解决高考实验探究题的关键策略

李书霞

(清华大学附属中学)

作为研究化学物质及其变化的重要手段，探究实验能够在实践层面实现对学生创新能力和学科素养的发展，实验探究题是高考中的重点和难点，最能体现能力立意的命题指导思想.

1 分析高考真题，梳理实验探究的高频考点

表1

图1

通过分析近十年的高考真题，我们不难发现高频考点聚焦在“探究物质性质和反应规律两方面”.这些常考元素和物质(如硫和铁的化合物)的价态和性质多变，能构建多种反应和转化关系，以此作为载体创设情境，可以命制综合性强、陌生度高、推理路径长、思维容量大的实验探究题.

2 预测和推测结合，探寻解决实验探究题的关键策略

2.1 分析预测的角度——物质性质

物质性质主要是物理性质和化学性质两个方面，物理性质包括“颜色、气味、状态、硬度、密度、熔点、沸点、溶解性”等;化学性质则涉及“稳定性、酸碱性、氧化性、还原性、配位性”等.在分析实验探究题时，先关注题目中出现的关键物质，对其性质和可能发生的反应进行预测，从“价态和类别”两个角度入手，先对单一物质进行分析预测，再对两种或两种以上物质混合时可能发生的反应再次进行分析预测.

【举例】向某溶液体系中投入下列物质会引起的变化.

SO2:酸性、还原性、配位性.

Na2S:碱性、还原性、配位性、可能生成难溶的硫化物沉淀.

Na2SO3:弱碱性、还原性、配位性、可能生成难溶的亚硫酸盐沉淀.

AgNO3:弱酸性、氧化性(Ag＋或酸性条件下的)、配位性、可能生成难溶的银盐.

KI:中性、还原性、配位性.

K2C2O4:弱碱性、还原性(含＋3价碳)、配位性、可能生成难溶的草酸盐.

CuSO4或CuCl2:酸性、氧化性(可能生成0价或＋1价铜)、配位性、可能生成难溶铜盐.

FeCl3:酸性、氧化性、配位性、可能生成难溶的铁盐.

2.2 分析预测的角度——反应类型

1)预测反应

复杂的实验探究题会出现多种物质混合，我们需要预测可能发生的变化和转化关系.其实无论多复杂的体系，所能发生的反应无非以下三大类.

a)复分解反应:酸碱反应、生成沉淀的反应、生成弱电解质的反应等.

b)氧化还原反应:强氧化剂＋强还原剂＝弱氧化剂＋弱还原剂.

c)配位反应:一般过渡金属(或Al3＋)作中心原子，Cl－、SCN－、CN－、H2O、NH3、CO、NO、等作为配体，多数配合物具有特征颜色.

2)预测反应之间的关系

面对具体物质和具体问题时，我们需要思考这些反应之间是什么关系，是竞争还是协同，速率快慢比较如何，反应程度大小怎样，思考过程中可能遇到以下情况.

a)某些溶液混合后，沉淀反应速率快，而且溶解度很小，导致离子浓度迅速减小，无法再发生其他反应，例如亚硫酸钠和硝酸银溶液混合生成亚硫酸银沉淀.

b)有些溶液混合后，发生配位反应的速率快，优先出现鲜明的配合物颜色，且配位反应平衡常数也较大，导致离子浓度很低，无法发生氧化还原反应，如草酸钾和氯化铁溶液混合生成翠绿色的草酸合铁配合物.

c)有些溶液混合后也是配位反应速率快，优先出现鲜明的配合物颜色，但配位反应具有可逆性且平衡常数较小，氧化还原反应速率慢但平衡常数大，所以随着时间的推移，氧化还原反应最终取胜.如将SO2通入FeCl3溶液中，先出现红棕色的配合物，但放置较长时间后溶液颜色变为氧化还原反应后的浅绿色(Fe2＋).

例1化学小组实验探究SO2与AgNO3溶液的反应.

(1)实验1用图2所示装置(夹持、加热仪器略)制备SO2，将足量SO2通入AgNO3溶液中，迅速反应，得到无色溶液A 和白色沉淀B.

图2

①浓H2SO4与Cu反应的化学方程式是____.

②试剂a是________.

(2)对体系中有关物质性质分析得出:沉淀B 可能为Ag2SO3、Ag2SO4或二者混合物.(资料:Ag2SO4微溶于水;Ag2SO3难溶于水.)

实验2验证B的成分，如图3所示.

图3

①写出 Ag2SO3溶于氨水的离子方程式:________.

②加入盐酸后沉淀D 大部分溶解，剩余少量沉淀F.推断D 中主要是BaSO3，进而推断B 中含有Ag2SO3.向滤液E 中加入一种试剂，可进一步证实B中含有Ag2SO3.所用试剂及现象是_________.

途径1:实验1中，SO2在AgNO3溶液中被氧化生成Ag2SO4，随沉淀B进入D.

实验3探究的产生途径.

①向溶液A 中滴入过量盐酸，产生白色沉淀，证明溶液中含有_________:取上层清液继续滴加BaCl2溶液，未出现白色沉淀，可判断B 中不含Ag2SO4.做出该判断的理由:_______.

②实验3的结论_________.

(4)实验1中SO2与AgNO3溶液反应的离子方程式是_________.

(5)根据物质性质分析，SO2与AgNO3溶液应该可以发生氧化还原反应.将实验1所得混合物放置一段时间，有Ag和生成.

(6)根据上述实验所得结论为_________.

(1)首先依据上述思维模型进行主动预测，如图4所示.

图4

(2)结合题目所给的实验现象进行合理推测.

对SO2通入AgNO3溶液中得到的白色沉淀B进行合理推测.

推测1:复分解反应——白色沉淀为Ag2SO3.

推测2:氧化还原反应——白色沉淀为Ag2SO4.

推测3:上述反应同时发生——白色沉淀为Ag2SO3和Ag2SO4.

(3)进一步结合题目所做的其他实验进行深入分析和探究.

在此题目中我们看到，SO2与AgNO3溶液生成Ag2SO3的速率大于生成Ag和的速率，所以我们预测的配位反应和氧化还原反应没有发生，只发生了沉淀反应;为什么在实验1中＋4价硫没有被氧化，却在实验2中被氧化了呢? 推测可能是实验2的碱性环境带来的影响.

答案(1)①SO2↑＋2H2O;②饱和NaHSO3溶液.

(3)①Ag＋;Ag2SO4溶解度大于BaSO4，没有BaSO4沉淀时，必定没有Ag2SO4;②途径1不产生，途径2产生.

(4)2Ag＋＋SO2＋H2O＝Ag2SO3↓＋2H＋.

(6)该实验条件下，SO2与AgNO3溶液生成Ag2SO3的速率大于生成Ag和的速率，碱性溶液中更易被氧化为.

3 关注影响因素，突破反应原理探究的难点

3.1 影响反应原理的因素

在探究反应原理时，会遇到“反应方向、速率和限度”的问题，影响因素就显得尤为重要.总结如表2所示.

表2

知道这些影响因素之后，还要具体分析这些因素之间的关系，比如温度高可以加快反应速率，但可能不利于提升转化率，那么就要兼顾二者的需求，选择合适的温度范围;但是如果某反应使用了催化剂，在选择温度的时候，首要考虑的则是催化剂适宜的催化温度;很多反应都存在副反应，主副反应之间通常是竞争关系，调控反应条件时要考虑对主副反应的影响是相反还是一致的.

3.2 改变条件可能产生的影响

1)温度:速率、平衡、气体溶解度、物质稳定性、催化剂活性、副反应.

2)pH:微粒存在形式、水解或电离平衡、氧化还原性强弱、竞争放电.3)浓度:速率、平衡、放电顺序、氧化还原性强弱.4)药品的滴加顺序:酸碱性、微粒浓度相对大小、反应的先后.

3.3 氧化还原反应规律探究的注意事项

1)影响氧化性、还原性强弱的“三度”:温度、浓度、酸碱度等.如酸性高锰酸钾的氧化性比中性时强，浓硝酸比稀硝酸氧化性强等.

2)S2－、I－、Fe2＋，题目中出现这些强还原性离子时，要意识到它们可能要被O2或其他物质氧化，通常要考虑空气中O2对实验造成的干扰.

3)若某氧化还原反应本该发生，却因为其他反应的干扰未能观察到预期现象，则排除干扰的实验方案是:设计双液原电池，将氧化剂和还原剂隔开，避免发生复分解或配位反应，导致离子浓度降低，无法进行氧化还原反应.

4)不主动干预时，化学反应速率通常会随反应进行而逐渐减小，但有时也会出现先增大后减小的情况，可能有两个原因:反应放热导致体系温度升高、生成了可以催化该反应的产物.

例2 实验1向1mL0.1mol·L－1FeSO4溶液中加入1mL0.1mol·L－1AgNO3溶液，开始时，溶液无明显变化，几分钟后，出现大量灰黑色浑浊，反应过程中温度几乎无变化，测定溶液中Ag＋浓度随反应时间的变化如图5所示.

图5

实验2实验开始时先向试管中加入几滴Fe2(SO4)3溶液，重复实验1，实验结果与实验1相同.

Ag＋浓度随反应时间的变化出现短时间内的断崖式下降，且溶液温度无变化，只能说明是自催化现象，实验2 排除了产物之一Fe3＋的影响，可得出的结论是:另一产物即灰黑色的银单质催化了该反应.

例3文献表明:相同条件下，草酸根的还原性强于Fe2＋.为检验这一结论，完成如下实验.资料:

ⅰ.草酸(H2C2O4)为二元弱酸.

ⅱ.三水三草酸合铁(Ⅲ)酸钾[K3Fe(C2O4)3·3H2O]为翠绿色晶体，光照易分解.其水溶液中存在:.

ⅲ.FeC2O4·2H2O 为黄色固体，微溶于水，可溶于强酸.

实验1通过Fe3＋和在溶液中的反应比较Fe2＋和的还原性强弱，如表3所示.

表3

(2)取实验1 中少量晶体洗净，配成溶液，滴加KSCN 溶液，不变红.继续加入硫酸，溶液变红，说明晶体中含有＋3价的铁元素.加硫酸后溶液变红的原因是_________.

(3)经检验，翠绿色晶体为K3Fe(C2O4)3·3H2O.设计实验，确认实验1中没有发生氧化还原反应的操作和现象是________.实验1中未发生氧化还原反应的原因是_________.

(4)取实验1中的翠绿色溶液光照一段时间，产生黄色浑浊且有气泡产生.补全反应的离子方程式:

实验2通过比较H2O2与反应的难易，判断二者还原性的强弱，如表4所示.

表4

(5)证明Fe2＋被氧化的实验现象是________.

实验3通过其他实验方案比较Fe2＋和的还原性强弱.

(7)用FeCl3溶液、K2C2O4溶液和其他试剂，设计实验方案比较Fe2＋和的还原性强弱.画出装置图并描述预期现象________.

既然将FeCl3溶液、K2C2O4溶液直接混合后，二者优先发生配位反应，那么能否通过其他实验方案比较Fe2＋和的还原性强弱呢? 双液原电池便是最好的选择了，可以将氧化剂和还原剂隔离在两个区域，避免直接混合发生其他反应干扰对氧化还原反应的判断.但是设计双液原电池之后对现象的描述不能仅限于“电流计指针偏转”，因为两极产生电势差是很容易的，比如吸氧腐蚀.所以还要检验氧化还原反应的产物，最好是还原反应的产物，因为溶解氧是可能干扰实验的，而还原产物则不受其干扰.所以此题中，在双液原电池工作一段时间后，取烧杯中的溶液，滴加K3Fe(CN)6溶液检测还原产物即Fe2＋.

答案(1)＋3.

(3)取少量实验1 中的翠绿色溶液，滴加K3Fe(CN)6溶液，不出现蓝色沉淀;Fe3＋与生成稳定的[Fe(C2O4)3]3－，浓度降低，Fe3＋的氧化性和的还原性减弱.

(5)Ⅱ中产生大量红褐色沉淀或Ⅲ中得到翠绿色溶液.

(7)

图6

电流计的指针偏转，电池工作一段时间后，取少量左侧烧杯中的溶液，滴加K3Fe(CN)6溶液，出现蓝色沉淀.

(完)