化學實驗綜合題的命題角度分析和解題策略

吉林 趙鑫光

化學是一門以實驗為基礎的自然科學，學習化學離不開實驗，很多化學原理和規律都是通過實驗推導和論證的，因此化學實驗綜合題在高考化學試題中占有非常重要的地位。近年來受到試卷題量和文字量的限制，高考題目的綜合性越來越高，這類化學實驗的綜合題逐漸成為主流題型。一道完整的化學實驗綜合題是將實驗基本操作，物質的制備、分離、提純，組成和性質的探究，定性和定量的分析等多個方面融為一體進行全方位的考查，這類題目具有很強的綜合性，是一種較高水平的能力測試。

一、命題角度分析

縱觀近幾年的高考試卷，化學實驗綜合題主要考查以下幾個角度：

1.陌生物質的制備

新物質的制備是化學學科的一個研究重點，以新物質制備為背景的實驗題具有題型多變、涉及知識點多、思維發散性強等特點，這種題目能極好的考查學生綜合運用化學實驗基礎知識解決實際問題的能力，因此備受高考命題者的青睞。解決這類問題的基本思路是首先要明確需要制備實驗的目標產物，并且分析反應的原理，其次要選擇合適的實驗儀器和試劑，最后再理清制備新物質的步驟和流程。

2.未知物質的組成探究

這類化學實驗綜合題，通常是借助一些新素材來探究未知物的成分，所涉及的未知物既包括單一物質也包括混合物質，其考查形式主要是通過定性實驗探究未知物的成分，通過定量實驗探究未知物的分子式或化學式，或通過定性實驗與定量實驗相結合來探究混合物的組成。解決這類問題需要非常熟悉相關物質的特有性質、特征反應和現象，注意檢驗操作的順序，尤其是混合物的定性檢出順序。

3.物質化學性質的探究

這類化學實驗綜合題的考查方式以驗證型實驗為主，即針對試題中的設問或得出的結論通過設計實驗證明假設是否正確。題目設置多與一些基本理論相結合，例如物質結構、化學平衡等方面，需要學生將學過的理論知識運用到實驗問題的解決中。這類題目重點考查學生對實驗原理、實驗過程的分析能力，綜合性較強。

4.定量分析實驗

這類化學實驗綜合題是近幾年高考的高頻考查方式，通過測定實驗中產生氣體的體積、沉淀的質量、滴定消耗標準液的體積等實驗數據，經由一些定量關系來測定物質組成，相對分子質量，化學式，反應物轉化率，產物產率等相關內容。這類問題的解決除了學生需要較好的分析能力之外，計算能力也是非常重要的，而且多數實驗數據是來源于真實的實驗過程，所以計算的數據并不是整數，在考試時間有限的情況下，學生既要保證計算的高效性，還要保證計算的準確性。

5.實驗方案的評價

這是近兩年來新興的一種實驗綜合題的考查方式，通過題干敘述的實驗步驟、實驗裝置圖、相關數據表格等信息，讓學生判斷是否能達到實驗目的或者得出相應的結論。這種問題的開放性較強，需要學生具有較強的發散性思維，問題的答案也不拘泥于一種，只要回答合理即可。解決這類問題首先要通讀全題，找準突破口，抓住重點信息，從試劑、儀器與裝置、實驗操作流程、結論的描述等諸多方面的合理性入手，判斷能否達到實驗目的，如果不能達到目的還要提出合理的解決方案。

二、解題策略

綜合性較大的化學實驗題考查的內容比較復雜，范圍比較廣，有效的歸納、理解并掌握相關的基礎知識，是重中之重。下面將從幾個方面加以總結：

1.有關實驗操作順序的問題

2.分離提純和除雜的基本方法

基本方法實 例結晶和重結晶法物質在溶液中溶解度隨溫度變化較大,例如分離NaCl和KNO3沉淀過濾法欲除去硫酸亞鐵溶液中混有的少量硫酸銅,可加入過量鐵粉,待充分反應后,過濾除去不溶物分餾、蒸餾法沸點相差較大的互溶液體,例如分離乙醇和水(加生石灰后蒸餾)萃取分液法物質在互不相溶的兩個液相中溶解度差異較大,如用CCl4來萃取碘水中的I2升華法某些物質在加熱的條件下易升華,如分離SiO2和I2溶解法如將銅粉和鋁粉的混合物,溶解在過量的NaOH溶液里過濾分離吸收法將N2和O2的混合氣體通過炙熱的銅網吸收O2。再如除去CO2中混有的少量HCl和H2O,可使混合氣體先通過飽和碳酸氫鈉溶液后,再通過濃硫酸轉化法兩種物質難以直接分離,加某種試劑后變得容易分離,例如分離Al(OH)3和Fe(OH)3的混合物,先加NaOH溶液把Al(OH)3溶解,過濾,除去Fe(OH)3,再通入CO2讓NaAlO2轉化成Al(OH)3。再如除去苯中的苯酚,可加入氫氧化鈉,使苯酚轉化為苯酚鈉,利用苯酚鈉易溶于水,使之與苯分開增加法把雜質轉化成所需要的物質,例如將CO2和SO2混合氣體通過NaHCO3溶液,將SO2轉化為CO2滲析法利用粒子尺寸大小差別,用半透膜進行提純,例如除去氫氧化鐵膠體中的氯離子

3.實驗步驟的先后順序

實驗內容先進行的操作后進行的操作加熱試管先均勻加熱后局部加熱排水法收集氣體完成時先將導管移出水面后熄滅酒精燈制取氣體先檢驗氣密性后裝藥品收集氣體先排凈裝置中的空氣再收集稀釋濃硫酸裝倒入一定量蒸餾水再沿器壁緩慢注入濃硫酸點燃可燃氣體先檢驗純度后點燃用試紙檢驗氣體先用蒸餾水潤濕試紙再將試紙與氣體接觸配制易水解的鹽溶液先溶于少量濃酸中再稀釋至指定濃度配制一定物質的量濃度溶液先加蒸餾水至距容量瓶刻度線1～2 cm處后改用膠頭滴管加水至刻度線使用pH試紙先用干凈的玻璃棒蘸取待測溶液涂到干燥的試紙上再把試紙顯示的顏色跟標準比色卡對比,讀出pH

續表

4.實驗操作中描述性語言的規范表述

(1)常見的基本實驗操作描述

①配制一定物質的量濃度的溶液時定容的操作方法：向容量瓶中加水至離刻度線1～2 cm處，改用膠頭滴管滴加，眼睛平視刻度線，滴加水至凹液面的最低點與刻度線相切。

②濃硫酸稀釋(或與其他液體混合)的操作：將濃硫酸沿燒杯內壁緩緩注入水(無水乙醇、濃硝酸等)中，并不斷攪拌。

③蒸發濃縮停止加熱的判斷標準：液體表面出現晶膜時即停止加熱

④萃取的操作方法：關閉分液漏斗的旋塞，打開上口的玻璃塞，將混合物倒入分液漏斗中，充分振蕩并不時打開旋塞放氣。

⑤分液的操作方法：將分液漏斗放在鐵架臺的鐵圈上靜置分層，在分液漏斗下面放一個小燒杯，打開上口玻璃塞，旋開旋塞，使下層液體沿燒杯內壁流下，上層液體從上口倒出。

⑥焰色反應的操作：用潔凈的鉑絲蘸取鹽酸在酒精燈火焰上灼燒，反復幾次，直至與酒精燈火焰顏色相近為止。(用鹽酸洗的原因是金屬氯化物的沸點較低，灼燒時易揮發除去)再蘸取少量待測液，在酒精燈火焰上灼燒，觀察火焰顏色。若為黃色，則說明溶液中含Na+；若透過藍色鈷玻璃呈紫色，則說明溶液中含K+。

⑦測溶液pH的操作：用干燥潔凈的玻璃棒蘸取少量待測液點在干燥的pH試紙上，待變色后與標準比色卡對照讀出溶液的pH。

⑧滲析操作：將膠體裝到半透膜袋中，用線將半透膜扎好后系在玻璃棒上，浸在盛有蒸餾水燒杯中，并及時更換蒸餾水。

(2)檢查氣密性

①微熱法：將導管插入水槽中，手握住試管，若導管口有氣泡冒出，松開手時導管口回流一段水柱，說明該裝置的氣密性良好。

②液差法：塞緊橡皮塞，用止水夾夾住橡皮管，從長頸漏斗向試管中注水，使長頸漏斗中液面高于試管中液面，過一段時間，液面差不變，說明氣密性良好。(若為分液漏斗，則需要塞緊橡皮塞，用止水夾夾住橡皮管，向分液漏斗中加入一定量的水，打開活塞，若分液漏斗中液體滴下的速率逐漸減慢至不再滴下，說明氣密性良好)

③啟普發生器型的裝置：關閉導氣管的旋塞，往球形漏斗(長頸漏斗)中加適量水，若球形漏斗(長頸漏斗)和容器中形成液面差，且液面差不變，說明裝置氣密性良好

(3)氣體驗滿和檢驗操作

①氧氣驗滿：用帶火星的木條放在集氣瓶口，木條復燃，說明氧氣已收集滿。

②可燃性氣體(如氫氣)的驗純方法：用排水法收集一小試管的氣體，用大拇指摁住管口移近火焰，若聽到尖銳的爆鳴聲，則氣體不純；聽到輕微的“噗”的一聲，則氣體已純。

③二氧化碳驗滿：將燃著的木條平放在集氣瓶口，若火焰熄滅，說明CO2已收集滿。

④氨氣驗滿：用濕潤的紅色石蕊試紙放在集氣瓶口，若試紙變藍說明氣體已滿。

⑤氯氣驗滿：用濕潤的淀粉碘化鉀試紙放在集氣瓶口，若試紙變藍說明氣體已滿。

(4)儀器的檢漏操作

①容量瓶：往容量瓶內加入一定量的水，塞好瓶塞，用食指摁住瓶塞，另一只手托住瓶底，把瓶倒立過來，觀察瓶塞周圍有無水漏出。如果不漏水，將瓶正立并將瓶塞旋轉180度后塞緊，仍把瓶倒立過來，再檢查是否漏水，如果仍不漏水，即可使用。

②分液漏斗：關閉分液漏斗的旋塞，向分液漏斗中注入少量水，觀察旋塞周圍是否滲水，如不滲水，再將旋塞旋轉180℃，再倒立如不滲水，證明旋塞部位不漏液(這也是酸式滴定管的檢漏方法)。塞好上口瓶塞，用食指摁住瓶塞，另一只手扶住旋塞處，把分液漏斗倒立過來，觀察瓶塞處是否滲水，如不滲水，將分液漏斗正立后并將瓶塞旋轉180°塞緊，如不滲水，證明瓶塞部位不漏水。

(5)有關沉淀的操作

①證明沉淀完全：取沉淀后的上層清液于小試管中，繼續滴加沉淀劑，若無沉淀生成，說明沉淀已完全。

②洗滌沉淀：將蒸餾水沿玻璃棒注入過濾器中至浸沒沉淀，靜置，待水流盡后，重復2～3次。

③沉淀用乙醇洗滌的目的：(ⅰ)除去固體表面吸附的雜質；(ⅱ)固體在乙醇中溶解度較小；(ⅲ)乙醇揮發帶出水分，使固體易干燥。

④判斷沉淀是否洗凈：取最后一次洗滌液少許，滴加某試劑，若沒有某些現象，證明沉淀已洗干凈。

(6)有關制氣裝置的作用

①固液加熱型制氣裝置中滴液漏斗與圓底燒瓶之間導管的作用：保證圓底燒瓶液面上方壓強與滴液漏斗液面上方壓強相等，使滴液漏斗中的液體易于滴下；定量實驗中排除用排水法測量生成氣體體積時由于液體加入導致的誤差。

②固液不加熱型制氣裝置在長頸漏斗下端套一小試管的作用：形成液封，防止氣體從漏斗中逸出；節約液體試劑；能控制反應速率。

(7)儀器中氣體或液體的進出方向

①洗氣瓶——長進短出，凈化裝置先除雜后干燥；

②干燥管——粗進細出，保證氣體干燥充分；

③冷凝管冷卻水——下進上出，保證冷卻效果最好；

④排水量氣——短進長出。

(8)實驗中溫度計的位置和作用

①測反應混合物的溫度：實驗中需要測定反應混合物的準確溫度，因此，應將溫度計插入反應混合物中。例如：(ⅰ)測物質溶解度；(ⅱ)實驗室制乙烯。

②測蒸氣的溫度：實驗中用于測量物質的沸點，由于液體在沸騰時，液體和蒸氣的溫度相同，所以只要測蒸氣的溫度。例如：(ⅰ)石油的分餾；(ⅱ)測定乙醇的沸點。

③測水浴溫度：實驗中需要利用水浴加熱保持反應物的溫度相對穩定，所以溫度計則插入水浴中。例如：(ⅰ)探究溫度對反應速率的影響；(ⅱ)苯的硝化反應。

(9)有關干燥劑的使用

①濃硫酸、濃磷酸、五氧化二磷作干燥劑不能干燥氨氣的原因：發生酸堿中和反應。

②無水氯化鈣不能干燥氨氣的原因：形成八氨合氯化鈣CaCl2·8NH3。

③濃硫酸不能干燥硫化氫、溴化氫、碘化氫的原因：發生氧化還原反應。

④濃硫酸不能干燥三氧化硫的原因：濃硫酸溶解三氧化硫形成發煙硫酸。

(10)實驗中棉花的作用

①收集氨氣：利于空氣排出，并防止與空氣產生對流，使氨氣收集較純凈。

②高錳酸鉀熱分解：防止固體粉末進入導管。

(11)滴定終點判斷

當向錐形瓶中滴入最后一滴標準溶液時，溶液由XX色變為XX色，且半分鐘內不變色(或不恢復原色)即為滴定終點。

(12)讀取量氣裝置中的氣體體積的方法

待裝置冷卻至室溫后，先上下移動量筒(或量氣管有刻度的一側)使量筒內外(或量氣管的兩側)液面相平，然后使視線與凹液面的最低點相平讀取數據。

(13)加熱灼燒固體使固體失去結晶水或分解完全的操作方法：將固體放在坩堝中充分灼燒，然后放在干燥器中冷卻、稱量，再加熱、冷卻、稱量直至兩次稱量的質量差不超過0.1 g。

(14)常見具體實驗中的相關描述

①乙酸乙酯制備中飽和碳酸鈉溶液的作用：(ⅰ)中和乙酸；(ⅱ)溶解乙醇；(ⅲ)降低乙酸乙酯溶解度。

②氫氧化鐵膠體的制備：向沸騰的蒸餾水中逐滴滴加飽和的FeCl3溶液，繼續加熱當溶液變為穩定的紅褐色時停止加熱。

③檢驗鹵代烴中鹵原子的操作：取樣與NaOH溶液共熱，然后先加HNO3酸化，再加AgNO3溶液，根據沉淀顏色進行判斷。

④配制FeCl3溶液時的操作方法：將稱量好的氯化鐵晶體置于燒杯中，先加入濃鹽酸，再加入適量蒸餾水稀釋至所需濃度。

⑤淀粉水解程度的判斷：(ⅰ)完全水解——加入碘水，不顯藍色；(ⅱ)尚未水解——取水解液先加NaOH溶液于試管中，再加入新制的Cu(OH)2懸濁液加熱，若無磚紅色沉淀產生，證明淀粉沒有水解；(ⅲ)部分水解——用兩個試管取兩份水解液，一份加入碘水顯藍色，另一份加堿中和硫酸后再加入新制的Cu(OH)2懸濁液加熱，產生磚紅色沉淀(同時具有上述兩種現象)。

三、典型例題分析

【例1】(2019·全國卷Ⅰ·27節選)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：

(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)。

B

C

D

(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。

【答案】(2)加快反應速率 熱水浴加熱 C

(3)把Fe2+全部氧化為Fe3+防止Fe3+水解

【解析】(2)在反應的過程中加熱的目的是為了加快反應速率；保持溫度在100℃以下時可以使用熱水浴加熱(如果保持的溫度在100～220℃之間可以使用油浴，高于220℃可以使用砂浴)；在反應過程中產生硫化氫氣體應該用氫氧化鈉溶液吸收，為了防止倒吸應該選擇C選項。(3)步驟③中加入氧化劑H2O2是為了把Fe2+全部氧化為Fe3+，而且H2O2是一種綠色氧化劑，其還原產物是H2O，不會引入雜質；Fe3+在水溶液中容易水解，故保持溶液具有較強酸性的目的是防止Fe3+水解。

【例2】(2019·全國卷Ⅱ·28節選)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10-6，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。

索氏提取裝置如圖所示。實驗時燒瓶中溶劑受熱蒸發，蒸汽沿蒸汽導管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，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________。

(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

【答案】(1)增加茶葉末和乙醇接觸面積 沸石

(2)乙醇是易揮發易燃液體，直接加熱易發生意外引起爆炸 可多次連續萃取，提高萃取效率

(3)便于與咖啡因分離 AC

【解析】(1)提取咖啡因之前將茶葉末研細的目的是為了在提取時增加茶葉末和乙醇的接觸面積，使咖啡因提取更加充分，燒瓶需要加熱，加入幾粒沸石可以防止加熱過程中發生暴沸。(2)提取過程中不直接加熱的原因是乙醇是一種易揮發易燃液體，直接加熱容易發生意外引起爆炸；根據索氏提取器的結構特點，該儀器的工作原理是乙醇蒸氣沿蒸汽導管上升，被球形冷凝管冷卻后進入索氏提取器，浸泡茶葉，當液面高于虹吸管后，由于虹吸作用，萃取咖啡因后的乙醇沿虹吸管回到燒瓶中完成一次萃取，這樣就可以實現用少量乙醇，實現多次連續萃取，可提高萃取效率。(3)咖啡因在水中和乙醇中都易溶，使用乙醇的原因是其沸點比水低，便于與咖啡因的分離；蒸發濃縮的過程實際上是對蒸餾的基本操作的考查，按照儀器組裝從下到上，從左到右的順序，可以得出答案，還需要的儀器是直形冷凝管和接收瓶故選擇A和C。

【例3】(2019·全國卷Ⅲ·27節選)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：

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100 mL錐形瓶中加入水楊酸6.9 g及醋酸酐10 mL，充分搖動使固體完全溶解。緩慢滴加0.5 mL濃硫酸后加熱，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100 mL冷水中，析出固體，過濾。

②所得結晶粗品加入50 mL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5.4 g。

回答下列問題：

(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________%。

【答案】(3)充分析出乙酰水楊酸固體

(4)生成可溶的乙酸水楊酸鈉

(5)重結晶

(6)60

四、小 結

通過上面的命題角度分析和解題策略的歸納可以發現，化學實驗綜合題一般都以物質的制備過程、組成成分分析、性質檢驗、含量測定等為背景，以反應裝置圖、相關數據表格、實驗流程圖等形式為載體，重點考查與實驗相關的儀器裝置、反應原理、步驟順序、數據計算、設計評價等方面的內容。解答這類問題時，首先要弄清實驗原理，其次再結合所給流程和相關數據信息弄清每個步驟發生的變化或每個裝置的作用，對于相對陌生的實驗環節要學會用學過的知識進行類比遷移，最后使問題迎刃而解。