例談思維模型在實驗裝置分析中的應用

廣東 劉漢國

實驗是高考中的重難點，同時也是高頻考點，在高考試題中主要以物質的制備或性質檢驗為載體，考查角度主要包括：物質制備、實驗探究、實驗方案設計以及定性、定量分析等。在高三復習中，教師通常缺乏對學生思維方法的指導，導致學生的思維水平沒有明顯提高，從而使學生無法快速找到解決問題的思路和方法。充分理解實驗裝置是解答實驗題的關鍵，本文嘗試通過構建實驗裝置分析思維模型幫助學生解決此類問題，并結合山東省2020年普通高中學業水平等級考試化學試題(以下簡稱山東卷)、2020年7月浙江省高考化學考試題(以下簡稱浙江七月選考)和全國卷試題加以分析。

一、思維模型的構建與應用

1.制備實驗裝置分析思維模型的構建與應用

對于物質制備型的化學實驗，首先要從實驗目的出發，結合實驗原理，找到制備實驗的反應原理并確定主反應所需的實驗藥品；以制備需要的實驗藥品為線索，分析或尋找制備該藥品的實驗裝置；為了得到純凈干燥的主反應原料，需要對制備出來的物質進行除雜，首先根據反應物的性質和可能的副反應分析雜質的成分，再根據雜質性質確定除雜順序，確定除雜裝置；制備好主反應原料后，再根據實驗原理確定發生裝置，注意根據題目信息及其物質本身的性質，增加保護裝置；最后要考慮是否需要尾氣處理裝置。制備實驗裝置分析思維模型如圖1所示。

圖1 制備實驗裝置分析思維模型

【例1】(2020·山東卷·20節選)某同學利用Cl2氧化K2MnO4制備KMnO4的裝置如圖2所示(夾持裝置略)：

圖2

已知：錳酸鉀(K2MnO4)在濃強堿溶液中可穩定存在，堿性減弱時易發生反應：

回答下列問題：

(1)裝置A中a的作用是________；裝置C中的試劑為________；裝置A中制備Cl2的化學方程為________。

(2)上述裝置存在一處缺陷，會導致KMnO4產率降低，改進的方法是________________。

按照制備實驗裝置分析思維模型，對例1分析如下：

1.實驗目的：制備KMnO4。

2.實驗原理：利用Cl2氧化K2MnO4制備KMnO4。

3.實驗藥品：濃鹽酸、Ca(ClO)2、KOH。

5.除雜裝置：由于鹽酸具有揮發性，所得Cl2中混有HCl，所以在裝置A、B之間加裝盛有飽和食鹽水的洗氣瓶以吸收揮發出來的HCl。

6.發生裝置：根據實驗原理和實驗藥品，可以推斷裝置B中為Cl2氧化K2MnO4制備KMnO4。

8.尾處裝置：Cl2有毒，可用NaOH溶液吸收多余Cl2，防止污染大氣，故裝置C為尾氣處理裝置。

(2)在裝置A、B之間加裝盛有飽和食鹽水的洗氣瓶

【例2】(2020·浙江七月選考·30)硫代硫酸鈉在紡織業等領域有廣泛應用。某興趣小組用圖3裝置制備Na2S2O3·5H2O。

圖3

已知：Na2S2O3·5H2O易溶于水，難溶于乙醇，50 ℃開始失結晶水。

實驗步驟：

Ⅰ.Na2S2O3制備：裝置A制備的SO2經過單向閥通入裝置C中的混合溶液，加熱、攪拌，至溶液pH約為7時，停止通入SO2氣體，得產品混合溶液。

Ⅱ.產品分離提純：產品混合溶液經蒸發濃縮、冷卻結晶、過濾、洗滌、干燥，得到Na2S2O3·5H2O產品。

Ⅲ.產品純度測定：以淀粉作指示劑，用Na2S2O3·5H2O產品配制的溶液滴定碘標準溶液至滴定終點，計算Na2S2O3·5H2O含量。

請回答：

(1)步驟Ⅰ單向閥的作用是________；裝置C中的反應混合溶液pH過高或過低將導致產率降低，原因是____________________。

按照制備實驗裝置分析思維模型，對例2分析如下：

1.實驗目的：制備Na2S2O3·5H2O。

3.實驗藥品：由實驗原理可知需要的藥品有濃硫酸、Na2SO3、Na2CO3、Na2S。

5.發生裝置：根據實驗原理和裝置中所裝藥品，可以推斷裝置C為Na2S2O3的制備裝置。

【答案】(1)防止倒吸 (2)pH過高，Na2CO3、Na2S反應不充分；pH過低，導致Na2S2O3轉化為S和SO2

【例3】(2020·全國卷Ⅲ·26節選)氯可形成多種含氧酸鹽，廣泛應用于殺菌、消毒及化工領域。實驗室中利用圖4裝置(部分裝置省略)制備KClO3和NaClO，探究其氧化還原性質。

圖4

回答下列問題：

(1)盛放MnO2粉末的儀器名稱是________，a中的試劑為________。

(2)b中采用的加熱方式是________，c中化學反應的離子方程式是______________________________，采用冰水浴冷卻的目的是________________。

(3)d的作用是________，可選用試劑________(填標號)。

A.Na2S B.NaCl C.Ca(OH)2D.H2SO4

按照制備實驗裝置分析思維模型，對例3分析如下：

1.實驗目的：制備KClO3和NaClO，探究其氧化還原性質。

2.實驗原理：加熱條件下氯氣可以和強堿溶液反應生成氯酸鹽，常溫條件下氯氣可以和強堿溶液反應生成次氯酸鹽。

3.實驗藥品：MnO2粉末、濃鹽酸、NaOH。

5.除雜裝置：由于鹽酸具有揮發性，所得Cl2中混有HCl，所以在裝置a中盛放飽和食鹽水，將HCl氣體除去。

6.發生裝置：根據實驗原理和藥品，可以推斷裝置b為KClO3的發生裝置，裝置c為NaClO的發生裝置。

7.保護裝置：氯氣在加熱條件下可以和強堿溶液反應生成氯酸鹽，所以冰水浴的目的是避免生成NaClO3。

8.尾處裝置：Cl2有毒，根據Cl2的化學性質，用堿溶液或具有還原性的物質可吸收多余Cl2，防止污染大氣，故裝置d為尾氣處理裝置。

【答案】(1)圓底燒瓶； 飽和食鹽水

(3)吸收尾氣(Cl2)；AC

2.探究實驗裝置分析思維模型的構建與應用

對于探究物質成分型的化學實驗，首先要從實驗的目的出發，結合實驗原理，確定需要檢驗的物質，根據檢驗物質的化學性質，確定單獨檢驗該物質或離子所需要的試劑，再根據檢驗物質之間的互不干擾原則確定檢驗的順序，最后考慮是否需要尾氣處理裝置。探究實驗裝置分析思維模型如圖5所示。

圖5 探究實驗裝置分析思維模型

【例4】(2018·全國卷Ⅱ·28節選)K3[Fe(C2O4)3]·3H2O(三草酸合鐵酸鉀)為亮綠色晶體，可用于曬制藍圖。回答下列問題：

(2)某小組為探究三草酸合鐵酸鉀的熱分解產物，按圖6所示裝置進行實驗。

圖6

①通入氮氣的目的是________________________。

②實驗中觀察到裝置B、F中澄清石灰水均變渾濁，裝置E中固體變為紅色，由此判斷熱分解產物中一定含有________、________。

③為防止倒吸，停止實驗時應進行的操作是________________________________________。

按照探究實驗裝置分析思維模型，對該題分析如下：

1.實驗目的：探究三草酸合鐵酸鉀的熱分解產物。

2.實驗原理：K3[Fe(C2O4)3]·3H2O加熱分解，根據元素守恒可知生成的氣體物質可能為CO、CO2和水蒸氣。

3.檢驗物質：CO、CO2。

4.檢驗順序：(1)單獨檢驗：檢驗CO2用澄清石灰水；檢驗CO先用氧化銅，再用澄清石灰水；(2)互不干擾：CO與氧化銅反應生成CO2，干擾CO2的檢驗；體系里空氣中的O2、CO2和水蒸氣都會干擾CO的檢驗，所以不僅要在反應前通入氮氣，目的是隔絕空氣，并排盡裝置中的空氣，而且進入裝置E的氣體必須干燥；

故根據(1)(2)分析確定應先檢驗CO2并將其去除，同時進入裝置E的氣體必須干燥，然后再檢驗CO。

5.檢驗裝置：用裝置B檢驗CO2,用裝置C除去CO2,再用裝置D除去水蒸氣，最后用裝置E、F檢驗CO。

6.尾處裝置：CO2無毒，不會污染大氣，不需要尾氣處理裝置。

【答案】①隔絕空氣、使反應產生的氣體全部進入后續裝置 ②CO2、CO ③先熄滅裝置A、E的酒精燈，冷卻后停止通入氮氣

二、備考建議

實驗綜合題考查了學生的化學實驗與探究能力和學生的知識與應用能力，因此在復習時既要重視知識的歸納總結，又要注重學生能力的提升。

1.形成知識框架，提升知識應用能力

知識應用的前提是歸納總結，需要把零散、繁雜的知識整合到一起，并尋找彼此的聯系，從而形成知識體系。例如，關于化學實驗從安全角度常考慮的主要因素如下：凈化、吸收氣體及熄滅酒精燈時要防止液體倒吸；進行某些易燃易爆實驗時要防爆炸，如利用H2還原CuO應先通H2，氣體點燃前應先驗純；防氧化，如H2還原CuO后要先停止加熱再停止通入氣體，白磷切割應在水中進行等；有污染性的氣體要進行尾氣處理；有粉末狀物質參加的反應，要注意防止導氣管堵塞；防吸水，如實驗時取用、制備易吸水、潮解、水解的物質時宜采取必要措施，以保證能夠達到實驗目的。

2.構建思維模型，培養模型認知素養

在復習實驗時，不僅是復習實驗本身，而是把經典實驗，如H2還原CuO，提煉成實驗分析模型，如果教師能引導學生把該實驗提升為“具有還原性的物質的實驗分析模型”，那么學生就能把H2還原CuO的實驗原理、裝置分析、實驗步驟等知識進行遷移應用。

實際上，無論是制備實驗、探究實驗還是性質實驗，關鍵在于實驗裝置的分析，而該部分的關鍵則是抓住“三緊”，即：緊抓實驗目的、緊扣物質性質和緊挖雜質來源。因此在一輪復習中，要培養學生形成實驗裝置的分析模型，督促學生構建物質性質的分析模型，引導學生建立雜質來源的分析模型，只有這樣才能“以不變應萬變”，應對不同類型、不同情境的實驗題目。