例谈思维模型在实验装置分析中的应用

广东 刘汉国

实验是高考中的重难点，同时也是高频考点，在高考试题中主要以物质的制备或性质检验为载体，考查角度主要包括：物质制备、实验探究、实验方案设计以及定性、定量分析等。在高三复习中，教师通常缺乏对学生思维方法的指导，导致学生的思维水平没有明显提高，从而使学生无法快速找到解决问题的思路和方法。充分理解实验装置是解答实验题的关键，本文尝试通过构建实验装置分析思维模型帮助学生解决此类问题，并结合山东省2020年普通高中学业水平等级考试化学试题(以下简称山东卷)、2020年7月浙江省高考化学考试题(以下简称浙江七月选考)和全国卷试题加以分析。

一、思维模型的构建与应用

1.制备实验装置分析思维模型的构建与应用

对于物质制备型的化学实验，首先要从实验目的出发，结合实验原理，找到制备实验的反应原理并确定主反应所需的实验药品；以制备需要的实验药品为线索，分析或寻找制备该药品的实验装置；为了得到纯净干燥的主反应原料，需要对制备出来的物质进行除杂，首先根据反应物的性质和可能的副反应分析杂质的成分，再根据杂质性质确定除杂顺序，确定除杂装置；制备好主反应原料后，再根据实验原理确定发生装置，注意根据题目信息及其物质本身的性质，增加保护装置；最后要考虑是否需要尾气处理装置。制备实验装置分析思维模型如图1所示。

图1 制备实验装置分析思维模型

【例1】(2020·山东卷·20节选)某同学利用Cl2氧化K2MnO4制备KMnO4的装置如图2所示(夹持装置略)：

图2

已知：锰酸钾(K2MnO4)在浓强碱溶液中可稳定存在，碱性减弱时易发生反应：

回答下列问题：

(1)装置A中a的作用是________；装置C中的试剂为________；装置A中制备Cl2的化学方程为________。

(2)上述装置存在一处缺陷，会导致KMnO4产率降低，改进的方法是________________。

按照制备实验装置分析思维模型，对例1分析如下：

1.实验目的：制备KMnO4。

2.实验原理：利用Cl2氧化K2MnO4制备KMnO4。

3.实验药品：浓盐酸、Ca(ClO)2、KOH。

5.除杂装置：由于盐酸具有挥发性，所得Cl2中混有HCl，所以在装置A、B之间加装盛有饱和食盐水的洗气瓶以吸收挥发出来的HCl。

6.发生装置：根据实验原理和实验药品，可以推断装置B中为Cl2氧化K2MnO4制备KMnO4。

8.尾处装置：Cl2有毒，可用NaOH溶液吸收多余Cl2，防止污染大气，故装置C为尾气处理装置。

(2)在装置A、B之间加装盛有饱和食盐水的洗气瓶

【例2】(2020·浙江七月选考·30)硫代硫酸钠在纺织业等领域有广泛应用。某兴趣小组用图3装置制备Na2S2O3·5H2O。

图3

已知：Na2S2O3·5H2O易溶于水，难溶于乙醇，50 ℃开始失结晶水。

实验步骤：

Ⅰ.Na2S2O3制备：装置A制备的SO2经过单向阀通入装置C中的混合溶液，加热、搅拌，至溶液pH约为7时，停止通入SO2气体，得产品混合溶液。

Ⅱ.产品分离提纯：产品混合溶液经蒸发浓缩、冷却结晶、过滤、洗涤、干燥，得到Na2S2O3·5H2O产品。

Ⅲ.产品纯度测定：以淀粉作指示剂，用Na2S2O3·5H2O产品配制的溶液滴定碘标准溶液至滴定终点，计算Na2S2O3·5H2O含量。

请回答：

(1)步骤Ⅰ单向阀的作用是________；装置C中的反应混合溶液pH过高或过低将导致产率降低，原因是____________________。

按照制备实验装置分析思维模型，对例2分析如下：

1.实验目的：制备Na2S2O3·5H2O。

3.实验药品：由实验原理可知需要的药品有浓硫酸、Na2SO3、Na2CO3、Na2S。

5.发生装置：根据实验原理和装置中所装药品，可以推断装置C为Na2S2O3的制备装置。

【答案】(1)防止倒吸 (2)pH过高，Na2CO3、Na2S反应不充分；pH过低，导致Na2S2O3转化为S和SO2

【例3】(2020·全国卷Ⅲ·26节选)氯可形成多种含氧酸盐，广泛应用于杀菌、消毒及化工领域。实验室中利用图4装置(部分装置省略)制备KClO3和NaClO，探究其氧化还原性质。

图4

回答下列问题：

(1)盛放MnO2粉末的仪器名称是________，a中的试剂为________。

(2)b中采用的加热方式是________，c中化学反应的离子方程式是______________________________，采用冰水浴冷却的目的是________________。

(3)d的作用是________，可选用试剂________(填标号)。

A.Na2S B.NaCl C.Ca(OH)2D.H2SO4

按照制备实验装置分析思维模型，对例3分析如下：

1.实验目的：制备KClO3和NaClO，探究其氧化还原性质。

2.实验原理：加热条件下氯气可以和强碱溶液反应生成氯酸盐，常温条件下氯气可以和强碱溶液反应生成次氯酸盐。

3.实验药品：MnO2粉末、浓盐酸、NaOH。

5.除杂装置：由于盐酸具有挥发性，所得Cl2中混有HCl，所以在装置a中盛放饱和食盐水，将HCl气体除去。

6.发生装置：根据实验原理和药品，可以推断装置b为KClO3的发生装置，装置c为NaClO的发生装置。

7.保护装置：氯气在加热条件下可以和强碱溶液反应生成氯酸盐，所以冰水浴的目的是避免生成NaClO3。

8.尾处装置：Cl2有毒，根据Cl2的化学性质，用碱溶液或具有还原性的物质可吸收多余Cl2，防止污染大气，故装置d为尾气处理装置。

【答案】(1)圆底烧瓶； 饱和食盐水

(3)吸收尾气(Cl2)；AC

2.探究实验装置分析思维模型的构建与应用

对于探究物质成分型的化学实验，首先要从实验的目的出发，结合实验原理，确定需要检验的物质，根据检验物质的化学性质，确定单独检验该物质或离子所需要的试剂，再根据检验物质之间的互不干扰原则确定检验的顺序，最后考虑是否需要尾气处理装置。探究实验装置分析思维模型如图5所示。

图5 探究实验装置分析思维模型

【例4】(2018·全国卷Ⅱ·28节选)K3[Fe(C2O4)3]·3H2O(三草酸合铁酸钾)为亮绿色晶体，可用于晒制蓝图。回答下列问题：

(2)某小组为探究三草酸合铁酸钾的热分解产物，按图6所示装置进行实验。

图6

①通入氮气的目的是________________________。

②实验中观察到装置B、F中澄清石灰水均变浑浊，装置E中固体变为红色，由此判断热分解产物中一定含有________、________。

③为防止倒吸，停止实验时应进行的操作是________________________________________。

按照探究实验装置分析思维模型，对该题分析如下：

1.实验目的：探究三草酸合铁酸钾的热分解产物。

2.实验原理：K3[Fe(C2O4)3]·3H2O加热分解，根据元素守恒可知生成的气体物质可能为CO、CO2和水蒸气。

3.检验物质：CO、CO2。

4.检验顺序：(1)单独检验：检验CO2用澄清石灰水；检验CO先用氧化铜，再用澄清石灰水；(2)互不干扰：CO与氧化铜反应生成CO2，干扰CO2的检验；体系里空气中的O2、CO2和水蒸气都会干扰CO的检验，所以不仅要在反应前通入氮气，目的是隔绝空气，并排尽装置中的空气，而且进入装置E的气体必须干燥；

故根据(1)(2)分析确定应先检验CO2并将其去除，同时进入装置E的气体必须干燥，然后再检验CO。

5.检验装置：用装置B检验CO2,用装置C除去CO2,再用装置D除去水蒸气，最后用装置E、F检验CO。

6.尾处装置：CO2无毒，不会污染大气，不需要尾气处理装置。

【答案】①隔绝空气、使反应产生的气体全部进入后续装置 ②CO2、CO ③先熄灭装置A、E的酒精灯，冷却后停止通入氮气

二、备考建议

实验综合题考查了学生的化学实验与探究能力和学生的知识与应用能力，因此在复习时既要重视知识的归纳总结，又要注重学生能力的提升。

1.形成知识框架，提升知识应用能力

知识应用的前提是归纳总结，需要把零散、繁杂的知识整合到一起，并寻找彼此的联系，从而形成知识体系。例如，关于化学实验从安全角度常考虑的主要因素如下：净化、吸收气体及熄灭酒精灯时要防止液体倒吸；进行某些易燃易爆实验时要防爆炸，如利用H2还原CuO应先通H2，气体点燃前应先验纯；防氧化，如H2还原CuO后要先停止加热再停止通入气体，白磷切割应在水中进行等；有污染性的气体要进行尾气处理；有粉末状物质参加的反应，要注意防止导气管堵塞；防吸水，如实验时取用、制备易吸水、潮解、水解的物质时宜采取必要措施，以保证能够达到实验目的。

2.构建思维模型，培养模型认知素养

在复习实验时，不仅是复习实验本身，而是把经典实验，如H2还原CuO，提炼成实验分析模型，如果教师能引导学生把该实验提升为“具有还原性的物质的实验分析模型”，那么学生就能把H2还原CuO的实验原理、装置分析、实验步骤等知识进行迁移应用。

实际上，无论是制备实验、探究实验还是性质实验，关键在于实验装置的分析，而该部分的关键则是抓住“三紧”，即：紧抓实验目的、紧扣物质性质和紧挖杂质来源。因此在一轮复习中，要培养学生形成实验装置的分析模型，督促学生构建物质性质的分析模型，引导学生建立杂质来源的分析模型，只有这样才能“以不变应万变”，应对不同类型、不同情境的实验题目。