从近年来国内外化学竞赛题看分析化学的培训方向

日期:2004-03-16  作者:
  

摘要本文总结归纳了近年来国内外化学竞赛的分析化学试题(含国际预备题)的特点,并从中得到一些启发和体会。

关键词 化学竞赛 理论 实验 培训方向

十多年来在中国化学会的指导下,我国中学生在国际化学竞赛中取得了很大成绩。为了使我国今后的化学竞赛工作能有一个更大的进步,认真研究其命题特点和规律很有必要。

首先我们从下列两表中看一看近几年国内外化学竞赛中的分析化学试题。

表1 1992年~1998年全国高中学生化学竞赛(决赛)试题

理论题

实验题

1992年

P204配合物组成的测定

①NaOH标液(自称邻苯二甲酸氢钾标定);②EDTA标液测Cu、紫脲酸铵指示剂

1993年

设计一个实验方案来测定I2在水和CCl4中的浓度,并计算KD值(萃取分配系数)

氮肥肥效的测定

甲醛法则NH4,提供已标好的NaOH标液

1994年

1995年

利用“他学放大”反应测少量的碘化物

(间接碘量法和碘酸钾法的联合使用)

用HCl滴定Na3PO4,通过滴定Na3PO4的两个终点所消耗的HCl标液的体积比(V1/V2)对所制备的Na3PO4产品纯度给予评价

1996年

EDTA测定人体尿液中Ca、Mg含量

用间接碘量法测定葡萄糖的含量,提供Na2S2O3标液,用其标定I2

1997年

利用吸光度的加和性,用分光光度法测矿渣中微量钴和镍

NaOH滴定2,4-二氯苯氧乙酸

NaOH标液用HCl标液标定

1998年

利用分光光度法中的连续变化法确定配合物中的摩尔比及一定实验条件下的表现稳定常数

EDTA法测定PbO,PH=5~6,二甲酚橙指示剂,提供EDTA标液

表2 第24届~29届国际化学奥林匹克竞赛试题

理论题

实验题

24届

摩尔法和伏尔哈德法

CO2对溶解度的影响

EDTA法测Ca,EDTA用基准

CaCO3标定(其中使用pH计)

25届

色谱分析测定胃液中胆酸和甘氨胆酸的含量

NaOH测定柠檬酸含量,用已称量好的邻苯二甲酸氢钾标定NaOH

26届

克氏定氮法测氮

要求画出滴定过程中的滴定曲线

实验一 脂肪酸的测定

1)酸值的测定 KOH标液

2)皂化值的测定 HCl标液

3)碘值的测定 Na2S2O3标液

实验二 伏尔哈德法测定溴代物的含量,KSCN用已知AgNO3标液标定

27届

离子选择电极测NO3含量

间接碘量法测Cu(gly)2·xH2O的Cu(Ⅱ)、Na2S2O3用KIO3标液标定

28届

1)利用间接碘量法测铋(多步法)

2)电位滴定和分光光度法联用测溶液中的Fe2、Fe3

间接碘量法测工业样品中的Cu(Ⅱ),Fe(Ⅲ)

Na2S2O3用K2Cr2O7标液标定

29届

分光光度法测弱酸型指示剂

EDTA法测矿泉水中的Ca、Mg含量

从上表中提供的信息我们可看出:

1.分析化学在竞赛中所占份量很重

从近几年的国内外化学竞赛来看,分析化学在整个竞赛内容中所占的比例很大。分析化学理论题虽时有时无(近年来,一般都有)。但是在实验题的40分中,分析化学必占20分。另20分或是无机题,或是有机题。而26届国际奥赛的实验题全部是分析化学内容。这次实验考试,四大滴定中除络合滴定外,全部考到。加上一个分析化学理论试题(克氏定氮法测氮),分析化学考试内容占到50%。又如28届国际奥赛预备题中的50个理论题,分析化学试题则有12个,占总数的24%。这是由于分析化学不属于各国中学教学内容,需要竞赛前予以补充。因此在近几年,冬令营竞赛后的国家组队的选拔过程中,分析化学予以补充性培训。

2.分析化学理论试题特点

2.l 分光光度法是重要内容

近年来,国内外化学竞赛除了四大滴定外,分光光度法成为重要考核点。

1997年国内化学竞赛考的是分光光度法测矿渣中微量铭和镍的含量,考的知识点是

吸光度的加和性。选手可以在本学过分光光度法的前提下,利用阅读试卷提供的文字内容,现场进行分光光度法原理学习,当场即可解决此问题。可见此题考核的是学习能力,不是考核预先是不是学过分光光度法。

1998年国内化学竞赛考的是分光光度法确定配合物中的摩尔比,并求一定实验条件下该配合物的表现稳定常数。但不应该认为该题要求选手必须预先懂得用分光光度法测稳定常数。相应地在27届、28届国际奥赛中都考了分光光度法的内容。基于这两年分光光度法内容考试之频繁,因此在中国化学会竞赛决赛大纲中加上了分光光度法的基本概念。看来,竞赛选手在国内外大赛之前,朗伯——比耳定律应作为必备之内容。除此之外,近几年考题还涉及到:色谱分析(25届国际奥赛),离子选择电极(27届国际奥赛),电位滴定(28届国际奥赛),萃取分配系数(93年国内化学竞赛)。但应指出,国际奥赛凡是考了上述内容的必定会在该年的预备题中提供该内容的相关题。93年国内竞赛的萃取分配系数也属于现学型试题,因此不应该认为选手在参加集训队培养前必须先掌握这些内容。

2.2 理论试题跨度大,要求选手有较强的综合运用能力

如27届国际奥赛预备题中的第21题,考的知识点就包括:用饱和法测配位物的组成,绝对平衡常数和条件平衡常数,酸效应系数,终点误差等。将分光光度法和配位滴定法柔和在一起。在预备题和竞赛题中学科内容各知识点的柔和,各学科知识点的柔和均不少见。

2.3 要求选手准确掌握分析化学各个知识点的内容,并消化融解成自己的东西而随时运用

如某年有一预备题,我们拿来考查学生,很少有人一眼就能看出命题人的意图。题目:

下列叙述主要目的在于研究EDTA的性质

(1)绘出10mL 0.1mol·L-1EDTA与0.1mol·L-1NaOH的滴定曲线(请用最少的计算)EDTA的解离常数Ka为1.0×10-2.,2.1×10-3,6.9×10-7,5.5×10-11。请问曲线的哪一部分会因过于简单的计算,而得到不正确的结果。(虽然无法避免绘出此区域的敏感曲线。)

(2)EDTA的每一个物种分别在哪个pH区域占优势?绘出每一物种随PH变化的图形。

(3)假设等量的铜加入10mL的EDTA溶液中,然后再以NaOH进行滴定,绘出如图1)的滴定曲线图,假设铜和EDTA的错和物形成十分完全,写出此错合物形成的反应式。(绘滴定曲线图时,计算过程是不必要的)。

我们每次用此题考查从冬令营大赛中获一等奖的选手,很少能有满意的答案。其实这题考的主要是下列知识点:多元酸的分步滴定,分布系数,弱酸的强化等。把知识点找准,问题就变得很简单了。看来分析化学中的各个知识点要真正在选手的脑中扎根还不是一件容易的事。这需要选手对涉及的很多内容进行梳理织成网络,变成自己的东西,才能顺利地解决问题。

2.4 要求选手熟悉牢握一定量的化学事实

化学竞赛有其特点,如数学竞赛特别注重考查选手的逻辑思维能力,而化学竞赛包

括分析化学除了与数学同样的要求外,还应掌握一定量的化学事实。如23届国际奥赛预备题中的第3题。题目:

25mL浓度为0.02mol·L-1的酸性高锰酸钾溶液加入到0.1204g含有Na2C2O3、NaNO2,和Na3AsO4的混合物中,用FeSO4溶液返滴定过量的KMnO4,消耗0.02mol·L-1FeSO4溶液5 mL,另取一份重量相同的混合物样品,向其中加入过量KI和H2SO4,反应完成后生成的I2以溶于NaHCO3的浓度为0.02mol·L-1的硫酸肼返滴定,消耗5mL,计算混合物的定量组成,Wt%。

这就是说,预备题提示参加国际竞赛的选手在参赛前应熟悉下列化学事实:

然后可以拟条件列出3个联立方程式,解方程组得出结果。

3.分析化学实验重在基础,重在考察移液管和滴定管的使用

从两表的1992年~1998年国内化学竞赛,24届~29届国际奥赛内容来看,酸碱滴定出现6次,而且绝大多数是用NaOH做标准溶液,酚酞做指示剂。间接碘量法出现4次,Na2S2O3做标准溶液,淀粉做指示剂。络合滴定法出现4次,EDTA做标准溶液,二甲酸橙、紫脲酸铵等做指示剂。沉淀滴定法出现1次,是伏尔哈德法。

近几年的竞赛,分析天平考得不多,除24届国际奥赛,1992年、1998年国内化学竞赛使用了分析天平外,其余都没有考分析天平。这是因为一方面国际奥赛明确提出对移液管和滴定管有要求,另一方面举办国和举办省也采取回避使用分析天平的做法。(大规模的竞赛,分析天平的仪器误差很难避免。)况且,随着科技进步,国际竞赛涉及的称量都已改为操作简单结果又可靠的电子天平,目前我国作为常规方法的分析天平应当放进博物馆了,完全没有必要再花精力去学习。不过,由于我国教育投资不足,常规分析天平的操作在近几年还需要练习。但重点应放在移液管和滴定管的使用,指示剂终点的观察。在实验操作技巧方面,要在很短的时间内,将选手培养到一个熟练化验员的水平,滴定误差要求≤士0.1%,这不是一件容易的事。事实上,无论国际国内竞赛对误差的要求都没有这样高。不过,滴定操作的好坏对竞赛成绩关系重大,我们在选拔时,要注意选出那些动手能力强,协调性好,对颜色变化灵敏度高的学生。

4.理论与实践紧密结合,理论指导实验

化学是一们理论与实践紧密结合的科学,分析化学更是如此。国内外化学竞赛是一种高层次的学科竞赛,不仅是要求选手做几个漂亮的数据,更重要的是能综合评价实验结果,这就要求选手对实验原理能有一个深入透彻的了解。并具有较强的综合运用能力。

如1995年全国化学竞赛实验题:要求通过滴定Na3PO4两个终点所消耗的HCl标准

溶液的体积之比,对所制备的Na3PO4产品的纯度给予评价。在实验过程中一般V1≠V2,但这是不是说产品不纯呢?答案是:不一定。首先要排除滴定管的体积测量误差。因此,标准溶液消耗的体积一定要在20mL左右。(不准用分析天平)

排除体积测量后只有两种可能:一种情况产品是纯Na3PO4,不含其它酸碱组分,V1≠V2是由终点误差引起,但此误差不会很大。如果误差很大,那么产品就不只是Na3PO4,其中含有别的酸碱组分。

这个实验题不仅考了选手的实验基本操作能力,而且还考了分析化学理论中很多深层次的知识如混合碱的测定,误差的传递,终点误差等等。因此,国内外化学竞赛试题层次是高的,从某种角度来说,其知识跨度之大,智力和实验操作能力要求之高,远远超过对一般本科生的要求。

从上述情况,我们可看出,尽管化学竞赛题目千变万化,但其特点和规律性还是可循的,随时总结发现其规律,无疑将对我们今后的培养选拔、组织竞赛等工作,具有指导性的意义。

摘自中学综合学科网


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