與氣體有關的定量實驗題解題模型探究

定量實驗通常包括物質組成的測定和物質結構的測定（一般為有機物）、重要物理量的測定（如摩爾質量或阿伏加德羅常數等）、性質比較等．定量實驗是化學實驗的最高境界，它可以揭示化學的本質，幫助學生建立科學研究物質的方法體系和建立完整的化學知識體系，可以培養學生正確的化學觀念．

１ 真題賞析

例１ （２０２３年全國乙卷）元素分析是有機化合物的表征手段之一．按圖１實驗裝置（部分裝置略）對有機化合物進行C、H 元素分析．

回答下列問題：

（１）將裝有樣品的Pt坩堝和CuO 放入石英管中，先______，而后將已稱重的U 形管c、d與石英管連接，檢查______．依次點燃煤氣燈______，進行實驗．

（２）O２ 的作用有______，CuO 的作用是______（舉１例，用化學方程式表示）．

（３）c和d中的試劑分別是______、______（填標號）．c和d中的試劑不可調換，理由是______．

A．CaCl２ B．NaCl

C．堿石灰（CaO＋NaOH） D ． Na２SO３

（４）Pt坩堝中樣品CxHyOz 反應完全后，應進行操作：______ ，取下c和d管稱重．

（５）若樣品CxHyOz 為０.０２３６g，實驗結束后，c管增重０.０１０８g，d管增重０.０３５２g，質譜法測得該有機物的相對分子量為１１８，其分子式為______．

【試題來源】此題源自人民教育出版社（２０１９年版）選擇性必修３?有機化學基礎?第１５頁[或人民教育出版社（２００４年版）普通高中課程標準實驗教科書化學選修５?有機化學基礎?第１９頁]．在課本實驗的基礎上拓展為一道融合定性分析和定量計算的綜合實驗題．

【解題思路】解答試題首先是要明確實驗目的．實驗目的是統領整個實驗的主線，一般來說，題干中會直接給出實驗目的．本題的目的是分析有機物的組成元素并確定其分子式．其次是要明確實驗原理．一般可以從兩個方面入手分析．一是已有的知識，二是從題干提取或者是分析題中裝置獲得．

本題題干中“O２ 和CuO的作用、c和d中添加的試劑是什么”都可幫助我們分析實驗原理，如圖２所示．

實驗需要利用氣體的質量進行有關定量計算，因此后續要解決３個問題：一是確保有機物能完全被氧化;二是氧化產物完全被相應的試劑吸收;三是排除外界成分的干擾．第一個問題是由O２ 和CuO 完成;第二個問題由c、d中的試劑完成，同時采用鼓氣的方法將燃燒后的產物全部通入右側c、d中而被吸收;第三個問題是起初通入O２ 來排除裝置中的空氣，避免影響后續的測定．另一方面，d中吸收CO２ 的試劑能且只能吸收實驗中生成的CO２，不能吸收他處的CO２，d右側應再接一個裝堿石灰的U 形干燥管（題中省略了）．影響實驗結果的因素很多，為了實驗結果的準確性，可以用圖３所示思路進行分析．

由此可知，加入樣品和CuO 之后，先通一段時間O２，把裝置中影響實驗結果的CO２ 和H２O 等排盡;熄滅煤氣燈后，繼續通入O２，將裝置中殘留的氣體排入裝置c和d中，以保證吸收完全．故O２ 的作用為氧化有機物、排除空氣和將產生的CO２ 和H２O 排入吸收裝置中等．先點燃煤氣燈b，預熱CuO，以保證碳元素全部被氧化成CO２．根據題中所給的試劑，堿石灰能吸收CO２ 和H２O，而CaCl２ 吸收H２O，因此c中盛裝CaCl２，d中盛裝堿石灰．二者不可調換，否則堿石灰同時吸收CO２ 和H２O，不能分別測得CO２ 和H２O的質量．。

由上述分析及題中數據可知，n（H２O）＝０.０００６mol，n（CO２）＝０.０００８mol，則m （H）＝０.００１２g，m （C）＝ ０.００９ ６ g，故m （O）＝ ０.０２３ ６ g－０.００１２g－０.００９６g＝０.０１２８g，則n （H）＝０．００１２mol，n（C）＝０．０００８ mol，n （O）＝０.０００８mol．由此可知，該有機物的最簡式為C２H３O２，結合相對分子質量是１１８，可得其分子式為C４H６O４．

答案 （１）通入一定量O２;裝置氣密性;b、a．

（２）排出空氣、氧化有機物、將CO２ 和H２O 排入U 形管中;CO＋CuO=△=CO２＋Cu．

（３）A;C;堿石灰同時吸收水蒸氣和二氧化碳，不能分別測得H２O 和CO２ 的質量．

（４）停止加熱（先熄滅a處煤氣燈，一段時間后再熄滅b處煤氣燈），繼續通O２ 至裝置冷卻至室溫．

（５）C４H６O４．

２ 定量實驗題的解題模型

學生學習過程中要建立解題模型，從而使知識、原理和方法結構化，實現知識向素養的轉化．實驗通常包含實驗目的、原理、試劑和裝置、操作步驟和數據處理、實驗報告等要素，結合近幾年有關定量實驗試題的考查情況，抽提出圖４所示的解題模型．

由圖４可知，首先要明確實驗目的，再厘清實驗原理．實驗原理可以從題干中直接提取或分析題干裝置中的信息，通過類比、遷移等途徑來獲得．其次是根據實驗原理中物質的性質和反應條件來完成實驗器材的選擇與實驗方案的設計．對整個實驗有比較完整的認識和理解后，再依據題干上的具體問題，規范答題．在復習備考過程中，學生還可以利用思維導圖、價類二維圖和表格等形式，對知識進行系統的建構．另一方面，還要對試題情境、設問等進行分析，建構解題的思維模型和方法模型．在答題的時候找到題中新情境與平時建構模型的共同點，通過邏輯推理來實現遷移，完成知識關聯的結構化、認識思路的結構化和核心觀念的結構化．

３ 主題定量實驗的變式訓練

通過氣體的量測定某物質純度的主題實驗，可以采用不同的定量方法（常有測定氣體質量或體積兩種方法），學生要將零散的實驗知識、技能、方法、思想有機整合，串成線、聯成網，從而提升實驗能力、訓練其思維、落實學科核心素養．

例２ “魚浮靈”是一種常用的化學增氧劑，其主要成分是過碳酸鈉（２Na２CO３·３H２O２），也被稱作“固體雙氧水”，具有Na２CO３ 和H２O２ 的雙重性質，５０℃開始分解，溶解度隨溫度的升高而增大，在乙醇中溶解度較低．

Ⅰ．過碳酸鈉的合成．

某學習小組用Na２CO３ 與穩定劑的混合溶液和H２O２ 溶液反應制備過碳酸鈉．稱取２.０gNa２CO３（s）配制成飽和溶液后加入三頸燒瓶中，加入穩定劑，攪拌使其溶解，接著加入１１ mL 乙醇攪勻，再加入３０mL３０％ H２O２ 溶液攪勻，然后將盛有反應混合物的三頸燒瓶置于冰水浴中，攪拌反應３０min，裝置如圖５所示．

（１）儀器X 的名稱為，反應過程中使用冰水浴的目的是______．

（２）寫出生成過碳酸鈉的化學方程式______．

（３）反應生成物用減壓過濾裝置抽濾，其優點是______．

（４）為了獲得更純的過碳酸鈉固體，最后進行靜置、過濾、洗滌、低溫烘干，洗滌應選用的試劑為______．

A．熱水 B．碳酸鈉溶液 C．乙醇

Ⅱ．過碳酸鈉含量的測定．

取０.１４g過碳酸鈉樣品和少量二氧化錳倒入氣囊Q（Q 為彈性良好的氣球，氣囊內外氣壓差可忽略，導管內氣體體積可忽略不計）中進行測定，裝置如圖６所示．

（５）下列分析錯誤的是______．

A．氣囊Q 中產生的氣體主要成分為O２、CO２

B．測定氣體總體積必須關閉K１、K２，打開K３

C．量筒Ⅰ用于測CO２ 的量，干燥管b中裝入堿石灰，量筒Ⅱ用于測e4pu268g4lr87yygDD8AM36mfSf2PdqEWVp8L+/kqhE=O２ 的量

D．讀完氣體總體積后，關閉K３，緩緩打開K１、K２，可觀察到氣囊Q 慢慢縮小

（６）若無其他雜質，同溫同壓下量筒Ⅰ與量筒Ⅱ所測氣體的體積比理論值為______，若測得量筒Ⅱ中氣體的體積為１１２mL（已折算成標準狀況），則樣品中過碳酸鈉的含量為______％（保留２位有效數字）．

答案 （１）恒壓滴液漏斗;反應放熱，防止溫度過高使H２O２ 分解，不利于產品的生成（或其他合理答案）．

（２）２Na２CO３＋３H２O２＝２Na２CO３·３H２O２↓．

（３）過濾速度快，液體和固體易分離，所得固體較干燥．

（４）C．

（５）C．

（６）７∶３;７５．

（完）