化學(xué)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析與處理策略

江蘇 印志林

化學(xué)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析與處理策略

江蘇 印志林

科學(xué)探究的八大要素中有一個(gè)要素是要求對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，近年來(lái)的高考中不斷出現(xiàn)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析題，引導(dǎo)我們重視對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析能力的培養(yǎng)。下面具體舉例，在分析化學(xué)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)呈現(xiàn)方式的基礎(chǔ)上，就這類試題的考查熱點(diǎn)和如何處理數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

一、數(shù)據(jù)的表格化

實(shí)驗(yàn)題中的表格數(shù)據(jù)有兩種呈現(xiàn)形式，一是實(shí)驗(yàn)前以信息或資料的形式給出，如物質(zhì)的熔點(diǎn)、沸點(diǎn)、溶解度、溶度積、金屬離子沉淀的pH等數(shù)據(jù)；二是以記錄實(shí)驗(yàn)結(jié)果的形式給出，如實(shí)驗(yàn)中物質(zhì)的量的變化、溶液的濃度、反應(yīng)的溫度、反應(yīng)的時(shí)間等數(shù)據(jù)。

熱點(diǎn)1過(guò)量判斷型

【例1】在標(biāo)準(zhǔn)狀況下，進(jìn)行甲、乙、丙三組實(shí)驗(yàn)：三組各取60mL同濃度鹽酸溶液，加入同一種鎂鋁合金粉末，產(chǎn)生氣體，有關(guān)數(shù)據(jù)列表如下：

實(shí)驗(yàn)序號(hào)甲乙丙合金質(zhì)量／mg 510 770 918 __氣體體積／mL 560 672 672__

則下列說(shuō)法正確的是（ ）

A．甲組和乙組的實(shí)驗(yàn)中，鹽酸均是過(guò)量的

B．鹽酸的物質(zhì)的量濃度為0．8mol／L

C．合金中鎂鋁的物質(zhì)的量之比為1∶1

D．丙組中鋁的物質(zhì)的量為0．009mol

解析：分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，甲實(shí)驗(yàn)中鹽酸過(guò)量，丙實(shí)驗(yàn)中合金過(guò)量。設(shè)甲實(shí)驗(yàn)中，Mg、Al的物質(zhì)的量分別為x、y，則x×24g／mol＋y×27g／mol＝0．51g、x＋1．5y＝0．56L÷ 22．4L／mol，解得x＝y(tǒng)＝0．01mol，則合金中鎂鋁的物質(zhì)的量之比為1∶1。由甲組數(shù)據(jù)可知，生成672mL H2時(shí)，所需合金的質(zhì)量為510mg×672mL／560mL＝612mg＜770mg，故乙組實(shí)驗(yàn)中合金過(guò)量。由乙組實(shí)驗(yàn)中H2的量計(jì)算鹽酸的濃度為c（HCl）＝2n（H2）／0．06L＝0．06mol／0．06L＝1mol／L。丙組中鋁的物質(zhì)的量為0．01mol× 918mg／510mg＝0．018mol。

答案：C

點(diǎn)撥：對(duì)于這類“定一變一”型的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析題，首先要明確實(shí)驗(yàn)?zāi)康?，弄清?shí)驗(yàn)原理，然后分析不同組數(shù)據(jù)之間的內(nèi)在聯(lián)系和比例關(guān)系，判斷哪組數(shù)據(jù)是過(guò)量反應(yīng)物作用下所得的數(shù)據(jù)，最后靈活運(yùn)用守恒原理，根據(jù)不足量的物質(zhì)進(jìn)行計(jì)算。

熱點(diǎn)2控制變量型

【例2】（2015福建，節(jié)選）在不同條件下，KClO3可將KI氧化為I2或KIO3。某化學(xué)興趣小組設(shè)計(jì)了系列實(shí)驗(yàn)研究反應(yīng)條件對(duì)反應(yīng)產(chǎn)物的影響，其中系列a實(shí)驗(yàn)的記錄表如下（實(shí)驗(yàn)在室溫下進(jìn)行）：

________試管編號(hào)1 2 3 4___ __0．20mol／L KI（mL）1．0 1．0 1．0 1．0__ ______KClO3（s）（g）0．10 0．10 0．10 0．10_ _6．0mol／L H2SO4（mL）0 3．0 6．0 9．0__蒸餾水（mL）9．0 6．0 3．0 0___實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象

（1）系列a實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖莀_____________________。

（2）設(shè)計(jì)1號(hào)試管實(shí)驗(yàn)的作用是____________________。

（3）若2號(hào)試管實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象為“黃色溶液”，取少量該溶液加入淀粉溶液顯藍(lán)色；假設(shè)氧化產(chǎn)物唯一，還原產(chǎn)物為KCl，則此反應(yīng)的離子方程式為_(kāi)________________________。

解析：（1）分析表中數(shù)據(jù)得：KI、KClO3的物質(zhì)的量不變，實(shí)驗(yàn)中改變的是硫酸和水的體積，且二者的體積之和相等，可見(jiàn)實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖茄芯糠磻?yīng)體系中硫酸濃度對(duì)反應(yīng)產(chǎn)物的影響。（2）設(shè)計(jì)1號(hào)試管實(shí)驗(yàn)時(shí)沒(méi)有加入硫酸，即硫酸的濃度是0，據(jù)此可以進(jìn)行對(duì)照實(shí)驗(yàn)，比較不同濃度的硫酸對(duì)反應(yīng)產(chǎn)物的影響。（3）若2號(hào)試管的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象為“黃色溶液”，取少量該溶液加入淀粉溶液顯藍(lán)色，證明產(chǎn)生了I2；假設(shè)氧化產(chǎn)物唯一，還原產(chǎn)物為KCl，根據(jù)氧化還原反應(yīng)規(guī)律，可得＋6I－＋6H＋===Cl－＋3I2＋3H2O。

答案：（1）研究反應(yīng)體系中硫酸濃度對(duì)反應(yīng)產(chǎn)物的影響

（2）硫酸濃度為0的對(duì)照實(shí)驗(yàn)

點(diǎn)撥：本題強(qiáng)調(diào)實(shí)驗(yàn)中變量控制思想的運(yùn)用。設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)研究反應(yīng)條件對(duì)反應(yīng)產(chǎn)物的影響時(shí)，必須要控制實(shí)驗(yàn)的條件，一次只能改變一個(gè)影響因素，否則就無(wú)法得出正確的結(jié)論。

熱點(diǎn)3數(shù)據(jù)剔除型

【例3】取20．00mL待測(cè)稀鹽酸溶液放入錐形瓶中，并滴加2～3滴酚酞作指示劑，用0．10mol／L NaOH標(biāo)準(zhǔn)溶液進(jìn)行滴定。重復(fù)上述滴定操作2～3次，記錄數(shù)據(jù)如下：

實(shí)驗(yàn)編號(hào)_ NaOH溶液的濃度（mol／L）滴定完成時(shí)，NaOH溶液滴入的體積（mL）待測(cè)鹽酸溶液的體積（mL）_1 0．10 22．82 20．00 2 0．10 23．40 20．00 3 0．10 22．78 20．00

根據(jù)上述數(shù)據(jù)，可計(jì)算出該鹽酸的濃度約為_(kāi)_______（保留兩位有效數(shù)字）。

解析：因?yàn)閷?shí)驗(yàn)2所得的數(shù)值誤差太大，故應(yīng)剔除。滴定終點(diǎn)時(shí)，n（KOH）＝n（HCl），即0．10mol／L××10－3L＝20．00×10－3L·c（HCl），解得c（HCl）＝0．114mol／L。

答案：0．114mol／L

點(diǎn)撥：在定量實(shí)驗(yàn)中，為了提高實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確度和可靠度，消除實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的偶然誤差，往往需進(jìn)行平行實(shí)驗(yàn)。對(duì)平行實(shí)驗(yàn)所得的數(shù)據(jù)，必須進(jìn)行合理的取舍，舍棄離群值，在去掉了離群值后，其他比較集中的數(shù)據(jù)在中學(xué)階段一般用算術(shù)平均值的方法來(lái)對(duì)其進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。

二、數(shù)據(jù)的圖象化

圖象化是用直線圖或曲線圖對(duì)化學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)果加以處理的一種簡(jiǎn)明化形式。它適用于一個(gè)量的變化引起另一個(gè)量的變化的情況。圖象化的最大特點(diǎn)是鮮明、直觀、簡(jiǎn)單、明了。

【例4】（2013廣東，節(jié)選）大氣中的部分碘源于O3對(duì)海水中I－的氧化。為探究Fe2＋對(duì)O3氧化I－反應(yīng)的影響（反應(yīng)體如圖1），某研究小組測(cè)定兩組實(shí)驗(yàn)中I－3濃度和體系pH，結(jié)果見(jiàn)圖2和下表。已知：在溶液中存在化學(xué)平衡：I2（g）＋I(xiàn)－（aq）I－3（aq）。

圖1

圖2

____編號(hào)____ _____反應(yīng)物反應(yīng)前pH反應(yīng)后pH第1組O3＋I(xiàn)－5．2 11．0_____第2組O3＋I(xiàn)－＋Fe2＋5．2 4．1______

（1）第1組實(shí)驗(yàn)中，導(dǎo)致反應(yīng)后pH升高的原因是_____ ______________________________________________________。

（2）圖1中的A為_(kāi)_______，由Fe3＋生成A的過(guò)程能顯著提高I－的轉(zhuǎn)化率，原因是__________________________。

（3）第2組實(shí)驗(yàn)進(jìn)行18s后，I3－濃度下降。導(dǎo)致下降的直接原因有（雙選）________。

A．c（H＋）減小B．c（I－）減小

C．I2（g）不斷生成D．c（Fe3＋）增加

（4）據(jù)圖2，計(jì)算3～18s內(nèi)第2組實(shí)驗(yàn)中生成I3－的平均反應(yīng)速率為_(kāi)____________（結(jié)果保留兩位有效數(shù)字）。

解析：（1）O3將I－氧化為I2，本身被還原生成水：2I－＋O3＋2H＋===I2＋O2＋H2O，反應(yīng)消耗H＋（酸）且生成水，所以溶液的酸性減弱，pH升高。（2）因?yàn)镕e3＋可將I－氧化為I2：2Fe3＋＋2I－===2Fe2＋＋I(xiàn)2，由此可知A為Fe3＋的還原產(chǎn)物Fe2＋。該反應(yīng)可使溶液中的c（I2）增大，促使I2（g）＋I(xiàn)－（aq（aq）的平衡正向移動(dòng)，消耗的c（I－）增多，所以由Fe3＋生成Fe2＋的過(guò)程能顯著提高I－的轉(zhuǎn)化率。（3）第2組實(shí)驗(yàn)進(jìn)行18s后，濃度下降，說(shuō)明I2（g）＋I(xiàn)－（aq）（aq）的平衡逆向移動(dòng)。c（Fe3＋）增加時(shí)，反應(yīng)2Fe3＋＋2I－===2Fe2＋＋I(xiàn)2會(huì)使c（I－）下降，I2（g）不斷生成，都會(huì)使I2（g）＋I(xiàn)－（aq）I3－（aq）的平衡逆向移動(dòng)，使c（I3－）急劇減小。（4）根據(jù)圖給數(shù)據(jù)可得：v（I3－）＝（11．8－3．5）×10－3mol／L÷（18－3）s＝5．5×10－4mol／（L·s）。

答案：（1）O3氧化I－的反應(yīng)中消耗H＋和生成水

（2）Fe2＋Fe3＋將I－氧化：2Fe3＋＋2I－===2Fe2＋＋I(xiàn)2，溶液中c（I2）增大，使I2（aq）＋I(xiàn)－（aq）I3－（aq）的平衡正向移動(dòng)

（3）BD

（4）5．5×10－4mol／（L·s）

【例5】0．80g CuSO4·5H2O樣品受熱脫水過(guò)程的熱重曲線（樣品質(zhì)量隨溫度變化的曲線）如下圖所示。

請(qǐng)回答下列問(wèn)題：

（1）試確定200℃時(shí)固體物質(zhì)的化學(xué)式：___________。

（2）取270℃所得樣品，于570℃灼燒得到的主要產(chǎn)物是黑色粉末和一種氧化性氣體，該反應(yīng)的化學(xué)方程式為_(kāi)__________。把該黑色粉末溶解于稀硫酸中，經(jīng)濃縮、冷卻，有晶體析出，該晶體的化學(xué)式為_(kāi)____________，其存在的最高溫度是________。

（3）上述氧化性氣體與水反應(yīng)生成一種化合物，該化合物的濃溶液與Cu在加熱時(shí)發(fā)生反應(yīng)的化學(xué)方程式為_(kāi)___ ________________________。

（4）在0．10mol／L硫酸銅溶液中加入氫氧化鈉稀溶液充分?jǐn)嚢栌袦\藍(lán)色氫氧化銅沉淀生成，當(dāng)溶液的pH＝8時(shí)，c（Cu2＋）＝_________mol／L【Ksp［Cu（OH）2］＝2．2× 10－20】。

若在0．1mol／L硫酸銅溶液中通入過(guò)量H2S氣體，使Cu2＋完全沉淀為CuS，此時(shí)溶液中的H＋濃度是________ mol／L。

解析：分析熱重曲線可知，CuSO4·5H2O受熱到102℃時(shí)開(kāi)始脫水分解，在113℃時(shí)可得到較穩(wěn)定的一種中間產(chǎn)物，到258℃時(shí)才會(huì)繼續(xù)分解。

（1）0．80g CuSO4·5H2O中，CuSO4的質(zhì)量為0．51g＜0．57g，故在200℃時(shí)固體還是CuSO4的結(jié)晶水合物。根據(jù)反應(yīng)中失去的水的質(zhì)量，可用差量法進(jìn)行計(jì)算。

（2）在570℃時(shí)灼燒CuSO4得到的黑色粉末是CuO，氧化性氣體是SO3。CuO與稀硫酸反應(yīng)生成CuSO4和水，蒸發(fā)濃縮所得的晶體為CuSO4·5H2O，其存在的最高溫度為102℃。（3）SO3與水反應(yīng)生成硫酸，濃硫酸具有強(qiáng)氧化性，與銅共熱時(shí)可將銅氧化。（4）pH＝8時(shí)，c（OH－）＝10－6mol／L，由Ksp［Cu（OH）2］＝c（Cu2＋）·c（OH－）2可得，c（Cu2＋）＝（2．2×10－20）／10－12＝2．2×10－8mol／L。在0．1mol／L硫酸銅溶液中通入過(guò)量H2S氣體，使Cu2＋完全轉(zhuǎn)化為CuS沉淀，溶液中的溶質(zhì)為硫酸，c（SO2－4）不變，為0．1mol／L，則c（H＋）為0．2mol／L。

答案：（1）CuSO4·H2O

（2）CuSO4CuO＋SO3↑ CuSO4·5H2O102℃

（3）2H2SO4（濃）＋CuCuSO＋SO↑＋HO422

（4）2．2×10－80．2

點(diǎn)撥：解答實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)圖象分析題時(shí)，首先要弄清楚自變量和因變量是什么，注意理解曲線起點(diǎn)、終點(diǎn)、轉(zhuǎn)折點(diǎn)的含義；然后找出數(shù)據(jù)變化的原因，與化學(xué)反應(yīng)原理掛鉤，根據(jù)所學(xué)知識(shí)分析原理、圖象、數(shù)據(jù)三者之間的關(guān)系。

在定量化學(xué)實(shí)驗(yàn)中，可能會(huì)得到較多的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中通常包含著大量的信息，而這些信息往往卻是隱含的。化學(xué)實(shí)驗(yàn)所得的數(shù)據(jù)，可分為有用、有效數(shù)據(jù)，正確、合理數(shù)據(jù)，錯(cuò)誤、無(wú)效數(shù)據(jù)，以及無(wú)用、多余數(shù)據(jù)等。處理數(shù)據(jù)時(shí)，先要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選，然后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，異中求同，同中求異，發(fā)現(xiàn)其中所反映出來(lái)的有關(guān)規(guī)律，提取出所需要的信息，據(jù)此得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論，從而順利地實(shí)現(xiàn)問(wèn)題的解決。

（作者單位：江蘇省常州市橫山橋高級(jí)中學(xué)）