江蘇 陳 穎 李萬(wàn)春
定量實(shí)驗(yàn)問(wèn)題的解答策略探析
在近年來(lái)的高考中,定量實(shí)驗(yàn)一直是考查的熱點(diǎn)。這類試題的特點(diǎn)是閱讀量大,信息多,密切聯(lián)系生產(chǎn)生活實(shí)際,學(xué)生很難把要考查的問(wèn)題與所學(xué)習(xí)過(guò)的相關(guān)的化學(xué)知識(shí)聯(lián)系起來(lái),感到難以下手。下面就解答這類試題所需的知識(shí)要點(diǎn)和解題策略略加分析,期望對(duì)讀者有所幫助。
1.沉淀法
先將某種成分轉(zhuǎn)化為沉淀,然后稱量純凈、干燥的沉淀的質(zhì)量,再進(jìn)行相關(guān)計(jì)算。
2.測(cè)氣體體積法
對(duì)于產(chǎn)生氣體的反應(yīng),可以通過(guò)測(cè)定氣體體積的方法測(cè)定樣品純度。
3.測(cè)氣體質(zhì)量法
將生成的氣體通入足量的吸收劑中,通過(guò)稱量實(shí)驗(yàn)前后吸收劑的質(zhì)量,求得所吸收氣體的質(zhì)量,然后進(jìn)行相關(guān)計(jì)算。
4.滴定法
即利用滴定操作原理,通過(guò)酸堿中和滴定、沉淀滴定或氧化還原反應(yīng)滴定等獲得相應(yīng)數(shù)據(jù)后再進(jìn)行相關(guān)計(jì)算。
定量實(shí)驗(yàn)要計(jì)算的內(nèi)容主要有:(1)產(chǎn)品的產(chǎn)率或物質(zhì)中某組分的質(zhì)量分?jǐn)?shù);(2)利用滴定原理進(jìn)行物質(zhì)的量濃度、物質(zhì)的量和質(zhì)量的計(jì)算;(3)物質(zhì)的化學(xué)式、相對(duì)分子(或原子)質(zhì)量、中和熱等。
還有一些制備實(shí)驗(yàn),目標(biāo)產(chǎn)物易水解或易潮解,我們就要在目標(biāo)產(chǎn)物制備裝置的左側(cè)和右側(cè)設(shè)置防止水蒸氣進(jìn)入的裝置(如裝有堿石灰的干燥管等)。
無(wú)水AlCl3在183 ℃時(shí)升華,遇潮濕空氣產(chǎn)生大量白霧,某科研小組利用下圖裝置制取純凈的無(wú)水AlCl3。
(1)試分析各裝置中的試劑及其作用。
(2)指出該套裝置在設(shè)計(jì)上的一處缺陷。
本題是一道典型的有氣體參與的制備實(shí)驗(yàn),利用本文講解的方法分析如下:
【模塊思維】加熱條件下用濃鹽酸和二氧化錳反應(yīng)制得的氯氣中含有水蒸氣和氯化氫,所以要設(shè)置除去氯化氫的除雜裝置和干燥裝置,然后將所得純凈氯氣與鋁粉在加熱條件下反應(yīng)制取目標(biāo)產(chǎn)物,由于AlCl3易升華,故需要設(shè)計(jì)收集裝置,又由于AlCl3遇水蒸氣易水解,故收集裝置右側(cè)應(yīng)有吸收水蒸氣的裝置,氯氣有毒,最后還要有尾氣處理裝置。
【模塊裝置】利用上述模塊化思維分析,不難得出本實(shí)驗(yàn)所涉及的裝置為:制取氯氣裝置→除氯化氫裝置→干燥裝置→制取氯化鋁的裝置→收集裝置→防干擾裝置(防止水蒸氣進(jìn)入制取氯化鋁的裝置)→尾氣處理裝置。
【試題答案】(1)A:濃鹽酸和二氧化錳;制取氯氣。B:飽和食鹽水;吸收氯化氫。C:濃硫酸;吸收水蒸氣。D:鋁粉;與氯氣反應(yīng)制取氯化鋁。E:收集氯化鋁。F:濃硫酸;防止水蒸氣進(jìn)入裝置E中。G:NaOH溶液;吸收氯氣,防止污染。
定量實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容包括:實(shí)驗(yàn)原理、儀器和試劑、實(shí)驗(yàn)操作步驟及注意事項(xiàng)、有關(guān)計(jì)算和誤差分析等。
定量實(shí)驗(yàn)問(wèn)題都有一個(gè)需要測(cè)量的量(可稱之為目的量),但是目的量通常是無(wú)法直接測(cè)量出來(lái)的,而是通過(guò)另外的可以測(cè)量出來(lái)的量(可稱之為可測(cè)量)計(jì)算而求得。因此,我們可以對(duì)定量實(shí)驗(yàn)進(jìn)行建模分析:
目的量化學(xué)反應(yīng)原理化學(xué)計(jì)算可測(cè)量
目的量的出現(xiàn)沒(méi)有一定的規(guī)律,它可以是相對(duì)原子質(zhì)量、相對(duì)分子質(zhì)量,也可以是質(zhì)量分?jǐn)?shù)、結(jié)晶水合物中水的分子數(shù),還可以是分子組成等,這主要取決于題目的背景和命題人的意愿。盡管如此,但是在具體的定量實(shí)驗(yàn)題里,目的量是明確的,不難把握。可測(cè)量是解題的核心,它可決定化學(xué)實(shí)驗(yàn)所需要的儀器和裝置,決定實(shí)驗(yàn)步驟的先后次序,決定測(cè)量結(jié)果的讀取與記錄,決定誤差存在的可能性,決定實(shí)驗(yàn)過(guò)程中需要注意的有關(guān)事項(xiàng)等。在中學(xué)化學(xué)中,可測(cè)量通常是固體物質(zhì)的質(zhì)量、氣體的體積和消耗溶液的體積三種。所以一旦明確了何為可測(cè)量,圍繞可測(cè)量分析設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn),進(jìn)行有關(guān)計(jì)算,問(wèn)題就能迎刃而解。
為了說(shuō)明問(wèn)題,下面我們緊扣上述模型,具體舉例,分析解答定量實(shí)驗(yàn)題的基本方法。
1.物質(zhì)質(zhì)量測(cè)定法
這類問(wèn)題的可測(cè)量是反應(yīng)生成的沉淀或氣體的質(zhì)量,可根據(jù)化學(xué)反應(yīng)原理或守恒原理確定目的量。
例1下列實(shí)驗(yàn)步驟是興趣小組對(duì)某礦物樣品含量的測(cè)定,樣品成分為FeO、FeS2、SiO2、及其他雜質(zhì),雜質(zhì)不與酸堿反應(yīng),受熱穩(wěn)定。(步驟中所加試劑均為足量)
①稱量mg樣品在硬質(zhì)玻璃管中灼燒,簡(jiǎn)化實(shí)驗(yàn)裝置如下:
②D瓶溶液H2O2溶液BaCl2溶液連續(xù)操作1固體(ag)
③
C中
固體稀硫酸→濾渣(bg)
→濾液H2O2溶液NaOH溶液濾渣連續(xù)操作2紅棕色
固體(cg)
(1)A瓶?jī)?nèi)所盛試劑是________溶液。
(2)若步驟②中不加入雙氧水,則對(duì)測(cè)定硫元素含量的影響是________(填“偏高”“偏低”或“無(wú)影響”) 。
(3)從步驟③的bg濾渣入手,可測(cè)定SiO2的含量,下面各組試劑中不適合測(cè)定的是________。
A.NaOH溶液、稀硫酸
B.Ba(OH)2溶液、鹽酸
C.氨水、稀硫酸
D.NaOH溶液、鹽酸
(4)求樣品中FeO的質(zhì)量分?jǐn)?shù)(列出算式即可):________________ 。
解析:樣品灼燒時(shí)生成SO2,SO2被NaOH溶液吸收。本題通過(guò)測(cè)定反應(yīng)后一系列產(chǎn)物的質(zhì)量,可分別求出樣品中FeO、FeS2、SiO2等物質(zhì)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。
(1)A瓶?jī)?nèi)的試劑是強(qiáng)堿溶液,目的是吸收空氣中的CO2氣體,防止CO2進(jìn)入D裝置。
(2)H2O2能將SO2-3氧化為SO2-4。若此步驟不加H2O2,則應(yīng)根據(jù)所得BaSO3的質(zhì)量計(jì)算硫元素的含量,因?yàn)榭諝庵械腛2會(huì)將SO2-3部分氧化為SO2-4,使所得沉淀的質(zhì)量偏大,測(cè)得的硫元素的含量偏高。
(3)濾渣中的雜質(zhì)不與酸、堿反應(yīng),則可用強(qiáng)堿溶液溶解濾渣中的SiO2,過(guò)濾后用稀硫酸或稀鹽酸洗滌殘留固體,通過(guò)測(cè)定殘留固體的質(zhì)量即可測(cè)定SiO2的含量。
(4)通過(guò)Fe2O3的質(zhì)量可求樣品中Fe元素的總量:n(Fe)=2c160 mol;通過(guò)BaSO4的質(zhì)量可求FeS2的量:n(FeS2)=a233×12 mol;樣品中FeO的物質(zhì)的量為:n(FeO)=2c160-a233×12 mol,其質(zhì)量分?jǐn)?shù)為c160×2-a233×12×72m×100%。
答案:(1)NaOH(或KOH等合理答案) (2)偏高 (3)BC (4)c160×2-a233×12×72m×100%
2.氣體體積測(cè)定法
這類問(wèn)題的可測(cè)量是反應(yīng)生成的氣體的體積,可根據(jù)物質(zhì)的量的換算原理確定目的量。
例2為了測(cè)定已部分變質(zhì)的過(guò)氧化鈉樣品的純度,設(shè)計(jì)如圖所示的實(shí)驗(yàn)裝置,圖中Q為彈性良好的氣球,稱取一定量的樣品放入其中,按如圖所示的裝置安裝好儀器,打開分液漏斗的活塞,將稀硫酸滴入氣球中。
(1)為測(cè)定反應(yīng)時(shí)生成氣體的總體積,滴加稀H2SO4前必須關(guān)閉________ (填“K1”“K2”或“K3”,下同),打開________ 。
(2)當(dāng)上述反應(yīng)停止時(shí),將K1、K2、K3均關(guān)閉,然后先打開K2,再緩緩打開K1,這時(shí)可觀察到的現(xiàn)象是________________________。
(3)b中裝的固體試劑是________,為何要緩緩打開K1?
。
(4)實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí),量筒Ⅰ中有xmL水,量筒Ⅱ中收集到y(tǒng)mL氣體,如果上述氣體體積均已折算成標(biāo)準(zhǔn)狀況,則過(guò)氧化鈉的純度是________ (用含x、y的式子表示)。
解析:變質(zhì)的Na2O2中含有Na2CO3,在樣品中加入稀硫酸后,氣球Q中可生成O2與CO2兩種氣體。本實(shí)驗(yàn)可通過(guò)測(cè)定CO2和O2的體積,然后經(jīng)換算求出Na2O2的純度。將稀H2SO4加入氣球前,關(guān)閉K1和K2,打開K3,反應(yīng)結(jié)束時(shí)氣球膨脹的體積與量筒Ⅰ中所接收的水的體積相等,此即為CO2與O2的體積之和。待氣球中反應(yīng)完全后,關(guān)閉K3,打開K2,再緩緩打開K1,此時(shí)氣球漸癟,氣體會(huì)經(jīng)干燥管b進(jìn)入量筒Ⅱ,CO2被干燥管中的堿石灰吸收,量筒Ⅱ中收集到氣體的體積即為O2的體積。由題意可知,CO2和O2的總體積為xmL,O2的體積為ymL,故CO2的體積為(x-y) mL,根據(jù)化學(xué)方程式可知Na2O2與Na2CO3的物質(zhì)的量之比為2y∶(x-y),則Na2O2的純度為w(Na2O2)=2y×782y×78+106(x-y)×100%=78y53x+25y×100%。
答案:(1)K1、K2K3(2)氣球Q慢慢變小,氣體進(jìn)入量筒Ⅱ中 (3)堿石灰 控制氣體的流速,使CO2被充分吸收 (4)78y53x+25y×100%
3.滴定數(shù)據(jù)分析法
這類問(wèn)題的可測(cè)量是滴定實(shí)驗(yàn)中消耗標(biāo)準(zhǔn)溶液的體積,通常要根據(jù)多步反應(yīng)的關(guān)系式計(jì)算目的量。
例3YBa2Cu3Ox(釔鋇銅氧)是近年來(lái)被科學(xué)家發(fā)現(xiàn)的一種高溫超導(dǎo)材料,其中Y、Ba、O三種元素都有固定的化合價(jià),分別為+3、+2、-2,而Cu是+2和+3的混合價(jià)態(tài)。現(xiàn)用碘量法進(jìn)行測(cè)定:
取一定質(zhì)量的YBa2Cu3Ox樣品,用稀鹽酸溶解,在氮?dú)獾谋Wo(hù)下加過(guò)量的KI固體,樣品中的Cu3+和Cu2+分別氧化KI生成I2,用0.100 mol·L-1Na2S2O3溶液滴定得到的I2,終點(diǎn)時(shí)消耗Na2S2O3溶液21.00 mL。有關(guān)反應(yīng)如下:
Cu3++3I-CuI↓+I2
2Cu2++4I-2CuI↓+I2
I2+2S2O2-32I-+S4O2-6
另取一份質(zhì)量相等的YBa2Cu3Ox樣品,用稀鹽酸溶解,煮沸,使其中的Cu3+全部轉(zhuǎn)化為Cu2+,冷卻后再用碘量法滴定,終點(diǎn)時(shí)消耗0.100 mol·L-1Na2S2O3溶液 15. 00 mL。
試回答:
(1)碘量法中應(yīng)選用的指示劑是________。
(2)碘量法滴定終點(diǎn)的現(xiàn)象為
。
(3)Cu3+和Cu2+的物質(zhì)的量之比為________。
(4)x值為________。
解析:本題的目的量是YBa2Cu3Ox中的x的值,可測(cè)量是Cu3+和Cu2+的物質(zhì)的量之比。利用滴定原理,結(jié)合關(guān)系式法,可求出可測(cè)量,由可測(cè)量和基礎(chǔ)化學(xué)知識(shí)即可求出目的量。
計(jì)算用的關(guān)系式是:Cu3+~I(xiàn)2~2S2O2-3,2Cu2+~I(xiàn)2~2S2O2-3。
設(shè)樣品中Cu3+、Cu2+的物質(zhì)的量分別為a、b,則:
2a+b=21.00×10-3L×0.100 mol·L-1
a+b=15.00×10-3L×0.100 mol·L-1
解得:a=6.00×10-4mol,b=9.00×10-4mol,a∶b=2∶3。
由YBa2Cu3Ox中各元素化合價(jià)之和為零原理得:3+2×2+3×25×3+3×35×2=2x,x=7.1。
答案:(1)淀粉溶液 (2)溶液的藍(lán)色褪去且半分鐘內(nèi)不恢復(fù)原色 (3)2∶3 (4)7.1
(作者單位:江蘇省常州市橫山橋高級(jí)中學(xué))
山西省大同市靈丘縣豪洋中學(xué),河北省淶水縣第四中學(xué))