2019年高考化學實驗試題（全國卷）的評析及啟示

摘要： 以2019年高考化學（全國卷）3道實驗題為例作試題分析，歸納考查要求，拓展試題外延，提出在高三復習課使用“實驗性質原理”三元整合策略指導教學設計，探討基于實驗情境實現物質性質和反應原理的整合教學在高三元素化合物專題復習中的應用，并提出若干教學建議。

關鍵詞： 高考實驗題; 試題分析; 三元整合策略; 高三復習

文章編號： 10056629（2020）01008006

中圖分類號： G633.8

文獻標識碼： B

1試題評析

化學是一門以實驗為基礎的學科，很多基本理論來自對實驗現象的觀察與分析和對實驗數據的整理與歸納。掌握經典的實驗方法和重要的操作技能是化學學習的重點，包括對化學儀器的認識和使用、驗證化學物質的性質、預測或分析某個反應的發生，或是上述內容的綜合[1]。

2019年全國卷3道實驗題均以物質制備為命題主線，考查對制備過程核心反應、條件控制的認識，考查對產物分離提純方法、裝置和操作的選擇，考查對反應過程所加試劑作用的理解，考查對實驗的合理評價，考查對物質組成、實驗產率等定量計算的掌握，滲透宏微結合、變化觀念、平衡思想和證據推理等核心素養。

1.1全國Ⅰ卷

1.1.1原題再現

硫酸鐵銨[NH4Fe（SO4）2·xH2O]是一種重要鐵鹽。為充分利用資源，變廢為寶，在實驗室中探究采用廢鐵屑來制備硫酸鐵銨，具體流程如下：

______

回答下列問題：

（1） 步驟①的目的是去除廢鐵屑表面的油污，方法是______。

（2） 步驟②需要加熱的目的是______，溫度保持80～95℃，采用的合適加熱方式是______。鐵屑中含有少量硫化物，反應產生的氣體需要凈化處理，合適的裝置為______（填標號）。

（3） 步驟③中選用足量的H2O2，理由是______。分批加入H2O2，同時為了______，溶液要保持pH小于0.5。

（4） 步驟⑤的具體實驗操作有______，經干燥得到硫酸鐵銨晶體樣品。

（5） 采用熱重分析法測定硫酸鐵銨晶體樣品所含結晶水數，將樣品加熱到150℃時，失掉1.5個結晶水，失重5.6%。硫酸鐵銨晶體的化學式為______。

1.1.2試題分析

本題以硫酸鐵銨制備為素材，圍繞“制備→測定”展開，與人教版選修6“莫爾鹽制備”有一定相似性，均是利用溶解度差異進行制備。制備過程涉及原料前處理和核心反應，測定過程涉及結晶水比例測定。

制備過程涉及的物質變化，突出“變化思想”。其中包括原料前處理→硫酸溶解→雙氧水氧化→加入硫酸銨→冷卻熱飽和溶液→獲得產品，側重考查對方法原理、實驗裝置、所選試劑、操作步驟的分析，詳見表1。

總的來說，制備過程的考查大多屬于記憶層次，設問直截了當、簡潔明了，不涉及陌生裝置、陌生操作、陌生物質、陌生反應;定量測定的背景是采用熱重法測定硫酸鐵銨晶體的結晶水數，是初三物質中某元素質量分數或混合物中某組分質量分數計算的簡單遷移，相比復雜的關系式法計算大大降低了難度。

1.1.3試題拓展

綜上，本題屬于容易題，但試題背后有很多值得思考之處，提出以下幾點僅供參考：

（1） 原料前處理的常見方法有哪些？

（2） 水浴、油浴有何區別？

（3） 尾氣吸收何時考慮防倒吸？Cl2、 CO2、 H2S等在水中溶解度不大，若用本題D裝置吸收，會否引起倒吸？若是該氣體中混有大量難溶性氣體如N2、 H2呢？

（4） 本題涉及條件控制，如步驟③保持溶液pH小于0.5和分批加入H2O2等。條件控制的根本原因是什么？實驗中為何分批加入H2O2？

（5） 硫酸鐵銨制備與侯德榜制堿法類似，均是利用溶解度差異進行，但這兩種方法的差異是什么？

（6） 該實驗中硫酸銨與硫酸鐵理論比例為多少？若產品混有少量硫酸銨或硫酸鐵，如何進一步純化？

（7） 熱重法測定原理是什么？“失重”如何定義？一般通過實驗測量的數據是什么，能否如本題所示直接測得“失掉1.5個結晶水”？

1.2全國Ⅱ卷

1.2.1原題再現

咖啡因是一種生物堿（易溶于水及乙醇，熔點234.5℃， 100℃以上開始升華），有興奮大腦神經和利尿等作用。茶葉中含咖啡因約1%～5%、單寧酸（Ka約為10-4，易溶于水及乙醇）約3%～10%，還含有色素、纖維素等。實驗室從茶葉中提取咖啡因的流程如下圖所示。

______

索氏提取裝置如圖甲所示。實驗時燒瓶中溶劑受熱蒸發，蒸氣沿蒸氣導管2上升至球形冷凝管，冷凝后滴入濾紙套筒1中，與茶葉末接觸，進行萃取。萃取液液面達到虹吸管3頂端時產生虹吸現象，經虹吸管3返回燒瓶，從而實現對茶葉末的連續萃取。回答下列問題：

（1） 實驗時需將茶葉研細，放入濾紙套筒1中，研細的目的是______，圓底燒瓶中加入95%乙醇為溶劑，加熱前還要加幾粒______。

甲

（2） 提取過程不可選用明火直接加熱，原因是______，與常規的萃取相比，采用索氏提取器的優點是______。

（3） 提取液需經“蒸餾濃縮”除去大部分溶劑，與水相比，乙醇作為萃取劑的優點是______。“蒸發濃縮”需選用的儀器除了圓底燒瓶、蒸餾頭、溫度計、接收管之外，還有______（填標號）。

A. 直形冷凝管

B. 球形冷凝管

C. 接收瓶

D. 燒杯

（4） 濃縮液加生石灰的作用是中和______和吸收______。

（5） 可采用如圖乙所示的簡易裝置分離提純咖啡因。將粉狀物放入蒸發皿中并小火加熱，咖啡因在扎有小孔的濾紙上凝結，該分離提純方法的名稱是______。

乙

1.2.2試題分析

咖啡因是天然食品添加劑，可用于制造興奮性飲料;也是制藥業的重要原料，可用于合成復方阿司匹林等。

以前獲取咖啡因的途徑之一是人工合成。由于人工合成的咖啡因含有原料殘留，長期食用會產生殘毒作用，因此多國已禁止在飲料中使用合成咖啡因，并加強從植物提取咖啡因的工藝研究。本題以茶葉中咖啡因的提取為素材，與山東版化學選修6綜合實驗活動“從茶葉中提取咖啡因”有一定相似度。

物質提取有兩種常見方法： 一是將雜質逐一除去，步驟較為繁瑣，但能盡可能多地體現物質化學性質的應用;二是通過專一方法將有效成分直接提取，如萃取法、離子交換樹脂法等。從固體物質萃取化合物的一種方法是用溶劑長期浸潤固體而將目標物質浸出。此法耗時長、溶劑用量大、效率不高。

本實驗利用索氏提取法，過程包括： 索氏提取→蒸餾濃縮→生石灰除雜→升華分離，主要側重實驗評價和分離提純，與教材核心知識基本吻合，詳見表2。

本題情境和裝置比較陌生，但只要仔細閱讀信息，就會發現題目考查的都是考綱的基本內容。題目設問由淺入深，層層推進，不僅考查實驗能力，更考查閱讀理解能力、知識應用能力、信息獲取能力、分析和解決問題的能力。考生解決實驗問題的過程是其觀察能力的敏銳性、判斷問題的準確性和有序思維的縝密性的全面表現過程。

1.2.3試題拓展

綜上，本題屬于中檔題，其背后還有很多值得思考之處，歸納以下幾點僅供參考：

（1） 茶葉能否像海帶提碘一樣先灼燒灰化再索氏提取？

（2） 該實驗能否使用“蒸發濃縮”代替“蒸餾濃縮”除去溶劑，為什么？

（3） 該實驗能否使用熟石灰代替生石灰，為什么？

（4） 升華法用于提純物質的適合范圍是什么？

1.3全國Ⅲ卷

1.3.1原題再現

乙酰水楊酸（阿司匹林）是目前常用藥物之一。實驗室通過水楊酸進行乙酰化制備阿司匹林的一種方法如下：

COOHOH+（CH3CO）2O濃H2SO4△

COOHOCOCH3+CH3COOH

水楊酸______醋酸酐______乙酰水楊酸

水楊酸醋酸酐乙酰水楊酸

熔點/℃157～159-72～-74135～138

相對密度/（g·cm﹣3）1.441.101.35

相對分子質量138102180

實驗過程： 在100mL錐形瓶中加入水楊酸6.9g及醋酸酐10mL，充分搖動使固體完全溶解。緩慢滴加0.5mL濃硫酸，搖勻后加熱，維持瓶內溫度在70℃左右，充分反應。稍冷后進行如下操作：

① 在不斷攪拌下將反應后的混合物倒入100mL冷水中，析出固體，過濾。

② 所得結晶粗品加入50mL飽和碳酸氫鈉溶液，溶解、過濾。

③ 濾液用濃鹽酸酸化后冷卻、過濾得固體。

④ 固體經純化得白色的乙酰水楊酸晶體5.4g。

回答下列問題：

（1） 該合成反應中應采用______加熱。（填標號）

A. 熱水浴

B. 酒精燈

C. 煤氣燈

D. 電爐

（2） 下列玻璃儀器中，①中需使用的有______（填標號），不需使用的______（填名稱）。

（3） ①中需使用冷水，目的是______。

（4） ②中飽和碳酸氫鈉的作用是______，以便過濾除去難溶雜質。

（5） ④采用的純化方法為______。

（6） 本實驗的產率是______%。

1.3.2試題分析

阿司匹林又叫乙酰水楊酸，是解熱鎮痛藥，常用于治療發熱、神經痛等，是三大經典藥物之一。酚羥基也能成酯，但不能通過酯化反應制備，只能由酚和酰氯或酸酐反應。水楊酸和乙酸酐的乙酰化反應是阿司匹林的經典制備方法。

本題有機物的制備包含三個核心環節： 合成制備→分離提純→實驗評價，詳見表3。

本題以阿司匹林的制備為情景，綜合考察分析和解決問題的能力。

第（2）～（5）問涉及產物分離提純。液態有機物分離提純的常見模板見表4。

本題難點在于阿司匹林的分離提純與學生熟知的模板不同，需要學生結合有機物的理化性質和信息提示進而分析，凸顯“證據推理”的考查。證據推理是邏輯推理能力在化學學科中重要的表現形式，要求考生能夠根據證據，對物質組成、結構及性質變化進行分析推理[2]。

1.3.3試題拓展

綜上，本題屬于中檔題，部分設問有一定難度。另外，試題背后還有很多值得挖掘之處，提出以下幾點僅供參考：

（1） 請從乙酰水楊酸的結構預測其水溶性和化學性質。

（2） 乙酸酐為何使用過量？

（3） 操作②中溶解至何時才進行過濾？

（4） 如何檢驗乙酰水楊酸粗品中是否含有殘留的水楊酸？

（5） 本實驗乙酰化反應的原子利用率是多少？

（6） 胃腸道癥狀是阿司匹林最常見的不良反應，如何解決？

2教學啟示

近年來實驗題在情境維度和知識維度上的水平有所降低，很多來自課內元素化合物實驗及其遷移，但在認知進程維度上的水平有所提升，特別是分析與解決問題中高階水平考查比重增大，化學實驗、物質性質和反應原理的整合考查日趨明顯。

2.1提出并創設三元整合教學模式

為了適應高考實驗題的能力要求，筆者提出在元素化合物微專題復習使用“實驗性質原理”三元整合策略組織教學。三元整合策略，是指教師要結合以某種元素為核心的一系列物質設計整合型實驗，將實驗情境、物質性質和反應原理進行整合學習，三者關系見圖1[3]。三元整合策略的依據是元素化合物課型的教學特點與規律，其顯性教學任務是設置實驗情境，讓學生習得常見物質的組成、結構、性質、變化、用途、制備等知識;以化學基本概念或理論、反應原理為基礎構建思維模式。其中，實驗活動與問題情境是整合元素化合物性質知識、化學概念與反應原理的重要載體，決定教與學的效果。三元整合策略要求教師引導學生從問題到結論、從一般到個別、從實驗現象到反應本質，提升學生的高階思維能力和化學核心素養。

三元整合教學模式見圖2，宏觀設計的特色是以“認知沖突”作為課堂教學的研究線索貫穿始終，以課標考綱的知識、方法、能力和素養為教學核心暗線，結合真實實驗強化學生有序觀察現象的能力和建立有效解決問題的思維程序，通過三重表征教學提高學生的邏輯思維與語言表達能力，在應用已有知識對外輸出過程中培育學生宏微結合、變化觀念、證據推理、實驗探究等核心素養。

2.2備考教學建議

近年來全國高考實驗題呈現由“能力立意”向“加強能力考查，滲透學科核心素養考核”變化的特點[4]，三元整合策略是核心素養視角下元素化合物專題復習課的有效教學取向。為了實現實驗情境、物質性質、反應原理三個核心相互促進，筆者結合核心素養提出相關教學建議： （1）注重宏微結合。能用化學用語正確表征物質的化學性質，能利用基本概念和基本理論對核心反應進行分類和分析說明;（2）養成變化觀念。能依據物質類別和元素價態列舉常見物質的化學性質及其轉化關系;（3）強化證據推理。能根據已有知識預測陌生物質的化學性質和變化，能分析、解釋實驗現象;（4）建立模型認知。能根據基本理論梳理解決問題的一般思維程序;（5）落實實驗探究。能根據物質性質、反應原理進行實驗方案設計與評價。

參考文獻：

[1]鐘輝生， 謝名軍， 姜建文. 核心素養視角下的高考試題分析——評2017年全國高考Ⅰ卷理綜化學試題[J]. 化學教學， 2018， （5）： 75～80.

[2]教育部考試中心. 2018年普通高等學校招生全國統一考試系列用書·高考理科試題分析（理科綜合分冊）[M]. 北京： 高等教育出版社， 2018： 8.

[3]鐘國華， 林建芬. 基于“實驗性質原理”三元整合策略的高三化學微專題復習研究——以“弱電解質的電離與電離平衡”為例[J]. 化學教育， 2018， 39（5）： 38～43.

[4]單旭峰. 在繼承的基礎上探索創新——2017年高考全國卷化學試題解讀[J]. 中學化學教學參考， 2017， （7）： 59～61.