以電化學裝置為載體的實驗探究題例析

江西 張萬程

1 問題的提出

《中國高考評價體系》指出：化學學科高考的“四層”考查內容主要包括核心價值、學科素養、關鍵能力、必備知識，其中關鍵能力包括理解與辨析能力、分析與推測能力、歸納與論證能力、探究與創新能力。化學實驗題是高考必考題型，考查角度主要包括選擇題、物質制備及性質、實驗探究、實驗方案設計與評價等。2020年全國卷Ⅰ第27題采用電化學裝置探究不同化合價鐵的氧化還原能力，初露探究實驗形式，筆者試著總結歸納以電化學裝置為載體的探究實驗，以期對一線教師有所幫助。

2 真題賞析

(2020·全國卷Ⅰ·27節選)為驗證不同化合價鐵的氧化還原能力，利用下列電池裝置進行實驗，回答下列問題：

(3)電流表顯示電子由鐵電極流向石墨電極。可知，鹽橋中的陽離子進入________電極溶液中。

(4)電池反應一段時間后，測得鐵電極溶液中c(Fe2+)增加了0.02 mo·L-1。石墨電極上未見Fe析出。可知，石墨電極溶液中c(Fe2+)=________。

(5)根據(3)、(4)實驗結果，可知石墨電極的電極反應式為______________________________，鐵電極的電極反應式為______________________________。因此，驗證了Fe2+氧化性小于________、還原性小于________。

2.1 試題評價

試題以探究不同化合價鐵的氧化還原能力為載體，向學生展現科學研究的過程，讓學生領悟科學的思維方法以及嚴謹求實、不畏艱難、勇于探索和追求真理的科學精神，充分體現化學學科的育人價值。考查考生的分析與推測、歸納與論證、探究與創新等關鍵能力，考生需具備電化學及實驗數據的處理與分析等必備知識，能規范使用電極反應式等化學用語，試題體現了高考命題的綜合性和創新性。

2.2 試題解析

【答案】(3)石墨

(4)0.09 mol·L-1

3 解題模型

針對實驗探究題的命題思路和意圖，歸納總結了解答此類試題的思維模型如圖1所示。

圖1

4 模型解題演練

涉及以電化學裝置的實驗探究題在歷年北京卷的真題和模考題中常見，全國卷中鮮有出現。由于實驗探究題所能考查知識容量大，對考生探究與創新能力要求高，因此，在新高考背景下，使用全國卷地區的師生應注重該類題型的訓練，培養學生的思維能力，使其能夠正確運用模型對該類試題進行解答。

4.1 實驗探究選擇題

【例1】(2018·北京卷·12)驗證犧牲陽極的陰極保護法，實驗如下(燒杯內均為經過酸化的3% NaCl溶液)。

①②③在Fe表面生成藍色沉淀試管內無明顯變化試管內生成藍色沉淀

下列說法不正確的是

( )

A.對比②③，可以判定Zn保護了Fe

B.對比①②，K3[Fe(CN)6]可能將Fe氧化

C.驗證Zn保護Fe時不能用①的方法

D.將Zn換成Cu，用①的方法可判斷Fe比Cu活潑

【模型解題】

圖2

【答案】D

【例2】(2016·北京卷·12)用石墨電極完成下列電解實驗。

實驗一實驗二裝置現象a、d處試紙變藍;b處變紅,局部褪色;c處無明顯變化兩個石墨電極附近有氣泡產生;n處有氣泡產生;……

下列對實驗現象的解釋或推測不合理的是

( )

D.根據實驗一的原理，實驗二中m處能析出銅

【模型解題】

圖3

【答案】B

4.2 實驗探究綜合題

向硝酸酸化的0.05 mol·L-1硝酸銀溶液(pH≈2)中加入過量鐵粉，攪拌后靜置，燒杯底部有黑色固體，溶液呈黃色。

(1)檢驗產物

①取少量黑色固體，洗滌后，______________________(填操作和現象)，證明黑色固體中含有Ag。

②取上層清液，滴加K3[Fe(CN)6]溶液，產生藍色沉淀，說明溶液中含有________。

(2)針對“溶液呈黃色”，甲認為溶液中有Fe3+，乙認為鐵粉過量時不可能有Fe3+，乙依據的原理是______________________________________(用離子方程式表示)。針對兩種觀點繼續實驗：

①取上層清液，滴加KSCN溶液，溶液變紅，證實了甲的猜測。同時發現有白色沉淀產生，且溶液顏色變淺、沉淀量多少與取樣時間有關，對比實驗記錄如表：

序號取樣時間/min現象ⅰ3產生大量白色沉淀;溶液呈紅色ⅱ30產生白色沉淀,較3 min時量少;溶液紅色較3 min時加深ⅲ120產生白色沉淀,較30 min時量少;溶液紅色較30 min時變淺

(資料：Ag+與SCN-生成白色沉淀AgSCN)

②對Fe3+產生的原因作出如下假設：

假設a：可能是鐵粉表面有氧化層，能產生Fe3+；

假設b：空氣中存在O2，由于______________________(用離子方程式表示)，可產生Fe3+；

假設d：根據____________________現象，判斷溶液中存在Ag+，可產生Fe3+。

③下列實驗Ⅰ可證實假設a、b、c不是產生Fe3+的主要原因。實驗Ⅱ可證實假設d成立。

實驗Ⅰ：向硝酸酸化的________溶液(pH≈2)中加入過量鐵粉，攪拌后靜置，不同時間取上層清液滴加KSCN溶液，3 min時溶液呈淺紅色，30 min后溶液幾乎無色。

實驗Ⅱ：裝置如圖。其中甲溶液是________，操作及現象是________________________。

(3)根據實驗現象，結合方程式推測實驗ⅰ～ⅲ中Fe3+濃度變化的原因：________________________。

圖4

(3)實驗ⅰ～ⅲ的現象及分析：

圖5

5 結束語