利用控制變量思想解決高考化學問題

內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問題

內蒙古赤峰市巴林左旗林東一中(025450)

王曉波●

當研究多個因素之間的關系時，往往先控制其他幾個因素不變，集中研究其中一個因素的變化所產生的影響，即每一次只改變其中的某一個因素，而控制其余幾個因素不變，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，應用這一思想方法可以使研究的問題簡單化.控制變量思想常應用于反應速率、化學平衡影響因素中，本文就此進行論述.

例1 (2010·新課標全國高考28)某同學在用稀硫酸與鋅制取氫氣的實驗中，發現加入少量硫酸銅溶液可加快氫氣的生成速率.請回答下列問題：

(1)上述實驗中發生反應的化學方程式有____；

(2)硫酸銅溶液可以加快氫氣生成速率的原因是 ____；

(3)實驗室中現有Na2SO4、MgSO4、Ag2SO4、K2SO4等4種溶液，可與實驗中溶液起相似作用的是 ____；

(4)要加快上述實驗中氣體產生的速率，還可采取的措施有 ____(答兩種)；

(5)為了進一步研究硫酸銅的量對氫氣生成速率的影響，該同學設計了如下一系列實驗.將表中所給的混合溶液分別加入到6個盛有過量Zn粒的反應瓶中，收集產生的氣體，記錄獲得相同體積的氣體所需時間.

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

①請完成此實驗設計，其中：V1=____，V6=____，V9=____；

②反應一段時間后，實驗A中的金屬呈____色，實驗E中的金屬呈____色；

③該同學最后得出的結論為：當加入少量CuSO4溶液時，生成氫氣的速率會大大提高.但當加入的CuSO4溶液超過一定量時，生成氫氣的速率反而會下降.請分析氫氣生成速率下降的主要原因 ____.

解析 通過一系列實驗研究硫酸銅的量對氫氣生成速率的影響.由于該反應生成氫氣的速率，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氫氣生成速率的影響，必須依據實驗目的，控制實驗條件(控制變量).在實驗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系.本題考查原電池原理的應用和影響化學反應速率的因素.

對于(1)、(2)、(3)問涉及的制取氫氣反應原理與原電池反應原理相對簡單，其答案分別是：

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

(3) Ag2SO4

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

對于(5)中①問，則是考查定量實驗原理及變量控制方法的試題，體現“過程與方法”的考查.由于實驗目的是“研究硫酸銅的量對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氫氣生成速率影響進行解答問題.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個未知體積要分析，未注意混合溶液體積相同，則會感覺數據混亂，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；由于每一個實驗只改變CuSO4的用量，故6個反應瓶中的CuSO4用量要有所不同，觀察表中數據依次增加，可推測V6為10；由于表中F組數據暗示：飽和CuSO4溶液與水的總體積為20mL，即確保變量統一，故V7、V8、V9、V10分別為20、19.5、17.5、15.因此，V1=30，V6=10，V9=17.5.

對于②問，反應一段時間后，實驗A的金屬是鋅呈灰黑色，實驗E中的金屬是銅呈暗紅色.對于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Cu會沉積在Zn的表面，降低了Zn與溶液的接觸面積.

反思感悟 解決本題的切入點較低，但涉及面廣——原電池原理、影響反應速率的因素、控制反應條件探究利用原電池原理對反應速率的影響.當多因素影響化學反應速率時，控制多因素，研究單因素，明顯體現了控制變量的思想方法.本題第(5)小題①問，就是緊扣對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，促使復雜問題簡單化.

例2 (2009·浙江高考27)超音速飛機在平流層飛行時，尾氣中的NO會破壞臭氧層.科學家正在研究利用催化技術將尾氣中的NO和CO轉變成CO2和N2，其反應為：

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

時間(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

請回答下列問題(均不考慮溫度變化對催化劑催化效率的影響)：

(1)前2s內的平均反應速率v(N2)=____.

(2)在該溫度下，反應的平衡常數K=____.

(3)假設在密閉容器中發生上述反應，達到平衡時下列措施能提高NO轉化率的是____.

A．選用更有效的催化劑

B．升高反應體系的溫度

C．降低反應體系的溫度

D．縮小容器的體積

(4)研究表明：在使用等質量催化劑時，增大催化劑比表面積可提高化學反應速率.為了分別驗證溫度、催化劑比表面積對化學反應速率的影響規律，某同學設計了三組實驗，部分實驗條件已經填在下面實驗設計表中.

實驗編號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請在上表空格中填入剩余的實驗條件數據.

②請在給出的坐標圖中，畫出上表中的三個實驗條件下混合氣體中NO濃度隨時間變化的趨勢曲線圖，并標明各條曲線的實驗編號.

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點分別驗證溫度、催化劑比表面積對化學反應速率的影響規律.促使復雜問題簡單化.

新課程高考對控制變量法的一般程序、結果的處理以及通過處理結果獲得結論的信息加工能力進行全方位的考查，就必須通過改變可能影響實驗結果的多個因素中的任一個，其他可能因素保持不變的情況下進行實驗，并將這個被改變的因素的實驗效果與不改變任何因素的實驗效果進行對比，從而來論證實驗結論的正確與否.

G632

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1008-0333(2016)31-0084-02