巧用控制變量法有效突破化學(xué)實(shí)驗(yàn)探究題

周海歐　鄧丹

在《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020修訂）》中明確提出：能運(yùn)用變量控制的方法探究并確定合適的反應(yīng)條件，安全、順利地完成實(shí)驗(yàn)。近幾年，實(shí)驗(yàn)探究題的考查成為廣東化學(xué)高考實(shí)驗(yàn)題的熱點(diǎn)，主要是考查學(xué)生對(duì)控制變量法的掌握程度。控制變量法就是在研究和解決問題的過程中，當(dāng)影響事物的變化規(guī)律有多個(gè)因素時(shí)，往往先人為控制其它幾個(gè)因素不變，集中研究其中一個(gè)因素按照特定的條件發(fā)生變化所產(chǎn)生的影響，從而解決問題。

學(xué)生存在主要問題：不懂如何應(yīng)用控制變量法、找不到變量、思路不清晰、不會(huì)分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案不完善等。

【解題模型】

明確探究對(duì)象—尋找影響因素（自變量）—控制單一變量—觀測(cè)因變量—得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論。

【例1】（2012·廣東高考節(jié)選）碘在科研與生活中有重要應(yīng)用。某興趣小組用0.50mol·L-1 KI、0.2% 淀粉溶液、0.20mol·L-1 K2S2O8、0.10mol·L-1 Na2S2O3等試劑，探究反應(yīng)條件對(duì)化學(xué)反應(yīng)速率的影響.

已知：S2+2I-=2S+I2（慢）

I2+2S2=2I-+S4（快）

（2）為探究反應(yīng)物濃度對(duì)化學(xué)反應(yīng)速率的影響，設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)方案如下表：

表中Vx=________ mL，理由是_____________________.

解析：對(duì)照實(shí)驗(yàn)探究濃度對(duì)反應(yīng)速率的影響須保證其他條件完全一致，故應(yīng)加水2.0mL以保證溶液總體積完全相同，而此時(shí)其它物質(zhì)的濃度不變，只改變了反應(yīng)物K2S2O8溶液的濃度。

答案：（2）2.0 保持溶液總體積相同，僅改變S2的濃度而其他物質(zhì)濃度不變（其他合理答案也可）

【例2】（2014·廣東高考節(jié)選）H2O2是一種綠色氧化還原試劑，在化學(xué)研究中應(yīng)用廣泛。

（1）某小組擬在同濃度Fe3+的催化下，探究H2O2濃度對(duì)H2O2分解反應(yīng)速率的影響。限選試劑與儀器：30% H2O2、0.1mol·L-1 Fe2（SO4）3、蒸餾水、錐形瓶、雙孔塞、水槽、膠管、玻璃導(dǎo)管、量筒、秒表、恒溫水浴槽、注射器

②設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案：在不同H2O2濃度下，測(cè)定________（要求所測(cè)得的數(shù)據(jù)能直接體現(xiàn)反應(yīng)速率大?。?/p>

③設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)裝置，完成如圖所示的裝置示意圖。

④參照下表格式，擬定實(shí)驗(yàn)表格，完整體現(xiàn)實(shí)驗(yàn)方案（列出所選試劑體積、需記錄的待測(cè)物理量和所擬定的數(shù)據(jù);數(shù)據(jù)用字母表示）。

解析：依據(jù)題意，探究不同H2O2濃度下，生成相同體積的O2所需要的時(shí)間或者是在相同時(shí)間內(nèi)收集O2的體積，所以需要控制其它條件相同，只改變H2O2濃度。

答案：（1）②產(chǎn)生等體積氣體所需的時(shí)間

③如圖

（本題屬于開放性試題，合理答案均可）

【例3】（2015·廣東高考節(jié)選）NH3及其鹽都是重要的化工原料。

（3）設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，探究某一種因素對(duì)溶液中NH4Cl水解程度的影響。

限制試劑與儀器：固體NH4Cl、蒸餾水、100 mL容量瓶、燒杯、膠頭滴管、玻璃棒、藥匙、天平、pH計(jì)、溫度計(jì)、恒溫水浴槽（可控制溫度）

①實(shí)驗(yàn)?zāi)康模禾骄?????? 對(duì)溶液中NH4Cl水解程度的影響。

②設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，擬定實(shí)驗(yàn)表格，完整體現(xiàn)實(shí)驗(yàn)方案（列出能直接讀取數(shù)據(jù)的相關(guān)物理量及需擬定的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)用字母表示;表中V（溶液）表示所配制溶液的體積）。

③按實(shí)驗(yàn)序號(hào)1所擬數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，若讀取的待測(cè)物理量的數(shù)值為Y，則NH4Cl水解反應(yīng)的平衡轉(zhuǎn)化率為????? （只列出算式，忽略水自身電離的影響）。

解析：（3）①根據(jù)題中所給儀器，有可以用于控制溫度的恒溫水槽，故可以設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)探究溫度對(duì)NH4Cl溶液水解程度的影響。

②根據(jù)上述儀器：可以用溫度計(jì)測(cè)量溶液溫度，可以用pH計(jì)測(cè)量溶液的pH，實(shí)驗(yàn)遵循單一變量原則，則需要配置等體積等濃度的NH4Cl溶液，測(cè)量其在不同溫度下的pH，從而判斷其水解程度的大小。

③讀取的待測(cè)物理量的數(shù)值為Y，Y為pH值，pH=-lgc（H+），c（H+）=10-Ymol/L，NH4+ + H2O？葑NH3·H2O+H+，水解的氯化銨的物質(zhì)的量為n（NH4Cl）=c（H+）×V=10-Y×0.1mol，則氯化銨水解反應(yīng)的平衡轉(zhuǎn)化率為100%×（10-Y×0.1×53.5）/m =（10-Y× 5.35）/m。

答案：（3）①溫度

②

③（10-Y×5.35）/m

練習(xí)

1.（2021·廣東高考節(jié)選）

（4）某合作學(xué)習(xí)小組進(jìn)行以下實(shí)驗(yàn)探究。

① 實(shí)驗(yàn)任務(wù)? 通過測(cè)定溶液電導(dǎo)率，探究溫度對(duì)AgCl溶解度的影響。

② 查閱資料? 電導(dǎo)率是表征電解質(zhì)溶液導(dǎo)電能力的物理量。溫度一定時(shí)，強(qiáng)電解質(zhì)稀溶液的電導(dǎo)率隨溶液中離子濃度的增大而增大;離子濃度一定時(shí)，稀溶液電導(dǎo)率隨溫度的升高而增大。25℃時(shí)，Ksp（AgCl）= 1.8×10-10。

③ 提出猜想? 猜想a：較高溫度的AgCl飽和溶液的電導(dǎo)率較大。

猜想b：AgCl在水中的溶解度s（45℃） > s（35℃） > s（25℃）。

④ 設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、驗(yàn)證猜想? 取試樣Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ（不同溫度下配制的AgCl飽和溶液），在設(shè)定的測(cè)試溫度下，進(jìn)行表1中實(shí)驗(yàn)1-3，記錄數(shù)據(jù)。

⑤數(shù)據(jù)分析、交流討論? 25℃的AgCl飽和溶液中，c（Cl-） =???????? mol·L-1。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果為A3>A2>A1。小組同學(xué)認(rèn)為，此結(jié)果可以證明③中的猜想a成立，但不足以證明猜想b成立。結(jié)合②中信息，猜想b不足以成立的理由有?????????? 。

⑥優(yōu)化實(shí)驗(yàn)? 小組同學(xué)為進(jìn)一步驗(yàn)證猜想b，在實(shí)驗(yàn)1-3的基礎(chǔ)上完善方案，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)4和5。請(qǐng)?jiān)诖痤}卡上完成表2中內(nèi)容。

⑦實(shí)驗(yàn)總結(jié)? 根據(jù)實(shí)驗(yàn)1-5的結(jié)果，并結(jié)合②中信息，小組同學(xué)認(rèn)為猜想b也成立。猜想b成立的判斷依據(jù)是

。

解析：第⑤問考查沉淀溶解平衡計(jì)算以及根據(jù)題目信息多角度探究現(xiàn)象成因的能力。25℃時(shí)，Ksp=c（Ag+）c（Cl-），飽和的AgCl溶液中c（Ag+）=c（Cl-），所以有c（Cl-）= =mol·L-1≈1.34×10-5mol·L-1;根據(jù)題目信息可知，濃度一定時(shí)，稀溶液電導(dǎo)率隨溫度的升高而增大，隨著實(shí)驗(yàn)1，2，3測(cè)試溫度依次升高，即使溶液濃度未增加，電導(dǎo)率亦會(huì)增加，因此無法根據(jù)電導(dǎo)率結(jié)果判斷飽和溶液的濃度是否增加。

第⑥、⑦問考查考生通過設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)變量控制進(jìn)而完成對(duì)物質(zhì)性質(zhì)進(jìn)行探究的能力。

如要判斷AgCl在水中的溶解度隨溫度的變化情況，需要排除隨溫度變化而導(dǎo)致溶液電導(dǎo)率變化的影響因素，因此使用不同溫度下形成的飽和溶液在相同溫度下進(jìn)行測(cè)試，如果試樣Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ在45℃時(shí)的電導(dǎo)率依次增加，則可以得出隨溫度升高，飽和溶液中離子濃度增加的結(jié)論。注意：為避免測(cè)試溫度降低后，飽和溶液析出，測(cè)試溫度選取45℃。

答案：（4）⑤ 1.34×10-5或×10-5等合理答案;實(shí)驗(yàn)1，2，3沒有同時(shí)考慮溫度以及溫度對(duì)水電離程度的影響。

（4） ⑥

⑦ 參考答案：A3>B2，A2>B1;補(bǔ)充答案：A3>B2>B1

2.（2021·順德一模節(jié)選）某興趣小組通過實(shí)驗(yàn)制備Fe（NO3）3并進(jìn)行性質(zhì)探究。

（3）Fe（NO3）3溶液性質(zhì)的探究：

取適量0.1mol·L-1Fe（NO3）3溶液，加入到新制的銀鏡中，發(fā)現(xiàn)銀鏡溶解，且無其它固體析出。

① 實(shí)驗(yàn)任務(wù)：通過設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)探究Fe（NO3）3溶液溶解銀的原因。

② 查閱資料：N在不同條件下的還原產(chǎn)物較復(fù)雜，有時(shí)難以觀察到氣體產(chǎn)生。

③ 提出猜想：猜想a：Fe3+具有氧化性，能夠氧化Ag;

????????? 猜想b：Fe（NO3）3溶液呈酸性，在此酸性條件下N能氧化Ag。

④ 設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、驗(yàn)證猜想

Ⅰ. 甲同學(xué)從上述實(shí)驗(yàn)的生成物中檢測(cè)出Fe2+，驗(yàn)證了猜想a成立。請(qǐng)寫出Fe3+氧化Ag的離子方程式

。

Ⅱ. 乙同學(xué)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證猜想b，請(qǐng)幫他完成下表中內(nèi)容

解析：要證明猜想b成立，需要控制溶液的pH、溫度、N與原來Fe（NO3）3溶液相同，而陽(yáng)離子鐵離子有氧化性，要排除在外。

答案：（3）I Fe3++Ag=Fe2++Ag+ II① 測(cè)定上述實(shí)驗(yàn)用0.1mol/L Fe（NO3）3溶液的pH ② 配制與上述實(shí)驗(yàn)用相同pH的HNO3溶液，將此溶液加入新制備的銀鏡中。（補(bǔ)充答案：配制0.3mol/L的硝酸鈉溶液，再向其中加入0.3mol/L的硝酸，調(diào)pH至測(cè)定值，將此溶液加入新制備的銀鏡中;或者Fe（NO3）3溶液加入三乙醇胺、F-（配位掩蔽劑），將此溶液加入新制備的銀鏡中。答案合理即可）

3.（2021·全國(guó)高三專題練習(xí)）某研究小組將純凈的SO2氣體通入0.1mol·L-1的Ba（NO3）2溶液中，得到了BaSO4沉淀，為探究上述溶液中何種微粒能氧化通入的SO2，該小組做出了如下假設(shè)：

假設(shè)一：溶液中的NO3-

假設(shè)二：溶液中溶解的O2

（1）驗(yàn)證假設(shè)一

該小組設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了假設(shè)一，請(qǐng)?jiān)谙卤砜瞻滋幪顚懴嚓P(guān)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象

（2）為深入研究該反應(yīng)，該小組還測(cè)得上述兩個(gè)實(shí)驗(yàn)中溶液的pH隨通入SO2體積的變化曲線如下圖

實(shí)驗(yàn)1中溶液pH變小的原因是??????????????????????????? ;V1時(shí)，實(shí)驗(yàn)2中溶液pH小于實(shí)驗(yàn)1的原因是

（用離子方程式表示）。

（3）驗(yàn)證假設(shè)二

請(qǐng)?jiān)O(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證假設(shè)二，寫出實(shí)驗(yàn)步驟，預(yù)期現(xiàn)象和結(jié)論。

（4）若假設(shè)二成立，請(qǐng)預(yù)測(cè)：在相同條件下，分別通入足量的O2和KNO3，氧化相同的H2SO3溶液（溶液體積變化忽略不計(jì)），充分反應(yīng)后兩溶液的pH前者????? （填大于或小于）后者，理由是????????????????????????? 。

答案：

（1）無明顯現(xiàn)象??? 有白色沉淀生成

（2）SO2溶于水后生成H2SO3??? 3SO2+2NO3-+2H2O=3SO42-+4H++2NO

（3）

（4）小于??? 反應(yīng)的離子方程式表明，足量的O2和NO3-分別氧化相同的H2SO3，生成的H+的物質(zhì)的量前者多于后者。

通過上述分析可知，此類試題考查形式：以表格形式給出多組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，讓考生找出每組數(shù)據(jù)的變化對(duì)反應(yīng)的影響;給出影響化學(xué)反應(yīng)的幾種因素，讓考生設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)分析各因素對(duì)反應(yīng)的影響。應(yīng)用控制變量思想解答此類試題的關(guān)鍵：認(rèn)真細(xì)致審題，明確影響因素，研究各因素對(duì)探究實(shí)驗(yàn)或探究問題有何影響;注意選擇數(shù)據(jù)或設(shè)置實(shí)驗(yàn)的有效性，且變量要統(tǒng)一。

化學(xué)是一門以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的科學(xué)，化學(xué)教學(xué)也應(yīng)當(dāng)是理論和實(shí)踐緊密結(jié)合的。新課改以來，化學(xué)實(shí)驗(yàn)成為高考中的必考題型，并且在高考中占據(jù)較大分值。在此背景下，化學(xué)實(shí)驗(yàn)考查的內(nèi)容與能力要求主要集中在高中生應(yīng)該具有的化學(xué)實(shí)驗(yàn)技能、實(shí)驗(yàn)習(xí)慣和綜合的實(shí)驗(yàn)探究方法和能力等維度。實(shí)驗(yàn)命題側(cè)重考查其“接受、吸收、整合化學(xué)信息能力”，注重其“能夠通過對(duì)實(shí)際事物、實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象、實(shí)物、模型、圖形、圖表的觀察能力”，突出“化學(xué)實(shí)驗(yàn)與科學(xué)探究能力”?；貧w課本，新教材的一大亮點(diǎn)就是增加了科學(xué)探究這一欄目。而作為教師，要在日常教學(xué)中革新實(shí)驗(yàn)教學(xué)理念，上好實(shí)驗(yàn)探究課。在上課過程中，通過實(shí)驗(yàn)探究體會(huì)知識(shí)的生成，通過知識(shí)構(gòu)建得到能力的提升。我們也可以在教學(xué)中嘗試去將控制變量法作為一種科學(xué)方法，用于解決某些實(shí)際化學(xué)問題的實(shí)驗(yàn)探究過程之中。在實(shí)驗(yàn)探究的過程中，通過控制變量，得到不同的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和結(jié)論，充分發(fā)揮學(xué)生的主觀能動(dòng)性，幫助學(xué)生在變量控制的過程中實(shí)現(xiàn)從感性到理性，從現(xiàn)象到本質(zhì)地認(rèn)識(shí)物質(zhì)及其變化規(guī)律，提升學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和探究精神。

責(zé)任編輯 李平安

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