控制變量法高考考題分析

區(qū)燕君

控制變量是科學(xué)研究的重要方法，新人教版必修教材明確給出了變量控制的方法引導(dǎo)：只改變其中的某一個(gè)因素，控制其他因素不變，把多因素變成單因素問(wèn)題再進(jìn)行研究?！镀胀ǜ咧谢瘜W(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》學(xué)業(yè)要求是能根據(jù)不同類型實(shí)驗(yàn)的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)并實(shí)施實(shí)驗(yàn)，能運(yùn)用變量控制的方法初步探究反應(yīng)的規(guī)律。

近幾年的高考常在不同類型的試題中考察學(xué)生控制變量思想，幫助學(xué)生提高歸納推理的能力和發(fā)展學(xué)生化學(xué)核心素養(yǎng)。下面結(jié)合典型高考試題進(jìn)行分類討論。

一、在數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

探究實(shí)驗(yàn)時(shí)，如果變量超過(guò)兩種因素，一般采用表格表征。通過(guò)表格設(shè)計(jì)，從數(shù)據(jù)變化中尋找變量，用化學(xué)知識(shí)分析和解決問(wèn)題，考察學(xué)生的探究能力。

【例1】 （2022·廣東卷節(jié)選） 食醋是烹飪美食的調(diào)味品，有效成分主要為醋酸（用HAc表示）。HAc的應(yīng)用與其電離平衡密切相關(guān)。25℃時(shí)，HAc的 K ?a=1 .75×10-5=10-4 .76。某小組研究25℃下HAc電離平衡的影響因素。

提出假設(shè) ?稀釋HAc溶液或改變Ac－濃度，HAc電離平衡會(huì)發(fā)生移動(dòng)。

設(shè)計(jì)方案并完成實(shí)驗(yàn) ?用濃度均為0 .1mol·L-1的HAc和NaAc溶液，按下表配制總體積相同的系列溶液；測(cè)定pH，記錄數(shù)據(jù)。

①根據(jù)表中信息，補(bǔ)充數(shù)據(jù)：a= ?????，b= ?????。

②由實(shí)驗(yàn)Ⅰ和Ⅱ可知，稀釋HAc溶液，電離平衡 ????（填”正”或”逆”）向移動(dòng)；結(jié)合表中數(shù)據(jù)，給出判斷理由： ????????????????????????。

③由實(shí)驗(yàn)Ⅱ～Ⅷ可知，增大Ac－濃度，HAc電離平衡逆向移動(dòng)。

實(shí)驗(yàn)結(jié)論 ?假設(shè)成立。

【解析】 ①實(shí)驗(yàn)VII的溶液中 n （NaAc）： n ?（HAc）=3 ： 4， V （HAc）=4 .00mL，因此 V （NaAc） =3 .00mL，即a=3 .00；控制溶液總體積相同，其目的是保持HAc和NaAc混合后濃度倍數(shù)保持不變，由實(shí)驗(yàn)Ⅰ可知，V 總=40 .00mL，因此 V （H 2O）=40 .00mL－4 .00mL－3 .00mL =33 .00mL，即b=33 .00；②分析實(shí)驗(yàn)Ⅰ和Ⅱ，保持 c （NaAc）為0，控制 c （HAc）減少，實(shí)驗(yàn)Ⅰ的溶液pH=2 .86，實(shí)驗(yàn)Ⅱ溶液的 c （HAc）為實(shí)驗(yàn)I的 1 10 ，稀釋過(guò)程中，若不考慮電離平衡移動(dòng)，則實(shí)驗(yàn)Ⅱ所得溶液的pH=2 .86+1=3 .86，但實(shí)驗(yàn)Ⅱ溶液的pH=3 .36<3 .86，說(shuō)明稀釋過(guò)程中，溶液中 n （H+）增大，即電離平衡正向移動(dòng)。

【答案】 3 .00 33 .00 正 實(shí)驗(yàn)Ⅱ相比于實(shí)驗(yàn)Ⅰ，醋酸溶液稀釋了10倍，但溶液的pH增大值小于1。

【考點(diǎn)分析】 實(shí)驗(yàn)探究教學(xué)模式包括“提出假設(shè)、設(shè)計(jì)方案、實(shí)施驗(yàn)證、得出結(jié)論”，表格設(shè)計(jì)在實(shí)驗(yàn)探究中是常見的表征方法，體現(xiàn)控制變量的思想。高考試題用表格設(shè)計(jì)考查學(xué)生數(shù)據(jù)分析能力，體現(xiàn)試題的巧妙性。

二、在計(jì)算中的應(yīng)用

指數(shù)關(guān)系能反映變量間的聯(lián)系與規(guī)律，具有精確性和嚴(yán)密性等特點(diǎn)。確定影響因素，選擇相關(guān)數(shù)據(jù)代入公式，深刻理解數(shù)據(jù)之間的強(qiáng)聯(lián)系。

【例2】 （2022·遼寧卷節(jié)選） 工業(yè)合成氨是人類科學(xué)技術(shù)的一項(xiàng)重大突破，目前已有三位科學(xué)家因其獲得諾貝爾獎(jiǎng)，其反應(yīng)為：

N 2（g）+3H 2（g）

2NH 3（g） ΔH=－92 .4 kJ·mol-1

ΔS=－200 J·K-1·mol-1

某合成氨速率方程為： v = kc α（N 2）· c β（H 2）· c γ（NH 3），根據(jù)表中數(shù)據(jù)，γ= ??????；

【解析】 保持其它條件不變，只改變NH 3濃度，計(jì)算出速率與NH 3濃度的關(guān)系，所以應(yīng)該選擇實(shí)驗(yàn)1、3中數(shù)據(jù)分別代入合成氨的速率方程可得：①q=k·mα·nβ·pγ，③10q=k·mα·nβ·（0 .1p）γ，γ=－1。

【答案】 －1

【考點(diǎn)分析】 試題中涉及反應(yīng)物和生成物的多個(gè)濃度變量，而且每組數(shù)據(jù)之間有規(guī)范的聯(lián)系，著重考查定量判斷，需要學(xué)生通過(guò)“對(duì)照實(shí)驗(yàn)”數(shù)據(jù)進(jìn)行深度挖掘，建立數(shù)學(xué)計(jì)算模型，目的是發(fā)展學(xué)生證據(jù)推理和模型認(rèn)知的能力。

三、在條件選擇中的應(yīng)用

實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)是學(xué)生基于標(biāo)準(zhǔn)的分析判斷過(guò)程，通過(guò)“對(duì)照實(shí)驗(yàn)”的理解分析，依據(jù)相關(guān)知識(shí)，對(duì)條件選擇的證據(jù)進(jìn)行分類討論，培養(yǎng)學(xué)生高階思維。

【例3】 （2022·海南卷節(jié)選） 某空間站的生命保障系統(tǒng)功能之一是實(shí)現(xiàn)氧循環(huán)，其中涉及反應(yīng)：CO 2（g）＋4H 2（g）

2H 2O（g）+CH 4（g），回答問(wèn)題：

在相同條件下，CO 2（g）與H 2（g）還會(huì)發(fā)生不利于氧循環(huán)的副反應(yīng)：CO 2（g）＋3H 2（g） ??H 2O（g）+CH 3OH（g），在反應(yīng)器中按n（CO 2）：n（H 2）=1：4通入反應(yīng)物，在不同溫度、不同催化劑條件下，反應(yīng)進(jìn)行到2min時(shí)，測(cè)得反應(yīng)器中CH 3OH、CH 4濃度（μmol·L-1）如下表所示。

若某空間站的生命保障系統(tǒng)實(shí)際選擇使用催化劑Ⅱ和400℃的反應(yīng)條件，原因是

。

【解析】 橫向?qū)Ρ缺碇行畔⒖芍３质褂么呋瘎窕虼呋瘎虿蛔?，反?yīng)進(jìn)行到2min時(shí)，生成物的濃度在400℃條件下比300℃條件下高，所以溫度越高，反應(yīng)速率越快，應(yīng)選擇400℃為反應(yīng)條件；縱向?qū)Ρ缺碇行畔⒖芍３?00℃條件不變，若選擇使用催化劑Ⅰ反應(yīng)至2min時(shí)， c （CH 4） ： ?c （CH 3OH）＝42780 ： 345 .2≈124；若選擇使用催化劑Ⅱ反應(yīng)至2min時(shí)， c （CH 4） ： ?c （CH 3OH）＝38932 ： 34≈1145，所以催化劑Ⅱ?qū)H 4的選擇性更好，有利于氧循環(huán)，應(yīng)選擇催化劑Ⅱ?yàn)榉磻?yīng)條件。因此，若某空間站的生命保障系統(tǒng)實(shí)際選擇使用催化劑Ⅱ和400℃的反應(yīng)條件的原因是：當(dāng)催化劑相同時(shí)，400℃的反應(yīng)速率更快，當(dāng)溫度相同時(shí)，催化劑Ⅱ時(shí)副產(chǎn)物甲醇濃度低，甲烷與甲醇比例高。

【答案】 400℃的反應(yīng)速率更快，相同溫度下，催化劑Ⅱ的反應(yīng)體系中副產(chǎn)物甲醇濃度低，甲烷與甲醇比例高。

【考點(diǎn)分析】 事物變化的過(guò)程是復(fù)雜的，是多個(gè)因素共同影響的結(jié)果。數(shù)據(jù)具有隱藏性，和不同的化學(xué)條件聯(lián)系一起，有時(shí)會(huì)產(chǎn)生“矛盾”，所以學(xué)生要排除無(wú)關(guān)變量，尋找核心變量，分析數(shù)據(jù)之間的特征或規(guī)律，提高解題速度。

四、在實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象中的應(yīng)用

通過(guò)控制變量分析實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，能幫助學(xué)生更加清晰的認(rèn)識(shí)實(shí)驗(yàn)探究的目的、出現(xiàn)的現(xiàn)象和得出的結(jié)論，做到操作、現(xiàn)象、結(jié)論一致性。

【例4】 （2022·湖南卷） 為探究FeCl 3的性質(zhì)，進(jìn)行了如下實(shí)驗(yàn)（FeCl 3和Na 2SO 3溶液濃度均為0 .1mol·L-1）。

依據(jù)上述實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，結(jié)論不合理的是

1.實(shí)驗(yàn)①說(shuō)明加熱促進(jìn)Fe3+水解反應(yīng)

B. 實(shí)驗(yàn)②說(shuō)明Fe3+既發(fā)生了水解反應(yīng)，又發(fā)生了還原反應(yīng)

C. 實(shí)驗(yàn)③說(shuō)明Fe3+發(fā)生了水解反應(yīng)，但沒(méi)有發(fā)生還原反應(yīng)

D. 整個(gè)實(shí)驗(yàn)說(shuō)明SO2－ 3對(duì)Fe3+的水解反應(yīng)無(wú)影響，但對(duì)還原反應(yīng)有影響

【解析】 Fe3+水解顯酸性，SO2－ 3水解顯堿性，兩者之間存在相互促進(jìn)的水解反應(yīng)，同時(shí)Fe3+具有氧化性，SO2－ 3具有還原性，兩者還會(huì)發(fā)生氧化還原反應(yīng)，F(xiàn)e3+被還原為Fe2+，加入K 3[Fe（CN） 6]出現(xiàn)特征藍(lán)色沉淀，在同一反應(yīng)體系中，F(xiàn)e3+的水解反應(yīng)與還原反應(yīng)共存并相互競(jìng)爭(zhēng)。上述實(shí)驗(yàn)方案將變量隱藏在新的情景之中，可把實(shí)驗(yàn)操作與現(xiàn)象轉(zhuǎn)化為下列表格形式：

混合后V 總=5mL，實(shí)驗(yàn)①為對(duì)照實(shí)驗(yàn)，對(duì)比實(shí)驗(yàn)①和③，少量FeCl 3加入Na 2SO 3時(shí)發(fā)生水解反應(yīng)，說(shuō)明SO2－ 3促進(jìn)Fe3+的水解反應(yīng)；分析實(shí)驗(yàn)②和③，過(guò)量FeCl 3才能繼續(xù)與Na 2SO 3發(fā)生還原反應(yīng)，說(shuō)明Fe3+的水解反應(yīng)速率比還原反應(yīng)快，所以D選項(xiàng)錯(cuò)誤。

【答案】 D

【考點(diǎn)分析】 高考實(shí)驗(yàn)試題基于實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象描述進(jìn)行命制，要求學(xué)生能運(yùn)用對(duì)比分析的方法，即控制變量的思想對(duì)異常現(xiàn)象進(jìn)行解釋?，F(xiàn)象中的“變紅褐色或紅褐色沉淀”和“藍(lán)色沉淀”就構(gòu)成了對(duì)比思考的基點(diǎn)，決定了因素的主次，反映了科學(xué)思維的特質(zhì)。

五、在曲線分析中的應(yīng)用

曲線分析是高考中常見的題型，需轉(zhuǎn)換曲線和一般數(shù)據(jù)之間關(guān)系，從隱藏的變量中簡(jiǎn)化曲線，通過(guò)連環(huán)推理的方式，巧妙的完成題目分析。

【例5】 ?（2022·山東卷） 工業(yè)上以SrSO 4（s）為原料生產(chǎn)SrCO 3（s），對(duì)其工藝條件進(jìn)行研究。現(xiàn)有含SrCO 3（s）的0 .1mol·L-1、1 .0mol·L-1 Na 2CO 3溶液，含SrSO 4（s）的0 .1mol·L-1、1 .0mol·L-1 Na 2SO 4溶液。在一定pH范圍內(nèi)，四種溶液中l(wèi)g[c（Sr2+）/mol·L-1]隨pH的變化關(guān)系如圖所示。下列說(shuō)法錯(cuò)誤的是（ ?）

A．反應(yīng)SrSO 4（s）+CO2－ 3

SrCO 3（s）+SO2－ 4的平衡常數(shù)K= K sp（SrSO 4） K sp（SrCO 3）

B．a(chǎn) = －6.5

C．曲線④代表含SrCO 3（s）的1 .0mol·L-1溶液的變化曲線

D．對(duì)含SrCO 3（s）且Na 2SO 4和Na 2CO 3初始濃度均為1 .0mol·L-1的混合溶液，pH≥7 .7時(shí)才發(fā)生沉淀轉(zhuǎn)化

【解析】 ?先分析①②曲線：硫酸是強(qiáng)酸，當(dāng)溶液pH變化時(shí)， c （SO2－ 4）濃度幾乎不變，則含硫酸鍶固體的硫酸鈉溶液中 c （Sr2+）的濃度幾乎不變，保持pH相同時(shí)，溶液中 c （SO2－ 4）越大， c （Sr2+）越小，所以曲線①代表含硫酸鍶固體的0 .1mol·L-1硫酸鈉溶液的變化曲線，曲線②代表含硫酸鍶固體的1mol·L-1硫酸鈉溶液的變化曲線；再分析曲線③④：碳酸是弱酸，當(dāng)溶液pH減小，溶液中 c （CO2－ 3）減小，則 c （Sr2+）增大，保持pH相同時(shí)，0 .1mol·L-1碳酸鈉溶液中 c （CO2－ 3）小于1mol·L-1碳酸鈉溶液，則曲線③表示含碳酸鍶固體的0 .1mol·L-1碳酸鈉溶液的變化曲線，曲線④表示含碳酸鍶固體的1mol·L-1碳酸鈉溶液的變化曲線。A正確，

SrSO 4（s）+CO2－ 3

SrCO 3（s）+SO2－ 4的平衡常數(shù)K= ?c （SO2－ 4） ?c （CO2－ 3） = ?c （SO2－ 4） c （Sr2+） ?c （CO2－ 3） c （Sr2+） = ?K ?sp（SrSO 4） ?K ?sp（SrCO 3） ；B正確，根據(jù)曲線①數(shù)據(jù)得 K ?sp（SrSO 4）= 10-5 .5 ×0 .1=10-6 .5，由于溫度不變，溶度積不變，當(dāng)溶液pH為7 .7時(shí)， c （Sr2+）= ?K ?sp（SrSO 4） ?c （SO2－ 4） = 10－6 .5 1 =10－6 .5mol·L，則a為-6 .5；根據(jù)上述曲線分析，C正確；D錯(cuò)誤，曲線②、④代表含1mol·L-1硫酸鈉溶液和碳酸鈉的變化曲線，曲線②和④的交點(diǎn)pH=6 .9，當(dāng)pH>6 .9時(shí)能發(fā)生沉淀轉(zhuǎn)化。

【答案】 D

【考點(diǎn)分析】 課程標(biāo)準(zhǔn)要求學(xué)生掌握定量研究方法，其中坐標(biāo)曲線就是科學(xué)研究常用的數(shù)據(jù)表征方法。從隱蔽曲線中解讀試題的難度系數(shù)較大，應(yīng)控制其它條件不變，只改變其中一個(gè)因素，從實(shí)驗(yàn)曲線中挖掘數(shù)據(jù)規(guī)律，發(fā)展學(xué)生歸納推理的能力。

控制變量法是解決化學(xué)問(wèn)題的有效途徑之一，不僅能幫助學(xué)生分析問(wèn)題和尋找答案，還能引導(dǎo)學(xué)生形成研究物質(zhì)變化規(guī)律的高階思維，使理論和實(shí)踐緊密結(jié)合。在此背景下，復(fù)習(xí)控制變量法可以采取以下幾點(diǎn)策略：

（一）基于真實(shí)情境認(rèn)識(shí)控制變量法

可以運(yùn)用教材的實(shí)驗(yàn)或生產(chǎn)生活中的真實(shí)案例，通過(guò)對(duì)比方法，分析實(shí)驗(yàn)中的自變量、因變量和不變量，幫助學(xué)生充分理解控制變量法的基本概念和作用。

（二）通過(guò)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)建構(gòu)思維模型

引導(dǎo)學(xué)生合作探討并完成實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中建構(gòu)控制變量的思維模型：明確研究目的→尋找自變量→控制單一變量→分析因變量（現(xiàn)象）→得出結(jié)論。

（三）運(yùn)用控制變量法解決實(shí)際問(wèn)題

在教學(xué)中將控制變量法作為一種科學(xué)方法，充分發(fā)揮學(xué)生的主觀能動(dòng)性，幫助學(xué)生在變量控制分析過(guò)程中實(shí)現(xiàn)從現(xiàn)象到本質(zhì)地認(rèn)識(shí)物質(zhì)及其變化規(guī)律，解決實(shí)際化學(xué)問(wèn)題。

總的來(lái)說(shuō)，利用控制變量法分析實(shí)驗(yàn)，有助于形成化學(xué)學(xué)科思維，分析實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹⒃O(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，根據(jù)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論，有層次地幫助學(xué)生理解實(shí)驗(yàn)的本質(zhì)。有助于提高教學(xué)效果，幫助學(xué)生快速解題，在各類實(shí)驗(yàn)試題中，引導(dǎo)學(xué)生將多因素問(wèn)題變?yōu)閱我蛩貑?wèn)題，把復(fù)雜問(wèn)題簡(jiǎn)單化，使學(xué)生高效應(yīng)對(duì)不同試題。有助于落實(shí)化學(xué)核心素養(yǎng)的培養(yǎng)，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中，學(xué)生掌握基礎(chǔ)知識(shí)和基本技能，還通過(guò)控制變量法鍛煉學(xué)生的必備實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?，培養(yǎng)學(xué)生實(shí)驗(yàn)探究與創(chuàng)新意識(shí)、證據(jù)推理與模型認(rèn)知的素養(yǎng)，促進(jìn)學(xué)生的全面發(fā)展。

責(zé)任編輯 ?李平安