深度學(xué)習(xí)視域下的實驗思維模型構(gòu)建——以利用壓強(qiáng)原理的實驗考查為例

河北

一、回歸教材

“壓強(qiáng)原理”的應(yīng)用源于2019人教版必修第二冊第五章“氮及其化合物”13頁實驗5-6，氨溶于水的噴泉實驗。該實驗為“在干燥的圓底燒瓶中充滿NH3，用帶有玻璃管和膠頭滴管(預(yù)先吸入水)的橡膠塞塞緊瓶口。倒置燒瓶，使玻璃管插入盛有水的燒杯中(預(yù)先在水里滴入少量酚酞溶液)，打開彈簧夾，擠壓膠頭滴管，使水進(jìn)入燒瓶。”可觀察到圓底燒瓶內(nèi)形成粉紅色的噴泉，實驗裝置如圖1所示：

圖1

氨氣噴泉實驗成功的關(guān)鍵是圓底燒瓶要干燥，實驗前務(wù)必使氨氣充滿燒瓶且裝置氣密性良好。實驗時先打開止水夾，然后輕輕擠壓膠頭滴管使少量水進(jìn)入燒瓶，由于氨氣在水中溶解度比較大，溶解度體積比為1∶700，氨氣迅速溶于水形成一水合氨，造成燒瓶內(nèi)壓強(qiáng)減小，外界大氣壓大于燒瓶內(nèi)氣壓，壓力克服玻璃管內(nèi)水的重力，即形成噴泉。該實驗現(xiàn)象的本質(zhì)是利用氨氣溶于水造成實驗裝置內(nèi)外壓強(qiáng)差，利用“壓強(qiáng)原理”形成的噴泉。

二、高考鏈接

壓強(qiáng)原理的實驗考查始終是高考的重點和難點，近幾年熱度不減，筆者先從表觀壓強(qiáng)大小變化維度分析幾道高考題。

1.減小裝置壓強(qiáng)

減小裝置內(nèi)壓強(qiáng)，利用“壓強(qiáng)原理”形成噴泉，清洗儀器等。

【例1】(2020·全國卷Ⅲ·10)噴泉實驗裝置如圖2所示。應(yīng)用下列各組氣體—溶液，能出現(xiàn)噴泉現(xiàn)象的是

( )

圖2

氣體溶液AH2S稀鹽酸BHCl稀氨水CNO稀H2SO4DCO2飽和NaHCO3溶液

【答案】B

【解析】此題原理遷移自教材噴泉實驗，燒瓶內(nèi)的水換成不同溶液。產(chǎn)生噴泉現(xiàn)象的條件為燒瓶內(nèi)氣體在溶液中溶解度較大或能與溶液發(fā)生化學(xué)反應(yīng)被消耗，造成裝置內(nèi)外壓強(qiáng)差。該題中只有B選項中的HCl能大量溶解于水生成鹽酸(溶解度體積比1∶500)且迅速與稀氨水反應(yīng)，造成裝置內(nèi)壓強(qiáng)減小，外壓大于內(nèi)壓，從而產(chǎn)生噴泉現(xiàn)象。

【例2】(2017·全國卷Ⅰ·26節(jié)選)凱氏定氮法是測定蛋白質(zhì)中氮含量的經(jīng)典方法，其原理是用濃硫酸在催化劑存在下將樣品中有機(jī)氮轉(zhuǎn)化成銨鹽，利用如圖3所示裝置處理銨鹽，然后通過滴定測量。

圖3

回答下列問題：

(3)清洗儀器：g中加蒸餾水；打開k1，關(guān)閉k2、k3，加熱b，蒸氣充滿管路；停止加熱，關(guān)閉k1，g中蒸餾水倒吸進(jìn)入c，原因是____________________；打開k2放掉水。重復(fù)操作2～3次。

【答案】c中溫度下降，管路中形成負(fù)壓

【解析】本題通過設(shè)置復(fù)雜裝置給考生解題形成壓力，并且設(shè)置新穎的清洗實驗裝置的情境，增加試題難度。實驗時首先加熱裝置b使管路中充滿水蒸氣，然后關(guān)閉k1，當(dāng)c、e管道內(nèi)水蒸氣冷凝為水會造成裝置內(nèi)壓強(qiáng)減小，錐形瓶內(nèi)蒸餾水倒吸進(jìn)入c中，重復(fù)2～3次達(dá)到清洗儀器的目的。

2.增大裝置壓強(qiáng)

通過化學(xué)反應(yīng)或利用裝置增大體系壓強(qiáng)，依據(jù)“壓強(qiáng)原理”制備物質(zhì)是實驗題目命題的新角度。

【例3】(2018·全國卷Ⅰ·26節(jié)選)醋酸亞鉻[(CH3COO)2Cr·2H2O]為磚紅色晶體，難溶于冷水，易溶于酸，在氣體分析中用作氧氣吸收劑。一般制備方法是先在封閉體系中利用金屬鋅作還原劑，將三價鉻還原為二價鉻；二價鉻再與醋酸鈉溶液作用即可制得醋酸亞鉻。實驗裝置如圖4所示，回答下列問題：

圖4

(3)打開K3，關(guān)閉K1和K2。c中亮藍(lán)色溶液流入d，其原因是__________________________；d中析出磚紅色沉淀。為使沉淀充分析出并分離，需采用的操作是________、________、洗滌、干燥。

【答案】c中產(chǎn)生H2使壓強(qiáng)大于大氣壓 (冰水浴)冷卻 過濾

【解析】該題探究了醋酸亞鉻的制備原理，主要考查學(xué)生分析實驗的反應(yīng)原理及利用裝置的特殊性進(jìn)行操作的能力。學(xué)生從信息中得知，鋅在鹽酸溶液中先將Cr3+還原為Cr2+，同時產(chǎn)生的氫氣可排盡裝置中的空氣防止Cr2+被氧化，導(dǎo)致c中壓強(qiáng)增大，把生成的CrCl2壓入d裝置發(fā)生反應(yīng)從而制得磚紅色晶體醋酸亞鉻[(CH3COO)2Cr·2H2O]。

在該題目創(chuàng)設(shè)的情境中，利用化學(xué)反應(yīng)造成壓強(qiáng)差，從而利用壓強(qiáng)原理制備物質(zhì)，達(dá)到實驗?zāi)康摹＠脡簭?qiáng)變化進(jìn)行物質(zhì)制備的試題是高考中的高頻試題，最早可以追溯到2003年全國舊課程卷33題Fe(OH)2制備實驗，采用了如圖5所示裝置，1管加入鋅與稀硫酸，2管加入NaOH溶液，進(jìn)行實驗時先打開止水夾，一段時間后關(guān)閉止水夾，利用壓強(qiáng)原理使硫酸亞鐵溶液與氫氧化鈉溶液接觸。同時，產(chǎn)生的氫氣提供了無氧環(huán)境。最終產(chǎn)生白色的Fe(OH)2沉淀。

圖5

3.平衡裝置壓強(qiáng)

壓強(qiáng)差的形成可能對實驗造成干擾，為降低風(fēng)險，需要平衡壓強(qiáng)。此類問題在2020年山東省普通高中學(xué)業(yè)水平等級考試(以下簡稱山東卷)和天津市學(xué)業(yè)水平等級性考試(以下簡稱天津卷)均有體現(xiàn)，考點為通過平衡壓強(qiáng)順利加入試劑或減小定量實驗體積誤差。

傳統(tǒng)光配線網(wǎng)絡(luò)（Optical Distribution Network，ODN）網(wǎng)絡(luò)通常由光纜、光連接器、光分路器、光纖配線架以及安裝連接這些器件的配套設(shè)備組成[1]。隨著光纖的海量增長，對于這些沒有ID的海量“啞資源”建設(shè)管理問題越來越突出：網(wǎng)絡(luò)建設(shè)和業(yè)務(wù)開通時間長、施工結(jié)果無校驗、資源管理效率低、光纖網(wǎng)絡(luò)維護(hù)無保障等[1]。

【例4】(2020·山東卷·20)某同學(xué)利用Cl2氧化K2MnO4制備KMnO4的裝置如圖6所示(夾持裝置略)：

回答下列問題：(1)裝置A中a的作用是。

【答案】平衡氣壓，使?jié)恹}酸順利滴下

【解析】裝置A中a的作用是平衡壓強(qiáng)，原因是鹽酸與漂白粉反應(yīng)生成氯氣造成兩頸燒瓶內(nèi)壓強(qiáng)增大，使漏斗內(nèi)濃鹽酸流速緩慢，玻璃管a形成連通器，避免了加液造成壓強(qiáng)不均的干擾等不利因素。

【變式1】如圖7所示，定量測定氣體體積時，裝置1與裝置2相比優(yōu)點是。

裝置1

【答案】保證分液漏斗與蒸餾燒瓶內(nèi)壓強(qiáng)相等，液體順利流下；防止滴下的溶液液面上升排出氣體造成誤差

【解析】裝置1內(nèi)部連通，壓強(qiáng)相等。操作過程中，右側(cè)量氣裝置在生成氣體冷卻讀數(shù)時也要保證兩端液面相平，避免兩端有液面高度差形成內(nèi)外氣體壓強(qiáng)差導(dǎo)致讀數(shù)不準(zhǔn)。

以上高考題情境創(chuàng)設(shè)主要基于壓強(qiáng)大小變化維度構(gòu)建，利用氣體溶解度或化學(xué)反應(yīng)形成裝置內(nèi)壓強(qiáng)差變化從而解決問題。

三、模型構(gòu)建

由宏觀現(xiàn)象探析本質(zhì)特征，“裝置—操作”的視角考查一直是高考的重點與熱點。明確裝置作用是分析一個實驗原理的重要前提，積累裝置作用并構(gòu)建相應(yīng)的思維模型是解決實驗問題的一條捷徑。“壓強(qiáng)原理”的裝置模型構(gòu)建應(yīng)該基于壓強(qiáng)在裝置中的作用，即通過裝置進(jìn)行適當(dāng)操作減小壓強(qiáng)或增大壓強(qiáng)，利用壓強(qiáng)原理創(chuàng)造對實驗的有利條件或減小對實驗的干擾。

1.檢驗裝置堵塞(緩沖氣流)的功能

創(chuàng)設(shè)的問題情境往往是由于氣流過快，造成裝置內(nèi)壓強(qiáng)增大而干擾實驗。如2014年山東卷：工業(yè)上常利用含硫廢水生產(chǎn)Na2S2O3·5H2O，實驗室可用如圖8裝置(略去部分夾持儀器)模擬生產(chǎn)過程。

圖8

實驗中裝置B的作用是緩沖氣流及檢驗裝置是否堵塞。若后面裝置發(fā)生堵塞，會導(dǎo)致長頸漏斗內(nèi)液面上升。

2.引發(fā)化學(xué)反應(yīng)的功能

創(chuàng)設(shè)的問題情境一般是通過裝置利用壓強(qiáng)原理引發(fā)化學(xué)反應(yīng)，如2016年全國卷Ⅰ26題：氨氣與二氧化氮的反應(yīng)。將上述收集到的NH3充入注射器X中，硬質(zhì)玻璃管Y中加入少量催化劑，充入NO2(兩端用夾子K1、K2夾好)。在一定溫度下按圖9所示裝置進(jìn)行實驗。

圖9

操作步驟實驗現(xiàn)象解釋原因打開K1,推動注射器活塞,使X中的氣體緩慢通入Y管中①Y管中 ②反應(yīng)的化學(xué)方程式 將注射器活塞退回原處并固定,待裝置恢復(fù)到室溫Y管中有少量水珠生成的氣態(tài)水凝聚打開K2③ ④

3.加快過濾的功能

創(chuàng)設(shè)的問題情境一般要求快速過濾，所以通過裝置形成負(fù)壓。如2018年4月浙江省普通高校招生選考科目考試加試題(節(jié)選)：某興趣小組以廢鐵屑制得硫酸亞鐵銨后，按下列流程制備二水合草酸亞鐵(FeC2O4·2H2O)，進(jìn)一步制備高純度還原鐵粉。

已知：FeC2O4·2H2O難溶于水，150℃開始失結(jié)晶水；H2C2O4易溶于水，溶解度隨溫度升高而增大。請回答：

(2)如圖10裝置，經(jīng)過一系列操作完成步驟③中的抽濾和洗滌。請選擇合適的編號，按正確的操作順序補(bǔ)充完整(洗滌操作只需考慮一次)。

圖10

開抽氣泵→a→b→d→________→c→關(guān)抽氣泵。

a.轉(zhuǎn)移固液混合物 b.關(guān)活塞A c.開活塞A d.確認(rèn)抽干 e.加洗滌劑洗滌

本題答案是c→e→b→d，解題的關(guān)鍵是在洗滌前，應(yīng)先打開活塞A，再加入洗滌劑，最后關(guān)閉活塞A，確認(rèn)抽干后，再打開活塞A，因此，需要補(bǔ)充的步驟為c→e→b→d。

4.防止倒吸的功能

創(chuàng)設(shè)的問題情境通常為裝置內(nèi)壓強(qiáng)突然變小，存在安全隱患，因此需要添加裝置或改進(jìn)操作。如圖11所示是用KMnO4與濃鹽酸反應(yīng)制取適量氯氣的簡易裝置。

圖11

裝置B、C、D的作用分別是：B____________________；C____________________；D____________________。

B、C、D的作用分別是向上排氣收集氯氣；安全作用，防止D中的液體倒吸入B中；吸收尾氣，防止氯氣擴(kuò)散到空氣中污染環(huán)境。由于氯氣的密度比空氣大，收集氯氣時可用向上排空氣法，裝置B中導(dǎo)管是長進(jìn)短出，裝置C中導(dǎo)管是短進(jìn)長出，裝置B用來收集氯氣，裝置C用作安全瓶，防止D中的液體倒吸入B中，利用“肚容式”裝置減緩壓強(qiáng)避免造成實驗干擾。

5.檢驗實驗裝置氣密性的功能

利用壓強(qiáng)原理可以檢驗實驗裝置的氣密性，如圖12，首先將氣體密閉于一體積可變的容器中，通過改變氣體的溫度或體積，構(gòu)造壓強(qiáng)差，若產(chǎn)生氣泡或生成一段液柱，證明裝置氣密性良好。

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