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AP化学的难度众所周知，怎么能提高成绩相信大家也是非常关心的。 这篇文章是由学生喜爱的Stu老师编写。 内容包括了改革后，AP化学实验题该怎么获得高分的技巧，并且配合真题讲解。 有题，有真相！ AP化学考试中会有关于实验的题目。 对实验的考察具体表现为：对化学反应的观察，实验数据和现象的记录，实验结果的计算和误差分析，实验结论的有效表达。 在新的化学大纲中，College board向开设AP化学课程的学校推荐了下面16个实验。 一般，AP化学考试中的实验题不会超出这16个实验的范围。但是，因为时间和条件的限制，没有多少学校的AP化学实验课程能涵盖所有这16个实验，所以准备AP化学考试的同学需要自学一些实验内容“on paper”。 这里详细讲解一些在AP考试中经常考到的实验。
Tritration、尤其是acid-base titration是一个经常考到的实验内容。 滴定反应的原理： 由已知浓度的标准溶液A滴定未知浓度的溶液B，从而求出溶液B的浓度。 计算方法如下图所示： 滴定实验中常用到的主要设备： analytical balance，Erlenmeyer flask，buret，pipet，graduated cylinder，pH indicator(pH meter)，volumetric flask等。 氧化还原滴定，其中一种溶液一般是有颜色的，所以不需要特地使用其它的指示剂。 酸碱滴定实验，end point的判断是根据酸碱指示剂的颜色变化，下面的表格列出了常用的一些酸碱指示剂和颜色变化所对应pH范围。
对于某个特定的滴定反应，酸碱指示剂的选择标准是，应把滴定反应的equivalence point 包括在其颜色变化的pH范围内。 或者说，酸碱指示剂颜色变化的pH范围应该与滴定反应的equivalence point 越接近越好（酸碱指示剂的pKa与equivalence point的pH值越接近越好）。这样可以减小实验的系统误差。 具体而言，可以根据酸碱的强弱选择酸碱指示剂。 A.强酸与强碱的滴定实验，大部分酸碱指示剂都适用。因为接近滴定的end point时，一滴的强酸或强碱溶液的加入可以使被滴定溶液改变6个pH值。因为pH变化的跨度大，所以大部分酸碱指示剂都可以发生颜色变化。 B.强酸和弱碱的滴定实验，选用在酸性pH条件下变色的指示剂。 C.强碱和弱酸的滴定实验，选用在碱性pH条件下变色的指示剂。 弱酸与弱碱的滴定实验中，或者需要绘制滴定曲线时，使用到的仪器是pH meter。 一般，AP化学考试中常考到的是强酸与弱碱、或者强碱与弱酸的滴定反应。在这类实验中，注意滴定曲线的equivalence point所需体积的一半处所对应曲线点的pH值为弱酸的pKa或者弱碱的pKb。
另外，在滴定实验中会考到对实验误差的分析，这也是对滴定实验操作标准的考察。 需要注意的是：对于盛放标准溶液的buret和量取标准溶液使用到的pipet，在使用之前，先用水清洗，然后一定使用少量的标准溶液进行润洗（rinse），否则会因为少量水粘在玻璃器皿的内壁上稀释标准溶液。 I，没有将所有固体酸移到滴定容器中，这样需要与之反应的NaOH量减少，算出的酸的摩尔数也会减少，所以molar mass会偏大。 II，多加一些水来溶解固体酸，不会改变酸溶液中溶质的摩尔数，所以对实验没有影响。 III，滴定过程中使用过量碱溶液，这样算出的酸的摩尔数也会偏大，所以molar mass会偏小。因此这道题的正确选项是A。
这个实验一般考察的是测量溶液反应中的热量变化，对应的是thermochemistry中的内容。 实验使用的设备： thermometer，calorimeter (coffee-cup type, polystyrene cups)，magnetic stirrers，stirring bar或者stirring rod等。
Calorimetry实验中的计算： 根据反应前后的温度变化值△T，specific heat capacity（c）和溶液质量m，由公式q = c m △T，可求出溶液的热量变化值（如要求，还需要根据calorimeter的heat capacity和温度变化值求出其热量变化值，与溶液的热量变化值相加）。注意，溶液和calorimeter的q之和与反应的q的绝对值相等，但符号相反。
第一问关于有效数字，根据需要的测量精度来选用不同的设备。 用100mL烧杯（准确到±10mL）量取50mL溶液，只能准确到10mL，这样计算结果只能准确到一位有效数字。所以第二问中，为了提高实验的精确度，需要选用100mL的量筒，其测量值可以准确到小数点后一位。 另外，可以使用2.00M HCl和2.00M NaOH代替1.00M HCl和1.00M NaOH。因为高浓度溶液反应放出热量更多，反应前后的温度改变值更大，这样温度的测量更准确。 第一问比较简单，用热量值除以反应物摩尔数是enthalpy of reaction。但是要注意放热反应的符号为负。 第二问是对实验误差的分析。 实验中没有考虑量热器和温度计所吸收的热量，所以算出的热量值应该低于反应真实的热量变化。 第三问要求用平衡常数的大小分析反应是否彻底。 因为题目中没有提供任何平衡常数值，可以考虑其逆反应、也就是水的auto ionization的平衡常数Kw（1.0 x 10-14），互逆反应的平衡常数互为倒数，所以HCl与NaOH中和反应平衡常数为1.0 x 1014，可以认为反应彻底进行。 这道题也是对实验误差的分析。 可能使实验数据偏大的原因有很多，比如反应前的温度值读取偏低或者反应后的温度值读取偏高，量取的酸溶液或碱溶液的体积偏大等。 公式△H = (c m △T) / n，如果△T偏大，△H也会偏大。
实验中用于混合物质的分离纯化方法可以分为五种，分别为：Precipitation， Filtration，Centrifugation，Distillation和Chromatography。
Precipitation主要用于Gravimetric Analysis的实验中，通常和Filtration配合使用。 例如，使用形成碳酸盐沉淀的形式标定硬水中的hardness的实验。 首先，将水中的Ca2+、 Mg2+等以CaCO3、MgCO3沉淀，然后进行Filtration、干燥后称重，求出水中Ca2+、 Mg2+质量和浓度。 注意，Filtration的形式可以分为gravity filtration和suction filtration两种，后者在减压条件下进行，可以增快过滤。 Centrifugation在AP化学中考察的比较少，是一种主要用于将suspension中的固体物质用centrifuge与液体分开的分离方法。 Distillation适用于沸点相差比较大的液体混合物质。 Volatile的液体先达到沸点，将其蒸汽收集后冷却为液体，实现混合物液体物质的分离。 Chromatography是一种重要的分离纯化方法。 试验中，首先将含有混合物的溶液样品吸附在固定相（stationery phase）上，可以是paper chromatography的滤纸或者TLC（thin-layered chromatography）中的silica gel。 然后，使用流动相（mobile phase，一般是一些solvent组成的混合溶液）在滤纸或silica gel上展开。因为样品中不同组分的polarity不同，在固定相上随流动相移动的速率也不同。一段时间后，样品中的不同混合物可以分开。 一般，使用滤纸或silica gel作为固定相的chromatography中，polar物质比nonpolar物质移动更慢些。
这是AP化学中常考到的一类题，例如下面这道题，是对测定含有结晶水化合物中结晶水百分含量的误差分析。 首先需要了解实验方法。 将含有结晶水的物质进行加热，除去结晶水。根据加热前后样品的质量差值求出结晶水的质量，然后除以加热前样品质量求出结晶水的百分含量。 这道题中，实验结果低于理论值，如果加热后，因为实验误差是测量样品质量值偏大，则会使计算出的结晶水质量偏低，百分含量也会偏低。 所以这道题的正确选项为B。如果加热后的样品因为吸收了空气中的水蒸气，会使实验结果低于理论值。 对于特殊化学样品和试剂，需要按照标准操作规程进行，例如下题是关于强酸强碱的稀释方法。 浓酸与水的混合过程中，需要将浓酸缓慢滴入大量水中，不能将水加入浓酸中。因为稀释的过程中会放出大量热。将浓酸缓慢滴入大量水中时，热量可以被水所吸收。相反，如果将水加入浓酸中，因为浓酸的密度更大，酸与水混合产生的热量不易散出，会使酸液飞溅出来。所以这道题的正确选项是B。 AP化学中的实验较多。复习这部分内容时，应该理解每一个实验的操作方法，熟悉实验中用到的设备，能够根据实验数据进行相关计算和误差分析。 其中，最重要的是掌握需验证的化学原理，以不变应万变。 |
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