數(shù)字化實驗探究題歸類分析

陳云龍

數(shù)字化實驗探究是近幾年中考比較熱點的探究試題。試題將實驗中得到的數(shù)據(jù)以圖表、曲線的形式呈現(xiàn)出來，綜合考查同學(xué)們信息獲取與分析能力以及實驗設(shè)計與探究能力。

一、數(shù)字化實驗在實驗探究中的作用

數(shù)字化實驗通常由“傳感器+數(shù)字采集器+計算機配套的系統(tǒng)支持軟件”三部分構(gòu)成，通過傳感器對壓強、濃度、pH、溫度、電導(dǎo)率等物理量進行識別，再將這些物理量轉(zhuǎn)換為電信號，通過數(shù)據(jù)采集器及軟件將電信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字，并以數(shù)字和圖形相結(jié)合的形式呈現(xiàn)在計算機的屏幕上。同學(xué)們可以非常直觀地對圖形進行觀察，然后做出判斷或預(yù)測，發(fā)現(xiàn)隱藏在數(shù)據(jù)背后的化學(xué)規(guī)律和原理。

二、數(shù)字化實驗探究題的解題基本思路

解數(shù)字化實驗探究題時要從圖表、曲線中獲取相關(guān)實驗數(shù)據(jù)，并對實驗數(shù)據(jù)進行分析，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為與探究方法相關(guān)的實驗結(jié)論。解答此類試題的關(guān)鍵是基于“曲線—宏觀—微觀—符號”四重表征思想分析曲線，運用證據(jù)推理分析化學(xué)變化本質(zhì)與規(guī)律。解題基本思路如下：

（1）曲線分析：直接讀出曲線坐標(biāo)中的兩個變量（橫、縱坐標(biāo)）之間的變化關(guān)系，關(guān)注起點、終點以及變化的趨勢;

（2）宏觀辨識：分析縱坐標(biāo)中相關(guān)物理量（如壓強、濃度、pH等）變化的原因;

（3）微觀探析：分析化學(xué)反應(yīng)的微觀過程，形成對變化規(guī)律的認(rèn)識;

（4）符號表征：用相關(guān)的化學(xué)用語（如化學(xué)方程式等）進行表征。

三、數(shù)字化實驗探究題的?？碱}型歸納

1. 氣體壓強傳感器

例1（2019·北京）用圖1裝置進行實驗，先后將溶液快速全部推入，測得一段時間內(nèi)壓強變化如圖2所示。

（1）先推入的溶液是___________。

（2）BC段壓強不變，原因是______。

（3）CD段壓強變大，用化學(xué)方程式解釋：______。

解析：（1）AB段壓強先減小，是因為CO2與先推入的NaOH溶液反應(yīng)，裝置內(nèi)氣體減少;（2）BC段壓強基本不變，是因為CO2與NaOH溶液完全反應(yīng)，反應(yīng)停止。（3）CD段壓強變大，是因為新生成的Na2CO3與稀鹽酸反應(yīng)生成CO2，裝置內(nèi)氣體增加。

答案：NaOH溶液 NaOH溶液與CO2充分反應(yīng)，反應(yīng)停止 Na2CO3 + 2HCl [ ? ? ? ? ? ? ? ?] 2NaCl + H2O + CO2↑

[小結(jié)][以氣體壓強傳感器為情境的數(shù)字化實驗題解題四部曲：

首先，分析“壓強-時間”曲線中，壓強隨時間的變化規(guī)律。如本題中，AB段壓強減少——BC段壓強不變——CD段壓強變大。

其次，分析壓強變化的原因。如本題中，氣體體積變化引起壓強變化，氣體體積的變化過程為：減少——不變——變大。

再次，分析氣體體積變化的原因。如本題中，反應(yīng)經(jīng)歷三個主要階段： NaOH與CO2反應(yīng)——NaOH與CO2反應(yīng)停止——Na2CO3與稀鹽酸反應(yīng)。

最后，用相關(guān)的化學(xué)方程式進行表征。如本題中，相關(guān)反應(yīng)如下：2NaOH +CO2 [ ? ? ? ? ? ? ? ?] Na2CO3 + H2O，Na2CO3 + 2HCl [ ? ? ? ? ? ? ? ?] 2NaCl + H2O + CO2↑。]

2.氣體體積分?jǐn)?shù)傳感器

例2（2019·福建節(jié)選）某興趣小組開展“測定空氣中氧氣的體積分?jǐn)?shù)”的探究實驗。

【實驗1】按圖3所示裝置，用紅磷燃燒的方法測定空氣中氧氣的體積分?jǐn)?shù)。

【實驗2】按圖4所示裝置，在集氣瓶內(nèi)壁用水均勻涂附鐵粉除氧劑（其中輔助成分不干擾實驗），利用鐵銹蝕原理測定空氣中氧氣的體積分?jǐn)?shù)。

解析：由圖5和圖6可知實驗1和實驗2中氧氣的體積分?jǐn)?shù)不斷減少，最終實驗1剩余氧氣的體積分?jǐn)?shù)為8.6%，實驗2剩余氧氣的體積分?jǐn)?shù)接近0。測定空氣中氧氣的體積分?jǐn)?shù)應(yīng)盡可能將氧氣消耗完，因此實驗 2的測定方法更準(zhǔn)確。

答案：實驗2 反應(yīng)后，實驗1集氣瓶中剩余氧氣的體積分?jǐn)?shù)為8.6%，而實驗2集氣瓶中氧氣幾乎耗盡

[小結(jié)][以氣體體積分?jǐn)?shù)傳感器為情境的數(shù)字化實驗題解題四部曲：

首先，分析“體積分?jǐn)?shù)-時間”曲線中，濃度隨時間的變化規(guī)律。如本題中，氧氣的濃度（體積分?jǐn)?shù)）不斷減少。

其次，分析濃度變化的原因。如本題中，氧氣的不斷消耗引起氧氣的體積分?jǐn)?shù)不斷減少。

再次，分析氣體變化的原因。如本題中，紅磷燃燒、鐵銹蝕均不斷消耗氧氣。

最后，用相關(guān)的化學(xué)方程式進行表征。如本題中，相關(guān)反應(yīng)為：4P + 5O2 ?[ ? ? ?點燃 ? ? ?] 2P2O5等。]

3. 溶液pH傳感器

例3（2019·咸寧改編）某同學(xué)對石灰石與稀鹽酸反應(yīng)制取二氧化碳后所得溶液感興趣。他取適量反應(yīng)后過濾的濾液，逐滴滴入Na2CO3溶液，并用pH傳感器連續(xù)監(jiān)測，得到如圖7曲線圖。（已知：CaCl2溶液顯中性，Na2CO3溶液顯堿性）

（1）圖7中AB段內(nèi)發(fā)生反應(yīng)的化學(xué)反應(yīng)方程式為______。

（2）圖7中BC段pH不變的原因是______。

（3）圖7中CD段上升的原因是______。

解析：（1）石灰石與稀鹽酸反應(yīng)后過濾的濾液溶質(zhì)為CaCl2，且可能含有HCl。滴入Na2CO3溶液時，Na2CO3先與HCl反應(yīng)（即AB段），因此pH先變大。（2）當(dāng)Na2CO3與HCl完全反應(yīng)后，后續(xù)滴入的Na2CO3繼續(xù)與CaCl2反應(yīng)生成CaCO3沉淀和NaCl（即BC段）。由于CaCl2溶液顯中性，生成NaCl溶液也顯中性，故pH不變。（3）當(dāng)?shù)稳氲腘a2CO3與CaCl2完全反應(yīng)后，繼續(xù)滴入過量Na2CO3溶液（即CD段），由于Na2CO3溶液顯堿性，因此溶液的堿性逐漸增強，即pH變大。

答案：（1）2HCl + Na2CO3 [ ? ? ? ? ? ? ? ?] 2NaCl + H2O + CO2↑ （2）BC段是CaCl2與Na2CO3反應(yīng)生成CaCO3沉淀和NaCl的過程，而CaCl2溶液和NaCl溶液均顯中性，所以pH不變 （3）滴入過量堿性的Na2CO3溶液，溶液的堿性逐漸增強，pH變大

小結(jié)

以pH傳感器為情境的數(shù)字化實驗題解題四部曲：

首先，分析“pH-時間”曲線中，pH隨時間的變化規(guī)律。如本題中，pH經(jīng)歷了如下四個階段：變大（AB）——不變（BC）——變大（CD）——不變（DE）;

其次，分析pH變化的原因。如本題中，pH變化的原因是H+（或OH-）變化引起的;

再次，分析H+（或OH-）的原因。如本題中，反應(yīng)經(jīng)歷的四個階段： Na2CO3與濾液中的HCl反應(yīng)消耗H+——Na2CO3與濾液中的CaCl2反應(yīng)生成CaCO3沉淀和NaCl，溶液顯中性——繼續(xù)加Na2CO3，溶液的堿性增強——最后溶液的pH趨近于Na2CO3溶液的pH，基本不變。

最后，用相關(guān)的化學(xué)方程式進行表征。如本題中，相關(guān)反應(yīng)如下：2HCl + Na2CO3 [ ? ? ? ? ? ? ? ?] 2NaCl +H2O + CO2↑，CaCl2 + Na2CO3 [ ? ? ? ? ? ? ? ?] ?CaCO3↓+ 2NaCl。