2010年高考化學(xué)：開放性實(shí)驗(yàn)題解題攻略
開放性實(shí)驗(yàn)習(xí)題在高考中頻頻出現(xiàn)，本文擬對(duì)該類高考題進(jìn)行剖析，并試圖從中得到一些對(duì)高三實(shí)驗(yàn)復(fù)習(xí)的啟示。
一、實(shí)例剖析
【例1】在分液漏斗中用一種有機(jī)溶劑提取水溶液里的某物質(zhì)時(shí)，靜置分層時(shí)后，如果不知道哪一層液體是“水層”，試設(shè)計(jì)一種簡便判斷方法。
【答案】取一只小試管，打開分液漏斗的活塞，慢慢放出少量液體，往其中加入少量水，如果加入水后，試管中的液體不分層，說明分液漏斗中下層是“水層”，反之上層是水層。
【解析】這里要求的設(shè)計(jì)簡便判斷方法，根據(jù)相似相溶原理和水與有機(jī)溶劑的化學(xué)性質(zhì)的差異，除標(biāo)準(zhǔn)評(píng)分答案外，至少還應(yīng)有以下幾種可能的答案：
①前面的操作同評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)，往試管中加入少量苯或CCl4，若試管中液體不分層，說明上層是“水層”，反之下層是水層。
②前面的操作同評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)，分別取分液漏斗上層液體少量于試管中，分別加入少量水或與水不相容的有機(jī)溶劑，又可得出兩種答案。
③前面的操作同評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)，向試管中投入一小粒金屬鈉，若劇烈反應(yīng)放出氣體，則下層是“水層”，反之則上層是水層。
④若向裝上層液體的小試管中投一小粒金屬鈉，則又是一種可行的方案。
結(jié)論：利用水和與水不相溶的有機(jī)溶劑物理、化學(xué)性質(zhì)上差異的多樣性可得出不同的開放性答案。
【例2】用實(shí)驗(yàn)確定某酸HA是弱電解質(zhì)。兩同學(xué)的方案是：
甲：①稱取一定質(zhì)量的ＨＡ配制0.1mol·L-1的溶液100mL
②用pH試紙測出該溶液的pH，即可證明HA是弱電解質(zhì)。
乙：①用已知物質(zhì)的量濃度的HA溶液、鹽酸分別配制pH=1的兩種溶液各100mL。
②分別取這兩種溶液各10mL，加水稀釋為100mL。
③各取相同體積的兩種稀溶液裝入兩個(gè)試管，同時(shí)加入純度相同的鋅粒，觀察現(xiàn)象，即可證明HA是弱電解質(zhì)。
（1）在兩個(gè)方案中的第一步中，都要用到的定量儀器是________。
（2）甲方案中，說明HA弱電解質(zhì)的理由是測得溶液的pH________1（選填＞、＜、＝）；乙方案中，說明HA是弱電解質(zhì)的現(xiàn)象是________。（多選扣分）
（a）裝鹽酸溶液的試管中放出Ｈ２的速率快；
（b）裝HA溶液的試管中放出Ｈ２的速率快；
（c）兩個(gè)試管中產(chǎn)生氣體的速率一樣快。
（3）請(qǐng)你評(píng)價(jià)：乙方案中難以實(shí)現(xiàn)之處和不妥之處。
（4）請(qǐng)你再提出一個(gè)合理而比較容易進(jìn)行的方案（藥品可任?。Ｗ骱喢鞫笠硎?。

【評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)】配制NaA溶液，測其pH＞7即證明HA是弱電解質(zhì)
【解析】此題屬于實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)和設(shè)計(jì)題，答案認(rèn)可甲方案是合理易行的。若對(duì)乙的方案進(jìn)行合理的修正再肯定，并從強(qiáng)、弱酸在水溶液中的是電離程度的區(qū)別及鹽類水解的角度考慮，至少還可得出以下開放性答案：
分別配制0.1mol·L-1的HA和HCl溶液100mL。
①取相同體積的以上兩種酸分裝在兩個(gè)同規(guī)格的燒杯中，用同型號(hào)電極（極間距和面積相同）各并聯(lián)一相同功率的燈泡，接通電源，通過HA的燈泡較鹽酸暗，證明HA是弱電解質(zhì)（該答案從理化學(xué)科綜合得出。）
②取兩只試管分別裝入相同質(zhì)量的NaHCO3或NaHSO3粉末，分別加入以上兩種同體積的酸液，若HA冒氣泡較HCl慢或不冒氣泡，證明HA是弱酸。
③用兩只試管（同型號(hào)），取相同體積的以上兩種酸，分別加相同質(zhì)量的還原鐵粉，HA冒氣泡不如鹽酸快或不冒氣泡，證明HA是弱酸。
④稱取一定質(zhì)量的AlCl3和AlA3，分別配制100mL0.1mol·L-1溶液，用pH試紙測試兩種鹽溶液的pH，AlA3溶液的pH大于AlCl3溶液，證明HA是弱酸。（從否定到肯定解決問題，進(jìn)入柳暗花明。）
 

圖1　實(shí)驗(yàn)裝置圖
【例3】用圖1示的裝置制取氫氣，在塑料隔板上放鋅粒，漏斗和帶支管的試管中裝有稀硫酸，若打開彈簧夾，則酸液由漏斗流下，試管中液面上升與鋅粒接觸，發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生的氫氣由支管導(dǎo)出；若關(guān)閉彈簧夾，則試管口液面下降，漏斗中液面上升，酸液與鋅粒脫離接觸，反應(yīng)停止。需要時(shí)打開彈簧夾。又可以使氫氣發(fā)生。這是一種僅適用于常溫下隨制隨停的氣體發(fā)生裝置?；卮鹣铝袉栴}：
（1）為什么關(guān)閉彈簧夾時(shí)試管中的液面會(huì)下降?
（2）這種制氣裝置在加入反應(yīng)物前，應(yīng)怎樣檢查裝置的氣密性?
【評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)】（2）塞緊橡皮塞，關(guān)緊彈簧夾后，從漏斗中注入一定量的水，使漏斗內(nèi)的水面高于試管內(nèi)水面，停止加水后，漏斗中與試管中的液面差保持不再變化，說明裝置不漏氣。
【解析】這是一種簡易啟普發(fā)生器，評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)答案是啟普發(fā)生器氣密性的檢驗(yàn)方法。正因?yàn)槠浜喴?，其檢查氣密性的方法與啟普發(fā)生器還可有其不同之處，其思維方法是發(fā)散的，答案也應(yīng)是開放的。評(píng)分答案是加水后從外壓封閉液面形成液差。反過來也可從內(nèi)壓封閉液面形成液差，或從漏斗嘴處形成液封排出空氣而證明裝置的氣密性完好。從正向至逆向，再從逆向到正向，視野豁然開朗，至少還有以下一些檢查方法應(yīng)是該小題的答案。
①向漏斗中加水至接近隔板處形成液封，打開彈簧夾，接上洗耳球，捏癟洗耳球不放，液面上升到一定高度不下降，說明裝置不漏氣。
②打開彈簧夾連接一玻璃管放入水面下，向漏斗中加水至下端形成液封，用手緊握試管下端未裝水部位，導(dǎo)管口有氣泡連續(xù)冒出，松開手后，導(dǎo)管中水柱回升一段，證明氣密性完好。
③打開彈簧夾連接一玻璃管放入水面下，向漏斗中加水至下端形成液封，用酒精燈加熱至導(dǎo)管口有氣泡連續(xù)冒出，移去酒精燈后導(dǎo)管中水柱回升一段，證明氣密性完好。
通過上述開放性試題的分析，針對(duì)高三化學(xué)實(shí)驗(yàn)知識(shí)和技能、學(xué)生的實(shí)際情況，在實(shí)驗(yàn)復(fù)習(xí)中，除了認(rèn)真閱讀教材中的演示實(shí)驗(yàn)和分組實(shí)驗(yàn)，采用歸納、對(duì)比、總結(jié)規(guī)律，由點(diǎn)到面，形成知識(shí)網(wǎng)絡(luò)外，還可得出如下啟示。
二、實(shí)驗(yàn)復(fù)習(xí)啟示
1．一物多制
從同一物質(zhì)制法的多樣性，培養(yǎng)學(xué)生設(shè)計(jì)開放性實(shí)驗(yàn)的能力。
有些常見物質(zhì)的制備，教材循序漸進(jìn)介紹時(shí)，囿于學(xué)生知識(shí)的階段性，介紹的反應(yīng)原理有一定的局限性，隨著知識(shí)的深化，可對(duì)反應(yīng)原理適當(dāng)遷移和拓展，增強(qiáng)學(xué)生在物質(zhì)制備中設(shè)計(jì)開放性實(shí)驗(yàn)的能力。
氨氣的制備：傳統(tǒng)的方法是：銨鹽＋強(qiáng)堿 氨氣，屬固＋固→氣型。高三學(xué)生已具備化學(xué)平衡的知識(shí)，知道氨水中存在：NH3+H2O NH3·H2O NH4++OH-平衡，恰當(dāng)提出問題：若能使這個(gè)連鎖平衡左移，能否以濃氨水為原料制備氨氣呢?學(xué)生經(jīng)思考后可得出：若能使c(OH-)增大，或加熱，或反應(yīng)（與氨水中的水）放出大量的熱，均可使平衡左移，最好兩個(gè)條件同時(shí)達(dá)到，學(xué)生經(jīng)思考后可得出：直接加熱濃氨水、或?qū)獍彼稳牍腆wNaOH、KOH、Ba(OH)2、、Na2O、CaO等中均可，由液→氣、液＋固→氣型制備氨氣從而使視野開闊。同理ＨＣｌ的制備可由傳統(tǒng)的固+液→氣型誘導(dǎo)學(xué)生得出：固+固→氣型（可溶性金屬氯化物＋酸式硫酸鹽→HCl）；液+液→氣型（濃硫酸滴入濃鹽酸中）；液→氣型（直接加熱濃鹽酸）。O2的制備由固+固→氣型到液+固→氣型（Na2O2＋H2O→O2，H2O2→O2）制備，使學(xué)生受到物質(zhì)開放性制法的訓(xùn)練。
2．一器多用
從同一裝置用途的多樣性，培養(yǎng)使用開放性裝置的能力。
 

圖2　集氣裝置圖
【例1】復(fù)習(xí)氣體的實(shí)驗(yàn)室制法時(shí)，常遇到如圖2的集氣裝置，充分挖掘它的各種用途，從不同角度提出如下問題：
（1）若氣體由A進(jìn)B出，可收集哪些氣體?其收集原理如何?
（2）若氣體由B進(jìn)A出，可收集哪些氣體?其收集原理如何?
（3）若將該瓶倒置收集氣體，其結(jié)果與（1）和（2）的關(guān)系如何?
（4）若將燒瓶內(nèi)裝滿液體與量器配合欲作量氣裝置，氣體流向如何?
（5）若作量氣裝置時(shí)，氣體易與液體反應(yīng)或易溶于液體時(shí)，應(yīng)如何處理方可使用?
（6）該裝置用作洗氣時(shí)氣體流向如何?
（7）該裝置用作排水取氣時(shí)氣體流向如何?
（8）若裝置中導(dǎo)管A與B等長時(shí)，連接在氣路中起什么作用?
【例2】球形干燥管在干燥氣體時(shí)的連接方向眾所周知，應(yīng)大進(jìn)小出，還可設(shè)計(jì)如下問題：
（1）可否作為氣固反應(yīng)器使用?若能，氣體流向應(yīng)如何?
（2）當(dāng)其作為成套的尾氣處理裝置時(shí)，氣體流向應(yīng)如何?
（3）當(dāng)其作為尾部裝置而阻止空氣中的水蒸氣或二氧化碳進(jìn)入裝置內(nèi)部時(shí)，應(yīng)如何連接?
（4）當(dāng)與燒杯、橡皮塞、止水夾組合成簡易制氣裝置時(shí)應(yīng)如何連接?
（5）當(dāng)用它替代燒杯作易溶氣體的噴泉裝置時(shí)，應(yīng)如何組裝?
如上對(duì)同一儀器的開放性用途的發(fā)掘，既遵循了
3．一用多器
從同一用途裝置的多樣性，訓(xùn)練開放性思維的收斂性，在裝置設(shè)計(jì)中尋求開放性，在裝置的作用上收斂，關(guān)鍵是講清原理，不同的裝置可起到殊途同歸的作用。
簡易啟普發(fā)生器是初中化學(xué)接觸的東西，是起點(diǎn)較低的實(shí)驗(yàn)裝置，它應(yīng)用了氣墊原理，關(guān)閉止氣夾時(shí)，生成的氣體產(chǎn)生的壓強(qiáng)使固液脫離而反應(yīng)停止。復(fù)習(xí)中可設(shè)計(jì)：
 

圖3　實(shí)驗(yàn)裝置圖
【例3】選用下列儀器：鐵架臺(tái)、燒杯、U形管、干燥管、球形漏斗、注射器、帶導(dǎo)氣管的單孔塞（配有止氣夾，無塑料隔板）。請(qǐng)?jiān)O(shè)計(jì)出簡易制氣裝置，類型不同，越多越好。
經(jīng)分析討，綜合起來可得出如圖3的一些裝置。
在實(shí)驗(yàn)室制備溶于水且污染空氣的氣體的尾氣處理時(shí)，常用圖4Ｅ所示的裝置吸收，它的道理非常簡單：當(dāng)內(nèi)壓小于外壓時(shí)，液面上升，露出吸收口，內(nèi)外相通后壓強(qiáng)相等，液面重新落下，消除了倒吸現(xiàn)象。
【例4】根據(jù)以上原理，自選儀器，設(shè)計(jì)類似的尾氣處理裝置。
經(jīng)討論，學(xué)生可設(shè)計(jì)出如圖4的一些裝置。
 

圖4　實(shí)驗(yàn)裝置圖
4．多方法鑒別
在同組物質(zhì)鑒別的多樣性上，根據(jù)物質(zhì)物理性質(zhì)或化學(xué)性質(zhì)的差異，給學(xué)生營造解決開放性問題的條件，可使其得到進(jìn)一步的激勵(lì)。
【例5】實(shí)驗(yàn)室有兩瓶失去標(biāo)簽的液體試劑，只知道它們是稀硫酸和濃硫酸。
（1）不用試劑，如何用簡便方法鑒別之?
（2）自選試劑，如何用簡便方法鑒別之?
根據(jù)稀、濃硫酸的物理性質(zhì)、化學(xué)性質(zhì)的差異，并且后面的同學(xué)受到前面同學(xué)的啟發(fā)，發(fā)言踴躍熱烈，新意迭出，一旦被肯定，受到莫大鼓舞。答案略。
諸如有機(jī)物因官能團(tuán)不同引起性質(zhì)的差異等均可設(shè)計(jì)出類似的開放性問題。
以上幾點(diǎn)啟示均是從化學(xué)實(shí)驗(yàn)中最基礎(chǔ)的知識(shí)、原理入手去營造和設(shè)計(jì)開放性實(shí)驗(yàn)的氛圍和條件，有別于題海撈針、事倍功半。在實(shí)驗(yàn)復(fù)習(xí)中可起到以一當(dāng)十的作用，使學(xué)生的創(chuàng)新思維得到良好的啟迪和開發(fā)，以增強(qiáng)其解決開放性實(shí)驗(yàn)問題的能力。