化學探究性實驗綜合題的題型特點與解題策略

廣東 張景偉

廣東省新高考化學實驗探究題情境真實，獨具風格，以考查實驗方案設計為重點，具有探究性、綜合性和開放性的特點，對高中化學實驗教學有一定的測量和導向功能。如果教師能在復習教學中關注此類試題的特點、掌握其解題策略，這將對高三備考大有裨益。

一、學業要求

《普通高中化學課程標準(2017年版2020年修訂)》(以下簡稱《課程標準》)中對化學實驗部分的學業要求可歸納為以下幾點：

1.實驗探究的過程與方法：認識比較、歸納、分析、綜合等方法在分析推理過程中的應用。知道在實驗設計和實施過程中如何控制相關變量，知道如何對實驗數據進行分析。

2.實驗技能：掌握過濾(抽濾)、蒸餾(回流)、萃取、滴定等基本實驗操作，初步掌握酸度計等儀器的使用方法，掌握實驗裝置組裝的基本原則和技能。

3.實驗報告與記錄：知道如何規范地撰寫實驗報告，能準確、客觀地進行實驗記錄，特別關注實驗中出現的“異常”現象等。

4.實驗安全與環境環保意識：知道實驗室物品的分類、安全保存和使用要求。知道常見廢棄物的收集方法，樹立“綠色化學”思想，形成環境保護的意識。

5.科學態度：具有批判精神和創新意識。

二、考查內容與題型特點

1.考查內容分析

實驗探究題涉及讀圖析表、文獻解讀、文字表達等多方面的能力。一般是將基礎實驗與元素及其化合物知識相結合進行命題，考查內容從實驗操作到原理、從無機到有機、從定性到定量等，都有覆蓋，主要體現在以下幾點：第一，考查基礎知識點，如化學實驗試劑與儀器的選擇與使用；第二，考查化學原理的應用，如物質的制備與性質規律的驗證；第三，考查細節分析能力，如實驗現象的分析與描述；第四，考查創新思維素養，如實驗方案的設計與評價。

2.題型特點分析

實驗探究題是命題專家經深思熟慮設計出來的，常見的實驗設計主要有以下四種類型。

題型一：假設鑒定型實驗設計

【例1】(2010·廣東卷·33節選)某科研小組用MnO2和濃鹽酸制備Cl2時，利用剛吸收過少量SO2的NaOH溶液對其尾氣進行吸收處理。

①提出合理假設。

表1

②設計實驗方案，進行實驗。請在答題卡上寫出實驗步驟以及預期現象和結論。限選實驗試劑：3 moL·L-1H2SO4、1 moL·L-1NaOH、0.01 mol·L-1KMnO4、淀粉-KI 溶液、紫色石蕊試液。

②

表2

【解析】(3)①很明顯，假設3兩種離子都存在。

題型二：成分檢驗型實驗設計

【例2】(2011·廣東卷·33節選)某同學進行實驗研究時，欲配制1.0 mol·L-1Ba(OH)2溶液，但只找到在空氣中暴露已久的Ba(OH)2·8H2O試劑(化學式量：315)。在室溫下配制溶液時發現所取試劑在水中僅部分溶解，燒杯中存在大量未溶物。為探究其原因，該同學查得Ba(OH)2·8H2O在283K、293K和303K時的溶解度(g/100 g H2O)分別為2.5、3.9和5.6。

(2)假設試劑由大量Ba(OH)2·8H2O和少量BaCO3組成，設計實驗方案，進行成分檢驗。在答題卡上寫出實驗步驟、預期現象和結論。(不考慮結晶水的檢驗；室溫時BaCO3飽和溶液的pH=9.6)

限選試劑及儀器：稀鹽酸、稀硫酸、NaOH溶液、澄清石灰水、pH計、燒杯、試管、帶塞導氣管、滴管

表3

【答案】(2)

表4

【解析】(2)Ba(OH)2易溶于水，所以濾液中含有Ba2+，因此滴加稀硫酸會產生白色沉淀BaSO4；要想驗證沉淀為BaCO3，可以利用其能與酸反應產生能使澄清石灰水變渾濁的CO2氣體；為進一步證明試劑是否還有Ba(OH)2·8H2O，可以取步驟1中的濾液，用pH計測其pH，若pH>9.6，證明濾液不是單純的BaCO3飽和溶液，即證明是由大量Ba(OH)2·8H2O 和少量BaCO3組成，假設成立。

題型三：性質驗證型實驗設計

【例3】(2019·廣東模擬題·節選)草酸亞鐵晶體(FeC2O4·xH2O)為淡黃色粉末，不溶于水，可作照相顯影劑和用于制藥工業，某化學興趣小組對其性質進行如下探究。回答下列問題：

Ⅰ.定性探究

選用下列試劑設計實驗方案，完成表5內容。

表5

試劑：酸性KMnO4溶液、H2O2溶液、KSCN溶液

【答案】(1)草酸亞鐵不溶于水

(2)強于

(3)產生藍色沉淀

(4)繼續滴加K3[Fe(CN)6]溶液(或至不再沉淀)，靜置，取上層清液滴加酸性KMnO4溶液 紫色褪去

題型四：原理探究型實驗設計

【例4】(2014·廣東卷·33節選)某小組擬在同濃度Fe3+的催化下，探究H2O2濃度對H2O2分解反應速率的影響。限選試劑與儀器：30% H2O2、0.1 mol·L-1Fe2(SO4)3、蒸餾水、錐形瓶、雙孔塞、水槽、膠管、玻璃導管、量筒、秒表、恒溫水浴槽、注射器

(1)設計實驗方案：在不同H2O2濃度下，測定________(要求所測得的數據能直接體現反應速率大小)。

(2)設計實驗裝置，完成圖1的裝置示意圖。

圖1

(3)參照表6格式，擬定實驗表格，完整體現實驗方案(列出所選試劑體積、需記錄的待測物理量和所擬定的數據；數據用字母表示)。

表6

【答案】(1)生成相同體積的氧氣所需時間的多少，或相同時間內產生氧氣的體積多少。

(3)(探究生成相同體積的氧氣所需時間的多少的表格見表7)

表7

或(探究相同時間內產生氧氣的體積多少的表格見表8)

表8

【解析】(1)化學反應速率表示單位時間內物質的量濃度的變化量，測定不同濃度的過氧化氫對分解速率的影響，需測定相同時間內產生氧氣的體積多少，或生成相同體積的氧氣所需時間的多少。

(2)利用排水量氣法收集一定體積的氧氣，可用盛滿水的量筒倒立于盛水的水槽中，并用導管與題給裝置連接，按此思路，結合題目提供的錐形瓶、雙孔塞、水槽、膠管、玻璃導管、量筒、注射器等限選儀器即可設計出幾種常規量氣裝置圖。

(3)控制變量法思想的運用。應保證催化劑的濃度相同，故加入雙氧水溶液體積與水的總體積不變，通過改變二者的體積，探究不同H2O2濃度對反應速率的影響。

【例5】(2021·廣東省學業水平選擇性考試·17節選)含氯物質在生產生活中有重要作用。1774年，舍勒在研究軟錳礦(主要成分是MnO2)的過程中，將它與濃鹽酸混合加熱，產生了一種黃綠色氣體。1810年，戴維確認這是一種新元素組成的單質，并命名為chlorine(中文命名“氯氣”)。

(4)某合作學習小組進行以下實驗探究。

①實驗任務 通過測定溶液電導率，探究溫度對AgCl溶解度的影響。

②查閱資料 電導率是表征電解質溶液導電能力的物理量。溫度一定時，強電解質稀溶液的電導率隨溶液中離子濃度的增大而增大；離子濃度一定時，稀溶液電導率隨溫度的升高而增大。25℃時，Ksp(AgCl)=1.8×10-10。

③提出猜想

猜想a：較高溫度的AgCl飽和溶液的電導率較大。

猜想b：AgCl在水中的溶解度S(45℃)>S(35℃)>S(25℃)。

④設計實驗、驗證猜想 取試樣Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ(不同溫度下配制的AgCl飽和溶液)，在設定的測試溫度下，進行表9中實驗1～3，記錄數據。

表9

⑤數據分析、交流討論 25℃的AgCl飽和溶液中，c(Cl-)=________mol·L-1。

實驗結果為A3>A2>A1。小組同學認為，此結果可以證明③中的猜想a成立，但不足以證明猜想b成立。結合②中信息，猜想b不足以成立的理由有________________________。

⑥優化實驗 小組同學為進一步驗證猜想b，在實驗1～3的基礎上完善方案，進行實驗4和5。請在答題卡上完成表10中內容。

表10

⑦實驗總結 根據實驗1～5的結果，并結合②中信息，小組同學認為猜想b也成立。猜想b成立的判斷依據是________。

【答案】(4)1.34×10-5測試溫度不同，根據電導率結果無法判斷不同溫度下飽和溶液的溶解度 35 Ⅱ 45 由實驗結果A3>B2和A2>B1可說明S(45℃)>S(35℃)>S(25℃)

實驗1～3中為不同溫度的飽和溶液(即濃度不同)且測試溫度不同，根據資料“離子濃度一定時，稀溶液電導率隨溫度的升高而增大”，所以由實驗1～3無法判斷溫度較高的飽和溶液離子濃度大，進而不能得出溶解度關系。

⑥如果要判斷AgCl在水中的溶解度隨溫度的變化情況，可設計不同溫度下的飽和溶液在相同溫度下測試，如果溫度較高下的飽和溶液電導率比溫度較低的飽和溶液電導率高，則說明溫度升高飽和溶液中離子濃度增大。所以可以設計試樣Ⅰ在35℃下測試與實驗2比較；設計試樣Ⅱ在45℃下測試與實驗3比較。

⑦猜想b成立的判斷依據是A3>B2和A2>B1。

三、實驗探究題解題策略

高三化學實驗教學應加強對課本典型實驗的再認識，對各種類型的實驗探究進行復習，其目的就是要學生對實驗思路有一個整體的認識。有了這個思路，學生才能找到該類試題的解題策略，學生在解題時可以圍繞“做什么？用什么做？為什么這樣做？”的角度引發思考，實驗探究題基本解答流程為：閱讀題目→挖掘信息→找出原理→瀏覽問題→聯想模型→提出假設→設計方案→分析步驟→預期現象→解釋異常→得出結論。

1.讀懂實驗目的

細讀題干，明確目標，教師才能有的放矢。如何讀懂實驗目的是解決實驗探究題的首要任務，以目的為中心，依次確定實驗原理，選擇儀器與藥品，把握實驗步驟，預測實驗現象和結論，分析實驗操作中可能引起的誤差，并通過實驗操作驗證相關知識，解釋實驗中出現的與預測不一致的現象。

2.明確考查問題

每小題的設問也可以看出命題者的思路，瀏覽問題，尤其是尋找和應用題目給出的信息和原理是解答的關鍵。明確有關物質的性質，從目的與原理到尋找藥品、儀器，組裝實驗裝置，分析實驗現象和結論，再到實施過程中的注意事項、實驗安全等等，都可以作為試題考查的角度，考操作、考細節、考描述，考查問題相當廣泛。

3.聯想實驗模型

實驗探究題往往由教材實驗或平時的常見實驗題衍變而成，實驗原理來源于學生學過的元素化合物的基礎知識，儀器是教學中經常使用的。學生要學會對目標進行分解，類比聯想，將陌生問題熟悉化，結合實驗裝置和步驟，尤其是特殊的實驗裝置或操作，跟隨元素的流向探索物質變化，思考每一步在做什么。

4.優化考試答案

準確有效地回答是得分的關鍵。如填物質注意是名稱還是化學式；寫方程式看清是離子方程式還是化學方程式；答作用要突出關鍵詞；解計算要確定守恒關系；設計方案盡量套用積累的規范模板等等。