利用控制變量思想解決高考化學(xué)問題

內(nèi)蒙古赤峰市巴林左旗林東一中(025450)

王曉波●

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利用控制變量思想解決高考化學(xué)問題

內(nèi)蒙古赤峰市巴林左旗林東一中(025450)

王曉波●

當(dāng)研究多個(gè)因素之間的關(guān)系時(shí)，往往先控制其他幾個(gè)因素不變，集中研究其中一個(gè)因素的變化所產(chǎn)生的影響，即每一次只改變其中的某一個(gè)因素，而控制其余幾個(gè)因素不變，把多因素的問題變成單因素的問題，這種方法叫控制變量法.控制變量法是化學(xué)中常用的探究問題和分析解決問題的重要思想方法之一，應(yīng)用這一思想方法可以使研究的問題簡(jiǎn)單化.控制變量思想常應(yīng)用于反應(yīng)速率、化學(xué)平衡影響因素中，本文就此進(jìn)行論述.

例1 (2010·新課標(biāo)全國(guó)高考28)某同學(xué)在用稀硫酸與鋅制取氫氣的實(shí)驗(yàn)中，發(fā)現(xiàn)加入少量硫酸銅溶液可加快氫氣的生成速率.請(qǐng)回答下列問題：

(1)上述實(shí)驗(yàn)中發(fā)生反應(yīng)的化學(xué)方程式有____；

(2)硫酸銅溶液可以加快氫氣生成速率的原因是 ____；

(3)實(shí)驗(yàn)室中現(xiàn)有Na2SO4、MgSO4、Ag2SO4、K2SO4等4種溶液，可與實(shí)驗(yàn)中溶液起相似作用的是 ____；

(4)要加快上述實(shí)驗(yàn)中氣體產(chǎn)生的速率，還可采取的措施有 ____(答兩種)；

(5)為了進(jìn)一步研究硫酸銅的量對(duì)氫氣生成速率的影響，該同學(xué)設(shè)計(jì)了如下一系列實(shí)驗(yàn).將表中所給的混合溶液分別加入到6個(gè)盛有過量Zn粒的反應(yīng)瓶中，收集產(chǎn)生的氣體，記錄獲得相同體積的氣體所需時(shí)間.

ABCDEF4mol/LH2SO4/mL30V1V2V3V4V飽和CuSO4溶液/mL00.52.55V620H2O/mLV7V8V9V10100

①請(qǐng)完成此實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，其中：V1=____，V6=____，V9=____；

②反應(yīng)一段時(shí)間后，實(shí)驗(yàn)A中的金屬呈____色，實(shí)驗(yàn)E中的金屬呈____色；

③該同學(xué)最后得出的結(jié)論為：當(dāng)加入少量CuSO4溶液時(shí)，生成氫氣的速率會(huì)大大提高.但當(dāng)加入的CuSO4溶液超過一定量時(shí)，生成氫氣的速率反而會(huì)下降.請(qǐng)分析氫氣生成速率下降的主要原因 ____.

解析 通過一系列實(shí)驗(yàn)研究硫酸銅的量對(duì)氫氣生成速率的影響.由于該反應(yīng)生成氫氣的速率，受硫酸的濃度、用量，鋅粒純度、表面積，硫酸銅溶液的濃度、用量等因素的影響.因此，考生必須明白，為研究硫酸銅的量對(duì)氫氣生成速率的影響，必須依據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)康模刂茖?shí)驗(yàn)條件(控制變量).在實(shí)驗(yàn)中只能允許改變硫酸銅的量，保持其他條件不變，才能較快地揭示硫酸銅的量與氫氣生成速率的關(guān)系.本題考查原電池原理的應(yīng)用和影響化學(xué)反應(yīng)速率的因素.

對(duì)于(1)、(2)、(3)問涉及的制取氫氣反應(yīng)原理與原電池反應(yīng)原理相對(duì)簡(jiǎn)單，其答案分別是：

(2) CuSO4與Zn反應(yīng)產(chǎn)生的Cu與Zn形成Cu/Zn微電池，加快了氫氣產(chǎn)生的速率

(3) Ag2SO4

對(duì)于(4)問涉及加快反應(yīng)速率的措施有：升高反應(yīng)溫度、適當(dāng)增加硫酸的濃度、增加鋅粒的比表面積等(任答其中兩種即可)

對(duì)于(5)中①問，則是考查定量實(shí)驗(yàn)原理及變量控制方法的試題，體現(xiàn)“過程與方法”的考查.由于實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖恰把芯苛蛩徙~的量對(duì)氫氣生成速率的影響”，故要控制硫酸的量不變和混合溶液體積相同，只要考慮CuSO4的量是氫氣生成速率的影響因素.解題關(guān)鍵：抓住在保持稀硫酸濃度不變的條件下改變硫酸銅濃度對(duì)氫氣生成速率影響進(jìn)行解答問題.若只注意“獲得相同體積的氣體”，未注意“硫酸溶液濃度不變”則難以正確回答①問；若只注意表格中有10個(gè)未知體積要分析，未注意混合溶液體積相同，則會(huì)感覺數(shù)據(jù)混亂，難以分析到位.由于控制硫酸的量不變，故V1、V2、V3、V4、V5均等于30；由于每一個(gè)實(shí)驗(yàn)只改變CuSO4的用量，故6個(gè)反應(yīng)瓶中的CuSO4用量要有所不同，觀察表中數(shù)據(jù)依次增加，可推測(cè)V6為10；由于表中F組數(shù)據(jù)暗示：飽和CuSO4溶液與水的總體積為20mL，即確保變量統(tǒng)一，故V7、V8、V9、V10分別為20、19.5、17.5、15.因此，V1=30，V6=10，V9=17.5.

對(duì)于②問，反應(yīng)一段時(shí)間后，實(shí)驗(yàn)A的金屬是鋅呈灰黑色，實(shí)驗(yàn)E中的金屬是銅呈暗紅色.對(duì)于③問，氫氣生成速率下降的主要原因是加入一定量的CuSO4后，生成的單質(zhì)Cu會(huì)沉積在Zn的表面，降低了Zn與溶液的接觸面積.

反思感悟 解決本題的切入點(diǎn)較低，但涉及面廣——原電池原理、影響反應(yīng)速率的因素、控制反應(yīng)條件探究利用原電池原理對(duì)反應(yīng)速率的影響.當(dāng)多因素影響化學(xué)反應(yīng)速率時(shí)，控制多因素，研究單因素，明顯體現(xiàn)了控制變量的思想方法.本題第(5)小題①問，就是緊扣對(duì)氫氣生成速率影響的變量因素“硫酸銅的量”，然后控制硫酸的量不變和混合溶液體積相同，促使復(fù)雜問題簡(jiǎn)單化.

例2 (2009·浙江高考27)超音速飛機(jī)在平流層飛行時(shí)，尾氣中的NO會(huì)破壞臭氧層.科學(xué)家正在研究利用催化技術(shù)將尾氣中的NO和CO轉(zhuǎn)變成CO2和N2，其反應(yīng)為：

為了測(cè)定在某種催化劑作用下的反應(yīng)速率，在某溫度下用氣體傳感器測(cè)得不同時(shí)間的NO和CO濃度如表：

時(shí)間(s)012345c(NO)(mol/L)1.00×10-34.50×10-42.50×10-41.50×10-41.00×10-41.00×10-4c(CO)(mol/L)3.60×10-33.05×10-32.85×10-32.75×10-32.70×10-32.70×10-3

請(qǐng)回答下列問題(均不考慮溫度變化對(duì)催化劑催化效率的影響)：

(1)前2s內(nèi)的平均反應(yīng)速率v(N2)=____.

(2)在該溫度下，反應(yīng)的平衡常數(shù)K=____.

(3)假設(shè)在密閉容器中發(fā)生上述反應(yīng)，達(dá)到平衡時(shí)下列措施能提高NO轉(zhuǎn)化率的是____.

A．選用更有效的催化劑

B．升高反應(yīng)體系的溫度

C．降低反應(yīng)體系的溫度

D．縮小容器的體積

(4)研究表明：在使用等質(zhì)量催化劑時(shí)，增大催化劑比表面積可提高化學(xué)反應(yīng)速率.為了分別驗(yàn)證溫度、催化劑比表面積對(duì)化學(xué)反應(yīng)速率的影響規(guī)律，某同學(xué)設(shè)計(jì)了三組實(shí)驗(yàn)，部分實(shí)驗(yàn)條件已經(jīng)填在下面實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)表中.

實(shí)驗(yàn)編號(hào)T(℃)NO初始濃度(mol/L)CO初始濃度(mol/L)催化劑的比表面積(m2/g)Ⅰ2801.20×10-35.80×10-382Ⅱ124Ⅲ350124

①請(qǐng)?jiān)谏媳砜崭裰刑钊胧Ｓ嗟膶?shí)驗(yàn)條件數(shù)據(jù).

②請(qǐng)?jiān)诮o出的坐標(biāo)圖中，畫出上表中的三個(gè)實(shí)驗(yàn)條件下混合氣體中NO濃度隨時(shí)間變化的趨勢(shì)曲線圖，并標(biāo)明各條曲線的實(shí)驗(yàn)編號(hào).

參考答案：(1)< (2)1.88×10-4mol·L-1·s-1

(3)5000 (4)CD

(5)①Ⅱ．280 1.20×10-35.80×10-3

Ⅲ． 1.20×10-35.80×10-3

反思感悟 本題第(4)利用控制變量的知識(shí)點(diǎn)分別驗(yàn)證溫度、催化劑比表面積對(duì)化學(xué)反應(yīng)速率的影響規(guī)律.促使復(fù)雜問題簡(jiǎn)單化.

新課程高考對(duì)控制變量法的一般程序、結(jié)果的處理以及通過處理結(jié)果獲得結(jié)論的信息加工能力進(jìn)行全方位的考查，就必須通過改變可能影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果的多個(gè)因素中的任一個(gè)，其他可能因素保持不變的情況下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，并將這個(gè)被改變的因素的實(shí)驗(yàn)效果與不改變?nèi)魏我蛩氐膶?shí)驗(yàn)效果進(jìn)行對(duì)比，從而來論證實(shí)驗(yàn)結(jié)論的正確與否.

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