究與生活、環境息息相關。化學實驗探究試題中涉及環保理念的考查已成為各年級各類考試的重要組成部分，因此在高三化學二輪復習中有必要設置微專題專門研究，提升學生環保意識并增強環保手段，培養和發展學生的核心素養。

2019年4月8日至11日，中共中央政治局常委、全國人大常委會委員長栗戰書率領全國人大常委會執法檢查組在四川檢查水污染防治法實施情況。檢查組專程前往瀘州市張壩桂圓林察看長江岸線修復保護情況。栗戰書強調，四川是長江上游重要的生態屏障和水源涵養地，要落實好習近平總書記“共抓大保護，不搞大開發”的指示要求，走以生態優先、綠色發展為導向的高質量發展新路子。

新課程標準明確指出：學生應“具有節約資源、保護環境的可持續發展意識，從自身做起，形成簡約適度、綠色低碳的生活方式”。在化學學習和生活中，學生都能近距離的接觸到化學，接觸到污染，因此盡早的樹立學生的環保意識，強化學生運用所學知識解決環保問題至關重要。高考試題的設計非常注重學生環保理念的樹立，考查類型包括化學實驗設計與評價、反應物的選擇、污染性生成物的處理(定性處理和定量計算等)，水體或者空氣中某粒子含量檢測的定性定量問題等。

為培養和發展學生的核心素養，我們在高三二輪復習階段針對環保理念在化學實驗探究試題中應用的考查設置成一個微專題進行研究。將近幾年各省市試題進行歸類篩選，再結合微專題的設置進行再分類、研討，形成成果在課堂教學中得到應用，取得了階段性的成果。

1.關注環境保護的定量實驗探究試題

化學學科教學，要提升學生通過定性分析和定量計算推出合理結論的能力。此類型題目要求學生通過滴定法、方程式法等方法定量的計算化學數據，學生計算出空氣或者水體樣品中某種微粒的含量數據，如：COD(化學需氧量)、BOD(生化需氧量)等，通過該數據與環境或人體健康能承載的最大數據指標進行對比，形成空氣或者水體的質量報告。

【例1】我國個別企業違法排污導致地下水嚴重污染成為媒體焦點。對水的質量監控有很多指標，其中水中溶解氧(DO)的多少是衡量水體自凈能力的一個指標。某課外小組采用碘量法測定學校周邊河水中的溶解氧。實驗步驟及測定原理如下：

Ⅰ.取樣、氧的固定

用溶解氧瓶采集水樣。記錄大氣壓及水體溫度。將水樣與Mn(OH)2堿性懸濁液(含有KI)混合，反應生成MnO(OH)2，實現氧的固定。

Ⅱ.酸化、滴定

回答下列問題：

(1)取水樣時應盡量避免擾動水體表面，這樣操作的主要目的是______________________________。

(2)“氧的固定”中發生反應的化學方程式為____________________

____________________。

(3)取100.00 mL水樣經固氧、酸化后，用amol·L-1Na2S2O3溶液滴定，以淀粉溶液作指示劑，終點現象為__________________________；若消耗Na2S2O3溶液的體積為bmL，則水樣中溶解氧的含量為________mg·L-1。滴定結束后如果俯視滴定管讀取數據，導致測定結果偏________(填“高”或“低”)。

(4)Na2S2O3溶液不穩定，需使用前配制和標定。預估實驗需要使用75 mL的Na2S2O3溶液，則配制該溶液所必需的儀器有天平、燒杯、玻璃棒和____________________。

【答案】(1)使測定值與水體中的實際值保持一致，避免產生誤差

(3)藍色剛好褪去 80ab低

(4)100 mL容量瓶、膠頭滴管

【解析】本題通過滴定法測定水樣中的溶解氧(DO)含量，考查學生對化學實驗基本操作、儀器識別、陌生化學方程式的書寫、化學計算以及實驗誤差分析等。通過定性實驗分析，強化學生對化學實驗基礎知識、水污染涉及各項指標的定性認識和定量方法的掌握，提升學生的“證據推理與模型認知”核心素養，進而從定性與定量角度深度認識化學與環境保護間的關系，培養學生的核心素養。

(1)擾動水體表面會使水樣中溶解氧逸出，還會將水底還原性雜質引入水樣。

(4)配制75 mL的Na2S2O3溶液，根據“大而近”的原則，應選用100 mL容量瓶。由固體配制一定物質的量濃度溶液的實驗步驟為：計算→稱量→溶解→冷卻→轉移→洗滌→初步振蕩→定容→搖勻→裝瓶貼標簽，根據實驗步驟所必需的儀器有天平、燒杯、玻璃棒、100 mL容量瓶、膠頭滴管。

【例2】硫酸工業尾氣中二氧化硫的含量超過0.05%(體積分數)時必須經處理后才能排放。某校化學興趣小組欲測定某硫酸工廠排放尾氣中二氧化硫的含量，分別采用以下方案：

【甲方案】如圖所示，圖中氣體流量計B用于準確測量通過的尾氣體積。將尾氣通入一定體積已知濃度的碘水中測定SO2的含量。當洗氣瓶C中溶液藍色消失時，立即關閉活塞A。

(1)洗氣瓶C中導管末端連接一個多孔球泡D，其目的是____________________。

(2)洗氣瓶C中的溶液還可以用其他試劑代替，如酸性高錳酸鉀溶液，你認為選擇酸性高錳酸鉀溶液的理由有____________________。

(3)洗氣瓶C中溶液藍色消失后，若沒有及時關閉活塞A，則測得的SO2含量________(填“偏高”“偏低”或“無影響”)。若某實驗小組同學測得的SO2含量總是偏低，可能的原因是_________________。

(假設實驗裝置、測量儀器、藥品和實驗操作程序均合理)

【乙方案】實驗步驟如下面流程圖所示：

(4)寫出步驟②中反應的化學方程式：___________________。

(5)步驟③中判斷沉淀已經洗滌干凈的方法是____________________。

(6)實驗中若通過的尾氣體積為33.6 L(已換算成標準狀況)，最終所得固體質量為0.233 g，試通過計算確定該尾氣中二氧化硫的含量是否達到排放標準______________(寫出計算過程)。

【答案】(1)增大氣體與溶液的接觸面積，有利于SO2與碘水充分反應

(2)酸性高錳酸鉀溶液能夠充分吸收SO2并與之反應，反應終了時現象易于觀察(或其他合理答案)

(3)偏低 通入尾氣速率過快，SO2吸收不充分

(5)取最后一次的洗滌液少許，用pH試紙測量pH值或加入Na2SO4溶液，看是否有渾濁出現(或其他合理答案)

(6)由硫元素守恒可知n(SO2)=n(BaSO4)=0.001 mol，得到SO2的體積分數為0.067%，大于0.05%，未達標

【考向分析】體系中某種微粒含量的測定，首先是進行取樣，預處理后進行滴定或通過某個化學反應，定量計算體系中該粒子的定量關系，主要考查學生的化學實驗基本操作和計算能力，同時兼顧數據指標的對比，強化學生的環保意識。

不論是水體中還是空氣中某微粒含量的定量計算，歸根結底都是將一定量樣品引入溶液體系，通過滴定或者特殊化學反應進行關系轉換和計算，過程中可能涉及誤差分析。解題時需要結合題干信息進行翻譯轉化，注意過程中的關鍵信息(如配制250 mL溶液，取25 mL溶液進行實驗等)，理清過程中的轉化定量關系方可準確解題。

2.落實環境保護的微型實驗改進試題

化學學習要逐步引導學生能依據“綠色化學”思想和科學倫理對化學過程進行分析，做出決策，能結合物質的性質，設計探究方案，改進或優化實驗裝置。教師在實驗課堂教學或實驗試題講解過程中加強對學生的引導，幫助學生樹立“綠色化學”觀念。

【例3】“封管實驗”具有簡易、方便、節約、綠色等優點，下列關于四個“封管實驗”(夾持裝置未畫出)的說法正確的是

( )

①

②

③

④

A.加熱時，①中封管內固體消失

B.加熱時，②中溶液變紅，冷卻后又變為無色

C.加熱時，③中溶液變紅，冷卻后紅色褪去，體現SO2的漂白性

D.加熱又冷卻的過程中，①④屬于物理變化，②③屬于化學變化

【答案】C

【解析】本題分析不同“封管實驗”的實驗現象，提升學生的“科學探究與創新意識”，結合不同物質的性質和可能造成環境污染的分析，提出符合環境保護要求的改進實驗方案，增強學生的“科學態度和社會責任”核心素養。

氯化銨不穩定，加熱分解為氨氣和氯化氫，溫度稍低時又生成氯化銨，因此封管內固體不消失，A項錯誤；加熱時氨氣逸出，溶液的顏色為無色，冷卻后氨氣溶解，溶液變為紅色，B項錯誤；加熱后二氧化硫逸出，溶液呈紅色，冷卻后二氧化硫又將品紅溶液漂白，C項正確；氯化銨的分解生成氨氣和氯化氫，有新物質生成，為化學變化，D項錯誤。

【能力提升】“封管實驗”主要針對實驗過程中可能會生成有毒有害物質的反應，將反應在密閉體系中完成，這樣就阻止了這些物質與環境的接觸，這樣的微小改進在化學實驗教學中被廣泛地使用。例如制備并檢驗SO2的氧化性實驗，也可以在下圖Y形試管中密封進行。

此類試題或求學生分析評價已設計實驗的優缺點，或是告知學生涉及物質的相關性質信息，使學生依據需求進行改進實驗的設計或者實驗操作的描述等等。學生在平時的學習過程中應多歸納總結，分析已知改進方案的優缺點，有思考的對改進實驗進行再設計，掌握相應的思維建模，臨場解答方能游刃有余。

3.培養環境保護意識的實驗設計試題

學生應具備“依據物質的性質及其變化認識污染物的成因，主要的危害及防治措施”，熟練掌握常見污染物對環境的影響，能通過合適的方法進行防治，通過高中學生實驗試題中尾氣處理的設計、原理分析等，“增強公眾共同參與環境治理的責任感”。

【例4】如圖是實驗室制備四氯化硅的裝置示意圖。已知：四氯化硅遇水極易反應。

請回答下列問題：

(1)寫出裝置A中發生反應的化學方程式：___________________________。

(2)干燥管F中堿石灰的作用是_________________。

該組實驗裝置中存在的缺陷是____________________。

(2)防止空氣中的水蒸氣進入h裝置與四氯化硅反應 缺少吸收多余氯氣的裝置，導致污染環境

【例5】汽車尾氣含氮氧化物(NOx)、碳氫化合物(CxHy)、碳等，直接排放容易造成“霧霾”。因此，不少汽車都安裝尾氣凈化裝置(凈化處理過程如圖)。下列有關敘述，錯誤的是

( )

A.尾氣造成“霧霾”與汽油未充分燃燒有關

B.尾氣處理過程，氮氧化物(NOx)被還原

C.Pt-Rh催化劑可提高尾氣凈化反應的平衡轉化率

D.使用氫氧燃料電池作汽車動力能有效控制霧霾

【答案】C

【解析】本題結合汽車尾氣造成的“霧霾”現象，分析汽車尾氣中的有毒有害氣體的種類，分析尾氣凈化裝置的反應原理，幫助學生建立綠色、環保的理念，提升學生運用化學原理解決實際問題的能力，提升學生的“證據推理與模型認知”“科學態度和社會責任”等核心素養。

汽油未充分燃燒可增加氮氧化物(NOx)、碳氫化合物(CxHy)、碳等物質的排放，可造成“霧霾”，A項正確；尾氣處理過程中，氮氧化物(NOx)中氮元素化合價降低，得電子被還原，B項正確；催化劑只改變化學反應速率，不會改變平衡轉化率，C項錯誤；使用氫氧燃料電池作汽車動力能減少含氮氧化物(NOx)、碳氫化合物(CxHy)、碳等物質的排放，能有效控制霧霾，D項正確。

【考向分析】尾氣處理裝置(試劑)、原理的分析逐漸成為新的考試熱點，很多化學實驗過程都涉及有毒有害氣體的排放，在化學實驗試題中涉及尾氣處理的裝置、尾氣處理的原理等內容，引導學生在化學實驗過程中關注環境問題，提升環保意識，在實踐中增強社會責任感。這一類試題主要是設計污染的防治與處理。學習過程中應指導學生通過教材、媒體等平臺認識更多的物質的性質，多積累并分類總結，或者在題干中挖掘物質的相關信息，依據信息確定不同物質的防治以及處理方法，在此過程中不斷提升學生的環保意識。

接下來，我們將在目前研究的基礎上，一方面繼續關注各省市試題中涉及環保理念的化學實驗探究試題進行再研究，另一方面通過各類媒體關注社會動態，了解國家對環保的最新資訊，并結合相關內容自主原創相應試題進行研究，不斷提升學生的核心素養。