驗證型實驗題解答策略

■河南省濮陽市第一高級中學 王清泉

化學學科的核心素養之一是科學探究和創新精神,探究性實驗題依然是高考命題的熱點,這類試題是將探究性實驗的過程或結果結合相關知識點設計成試題的形式,將具體的問題情境化,針對發現的問題,作出大膽假設或猜想,并通過實驗對提出的假設或猜想進行證實或證偽,并將實驗設計、實驗操作、思考分析、得出結論讓考生準確地表述出來的試題。該題型的特點是給出生產、生活中的一些化學問題,或者科學研究中發現的一些化學現象,要求考生根據問題、實驗現象,在已有的知識和經驗基礎上,提出合理的科學假設,并且選擇恰當的方法驗證或者解釋提出的假設。此類題目重在考查考生發現和提出問題并嘗試解決問題的探究和創新能力。

2020年高考化學實驗題的命題趨勢:提出猜想、設計實驗、實施實驗、得出結論、交流反思以及拓展探究等內容,著眼于考查考生運用知識解決實際問題的能力。猜想驗證型實驗題一般是推斷產物的成分、提出對產物成分的假設等,題目有一定難度,有時題目會先做出1～2個假設例子,讓考生再提出其他的猜想。本文依據考綱的要求,通過例題來分析此類題的解題思路,并總結解題技巧,供考生參考。

一、假設的類型和方法

類型一：提出三個假設,探究甲、乙是否存在(共存型)。

方法:先分析甲和乙能否共存(可根據物質的氧化性和還原性),若能共存,則提出假設。

假設1:甲存在。

假設2:乙存在。

假設3:甲和乙都存在。

例1某種催化劑為鐵的氧化物。化學興趣小組在實驗室對該催化劑中鐵元素的價態進行探究:將適量稀硝酸加入少許樣品中,加熱溶解;取少許溶液,滴加KSCN 溶液后出現紅色。一位同學由此得出該催化劑中鐵元素價態為+3價的結論。

(1)請指出該結論是否合理并說明理由:___。

(2)提出合理假設。

假設1:催化劑中鐵元素的價態為+3價。

假設2:____。

假設3:催化劑中鐵元素的價態既有+3價,也有+2價。

答案：(1)該結論不正確。稀硝酸有強氧化性,若該鐵的價態為+2價,則被氧化為+3價,同樣可使KSCN 溶液變血紅色

(2)催化劑中鐵元素的價態為+2價

類型二：提出三個假設,探究甲、乙是否存在(排斥型)。

方法:先分析甲和乙能否共存,若不能共存,則提出假設。

假設1:只有甲。

假設2:只有乙。

假設3:既沒有甲也沒有乙。

例2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。

吸收尾氣一段時間后,吸收液(強堿性)中肯定存在Cl-、OH-和。請設計實驗,探究該吸收液中可能存在的其他陰離子(不考慮空氣中CO2的影響)。

(1)提出合理假設。

假設3:___。

(2)設計實驗方案,進行實驗。寫出實驗步驟以及預期現象和結論(在表1 中作答)。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。

表1

思路分析：(1)很明顯,SO2-3、ClO-兩種離子能相互反應,不能共存。根據假設2 提示可知:假設3是只存在ClO-。(2)加入硫酸的試管,SO2-3、ClO-分別生成了H2SO3和HClO;因H2SO3有還原性,在A 試管中加入0.01 mol·L-1KMnO4溶液,檢驗SO2-3的存在。HClO 有氧化性,在B 試管中滴加淀粉-KI溶液,用于檢驗ClO-的存在。根據實驗現象,得出結論。

答案：(1) ①只存在ClO-

(2)見表2。

表2

二、猜想驗證型實驗題的解題技巧

假設,其本質就是根據已有的知識經驗對已發現的問題給出一種嘗試性解釋。這種解釋可能是對的,也可能是錯的,有待于下一步的實驗驗證。提出假設時必須考慮兩個原則:一是合理性,即建立在已有知識、經驗的基礎上,言之成理,有一定科學性;二是可檢驗性,即這種解釋能夠通過實驗驗證,并且該實驗具有可行性,容易收集、記錄實驗現象和數據。

例3探究性實驗小組的同學將打磨過的鎂條投入到滴有酚酞的飽和NaHCO3溶液中,發現反應迅速,產生大量氣泡和白色不溶物,溶液的淺紅色加深。該小組同學對白色不溶物的成分進行了探究和確定。

(Ⅰ)提出假設:甲同學認為可能只是MgCO3,乙同學認為可能只是Mg(OH)2,丙同學認為可能是xMgCO3·yMg(OH)2。

(Ⅱ)定性實驗探究:

(1)取沉淀物少許于試管中,加入稀鹽酸時固體溶解,產生大量氣泡,則____同學假設錯誤(選填“甲”“乙”或“丙”)。

(Ⅲ)定量實驗探究:取一定量已干燥過的沉淀樣品,利用下列裝置(圖1)測定其組成(部分固定夾持類裝置未畫出),經實驗前后對比各裝置的質量變化來分析沉淀的組成,得出丙同學的假設是正確的。請回答下列問題:

圖1

(2)實驗中合理的連接順序為:e→____→____→____→____→_____→g→h(各裝置只使用一次)。

(3)實驗一段時間后,當B 裝置中____(填實驗現象),停止加熱,說明固體已分解完全;打開f處的活塞,緩緩通入空氣數分鐘的目的是____。

(4)指導老師認為在上述實驗裝置中末端還需再連接一個D 裝置,若無此裝置,會使測出的x∶y的值____(選填“偏大”“偏小”或“無影響”)。

(5)若改進實驗后,最終裝置B質量增加mg,裝置D 質量增加了ng,則x∶y=_____。(用含m、n的代數式表示)

思路分析：本題就是根據實驗現象,提出合理假設,再設計具體實驗,并進行分析,最終得出結論。此類題的關鍵是理解命題意圖,只要清楚命題人的思路,則問題就迎刃而解了。具體分析如下:

(1)沉淀物中加入稀鹽酸時固體溶解,產生的氣泡為CO2,一定有MgCO3,則乙同學假設錯誤。

(2)濃硫酸吸收分解產生的水蒸氣,堿石灰吸收分解產生的CO2,利用空氣排盡裝置中產生的氣體,實驗中合理的連接順序為:e→f→a→b→d→c→g→h 或e→f→b→a→d→c→g→h。

(3)當B裝置中無氣泡冒出時,說明固體已分解完全;打開f處的活塞,緩緩通入空氣數分鐘的目的是排出裝置中的CO2和水蒸氣。由于空氣中含有水蒸氣和CO2,所以裝置C中堿石灰的作用是吸收通入空氣中的CO2和水蒸氣。

(4)在上述實驗裝置中末端還需再連接一個D 裝置,若無此裝置,空氣中的水蒸氣和CO2也被堿石灰吸收,導致生成的CO2質量增加,由此計算出的MgCO3質量增加,因此會使測出的x∶y的值偏大。

(5)改進后,最終裝置B 質量增加mg,即產生水是,裝置D 質量增加了ng,CO2的物質的量是,則根據原子守恒可知。

答案：(1)乙同學 (2)f a b d c(或f b a d c) (3)無氣泡冒出 排出裝置中的CO2和水蒸氣 (4)偏大(5)

例4過碳酸鈉(2Na2CO3·3H2O2)是一種集洗滌、漂白、殺菌于一體的氧系漂白劑,該晶體具有Na2CO3和H2O2的雙重性質。利用圖2 裝置制備過碳酸鈉,在冷水浴中充分反應后,按如下流程可獲得過碳酸鈉產品。

圖2

(1)如果配制過碳酸鈉的水中含有鐵離子,不僅會削弱洗滌劑的去污能力,甚至完全失去殺菌作用。試分析其中的原因:____(寫出其中一種即可,用方程式表示)。

(2)某化學學習小組為了定性探究鐵離子對這種新型漂白劑的不良影響,取該漂白劑100 mL,加入25gFeCl3固體,產生大量無色無味氣體,用貯氣瓶收集氣體。

請選用下列試劑和實驗用品完成氣體成分的探究過程:0.1 mol·L-1NaOH 溶液、8.0 mol·L-1NaOH 溶液、澄清石灰水、0.01 mol·L-1KMnO4溶液、BaCl2稀溶液、品紅溶液、蒸餾水、木條、酒精燈、火柴、洗氣瓶。

①提出假設:對該氣體成分提出合理假設。

假設1:氣體是O2。

假設2:氣體是____。

假設3:氣體是CO2。

②設計方案:設計實驗方案證明你的假設,在表3中完成實驗步驟、預期現象與結論。

表3

思路分析：(1)鐵離子可以作催化劑,使過氧化氫分解,另外鐵離子和碳酸根離子可以發生水解相互促進的反應。(2)CO2和O2可以共存,這是共存假設,無色無味氣體可能是O2或CO2或CO2和O2兩者的混合氣體。檢驗CO2用澄清石灰水,除去CO2用NaOH 溶液,檢驗O2用帶火星的木條。

答案：(1)

(2)①CO2和O2②澄清石灰水8.0 mol·L-1NaOH 溶液 并將帶火星的木條放在最后一個洗氣瓶的出口處 若澄清石灰水不變渾濁,木條復燃,則假設1 成立;若澄清石灰水變渾濁,木條復燃,則假設2成立;若澄清石灰水變渾濁,木條不復燃,則假設3成立

例5某研究性學習小組在網上收集到如下信息:Fe(NO3)3溶液可以蝕刻銀,制作美麗的銀飾。他們對蝕刻銀的原因進行了如下探究。

【實驗】

制作銀鏡,并與Fe(NO3)3溶液反應,發現銀鏡溶解。

【提出假設】

假設1:Fe3+具有氧化性,能氧化Ag。

假設2:Fe(NO3)3溶液顯酸性,在此酸性條件下能氧化Ag。

【設計實驗方案,驗證假設】

(1)甲同學從上述實驗的生成物中檢驗出Fe2+,驗證了假設1的成立。請寫出Fe3+氧化Ag的離子方程式:____。

(2)乙同學設計實驗驗證假設2,請幫他完成表4中內容(提示:在不同條件下的還原產物較復雜,有時難以觀察到氣體產生)。

表4

【思考與交流】

(3)甲同學驗證了假設1成立,若乙同學驗證了假設2成立,則丙同學由此得出結論:Fe(NO3)3溶液中的Fe3+和都氧化了Ag。

你是否同意丙同學的結論,并簡述理由:___。

思路分析：Fe(NO3)3溶液可以蝕刻銀,Fe3+和酸性條件下的都具有氧化性,究竟是哪種離子的作用,需要進行探究。甲同學從上述實驗的生成物中檢驗出Fe2+,驗證了假設1的成立。乙同學設計實驗驗證假設2,測定上述實驗用的Fe(NO3)3溶液的pH,配制相同pH 的硝酸溶液,將此溶液加入有銀鏡的試管內,觀察銀鏡是否消失,進而推斷酸性條件下的能否氧化Ag。第3問是對實驗的進一步思考,并進行理論分析。

答案：(1)(2)①測定上述實驗用的Fe(NO3)3溶液的pH

②配制相同pH 的硝酸溶液,將此溶液加入有銀鏡的試管內

(3)不同意。甲同學檢驗出了Fe2+,可確定Fe3+一定氧化了Ag;乙同學雖然驗證了此條件下能氧化Ag,但在硝酸鐵溶液氧化Ag時,由于沒有檢驗的還原產物,因此不能確定氧化了Ag

解題技巧：猜想型試題體現了開放性和探究性,考生要做出假設,選擇合適試劑和儀器,設計實驗方案,進行實驗操作。分析解答此類試題,要對題給信息進行對比,分析命題意圖,找出特殊現象,結合實驗條件,找到解題突破口。具體步驟為:

1.提出猜想:所謂猜想就是根據已有知識對問題的解決提出的幾種可能的情況。有一些問題,結論有多種可能(這就是猜想),只能通過實驗進行驗證。

2.設計驗證方案:提出猜想后,就要結合題給條件,設計出科學、合理、安全的實驗方案,對可能的情況進行探究。

3.根據實驗現象,得出結論:結合已有知識,進行推理分析或計算分析得出科學結論。

總之,理清實驗目的和實驗過程,縝密思維,分析每步操作的真實目的,精準解答,規范書寫。相信每位考生都能考出自己滿意的成績,為金色六月的輝煌交出自己滿意的答卷。