思維模型在化學(xué)實驗題“控制變量法”中的應(yīng)用

林珠玲 楊唐靖(正高級教師、特級教師)

(1.廣東省江門市新會第一中學(xué) 2.廣東省江門市新會陳經(jīng)綸中學(xué))

控制變量法是化學(xué)實驗的重要方法,在人教版新教材必修第二冊“探究影響化學(xué)反應(yīng)速率因素”的實驗中應(yīng)用了控制變量法,還增加了控制變量法的方法指導(dǎo).本文利用思維模型法對控制變量類題型進行解題分析,為高考復(fù)習(xí)提供幫助.

1 控制變量法的概念模型

控制變量法是指在研究多個因素(變量)之間的關(guān)系時,先控制其他幾個因素(“無關(guān)”變量)不變,集中研究其中一個因素(自變量)的變化所產(chǎn)生的影響.應(yīng)用控制變量法首先要明確“三量”(自變量、因變量、“無關(guān)”變量)的關(guān)系.自變量是實驗者要探究的因素,是一個變化的量;因變量是隨自變量變化而改變的量;“無關(guān)”變量是除了自變量和因變量以外的量,是需要控制不變的量.控制變量法常用的思維模型如圖1所示.

圖1

2 控制變量法在實驗方案設(shè)計中的應(yīng)用

2.1 控制單一變量設(shè)計實驗

例1某小組擬在同濃度Fe3＋的催化下,探究H2O2濃度對H2O2分解反應(yīng)速率的影響.限選試劑與儀器:30% H2O2、0.1 mol·L—1Fe2(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.

(1)設(shè)計實驗方案:在H2O2濃度不同的條件下,測定_________(要求所測得的數(shù)據(jù)能直接體現(xiàn)反應(yīng)速率大小).

(2)參照表1格式,擬定實驗表格,完整體現(xiàn)實驗方案(列出所選試劑體積、需記錄的待測物理量和所擬定的數(shù)據(jù);數(shù)據(jù)用字母表示).

表1

分析(1)收集生成相同體積氧氣所需的時間(或相同時間內(nèi)產(chǎn)生氧氣的體積).(2)根據(jù)思維模型分析,第一步:明確實驗?zāi)康?由實驗?zāi)康目芍?自變量為H2O2的濃度,因變量為時間或氧氣的體積.第二步:確定“無關(guān)”變量,即Fe2(SO4)3濃度、氧氣體積、時間.第三步:定多變一.變量為H2O2濃度,通過加入不同體積H2O2控制H2O2濃度不同.固定不變量為Fe2(SO4)3濃度和氧氣體積(或固定不變量為Fe2(SO4)3濃度和時間),通過加入相同體積Fe2(SO4)3來調(diào)控其濃度不變,通常用水調(diào)節(jié)溶液總體積不變.設(shè)計實驗方案如下.

方案1在H2O2濃度不同條件下,測定收集相同體積氧氣所需的時間.設(shè)計方案如表2所示.

表2

方案2在H2O2濃度不同的條件下,測定相同時間內(nèi)產(chǎn)生氧氣的體積.設(shè)計方案如表3所示.

表3

2.2 多變量改為單一變量設(shè)計實驗

例2(2021年廣東卷,節(jié)選)某合作學(xué)習(xí)小組進行以下實驗探究.

①實驗任務(wù):通過測定溶液電導(dǎo)率,探究溫度對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,強電解質(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,稀溶液電導(dǎo)率隨溫度的升高而增大.25 ℃時,Ksp(AgCl)＝1.8×10—10.

③提出猜想:

a.較高溫度的AgCl飽和溶液的電導(dǎo)率較大.

b.AgCl在水中的溶解度S(45℃)＞S(35℃)＞S(25℃).

④設(shè)計實驗,驗證猜想:取試樣Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ(不同溫度下配制的AgCl飽和溶液),在設(shè)定的測試溫度下,進行表4中的實驗1～3,記錄數(shù)據(jù)如表4所示.

表4

⑤實驗結(jié)果為A3＞A2＞A1.小組同學(xué)認(rèn)為,此結(jié)果可以證明猜想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)化實驗:小組同學(xué)為進一步驗證猜想,在實驗1～3的基礎(chǔ)上完善方案,進行實驗4和5.請完成表5內(nèi)容.

表5

⑦實驗總結(jié).根據(jù)實驗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________.

分析結(jié)合②中信息可知:導(dǎo)致實驗1～3導(dǎo)電率增大(A3＞A2＞A1)的因素有溫度升高、AgCl溶液溶解度增大(即離子濃度增大),還有水電離程度增大,因此無法判斷猜想b成立.明確實驗?zāi)康臑轵炞C猜想.因無法確定自變量,故猜想b有兩個變量,一個是溫度,另一個是溶解度(離子濃度).溫度不同,溶解度也不同,不符合定多變一的原則.因此,需要控制溫度相同,從而將兩個變量變?yōu)橐粋€變量,設(shè)計實驗方案如下.

方案1控制溫度為45℃,測試試樣Ⅰ、Ⅱ的電導(dǎo)率,比較試樣Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ的電導(dǎo)率,如表6所示.

表6

猜想b成立的判斷依據(jù)是:電導(dǎo)率A3＞B2＞B1.

方案2(1)控制溫度為35℃,測試試樣Ⅰ的電導(dǎo)率,比較試樣Ⅰ、Ⅱ的電導(dǎo)率,如表7所示.

表7

(2)控制溫度為45℃,測試試樣Ⅱ的電導(dǎo)率,比較試樣Ⅱ、Ⅲ的電導(dǎo)率,如表8所示.

表8

綜合(1)(2)猜想b 成立的判斷依據(jù)是:電導(dǎo)率A2＞B1,A3＞B2.

【解題策略】例1以課本素材人教版化學(xué)必修第二冊第58頁實驗活動7“催化劑對化學(xué)反應(yīng)速率的影響”為情境,實驗?zāi)康拿鞔_,實驗?zāi)康闹心苤苯语@示探究的自變量和因變量,控制單一變量,固定無關(guān)變量,根據(jù)思維模型的步驟分析便可順利解決問題.例2以溶液電導(dǎo)率為情境,情境陌生、新穎,自變量在實驗?zāi)康闹袥]有很明確地表達出來,對學(xué)生判斷有干擾,因此難度增加.巧用思維模型,將多個變量轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€變量,便可突破設(shè)計難點.

3 控制變量法在實驗數(shù)據(jù)分析中的應(yīng)用

3.1 正向思維在表格數(shù)據(jù)分析中的應(yīng)用

例3某興趣小組將表9中所給的混合溶液分別加入6個盛有過量Zn粒的反應(yīng)瓶中,以研究硫酸銅的濃度對稀硫酸與鋅反應(yīng)生成氫氣速率的影響.下列判斷錯誤的是( ).

表9

A.V1＝30,V6＝10,V7＝20

B.本實驗利用了控制變量思想,變量為銅離子濃度

C.反應(yīng)一段時間后,實驗A 中的金屬呈灰黑色,實驗F的金屬呈現(xiàn)紅色

D.該小組的實驗結(jié)論是硫酸銅的量與生成氫氣速率成正比

分析本題探究目的明確,用正向思維模型分析法可解決問題.第一步,明確實驗?zāi)康?研究硫酸銅的濃度對稀硫酸與鋅反應(yīng)生成氫氣速率的影響,找出自變量為硫酸銅濃度.第二步,確定“無關(guān)”變量:硫酸的濃度.第三步,定多變一:變量為CuSO4的濃度,通過加入不同體積的CuSO4來調(diào)控其濃度,固定不變量為H2SO4的濃度,通過加入相同體積的H2SO4來調(diào)控其濃度不變,通常用水調(diào)節(jié)溶液總體積不變.由于不變量為H2SO4的濃度,加入相同體積H2SO4,因此6組實驗H2SO4體積均為30 mL,V1＝V2＝V3＝V4＝V5＝30mL,由F可知溶液的總體積為30mL＋20mL＝50 mL,則V6＝50 mL—30 mL—10 mL＝10mL,V7＝50mL—30mL＝20mL,選項A 判斷正確.由分析可知,變量為銅離子濃度,選項B判斷正確.實驗A 中鋅與稀硫酸反應(yīng)后,鋅的表面不光滑,因此呈灰黑色;實驗F 中加入了硫酸銅溶液,Cu被Zn置換出來并覆蓋在Zn的表面,金屬呈現(xiàn)紫紅色,選項C判斷正確.氧化性Cu2＋＞H＋,故鋅先與硫酸銅反應(yīng),若硫酸銅量較少時,形成鋅、銅、硫酸原電池,反應(yīng)速率加快;若硫酸銅量較多時,生成的銅不斷覆蓋在鋅片上,使鋅與硫酸接觸的表面積不斷減小,導(dǎo)致生成氫氣的速率不斷下降,選項D 判斷錯誤.答案為D.

3.2 逆向思維在表格數(shù)據(jù)分析中的應(yīng)用

例4控制變量法是化學(xué)探究的重要方法,某同學(xué)利用1.0mol·L—1稀硫酸與鐵反應(yīng),探究影響化學(xué)反應(yīng)速率的因素時得到表10的實驗數(shù)據(jù).

表10

分析上述數(shù)據(jù),回答下列問題:

(1)實驗1 和2 表明,影響反應(yīng)速率的因素是_________.表中x＝_________,判斷依據(jù)為_________.

(2)表明反應(yīng)物濃度對化學(xué)反應(yīng)速率影響的實驗組是________(填實驗序號).

(3)本實驗中影響反應(yīng)速率的因素還有________.

(4)實驗3中若在鐵片上放一根碳棒,金屬消失的時間會遠(yuǎn)小于125s,其原因是________.

分析(1)尋找影響因素,用逆向分析法,從“定多變一”著手,對照實驗1 和2 的數(shù)據(jù),鐵的形狀不同,可找出影響反應(yīng)速率的因素為與反應(yīng)物接觸的表面積.自變量為接觸表面積,其他量不變,即硫酸濃度相同,體積相同,用水調(diào)節(jié)溶液總體積相同,由實驗1可知V總＝50mL,因此,x＝50mL—40mL＝10mL.(2)實驗1、3中只有硫酸濃度不同,其他反應(yīng)條件相同,探究濃度對反應(yīng)速率的影響.(3)整個表格提供的變量有濃度、反應(yīng)物接觸表面積、溫度.實驗3和4只有溫度不同,其他反應(yīng)條件相同,探究溫度對反應(yīng)速率的影響.(4)形成鐵、碳棒、硫酸原電池,加快反應(yīng)速率,縮短反應(yīng)時間.

【解題策略】在分析以表格形式給出多種實驗數(shù)據(jù)的題目時,若題目給出了明確的實驗?zāi)康?則用正向思維分析法,按思維模型的步驟進行分析;若題目沒有給出明確的實驗?zāi)康?而是要根據(jù)數(shù)據(jù)找出實驗?zāi)康幕蛱骄坑绊懸蛩?則用逆向分析法或正向逆向相結(jié)合的綜合分析法進行分析.

證據(jù)推理與模型認(rèn)知是探究物質(zhì)及其變化的重要手段,教師幫助學(xué)生建立起實驗探究的思維模型,并用思維模型去解決問題,讓學(xué)生的實驗探究、實驗設(shè)計、實驗數(shù)據(jù)的處理等有方法可依,有思路可循.

(完)