羅志勇

一、原題再現(xiàn)

1. 題文。

為驗證不同化合價鐵的氧化還原能力，利用下列電池裝置進行實驗。

回答下列問題：

（1）由FeSO4·7H2O固體配制0.10 mol·L-1 FeSO4溶液，需要的儀器有藥匙、玻璃棒、_____（從下列圖中選擇，寫出名稱）。

（2）電池裝置中，鹽橋連接兩電極電解質溶液。鹽橋中陰、陽離子不與溶液中的物質發(fā)生化學反應，并且電遷移率（u∞）應盡可能地相近。根據(jù)下表數(shù)據(jù)，鹽橋中應選擇_______作為電解質。

（3）電流表顯示電子由鐵電極流向石墨電極。可知，鹽橋中的陽離子進入_______電極溶液中。

（4）電池反應一段時間后，測得鐵電極溶液中c（Fe2+）增加了0.02 mol·L-1。石墨電極上未見Fe析出。可知，石墨電極溶液中c（Fe2+）=________。

（5）根據(jù)（3）、（4）實驗結果，可知石墨電極的電極反應式為______，鐵電極的電極反應式為__________。因此，驗證了Fe2+ 氧化性小于________，還原性小于___________。

（6）實驗前需要對鐵電極表面活化。在FeSO4溶液中加入幾滴Fe2（SO4）3溶液，將鐵電極浸泡一段時間，鐵電極表面被刻蝕活化。檢驗活化反應完成的方法是____________。

2. 答案與解析。

第（1）小題參考答案為燒杯、量筒、托盤天平。本小題考查配制一定物質的量濃度溶液。題目要求配制0.10mol·L-1 FeSO4溶液，由于溶液濃度的精度要求不高而且FeSO4屬于易變質的溶質，所以在配制過程中無需使用精確度達0.01mL的容量瓶。配制過程為：用托盤天平稱量出所需FeSO4·7H2O固體，用量筒量取所需體積的蒸餾水，將稱量好的FeSO4·7H2O固體轉移至燒杯中，將量筒中一部分蒸餾水轉移至燒杯中，用玻璃棒攪拌至FeSO4·7H2O固體全部溶解，再將量筒中剩余的蒸餾水全部轉移至燒杯，最后用玻璃棒攪拌均勻，F(xiàn)eSO4溶液即配制完成。從配制過程可以看出需要的儀器包括藥匙、玻璃棒、托盤天平、量筒和燒杯。

第（2）小題參考答案為KCl。本小題考查鹽橋的組成。鹽橋是雙液原電池中保證電路通路的裝置，人教版高中化學選修4中注明“鹽橋中通常裝有含瓊膠的KCl飽和溶液”。本題通過給予信息的形式解釋了鹽橋中為什么要填充KCl飽和溶液：鹽橋中陰、陽離子不與溶液中的物質發(fā)生化學反應，并且電遷移率應盡可能地相近。鹽橋中陰、陽離子電遷移率應盡可能地相近目的是為了保證鹽橋中陰、陽離子從鹽橋中進入溶液時的速率相同，降低電池內電阻。Li+、Na+、Ca2+ 和K+ 在溶液中相對穩(wěn)定，作為鹽橋內電解質的陽離子適用范圍較廣。HCO3-、NO3-、Cl-和SO24- 是常見的陰離子，其中 HCO3-對溶液酸堿度敏感，溶液pH發(fā)生變化時容易發(fā)生反應;SO24-與上述陽離子的電遷移率相差較大，不符合要求。綜上KCl和KNO3均可作為鹽橋內的電解質。由于NO3- 在酸性環(huán)境下具有一定的氧化性，在原電池工作的過程中可能會對溶液中各離子放電過程造成一定的影響，所以鹽橋中通常使用KCl作為電解質。在有Ag+參與的原電池中才使用填充KNO3的鹽橋。

第（3）小題參考答案為石墨。本小題考查原電池的工作原理。根據(jù)題中所給信息，石墨電極是電子流入的電極，即為原電池的正極，所以電解質溶液中的陽離子向石墨電極做定向移動。鹽橋是通過其中的陰、陽離子向電解質溶液做定向移動，實現(xiàn)傳導電流的作用。本題石墨電極是原電池的正極，所以鹽橋中的陽離子向石墨電極做定向移動，進入石墨電極溶液中。

第（5）小題的參考答案為Fe3++e-=Fe2+，F(xiàn)e-2e-= Fe2+，F(xiàn)e3+，F(xiàn)e。本小題考查化學實驗基本思維方法。本小題要求根據(jù)第（3）、（4）小題中提供的實驗結果，歸納總結實驗結論，推導過程見圖1。

實驗的主要目的是驗證不同化合價鐵的氧化還原能力，氧化還原能力即得失電子的能力。在石墨電極溶液中Fe2+ 和Fe3+共存，原電池工作時Fe3+ 得電子變成Fe2+，說明Fe3+ 得電子能力比Fe2+ 強，即Fe3+氧化性比Fe2+強。在鐵電極溶液中Fe和Fe2+ 共存，原電池工作時Fe失電子變成Fe2+，說明Fe失電子能力比Fe2+ 強，即Fe還原性比Fe2+ 強。

第（6）小題的參考答案為取少量溶液，滴入KSCN溶液，不出現(xiàn)血紅色。本小題考查Fe3+ 的檢驗方法。根據(jù)題意可知“鐵電極表面刻蝕活化”是利用少量Fe3+與鐵電極表面的Fe反應，當活化反應完成時Fe3+ 被消耗完，所以可以通過檢驗溶液中是否存在Fe3+ 來判斷活化反應是否完成。

3. 設問分析。

本題實驗的原理是通過電流表測定反應2Fe3++Fe=3Fe2+ 的進行方向，通過反應進行方向判斷不同化合價鐵的氧化還原能力的強弱。題目設問圍繞上述實驗目的展開，主要分為基礎性問題和分析性問題，基礎性問題主要是化學實驗基本技能，分析性問題主要是根據(jù)實驗數(shù)據(jù)、現(xiàn)象得出結論。詳細見表1。

從上表可以看出，本題主要考查理解與辨析、歸納與論證兩種能力，屬于較低的能力要求。本題設問中的基礎性問題涉及粗略配制溶液、常見離子的檢驗、鹽橋的組成等。這些設問從多個角度考查考生對化學實驗基礎的掌握程度。而分析性問題則考查了考生對本實驗的認識程度和考生的證據(jù)推理能力，設問層層遞進，邏輯嚴密。通過鹽橋中陽離子的移動方向和c（Fe2+）的計算結果作為實驗現(xiàn)象，引導考生分析出鐵電極為原電池的負極、石墨電極為原電池的正極;再通過電極反應式的書寫引導學生分析Fe、Fe2+ 和Fe3+ 的得失電子能力順序，從而得出實驗結論。

二、備考策略

1. 了解實驗特點，明確實驗目的。

探究性原理實驗是通過控制外界條件，調控化學反應，從而說明反應的原理和反映規(guī)律的化學實驗。探究性原理實驗題具有以下幾個特點。

（1）以反應原理或規(guī)律為主要探究內容。

2020全國I卷實驗題的實驗內容是比較不同價態(tài)鐵的氧化還原能力，這是一個通過測定得失電子的先后順序進而說明氧化還原性強弱的實驗，屬于反應規(guī)律的探究。類似的還有2015年北京卷實驗題探究各物質濃度對“2Fe3++2I-=I2+ 2Fe2+ ”平衡的影響和2014年安徽卷實驗題探究外界因素對電化學腐蝕的類型的影響等，屬于反應原理的探究。

（2）以對比實驗為實驗方法。

對比實驗是探究性原理實驗常用的實驗方法。通過設計對比實驗，實現(xiàn)對外界條件的控制，達到調控化學反應的目的。探究性原理實驗中的對比實驗有兩種思路，一是設計在相同條件下哪種反應物先反應，如2020年全國I卷實驗題中提及的Fe和Fe2+、Fe2+ 和Fe3+ 那種粒子先放電的問題;二是設計相同的反應物在不同條件下發(fā)生哪種化學反應，如2014年安徽卷實驗題中設計鐵粉和碳粉在不同的醋酸濃度下發(fā)生哪種電化學腐蝕的問題。

（3）以實驗現(xiàn)象為實驗結果。

通過觀察實驗現(xiàn)象得出實驗結果，歸納出實驗結論。由于探究性原理實驗需要設計對比實驗，以實驗現(xiàn)象差異為證據(jù)說明問題。2020年全國I卷實驗題中就以電流表指示的電子流向作為證據(jù)，說明Fe、Fe2+ 和Fe3+ 的放電順序。而2015年北京高考實驗題則以溶液的顏色變化為證據(jù)，說明平衡移動的方向。

根據(jù)上述探究性原理實驗的特點，我們可以知道探究性原理實驗的主要目的是通過對比實驗的現(xiàn)象差異說明化學反應發(fā)生的規(guī)律和原理，所以在設計實驗過程中是以對比實驗的現(xiàn)象差異明顯為首要出發(fā)點。

2. 掌握基本模型，理順實驗思路。

探究性原理實驗是圍繞化學反應原理和反應規(guī)律展開的，掌握基本實驗模型能理順探究性原理實驗的基本思路。在選修模塊《化學反應原理》中探究性原理實驗的基本模型，詳見表2。

上表羅列出人教版《化學反應原理》中部分探究性原理實驗的基本模型，這些實驗均以對比實驗為基本方法，實驗現(xiàn)象為實驗結果說明化學反應原理或反應規(guī)律。學生在一輪復習時可以針對以上各個實驗進行分析、歸納和匯總，重點思考這些實驗的設計思路、現(xiàn)象與結論之間的邏輯關系，這樣可以高效形成探究性原理實驗的基本思維方法。

3. 歸納反應規(guī)律，開拓實驗思維。

探究性原理實驗往往以課本基本實驗為基礎，針對課本實驗做出適當延伸，學生在備考過程中應對課本實驗進行歸納總結，形成探究性原理實驗的基本思維模式。

例如“不同溫度下KI、H2SO4和O2反應，比較溫度對反應速率的影響”的實驗現(xiàn)象為溶液變藍的快慢，溶液變藍是由①4I-+O2+4H+ =2I2+2H2O;②I2+淀粉→藍色物質;兩個化學反應同時控制，所以在設計實驗時需要考慮溶液變藍的時間必須由反應①決定才能說明溫度對反應速率的影響。

又如“FeCl3、CuSO4對H2O2分解的催化作用對比”的實驗現(xiàn)象是放出大量氣泡。催化效率較高的催化劑會使H2O2較快分解，H2O2分解的過程中放出大量熱，使溶液溫度升高，反應進一步加快，這使得反應速率既受催化劑的影響，又受到溫度的影響，所以在設計實驗過程中需要加入控制溶液溫度的措施。

探究性原理實驗是探究性較強的實驗類型，除了對學生的基本實驗技能有較高的要求外，還要求學生能根據(jù)實驗現(xiàn)象做出一定的分析推理，得到合理的實驗結論。這類實驗能很好地體現(xiàn)學生“證據(jù)推理與模型認知”“科學探究與創(chuàng)新意識”等核心素養(yǎng)。

責任編輯? ?李平安