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探究型化学实验题归类解析

来源:未知作者:翟娜 点击:所属专题: 探究实验
探究型化学实验题是一类要求考生用类似科学研究的方式,主动地获取知识,应用知识解决问题的学习活动。它符合自然科学方法论的基本过程,实验一般程序为:发现和明确要解决的问题→收集有关的资料和数据→提出假设→设计实验验证假设→分析、研究处理资料和数据→发现规

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探究型化学实验题是一类要求考生用类似科学研究的方式,主动地获取知识,应用知识解决问题的学习活动。它符合自然科学方法论的基本过程,实验一般程序为:发现和明确要解决的问题→收集有关的资料和数据→提出假设→设计实验验证假设→分析、研究处理资料和数据→发现规律形成结论。这类试题能培养学生象科学家那样去学习、研究、探索事物的规律,对学生形成科学的世界观和方法论,培养创新能力大有裨益。

一.对化学原理的探究

[例1] 在少量Mg(OH)2悬浊液中,滴加适量饱和NH4Cl溶液,固体溶解.对于固体的溶解,甲的解释是:在Mg(OH)2悬浊液中存在溶解平衡:Mg(OH)2(s)探究型化学实验题归类解析Mg2++2OH NH4Cl发生水解:NH4+H2O探究型化学实验题归类解析NH3·H2O+H+水解产生的H与Mg(OH)2电离出来的OH发生了中和反应,使Mg(OH)2的溶解平衡向右移动而使Mg(OH)2溶解.乙的解释是:NH4Cl电离出的NH4与Mg(OH)2电离出的OH发生反应生成了弱电解质NH3·H2O,由c(OH)降低,而使Mg(OH)2的溶解平衡向右移动,导致Mg(OH)2溶解.怎样确定哪种解释正确?

解析:甲认为在少量Mg(OH)2悬浊液中,滴加适量饱和NH4Cl溶液,固体溶解,是因为NH4Cl水解,溶液呈酸性; 乙认为在少量Mg(OH)2悬浊液中,滴加适量饱和NH4Cl溶液,固体溶解,是因为NH4Cl溶液中存在NH4离子.据此可知,只要向少量Mg(OH)2悬浊液中,滴加一种含有NH4离子且呈中性的溶液,根据产生的现象就能作出判断.这种溶液我们很容易想到CH3COONH4.即向Mg(OH)2沉淀中加入中性的醋酸铵浓溶液,加入后若Mg(OH)2不溶解,说明甲同学的解释正确;溶解了则是乙同学的解释正确.

[例2]在含有酚酞的NaOH溶液中,滴加新制氯水,边滴边振荡,直到红色刚好褪去.对于红色消失的原因,甲认为是氯气与水反应生成的HCl和HClO中和了NaOH所致;乙认为是氯气与水反应生成的HClO具有强氧化性使红色酚酞变成了无色的物质. 怎样确定哪种解释正确?

解析:分析氯水构成的微粒(Cl2、H2O、HClO、Cl、H、OH、ClO)及其性质,提出褪色原因的假设。(1)氯水中的盐酸和次氯酸跟氢氧化钠溶液发生中和反应,能使溶液的pH逐渐减小而呈无色;(2)次氯酸具有氧化性、漂白性,能使红色酚酞试液褪色。预测结果:若褪色原因由(1)引起,则根据酚酞指示剂变色范围的要求,向褪色后的溶液中滴加NaOH溶液,提高溶液的pH。若又恢复成红色,则说明褪色是由氯水跟NaOH溶液发生中和反应所致。若褪色原因由(2)引起,也可以用上述实验证明。向上述刚好褪色的溶液中再滴入一些NaOH溶液,若红色复出,则是因为HCl和HClO的酸性所导致;若红色不复出,则是因为HClO的强氧化性所致。

二.对反应条件的探究

[例3]在溴水中加入镁粉,溴水褪色.对于褪色的原因,甲认为是溴溶于水后,溴和水发生了可逆反应:Br2+H2O===HBr+HBrO,当向溴水中加入镁粉之后,则发生以下两种反应:Mg+2HBr==MgBr2+H2↑ Mg+2HBrO==Mg(BrO)2+H2↑由于上述反应的发生,使溴水中的平衡向正反应方向移动,从而使溴水褪色;乙认为,镁是活泼的金属元素,在溴水中存在大量的溴,应该是溴与镁粉直接反应:Mg+Br2===MgBr2而使溴水褪色. 怎样确定哪种解释正确?

解析:(1)在溴水中加入镁粉,立即观察现象,看是否在段时间内有大量气体产生,如果有大量气体产生,则甲的解释有道理;(2)把镁粉加入到Br2的CCl4溶液中,振荡,看溴的CCl4溶液是否褪色,如果不褪色,说明镁不能与干燥的溴发生反应;(3)向溴的CCl4溶液中加入少量水,再加入镁粉,振荡,看溴的CCl4溶液是否褪色,再加入少量的无水CuSO4,振荡,观察现象,根据实验现象就可作出结论。

三.对物质性质的探究

[例4]在室温下,把Cu片放入浓H2SO4中,没有明显的反应现象。对此,甲认为这是铜在浓H2SO4里产生了钝化现象;乙认为室温下铜片放入浓H2SO4中看不见明显的现象主要是因为Cu与浓H2SO4在室温下反应速率很慢。怎样确定哪种解释正确?

解析:在一个烧杯中放入一块铜片,再加入适量的浓H2SO4,使Cu片浸没在酸中,稍待片刻,用镊子取出,用水洗净Cu片表面的酸液。将用浓H2SO4处理过的铜片放入盛有AgNO3溶液的烧杯中,观察现象。如果表面有白色的物质析出,溶液的颜色变蓝,则Cu在浓H2SO4里没有产生钝化现象,乙的说法正确。如果表面没有白色物质析出,溶液的颜色也无变化,则甲的说法正确。

四.对有机反应机理的探究

[例5]新近发现了烯烃的一种新反应,当RCH==CHR’(I)在苯中用一种特殊的催化剂处理时,歧化成RCH==CHR(II)和R’CH==CHR’(III),即

2RCH==CHR’探究型化学实验题归类解析RCH==CHR + R’—CH==CHR’

(I)              (II)               (III)


对上述反应,提出了两种解释:

(1)RCH==CH—R’

R—CH==CHR’探究型化学实验题归类解析RCH==CHR + R’—CH==CHR’

(2)RCH===CHR’

RCH===CHR’探究型化学实验题归类解析RCH==CHR + R’—CH==CHR’

试问进行怎样的实验能够区分这两种解释?

解析:要确定有机反应机理,可联想高二教材中学过的乙酸与乙醇的酯化反应机理的确定,即利用同位素原子示踪法(用含18O的乙醇与乙酸反应)完成的.故本题亦可利用同位素原子示踪法来区分这两种解释:即用RCH==CDR’的烯烃进行实验,若所的产物为:RCH==CDR和R’CH==CDR’,则(1)解释合理;若产物为: RCH==CHR和 R’CD==CDR’,则(2)解释合理.

五.对实验中反常现象的探究

[例6]在一次学生实验中,学生用铝片分别和稀盐酸、稀硫酸反应,发现铝片和稀盐酸反应现象非常明显,而和稀硫酸却几乎不反应.这和教材上的内容“铝能跟稀盐酸或稀硫酸起反应生成氢气”不一致,是什么原因呢?是试剂,药品出了问题吗?为了找原因,某学生在教师指导下重新用分析纯浓盐酸和浓硫酸配制了一定浓度的溶液,然后加入0.1 mmX,10 mmX ,25 mm,纯度≥99.5%的铝片验证是否确实存在上述现象,实验结果如下表.


反应进程(min)

1

2

5

15

20

3 mol·L-1HCl

少量气泡

较多气泡

大量气泡

反应剧烈

铝片耗尽

1.5 mol·L-1H2SO4

均无明显现象(无气泡)

3 mol·L-1H2SO4

均无明显现象(无气泡)


无论是用1.5 mol·L-1H2SO4还是用3 mol·L-1H2SO4,均无明显反应现象,其结论还是与教材的叙述不相符合.

(1).为了探究”铝与稀盐酸、稀硫酸反应的差异原因”,你能对问题的答案作出哪些假设(或猜想)?

假设一__________________;

假设二______________.

(2).为了论证上述假设,你设计的实验方案是(探究过程):________.

解析:铝片跟非探究型化学实验题归类解析氧化性酸溶液反应实质上是Al跟H的反应,稀盐酸、稀硫酸都是非氧化性酸,理论上讲铝c(H)相等的稀盐酸或稀硫酸的反应速率应该相等。但根据实验事实,铝分别在3 mol·L-1HCl、1.5 mol·L-1H2SO4溶液中反应现象明显不同,可能是跟溶液中H所处的环境不同有关(如阴离子的不同),由此而入手可作出如下假设:

(1)假设一:Cl能促进金属铝与H的反应;假设二:SO42对H与金属铝的反应起阻碍作用。

(2)实验:A-D组分别取稀HCl、H2SO4,加入纯度为99.5%的铝片各一小片,然后添加NaCl,Na2SO4晶体;E组为除去铝片表面的氧化膜后与稀H2SO4反应,记录实验现象。


组别

各取5mL 酸

添加试剂

反应现象(5MIM后)

A

3 mol·L-1H2SO4

加入0.5 g NaCl晶体


B

3 mol·L-1H2SO4

加入1.4 g Na2SO4晶体


C

3 mol·L-1HCl

加入1.4 g Na2SO4晶体


D

3 mol·L-1HCl

不加试剂(对比)


E

3 mol·L-1H2SO4

不加试剂(对比)


六.对反应产物的探究

[例7]某中学生取50.00 g 纯净的Na2SO3·7H2O,在600℃以上将其强热至恒重.分析及计算结果表明,恒重后样品的质量相当于无水亚硫酸钠的计算值,且各元素的组成也符合计算值,但将它溶于水时却发现溶液的碱性大大高于期望值.经仔细思考,这位同学解释了这种反常现象,并设计了一组实验,验证了自己的解释是正确的.

(1)他对反常现象的解释是(请用化学方程式表示)____________________

(2)他设计的验证性实验是(请用化学方程式表示)____________________

解析:(1)Na2SO3·7H2O晶体受强热后所得样品不可能只是失去结晶水,因为它碱性大大增强,故也不可能是NA2SO4(因其是中性物质).只能通过猜想→求证或推理,且只有对反常现象作出了正确的解释,才有可能设计出合理的实验.通过分析,可对三条题给信息进行加工:①失水后其余元素与质量不变,说明无氧气的参与和硫蒸气析出;②样品溶于水后碱性大增,说明生成了比Na2SO3碱性更强的物质;③Na2SO3中的S元素处于中间价态,可以歧化.综合以上结论不难发现,分解产物很可能是NA2S与Na2SO4,化学方程式为:4Na2SO3====Na2S + 3Na2SO4

(2)因题中无明确信息说明Na2SO3分解是否完全,故在设计方案时须考虑:因题给信息未明确(1)所示的歧化是否百分之百地将Na2SO3完全转化为NA2SO4和Na2S,故只有全面考虑完全转化与不完全转化两种情形,并分别对两种情形进行实验设计,才是完整的答案,且实验结果可用来修正(1)结论的正确性.

A.设Na2SO3完全转化为NA2SO4和Na2S,则需分别检出SO42和S2-.SO42离子的检出反应是:SO42+Ba2+==BaSO4↓沉淀不溶于盐酸.S2-的检出方法是:①沉淀法,用醋酸铅试纸或其它沉淀剂;②闻气味法,加盐酸产生硫化氢后闻气味.

B.设Na2SO3未完全转化为Na2SO4和Na2S,则需检出SO42离子、S2-离子、SO32离子。用方法②检出S2-、SO32时除发生上述反应外,还会发生反应:SO32+S2-+6H==3S↓+3H2O。

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