高考试题中不应有装置图及实验原理方面的错误

 

——对2017年高考理综1卷26（化学）题的解析

为了联系生产与科学实验的实际。高考试卷有竭力增加工业生产流程及测定实验原理，这样的趋势。这使得中学化学教学内容变得更为宽泛，也使得化学教师的教学工作要处于不断的跟进与探索中。

对于绝大多数没有参与过化工生产、也不可能有多少化验室工作经验的中学化学教师（大家都是科班出身）来说，现在也终于被迫要接触一些联系实际的问题了。

也就是抱着这样学习的心态，笔者拜读了2017年高考理综1卷26题。因为它涉及的是一个，毕业多年后脑海中对其已无任何印象的，有机物中氮含量的测定方法。

这个题的内容是：

 

 

本人学习的过程及心得体会如下：

一、 凯氏定氮法简介

从网上可以看到，这个方法是国家标准[GB/T 5009.5--1985]规定的，食品中蛋白质含量的测定方法。

其测定的原理及步骤是：

第一步，消化

将蛋白质中的氨基酸，在有浓硫酸及催化剂存在的情况下，加热，使其转化为可溶性的(NH₄)₂SO₄。所以，这个过程也被称之为“消化”。

以甘氨酸为代表的消化反应方程式可写为，

2NH₂-CH₂-COOH+7H₂SO₄=(NH₄)₂SO₄+4CO₂↑+6SO₂↑+8H₂O。

第二步，蒸馏与吸收

目的是，要将消化液中的NH₄⁺离子转移到一个酸性的待滴定液中去。

在有足量强碱（NaOH），且加热较长时间的情况下，消化液中的NH₄⁺离子会全部以NH₃的形式逸出。再用硼酸溶液吸收这些NH₃，就得到了可以被滴定的待测液。

蒸馏的方程式为，(NH₄)₂SO₄+2NaOH=Na₂SO₄+2NH₃+H₂O。

考虑到硼酸是个一元弱酸，吸收NH₃的反应方程式通常被写为，

NH₃+H₃BO₃=NH₄H₂BO₃……（1）

有的也写为NH₃+H₃BO₃+H₂O=NH₄B(OH)₄。

注意到硼酸是过量的，真正得到的是其酸式盐（类似于硼砂）。还有的将其写为，

2NH₃+4H₃BO₃=(NH₄)₂B₂O₇ +5H₂O。

第三步，滴定

由于NH₄H₂BO₃是一个极弱酸的铵盐。当它与强酸定量反应完全时，也会有一个pH的突跃（这时，H₃BO₃的酸性对这个突跃不会有根本性的影响）。所以这个溶液可以直接用强酸来滴定（当然要用特殊的混合指示剂）。

一般用的是已知浓度的HCl，来进行滴定。由盐酸的用量来确定出其中NH₄⁺离子的量。

相关的反应方程式为，NH₄H₂BO₃+HCl=NH₄Cl+H₃BO₃……（2）

第四步，计算

从反应（1）与（2）可看出，N、NH₃、NH₄H₂BO₃、HCl间的物质的量比，均为1:1:1:1。

这样，当试样质量为m g，盐酸的浓度为c mol·L^-1,其体积为V ml时。

有N元素的物质的量n=n（HCl）=c·V/1000。（因为c·V的单位是m mol）

这样，试样中的含氮量就是，。

在这个测定原理中，有两个学生不好理解的地方：

一个是，从组成来看硼酸怎么会是一个一元酸，并发生（1）式那样的反应。

另一个是，一个弱酸弱碱盐是如何被滴定的。滴定反应（2）并没有水生成，这样的反应也可用于酸或碱浓度的测定吗？

对这样的问题，教师必须要有被学生问到的准备。

作为这个测定实验的原理，其实还有一点特别需要加以说明的地方。那就是：不同氨基酸中N元素的含量是不同的，不同种类蛋白质的含氮量也有差别。用测量N元素含量的方法，怎么能知道试样中蛋白质含量的呢？

这是由于，不同蛋白质的含氮虽有不同，但差别不大，且在一个不大的氛围（12%-19%）之内。于是，凯氏定氮法就规定，蛋白质的含氮量为16%。这样试样的蛋白质含量就可以再计算为，蛋白质含量=含氮量/16%。也就是说，这个测定结果再准确（对氮元素来说），也只是一个大致的蛋白质含量。

当然，了解这个方法的原理后，就会看到它的一个弱点。那就是，所有含铵态氮的化学物质，对这个测定都会有干扰（消化时，它们也可以变成NH₄⁺离子，而增加试样的含氮量）。所以，一些人为了“提高”原奶中的“蛋白质含量”，就发生了向其中添加三聚氰胺的事件。

因为，牛奶中蛋白质含量通常就用凯氏定氮法来测定。而三聚氰胺的化学组成为C₃N₃(NH₂)₃（是致癌物质），微溶。当将其混入牛奶试样后，在消化的过程中它就可以给出大量的NH₄⁺离子，从而显著地改变试样中的含氮量。

要杜绝这种对人体还有伤害的作弊行为，就应该换用其他的蛋白质测定方法了。

二、 对实验装置中各仪器的作用及操作步骤的分析

这个方法所用的装置，有两个比较特别的地方。

一个是，消化试样时，要在有浓硫酸存在、温度很高的情况下，反应较长的时间。为便于加热，且避免反应物的溅出，要使用一个特制的，下部的球体较小，瓶颈还很长的烧瓶。名称为凯氏烧瓶（样子比较怪，在网上有）。

第二个就是试题所给出，这个很不常见的蒸馏与吸收装置。

试题所给的图是很有代表性的。只是有几个仪器及器材的名称没有给出。教师可补充如下：

a.安全管，c.汽水分离器，d.三角漏斗。

从这个试题对一些仪器的作用，及操作方法的描述来看，有几个很明显的不够合适的地方。

1.  烧瓶中玻璃管的作用值得商榷

从仪器的连接及操作的原理不难看出，认为a的作用是“使容器内与外界大气压相同”的说法是站不住脚的。

试问，如果这个圆底烧瓶内的水蒸气压真的就与外界大气压相同，在e与g中的导管都要插在液面下的情况下，烧瓶中的水蒸气还能向右端输送过去吗？

这个烧瓶中的水蒸气压必须要高于大气压。准确一些说，当烧瓶中的水沸腾而压强增大时，这个插入液面的玻璃管中就会产生出一个高于液面的水柱。只有当这个水柱的高度稍大于，导气管在e与g液面下的深度之和时，作为接收装置的锥形瓶才能接收到氨气。

这根玻璃管的作用是，既要保证烧瓶中的压强要较高（以克服导气管在两处要浸没在液面下的阻力），又不能过大（这会导致装置中各接口松动，或烧瓶炸裂）而特意设置的（水蒸气压过大时，就会有水从这个玻璃管的上端流出）。

所以这根不起眼的玻璃管才被称作“安全管”。

还需要指出的是，试题中的这个安全管安装的也不够规范。在一些实验规范中，对安全管的长度是有要求的，除了有示意图外（起码要高过烧瓶的1倍，甚至更多），还有一句话就是“不宜太短”^[1]。

    

而像试卷中那样，才把安全管画了那么长的一点点。这可能是考虑到，节约纸张比科学性更重要的缘故吧。教师在讲解这个题时，也要注意到这一点。

2.  往反应装置中加铵盐试样的操作不合理

试题中对这个加反应物的操作次序叙述为，“铵盐试样由d注入e，随后注入氢氧化钠溶液，用蒸馏水冲洗d”。

不难看出，这个加完铵盐试样，接着就加氢氧化钠的顺序，一定会带来一个严重的后果。就是原来粘在三角漏斗内壁上的铵盐试样（强酸性），一定会与后加的浓碱液在漏斗中就发生反应（使NH₃在反应装置外生成）。在反应还会放出大量的热的同时，这部分NH₃的些许丢失似乎是不可避免的。这种添加试液的方法，会导致测定结果系统性地偏低，

不如将这个操作的写法改为，“铵盐试样由d注入e，用少量蒸馏水冲洗d（使NH₄⁺离子全部进入反应容器），随后注入氢氧化钠溶液”。

最后的这个加完氢氧化钠溶液的三角漏斗，是不是马上要洗，与测定实验的准确度是没有关系的。因为氢氧化钠原本就是过量的。

3.  三角漏斗中保留有少量水的目的是什么

三角漏斗下连接的胶管上是有一个水止夹（也叫弹簧夹）的。其作用就是，在打开它时可以由这个导管让铵盐试样进入反应装置，在关闭它时不准水蒸气从这里泄出。

如果，这个水止夹质量不好，有水蒸气从这里泄出，在三角漏斗中加一些水，就能阻止有一定压强的气体的泄出吗？恐怕未必，实际上那是要比较两侧压力的大小，也就是比较液柱高度的。只有当三角漏斗中的液柱的高度，大于导气管在e与g液面下的深度之和时，它才能起到“防止漏气”的作用。

问题是，三角漏斗中液面的高度，能大于导气管在e与g液面下的深度之和吗？从试题所给出的这个装置图来看，这个三角漏斗即便装满了水，水压也不会有多大。是不会起“防止漏气”作用的。

如果三角漏斗连“防止漏气”作用都没有，哪里还谈得上什么“液封”。

可以推测出，如果这个水止夹不好用，人们只能眼巴巴地看着，一个个的气泡从漏斗上口的水中冒出来。

这个情景也可能就是人们想要的。即，在三角漏斗中装水，能起到“及早发现水止夹漏气”，也就是“检查是否漏气”的作用。

看来。一个并不十分复杂的化学实验装置。在一些对化学实验不那么熟悉的命题者中，也不是那样可以玩的得心应手的。

三、这个考题给中学化学教学带来的影响

其实这个高考题，在实验仪器作用及操作程序理解方面，与实际偏差再大、错误再多，对化学教学的影响也不会有多大。因为任课教师可以在对其讲解的过程中，用几句话就把它说明白。

这个题对中学化学教学更为严重的冲击是。它又引入了一个电离形式有些“异类”的硼酸。又引入了一个比单纯酸碱滴定要更复杂的滴定形式。

一些化学知识与理论都比较多、且有“创新精神”的教师，就会在这两方面照猫画虎地加以“强化”与“扩展”，并编写出许多类似的题来。

一般的教师也不会满足于，把硼酸吸收氨气的反应写的像试卷中那样，将反应产物写成NH₃·H₃BO₃。因为许多学生也会要求教师把这个问题“说明白”。那样，恐怕教师就只能是从质子酸碱的角度来解释了，并引入一种全新的弱酸电离形式了。

对于酸碱滴定也是这样。一般强酸与强碱的滴定可以看作是中学化学教学中的一个基本教学内容。弱酸与弱碱的滴定是否该进入中学化学教学，就会有争议。在这个试题中，明目张胆地要把弱酸弱碱盐与强酸的滴定，强行地塞入到中学化学教学中来。在无法定量讨论这种滴定必备条件的情况下，一线的化学教师们能怎么办呢？

高考命题，不能只是追求内容要最新、形式要最怪。首先要考虑的是对中学化学教学有什么影响。不能置教学大纲于不顾，在考试中随意安插许多非必要的教学内容。

一年一次高考，一年要增加一些新的化学知识与理论。如此下去，我国中学生的基本化学素质，一定会超过许多国家化学专业硕士水准的。

参考文献

[1] 北京师范大学《化学实验规范》编写组. 化学实验规范. 北京师范大学出版社.1987年