探尋命題思路 把握解題規律
——化學實驗綜合題的命題與解題剖析

吉林 趙鑫光 郝家琳

化學實驗綜合題通常以真實的化學化工實驗為背景，通過系統的實驗設計和完備的研究方法加以呈現。該試題因綜合程度高、命題素材廣、考查角度靈活等特點在高考中高頻出現。該試題主要考查學生對基本儀器的識別與應用能力，物質的制備、除雜與分離操作能力，實驗現象分析能力，實驗步驟的改進和設計能力，語言描述、總結與評價能力以及數據處理能力等，具有較強的選拔功能。

近年來，化學實驗綜合題常通過新穎的實驗情境，要求考生根據實驗目的和原理，解決真實問題，將基礎知識、必備技能和研究方法與情境結合，體現了高考命題對“證據推理與模型認知”及“科學探究與創新意識”化學學科核心素養的考查。本文嘗試以“坎尼扎羅反應”為例，對化學實驗綜合題的命題與解題進行簡單剖析，希望對廣大一線教師有所幫助。

【反應原理】

意大利化學家坎尼扎羅在1895年，通過用草木灰處理苯甲醛獲得了苯甲酸和苯甲醇，這個反應通常稱為坎尼扎羅反應。它是一個含醛基化合物的歧化反應，其反應原理是

該反應過程中放出較大熱量。

【實驗裝置】

本實驗可能用到的實驗裝置如圖所示：

a

b

c

d

【實驗步驟】

①向儀器A中加入0.1 mol新蒸餾的呋喃甲醛，用冰水浴冷卻，向儀器B中加入8 mL 33%的NaOH溶液，在機械攪拌下，緩慢滴加氫氧化鈉溶液，控制反應溫度為8～12℃，滴加完成后保持溫度在8～12℃，回流20 min，得到黏稠的黃色漿狀物。

②將儀器A中的產物倒入盛有約20 mL水的燒杯中，粗產品完全溶解，溶液呈暗紅色，將混合物倒入分液漏斗，用乙醚萃取4次，每次10 mL，合并醚層備用。

③向水層中分批加入25%鹽酸，調節至pH=3，冷卻結晶，過濾得到呋喃甲酸粗品(略帶黃色)。

④在醚層中加入適量無水硫酸鎂，振蕩靜置，過濾后轉移至蒸餾裝置，采用水浴蒸出乙醚，繼續加熱蒸餾得到產品呋喃甲醇3.5 mL。

⑤將呋喃甲酸粗品，用適量水加熱溶解，停止加熱稍冷后加入0.2～0.3 g活性炭，繼續加熱煮沸3～5 min，趁熱減壓過濾，將濾液冷卻至室溫后，再用冰水浴冷卻，過濾，洗滌，80～85℃烘干，得到呋喃甲酸樣品4.8 g。

⑥呋喃甲酸純度的測定：取1.120 g呋喃甲酸樣品，配成溶液，并在100 mL容量瓶中定容備用。配制氫氧化鉀溶液，經鄰苯二甲酸氫鉀標定后，其濃度為0.080 0 mol·L-1。準確量取20.00 mL呋喃甲酸溶液于錐形瓶中，滴加合適的指示劑，用標定后的氫氧化鉀溶液滴定，平行滴定三次的數據如表1所示。

表1

【相關信息】

實驗中可能用到的相關物質的物理性質如表2所示。

表2

【設問方向一：對實驗原理的理解和分析】

(1)實驗時要緩慢滴加氫氧化鈉溶液，其原因是________________。

(2)反應過程中溫度要控制在8～12℃，溫度過高或過低對實驗結果的影響是________。

(3)步驟③中化學反應的離子方程式為____________________________。

(4)配制的氫氧化鉀溶液需要標定，其原因是________________。

【分析及參考答案】

(1) 由題干信息中“該反應過程中放出較大熱量”可知該反應為放熱反應，滴加氫氧化鈉過快會使溫度升高，發生副反應，影響產物的產率。

(2)溫度過高，會導致發生副反應，使該反應產率降低；溫度過低，反應速率過慢，使連續滴加的NaOH聚集，一旦開始反應溫度將無法控制。

(4)因氫氧化鉀固體會吸水，且配制溶液時氫氧化鉀會與空氣中的CO2反應，造成溶液濃度不準確，故滴定前應該用基準物進行標定，確定其準確濃度。

(6)由甲醛、苯甲醛、呋喃甲醛的結構簡式可知，它們共同的特點是與醛基相連的碳原子上沒有氫原子，而乙醛中與醛基相連的碳原子上有氫原子，故能發生坎尼扎羅反應的醛的結構特點為與醛基相連的碳原子上沒有氫原子(或無α-H的醛)。

【設問方向二：對實驗儀器的辨識和選擇】

(7)裝置圖中，儀器A～G的名稱分別是A_________，B_________，C_________，D_________，E_________，F_________，G_________。

(8)與普通分液漏斗相比，儀器B的優點是____________________________。

(9)在滴加氫氧化鈉的過程中，機械攪拌的目的是________________。

(10)水浴蒸餾乙醚時應選用容積為________的圓底燒瓶。

A.25 mL B.50 mL C.100 mL D.250 mL

(11)步驟⑥中準確稱量呋喃甲酸樣品應使用的儀器是________。

【分析及參考答案】

(7)考查對基本化學儀器的辨識，故A為三頸燒瓶，B為恒壓滴液漏斗，C為球形冷凝管，D為溫度計，E為圓底燒瓶，F為直形冷凝管，G為錐形瓶。

(8)恒壓滴液漏斗與普通分液漏斗相比，有一個連通分液漏斗和反應容器的恒壓管，它可以平衡氣壓，便于液體順利滴下，防止滴加的液體揮發損失，也可以防止漏斗中的液體與空氣中的氧氣、水蒸氣、二氧化碳等發生反應而損失。

(9)根據反應原理和各物質的物理性質，氫氧化鈉溶液與呋喃甲醛不互溶，該反應在兩相中進行，機械攪拌可以增大兩相的接觸面積，加快反應速率。

(11)步驟⑥中稱量呋喃甲酸的質量需要精確到0.001 g，故選擇的儀器應該為電子天平或分析天平。

【設問方向三：對實驗試劑的選取和使用】

(12)實驗中應使用新蒸餾的呋喃甲醛，其原因是________________。

(13)步驟②中選用乙醚作為萃取劑的原因是________________。

(14)步驟④中無水硫酸鎂的作用是________，

其作用原理為________，蒸餾醚層獲取呋

喃甲醇前必須過濾的原因是________________。

(15)滴定過程中使用的指示劑是____________，其原因是________。

其滴定至終點的現象是________。

【分析及參考答案】

(12)根據題干信息中呋喃甲醛的性質“在空氣中易被氧化變色”，可得出：久置的呋喃甲醛會被空氣中的氧氣氧化為呋喃甲酸，而使反應物不純。

(13)本題考查萃取劑的選用原則，選用乙醚作萃取劑的原因為以下三點：①乙醚與水不互溶；②呋喃甲醇在乙醚中溶解度比在水中大；③呋喃甲醇與乙醚不反應。

(14)本題考查無水鹽作為干燥劑的原理，無水硫酸鎂的作用是除去有機物中少量的水，其原理是無水硫酸鎂可與游離水形成結晶水合物從而將水除去；因結晶水合物不穩定會受熱分解出水蒸氣，與產物同時蒸出，導致產物不純，故蒸餾前必須過濾。

(15)本題考查酸堿中和滴定時指示劑的選擇，使用的指示劑是酚酞溶液，其原因是呋喃甲酸鉀是一個強堿弱酸鹽，達到滴定終點時溶液顯堿性，故使用酚酞試劑作為指示劑可以減少滴定終點的誤差。滴定終點的判斷方法是滴入最后一滴氫氧化鉀標準溶液后，錐形瓶內溶液的顏色由無色變為淺紅色且半分鐘內不恢復。

【設問方向四：對實驗步驟、現象的理解和解釋】

(16)步驟①中，在反應過程中控制反應溫度在8～12℃之間的方法是________。

(17)步驟②中得到的暗紅色液體，用乙醚萃取后得到的物質是________(寫名稱和結構簡式)。每次分液時，乙醚層應該從分液漏斗的________(填“上口”或“下口”)倒出。

(18)步驟④中，水浴蒸餾乙醚時，尾接管(牛角管)的m端口應連接橡膠管并深入到水槽底部，其目的是________________________；在開始加熱前應先________，再開始加熱，判斷乙醚已經蒸餾完全的依據是________________。

(19)步驟⑤中，提純呋喃甲酸的方法為________(填方法名稱)，加入活性炭的目的是________________。如未停止加熱，直接加入活性炭可能導致的后果是________。

活性炭的用量應有所控制，若加入過量活性炭可能導致的后果是________________。

(20)步驟⑤中，濾液冷卻至室溫后，繼續冰水浴冷卻的目的是________________；烘干溫度為80～85℃，溫度過高可能造成的后果是________________。

【分析及參考答案】

(16)該反應放熱，如想控制反應溫度，應該將三頸燒瓶適當浸在冰水浴中，保證反應溫度在8～12℃之間。

(18)乙醚沸點較低，且與空氣混合后遇明火會燃燒，故應將牛角管的m端口連接橡膠管并深入到水槽底部，其目的是減少乙醚揮發到空氣中，與空氣混合遇明火爆炸；蒸餾操作的順序是先通入冷凝水，再開始加熱；當牛角管末端無液體滴出或溫度計示數略有下降后繼續上升時可表明乙醚已經蒸餾完全。

(19)根據步驟⑤中的描述，該提純方法為重結晶；活性炭具有多孔性，其作用是對產品進行脫色；活性炭的孔道中吸附有氣體，若未停止加熱直接加入活性炭會使吸附的氣體瞬間受熱膨脹，引起暴沸造成危險；由于活性炭的吸附性是沒有選擇性的，故加入活性炭過多會導致產品被活性炭吸附，降低產量。

(20)因呋喃甲酸的溶解度隨溫度降低而減小，故冷卻至室溫后，繼續冰水浴冷卻的目的是降低呋喃甲酸的溶解度，盡可能多的獲得產品，增大產率；根據題干中信息，呋喃甲酸超過100℃干燥容易升華，造成產率降低。

【設問方向五：對實驗數據的分析和處理】

(21)簡述如何量取0.1 mol呋喃甲醛？

________。

(22)由實驗相關信息和數據可計算出

①呋喃甲酸的純度為________；

②呋喃甲酸的產率為________；

③呋喃甲醇的產率為________(計算結果均保留三位有效數字)。

【分析及參考答案】

(21)根據表格信息，經過計算，0.1 mol呋喃甲醛的體積為0.1×96÷1.16 mL=8.28 mL，應該使用10 mL量筒量取8.3 mL呋喃甲醛液體。

【設問方向六：對實驗設計方案的改進和創新】

(23)乙醚完全蒸出后若采用常壓蒸餾呋喃甲醇，繼續加熱前應將蒸餾裝置(如圖b所示)中的________(填儀器名稱)換成________(填儀器名稱)，若無對應儀器進行更換，一個簡單的操作是________，

加熱到達所需溫度前，應將________(填儀器編號)更換為另一干凈的相同儀器，收集________℃的餾分可得到產品。

(24)蒸餾呋喃甲醇時也可以采用減壓蒸餾裝置(如圖c所示)，H是一根毛細玻璃管，其作用是________；

減壓蒸餾的作用是________。

(25)趁熱減壓過濾裝置如圖d所示，將n端接入真空泵，減壓過濾和常壓過濾相比其優點是________；

趁熱減壓過濾的目的是____________________；趁熱減壓過濾需要使用雙層濾紙，因在過濾過程中單層濾紙容易破裂，其原因是________。

【分析及參考答案】

(23)呋喃甲醇的沸點為171℃，當液體的沸點超過140℃時，為防止冷凝管炸裂，應將直形冷凝管換成空氣冷凝管；若沒有空氣冷凝管，應停止向直形冷凝管中通水，并將冷凝管中殘留的水排盡后用作空氣冷凝使用；接收餾分前應更換新的干凈的錐形瓶，以確保收集的餾分純凈；呋喃甲醇的沸點為171℃，故收集產品時溫度計示數應為171℃。

(24)本題考查的是減壓蒸餾的基本原理，毛細玻璃管的作用是提供氣化中心；因為液體的沸點隨壓強的減小而降低，故減壓蒸餾的作用是在較低溫度下蒸餾出沸點較高的餾分，防止溫度過高造成有機物分解。

(25)減壓過濾的原理是減小抽濾瓶中的壓強，在大氣壓的作用下，將液體快速過濾，故與常壓過濾相比，其優點是加快過濾速度；趁熱減壓過濾的目的是需要分別進行考慮的：趁熱是為了防止產物在過濾時析出，影響產量，而減壓是為了加快過濾速度，過濾是為了除去不溶性的雜質；使用雙層濾紙是因為高溫下酸性溶液對濾紙有較強腐蝕作用，若使用單層濾紙容易造成透濾。

縱觀歷年高考化學實驗綜合題，雖呈現方式可能不盡相同，但考查的核心知識相對穩定。內容上一般以物質的制備、性質的探究等為載體，主要考查化學方程式的書寫、實驗基本操作的描述和實驗方案的設計優化等。命題選取的反應原理既源于教材又高于教材；試題考查要求重視對實驗基本操作和基本能力的考查，將實驗方法滲透于試題中，增加對實驗設計和實驗評價的考查力度；設問上具有由易到難的梯度，既有對教材知識的考查，又有對實驗綜合內容的考查。針對高考試題，教師引導學生備考時要注重解決問題或解題的思維模型，注重尋找原理依據，掌握基本方法，分析思路過程，注重對語言描述等幾個方面的訓練，以求在備考過程中達到事半功倍的效果。