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对2019年高考理综1卷27（化学）题的看法

2019-06-19 19:43阅读：

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对2019年高考理综1卷27（化学）题的看法
实验是高考化学试卷中的必备内容之一。今年理综1卷中的实验考核内容则以硫酸铁铵制备为统领。
该试题的内容如下。 对2019年高考理综1卷27（化学）题的看法、 一、实验内容简介
由于硫酸铁铵是一个不常见的化学物质，其制备方法在一般的实验教材中当然也很难被找到。
但是，由于该物质的制备只涉及到不多的几个化学反应。实验步骤也只有“铁屑净化”、“硫酸亚铁制备”、“硫酸铁制备”、“硫酸铁铵制备”、“浓缩结晶”，这样的五个实验步骤。加之与这五个实验步骤相关的实验条件与操作方法的选取，也比较容易找到各自的参照物。所以考题并没有什么特殊的难度。
比如，其中的“硫酸铁制备”步骤，就只是将Fe2+离子氧化成Fe2+
离子。其方法完全可照搬实验“三草酸合铁（）酸钾的制备和性质”讲义中的相关段落。其余的4个步骤，则全部可见诸于“硫酸亚铁铵的制备”实验讲义。
这两个相关实验进行时的一些具体情况及要点，还是有必要强调如下。
1. 铁屑与硫酸的反应远不像人们想象的那样迅速
欲让4.0 g铁屑与过量硫酸能完全反应，即便是在加热的条件下也要反应几十分钟（因为，对于这个本来并不慢的反应速度来说，铁屑的厚度还是显得太大了）。以至于在较长时间的反应过程中，溶剂水会大量减少，需要不断地进行补充。
这个反应的温度也不见得一定要保持在80-95这个区间内。温度低，只不过会使反应的时间更长一些。温度高，水蒸发的则会更快。
铁屑与硫酸反应“需要水浴加热”的说法，是没有任何依据的。“低温电炉加热（在通风橱中进行）”（连反应温度都没给出），就是在某实验教材中，对这个操作的具体要求[1]。
应该把考题中的“需要水浴加热”，看作是一个命题者为了考察“水浴加热”概念，而杜撰出的一个反应条件。这个反应条件与实验原理与实际过程，都不符合。
2. 铁屑与硫酸的反应产物氢气是否需要进行“净化处理”。
可能是为了考察考生对“洗气”方法掌握的深度。命题者特意给这个反应添加了一个有H2S析出的情节。
其实，在这个反应中是不会有多少H2S气体产生出来的。
作为化学教师大家都知道，在生铁中可能会含有一些S，因为炼铁主要是一个还原铁矿石的过程。而炼钢就是一个去除、也就是氧化掉生铁中S与P的过程。因此，在一般的钢中不会有多少硫化物。
而通常所谓的铁屑，实际上都是钢屑。其中怎么可能会含有较多的硫化物呢？
况且，在这个反应中即便有极少量的H2S气体放出，也不会危及到实验者和环境的安全，更不会达到需要采用“洗气”方法来处理的程度。这些H2S气体对人体的“危害”，肯定不会比闻了一个臭鸡蛋的害处更大。这点H2S气体哪怕是聚集在实验室中，或逸出到户外，都不会造成什么值得担忧的影响。
何况，为了“吸收”掉这点H2S，就必须要把产生出的所有H2气先收集起来。也就是把铁屑与硫酸的反应放在一个加装有导气管的密闭容器（如烧瓶）内来进行。这会使实验装置与操作的复杂程度急剧地加大。
让人多掌握一些化学知识，不但是要让他知道哪些些物质对人体可能有害。还要知道哪些物质在自然界中本来就是存在的（甚至于有一个本底浓度），在一定限度内它不会对人造成伤害。对于某些所谓的“有害”化学物质，化学工作者既不要“草木皆兵”，更不能“耸人听闻”。
其实，这个铁屑与硫酸的反应还真的不适于在没有通风的条件下进行。
只有亲自进行过这个实验的人才会感受到，哪怕是在上口加盖了表面皿的锥形瓶中、或高型烧杯中，来进行这个反应。由于产物氢气细小气泡的不断破裂，肉眼看不见的硫酸液滴也同时不断被氢气裹挟而从溶液中溢出。这会导致实验室很快就变成一个，被刺激性物质充斥着的、人们无法忍受的环境。
所以，许多实验讲义都规定，这个铁屑与硫酸的反应，必须在通风橱中进行。
3. 硫酸铁铵溶液进行蒸发浓缩时，一定要用水浴加热
对于完成“步骤（5）”（从硫酸铁铵溶液得到硫酸铁铵晶体的过程）的第一个操作，标准答案给出的是“加热浓缩”。
其实，这只是一个笼统的说法。其准确的内涵应该是“水浴加热浓缩”（当然不会有考生这样回答，也不应该要求考生这样回答）。教师在讲解这个题时，最好能指出这里必须要用“水浴”来加热的必要性。
原因是，硫酸铁铵与一般的铵盐一样，在受热的情况下易分解。为防止明火加热时，因蒸发皿壁局部温度过高，而造成该处硫酸铁铵分解，就要用水浴加热。
采用加热温度不可能超过100的水浴来进行硫酸铁铵溶液的浓缩，可以确保其间不会出现硫酸铁铵“变质”的问题。
4. 过氧化氢的用量
在实验室中常常采用过氧化氢为氧化剂。是因为，它不但有比较强的氧化性。在其过量的情况下，还能全部自行分解成H2O和O2，而不引入任何杂质。
但是，H2O2有一定的热不稳定性，还有可被催化分解的“弱点”，在反应中会有一定量的“损失”。所以，在反应中它一定要过量，并且是分批次地加入到反应体系中去。
H2O2氧化Fe2+离子的方程式为，2Fe2++2H++ H2O2=Fe3++2 H2O,
如果把“足量”理解为，就是上述反应给出的，Fe2+离子与H2O2分子物质的量为“2：1”这个理论比值。那就麻烦了。
在“三草酸合铁（）酸钾的制备和性质”中，就有用H2O2氧化Fe2+离子的这个反应。该讲义中所给定的H2O2用量，竟然是理论量的“7”倍之多。
教师在讲解到这里时最好能说明一下，“足量H2O2”在这个实验中的的具体含义。
二、“洗气”方法的选用问题
气体与溶液的反应（简称气-液反应）条件与装置，在化学教学中是个很少被讨论到的问题。因为它过于简单。
所谓的气-液反应条件，就是这两相要有比较充分的相互接触（也就是较大的接触面积，及较长的接触时间）。
为此，气-液反应装置一般分为如下几种：
当不考虑反应后残余气体的收集时，直接将气体通入盛有溶液的烧杯（或锥形瓶等容器）即可。如下图一。
对2019年高考理综1卷27（化学）题的看法
当只有部分气体反应，其余气体还要收集起来时，实验室就会采用“洗气瓶” 。如上图二。其简易装置则如图三。
这三种装置的作用原理完全一样。那就是，只要将欲反应气体从一个玻璃导管尖端的小孔导入溶液，它就只能被分散成一个个很细小的气泡。这些体积不大，总表面积却很大的气泡，更有利于气体分子与溶液的相互接触与反应。气泡在上升过程中还对液体有扰动，及气泡表面溶液被不断更新的作用。这都给气-液反应创造了绝好的条件。
在使用这些装置时常见的错误是：导气管插入液面的深度不够（气泡很快逸出液面，反应时间过短）；对于图二、三则还有，应从哪个导管导入气体的问题（插入液面的是进气管）。
从化学原理的角度看，则有物质间是否能反应及反应趋势大小的问题。气-液两物质间不能相互反应，或反应的效率不高，都不会发生、或不利于气体被液体的吸收。
要注意的是，对于一些与液体反应极快、且反应量也很大的气体。用上述反应装置来“吸收”就不行了。
具有这样性质的气体，与液液体在上述装置中反应时（如NH3或HCl等气体溶解于水），必然会发生液体的“倒吸”。也就是，由于NH3之类物质在水中溶解的过快且很多，会造成NH3来不及从导管“补充”进来。反而由于“负压”，使水沿导气管进入储NH3容器，甚至是产生NH3的装置。这会造成一种人们不期望的，且很危险的操作后果。
为此，要专门设计一种防止倒吸的气-液反应装置。如下图四。
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其实，装置四只是把图一中的导气管截短，并在管口端加接了一个倒置的三角漏斗。三角漏斗的颈要固定住，以便使其倒扣在液面上的漏斗上口，能整个没入液面0.5cm。这时，漏斗口被烧杯中的液体密封住，外界空气无法进入漏斗，漏斗内的气体也不会逸出。
用装有水的装置四来吸收NH3时。一旦因NH3的过快溶解而发生了倒吸，水也只能是先进入空间较大的漏斗中，使漏斗中的液面上升（如图五）。由于烧杯中水的体积不变，烧杯内水的液面就会下降。当烧杯中的水液面比漏斗口还低时，漏斗内的水就会由于重力的作用而跌落，同时有空气补充到漏斗中去。这样就阻止了水的进一步倒吸。
用这个装置来“吸收”混有少量NH3的空气时（这与混有少量H2S的H2气相似），效果会如何呢？
混有少量NH3的空气不断进入到漏斗中后，漏斗中的液面就会逐渐下降。当这个气液界面下移至稍低于漏斗口时，就会有很大的气泡从漏斗的边沿冒出，而直接进入大气中（如图六）。而漏斗中浓度不大的NH3气，很难通过漏斗中这个有限、且很少被扰动的界面来被吸收。也就是，少量的NH3在这个装置中被吸收的效果并不会好。
装置图四的功能，只是能“防倒吸”。它仅在用气体NH3、HCl、HBr、HI，的吸收及由此来制备它们的水溶液，这样的一些特定的实验场合。
而图一是个应用范围极广的气-液反应装置。
这样看，步骤（2）最后的一问，欲去除H2气中的少量H2S，就不会涉及到备选答案中的A与C（因为它们都采用了装置四）。
由于B中的溶液是单纯的水。它对H2S只有少量溶解的作用。去除H2S的能力也很有限。也不是应选的答案。
看来只有选项D了，因为它所用的溶液还是极易与H2S反应的NaOH。
但是，该装置中的导气管又只深入了液面仅那么一点点，其“洗气”的能力也要被限制。这是个很明显的实验装置安装错误。
严格地说，这个小题没有正确答案。
三、用热重分析法测定硫酸铁铵晶体的结晶水数
加热到150时，用热重分析法对硫酸铁铵晶体进行的测定结果是，硫酸铁铵晶体失掉了1.5个结晶水，同时失重5.6%。
这个题没有什么难度。
只要写出1个结晶水的摩尔质量为18（单位忽略，因为涉及的只是比值）。
硫酸铁铵晶体[NH4Fe(SO4)2•xH2O]的摩尔质量为，14+4+56+96×2+18x=266+18x。
这样，按题意就有， 对2019年高考理综1卷27（化学）题的看法。
解得，x=12.0。
也就是有硫酸亚铁铵晶体的化学式为，NH4Fe(SO4)2•12H2O。
但是，学生可能还不会满足于仅得到这个计算出来的结果。它们会接着想到，在150时硫酸亚铁铵晶体能失去1.5个水分子，那半个水分子该如何被丢失呢？这真的是热重分析给出的结果，还是为考试而拼凑出的一组数据呢？在150时硫酸亚铁铵晶体的化学式该怎样写呢？
教师肯定会十分为难。因为，可能大家都没有做过这个实验或看到过这个实测数据。
面对这样的考题，我们只能说，做一名化学教师难，做一名中学化学教师更难。
看来，教师只好认为命题者是有实测根据的。并胡乱给学生解释为，这是原组成为NH4Fe(SO4)2•12H2O的晶体，失水后变成了组成为[NH4Fe(SO4)2]•21H2O的物质。
这个过程就相当于，每摩尔的NH4Fe(SO4)2•12H2O晶体，失去1.5摩尔的水分子。
四、题目简介中的一些过分描述
作为化学考题，检查的是学生的知识与能力。叙述问题时，开门见山就很好。
但是在近年来的高考题中，出现了一股要突出该考题价值、地位和意义的倾向。在很多题中都有这样的表现及意图。也就是这样的八股气。
这种“夸大”的意图，在这道题中体现的也较为明显。且在其最前面的一段“简介”中，就硬塞进了许多这类词语。如，
1. 硫酸铁铵是一种“重要”铁盐
其实，在北师大的《无机化学》教材中，对于有限的几种铁盐就是这样定义的：硫酸亚铁是比较重要的亚铁盐，在分析化学中常用到硫酸亚铁的复盐——硫酸亚铁铵（俗称摩尔盐），三氯化铁比较重要。一共就介绍了这样的3种铁盐。定语词还只分别是，比较重要、常用、比较重要。
在工科教材的（大连理工大学）“铁的重要化合物”中，则在上述3种物质的基础上，又补充了硝酸铁与氯化亚铁。一共有5种。
这些教材都没有提及硫酸铁铵这种所谓“重要”的铁盐。
试卷将硫酸铁铵认定为“重要”铁盐，不但较为轻率。似乎还有，借此“认定”来抬高所涉及物质的地位，也就是这个题“重要性”之嫌。
2. 认为这个实验是在“充分利用资源，变废为宝”的说法，也不符合实际
即便是学生的课外实验，其实验方案的合理性、科学性，也都是要由指导教师来把关。由于学生的社会知识有限，这个实验是否在“充分利用资源”也需要由指导教师，从经济效益方面来帮助其进行核算。
其实，用铁屑与硫酸反应来制取硫酸亚铁，在经济上是相当不合算的。
因为，在机械加工清洗钢铁零件表面铁锈时，就要用到“酸洗”。在这个常规工序中，会有大量的硫酸亚铁生成。此外，在用硫酸分解钛铁矿(FeTiO3)的方法来制取TiO2时，也会有大量的硫酸亚铁生成。
这造成市面上绿矾的价格极低（200元左右一吨）。如果自己用铁屑来制绿矾，除了硫酸外，设备也是一个大问题（要兼顾到加热、耐酸、其中还要有铁屑的加入和残余物的移出）。要想把能析出一吨绿矾的溶液长时间地加热到80-95，燃料消耗就不知道要有多少开销。
也就是说，如果要制取硫酸铁铵的话，一般也要以很便宜的硫酸亚铁为原料。
从铁屑来开始这个制备过程，既然在经济上是不可行的。也就谈不上是什么废物利用。
3. 这个实验不是“探究”实验
从涉及知识的多寡及学生参与度来看，一般将化学教学中的的实验，分为验证性（侧重于某一知识、方法、理论、数据的获取）、综合性（有较多方面的内容）、设计性（有创意或创新），这样三个层次。
该实验用了“探究”这样的一个词，显然是在打“设计实验”、这种欲提高实验层次的擦边球。
这个实验与一般验证性的“制备实验”没有什么两样，都是按图索骥。考虑到步骤较多，顶多能从操作多样性的角度，把它算作是一个综合实验。
上面这些对化学物质、实验归类等方面的“夸大”与“不实”的表述，都是命题者在竭力“突出”这道题的目的与意义，这实际上也只是去給“领导”们看的一些文字。在命题者完成命题工作后的“总结”中，当然可以将这些内容大书特书。
但是，将这种过分的“褒奖”用语硬塞在题目简介中，给考生和其它学生看，则有些误人子弟。一是，学生看这些与解题完全无关的文字，也要占用宝贵的考试时间。再则，这是在给学生做对一个普通事物如何“拔高”与“夸张”的不良示范。
总之，这道考题有相当部分的“杜撰”成分，并不能反映实验教学与工业生产的实际。教师在解析这道题时要留有余地。
这道题给人的教训是，对于实验类的考题，教师要在亲自实验过过的基础上，再来命题才好。
参考文献
[1] 张勇等主编. 现代化学基础实验. 科学出版社.2000年

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