數(shù)據(jù)處理是一把雙刃劍——例談定量化學(xué)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的加工處理策略

孫 晶

山東

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)及無(wú)用、多余數(shù)據(jù)等。能從大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中找出有用、有效、正確、合理的數(shù)據(jù)是實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析處理題的一個(gè)重要能力，也是考試制勝的關(guān)鍵點(diǎn)。所謂的實(shí)驗(yàn)化學(xué)的要塞之地，也是實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理融通能力，也是近年來(lái)高考命題變化的一個(gè)重要方向。所以說(shuō)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理是一把雙刃劍，所謂成也蕭何敗也蕭何，就是這個(gè)道理。

一、對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)篩選的一般方法和思路為“五看”

一看數(shù)據(jù)是否符合測(cè)量?jī)x器的精度特點(diǎn)，如用托盤天平測(cè)得的質(zhì)量的精度為0.1 g，若精度值超過(guò)了這個(gè)范圍，說(shuō)明所得數(shù)據(jù)是無(wú)效的。

二看數(shù)據(jù)是否在誤差允許范圍內(nèi)，若所得的數(shù)據(jù)明顯超出誤差允許范圍，要舍去。

三看反應(yīng)是否完全，是否是過(guò)量反應(yīng)物作用下所得的數(shù)據(jù)，只有完全反應(yīng)時(shí)所得的數(shù)據(jù)，才能進(jìn)行有效處理和應(yīng)用。

四看所得數(shù)據(jù)的測(cè)定環(huán)境是否一致，特別是氣體體積數(shù)據(jù)，只有在溫度、壓強(qiáng)一致的情況下才能進(jìn)行比較、運(yùn)算。

五看數(shù)據(jù)測(cè)量過(guò)程是否規(guī)范、合理，錯(cuò)誤和違反測(cè)量規(guī)則的數(shù)據(jù)需要舍去。

實(shí)驗(yàn)中表格型試題的解題要點(diǎn)在于通過(guò)審題，獲取有用信息，然后對(duì)表格中數(shù)據(jù)進(jìn)行比較分析，依據(jù)物質(zhì)的性質(zhì)、變化規(guī)律進(jìn)行解答。直角坐標(biāo)系類試題的解題要點(diǎn)在于解題時(shí)要求學(xué)生首先弄清楚自變量和因變量到底是什么，注意理解起點(diǎn)、終點(diǎn)、轉(zhuǎn)折點(diǎn)的含義。然后根據(jù)所學(xué)知識(shí)分析概念、圖象、數(shù)值三者之間的關(guān)系。

二、典例追蹤示范

題型1.考查實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的篩選與取舍

例1．某樣品是由碳酸鈉與氯化鈉組成的固體混合物，現(xiàn)欲測(cè)定樣品中碳酸鈉的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。某同學(xué)稱取10.00 g樣品，配成1 000 mL溶液，用________(填儀器名稱)量取25.00 mL放入錐形瓶中，加入甲基橙作指示劑，用0.150 0 mol·L-1標(biāo)準(zhǔn)鹽酸溶液滴定至終點(diǎn)，平行測(cè)定三次，有關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄如下表，則樣品中碳酸鈉的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為_(kāi)_______。

實(shí)驗(yàn)編號(hào)待測(cè)液體積(mL)標(biāo)準(zhǔn)液體積(mL)滴定前讀數(shù)終點(diǎn)時(shí)讀數(shù)125.000.0030.02225.000.2033.80325.001.4031.38

【答案】堿式滴定管(或25 mL移液管) 95.40%

題型2.考查實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的合理組合

例2.現(xiàn)有一份CuO和Cu2O的混合物，用H2還原法測(cè)定其中的CuO質(zhì)量xg，實(shí)驗(yàn)中可以測(cè)定以下數(shù)據(jù)：①W：混合物的質(zhì)量(g);②W(H2O)：生成水的質(zhì)量(g);③W(Cu)：生成Cu的質(zhì)量(g);④V(H2)：標(biāo)準(zhǔn)狀況下消耗H2的體積(L)。

(已知摩爾質(zhì)量Cu：64 g·mol-1、CuO：80 g·mol-1、Cu2O：144 g·mol-1、H2O：18 g·mol-1)

(1)為了計(jì)算x至少需要測(cè)定上述4個(gè)數(shù)據(jù)中的____個(gè)，這幾個(gè)數(shù)據(jù)的組合共有________種。請(qǐng)將這些組合一一填入下列空格中。

說(shuō)明：①選用W、W(H2O)、W(Cu)、V(H2)表示，不必列出具體算式。

②每個(gè)空格中填一種組合，有幾種組合就填幾種，不必填滿。

(2)從上述組合中選出一個(gè)含W數(shù)據(jù)的求x的計(jì)算式：__________。

(3)以上數(shù)據(jù)組合中易于取得的一組是____________________。

【解析】本題是考查學(xué)生根據(jù)實(shí)驗(yàn)試題的要求，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案的能力及數(shù)據(jù)處理能力，而且本題是數(shù)學(xué)知識(shí)與化學(xué)結(jié)合的一個(gè)題目。本題想解決的是CuO和Cu2O二元混合物的質(zhì)量組成，要通過(guò)列二元一次方程組的方法求解，所以需要獲得兩個(gè)數(shù)據(jù)。將題中所給數(shù)據(jù)進(jìn)行排列組合，有下列6種組合。

W、W(H2O)W、W(Cu)W、V(H2)W(H2O)、W(Cu)W(H2O)、V(H2)W(Cu)、V(H2)

在6種組合中不難看出V(H2)、W(H2O)一組不能成立，因?yàn)檫@一組僅與氧元素有關(guān)而與銅元素?zé)o關(guān)，不能形成兩個(gè)有效的二元一次方程，無(wú)法求出CuO和Cu2O的量，所以實(shí)際只有5組數(shù)據(jù)組合是合理的。但在這5種組合中，結(jié)合氫氣要過(guò)量的特點(diǎn)，V(H2)這一數(shù)據(jù)在獲得上有一定的困難。測(cè)W(H2O)易受空氣中的水及CO2的干擾，并且裝置復(fù)雜，數(shù)據(jù)合理，但不簡(jiǎn)易。W及W(Cu)在獲取上是最容易且可靠的。

【答案】(1)2 5

W、W(H2O)W、W(Cu)W、V(H2)W(H2O)、W(Cu)W(Cu)、V(H2)

(3)W和W(Cu)

題型3.考查數(shù)據(jù)的圖象化能力

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3.碘在科研與生活中有重要應(yīng)用。某興趣小組用0.50 mol·L-1KI、0.2%淀粉溶液、0.20 mol·L-1K2S2O8、0.10 mol·L-1Na2S2O3等試劑，探究反應(yīng)條件對(duì)化學(xué)反應(yīng)速率的影響。

(2)為探究反應(yīng)物濃度對(duì)化學(xué)反應(yīng)速率的影響，設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)方案如下表：

實(shí)驗(yàn)序號(hào)體積V/mLK2S2O8溶液水KI溶液Na2S2O3溶液淀粉溶液①10.00.04.04.02.0②9.01.04.04.02.0③8.0Vx4.04.02.0

表中Vx=____________________，理由是____________________。

【解析】解答本題時(shí)，要圍繞實(shí)驗(yàn)?zāi)康?探究反應(yīng)條件對(duì)化學(xué)反應(yīng)速率的影響)進(jìn)行分析與處理。

(2)實(shí)驗(yàn)的目的是探究K2S2O8溶液的濃度對(duì)化學(xué)反應(yīng)速率的影響，故應(yīng)保證每組實(shí)驗(yàn)中其他物質(zhì)的濃度相等，即溶液的總體積相等(即為20.0 mL)，從而可知Vx=2.0。

【答案】(1)Na2S2O3<2

(2)2.0 保證反應(yīng)物K2S2O8的濃度改變，而其他物質(zhì)的濃度不變

(3)如圖所示

題型4.考查表格化數(shù)據(jù)的處理能力

項(xiàng)目實(shí)驗(yàn)編號(hào) 項(xiàng)目1項(xiàng)目2項(xiàng)目3項(xiàng)目4…123

(1)根據(jù)實(shí)驗(yàn)原理確定應(yīng)記錄的項(xiàng)目：所測(cè)的物理量。

(2)應(yīng)注意數(shù)據(jù)的有效數(shù)字及單位和必要的注釋。

(3)設(shè)計(jì)的表格要便于數(shù)據(jù)的查找、比較，便于數(shù)據(jù)的計(jì)算和進(jìn)一步處理，便于反映數(shù)據(jù)間的聯(lián)系。

例4.目前流行的關(guān)于生命起源假設(shè)的理論認(rèn)為，生命起源于約40億年前的古洋底的熱液環(huán)境，這種環(huán)境系統(tǒng)中普遍存在鐵硫簇結(jié)構(gòu)，如Fe2S2、Fe4S4、Fe8S7等，這些鐵硫簇結(jié)構(gòu)參與了生命起源的相關(guān)反應(yīng)。某化學(xué)興趣小組在研究某鐵硫簇結(jié)構(gòu)的組成時(shí)，設(shè)計(jì)了下列實(shí)驗(yàn)。

【實(shí)驗(yàn)Ⅰ】確定硫的質(zhì)量：

按圖連接裝置，檢查好裝置的氣密性后，在硬質(zhì)玻璃管A中放入1.0 g鐵硫簇結(jié)構(gòu)(含有部分不反應(yīng)的雜質(zhì))，在試管B中加入50 mL 0.100 mol·L-1的酸性KMnO4溶液，在試管C中加入品紅溶液。通入空氣并加熱，發(fā)現(xiàn)固體逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榧t棕色。待固體完全轉(zhuǎn)化后，將B中溶液轉(zhuǎn)移至250 mL容量瓶，洗滌試管B后定容。取25.00 mL該溶液用0.01 mol·L-1的草酸(H2C2O4)溶液滴定剩余的KMnO4。記錄數(shù)據(jù)如下：

滴定次數(shù)待測(cè)溶液體積/mL草酸溶液體積/mL滴定前刻度滴定后刻度125.001.5023.70225.001.0226.03325.000.0024.99

【實(shí)驗(yàn)Ⅱ】確定鐵的質(zhì)量：

將實(shí)驗(yàn)Ⅰ硬質(zhì)玻璃管A中的殘留固體加入稀鹽酸中，充分?jǐn)嚢韬筮^(guò)濾，在濾液中加入足量的NaOH溶液，過(guò)濾后取濾渣，經(jīng)充分灼燒得0.6 g固體。

試回答下列問(wèn)題：

(1)判斷滴定終點(diǎn)的方法是_______________________。

(2)試管C中品紅溶液的作用是_______________________。

有同學(xué)提出，撤去C裝置對(duì)實(shí)驗(yàn)沒(méi)有影響，你的看法是________(選填“同意”或“不同意”)，理由是____________________。

(3)根據(jù)實(shí)驗(yàn)Ⅰ和實(shí)驗(yàn)Ⅱ中的數(shù)據(jù)可確定該鐵硫簇結(jié)構(gòu)的化學(xué)式為_(kāi)___________________。

【問(wèn)題探究】滴定過(guò)程中，細(xì)心的同學(xué)發(fā)現(xiàn)該KMnO4溶液顏色褪去的速率較平常滴定時(shí)要快得多。為研究速率加快的原因，該同學(xué)繼續(xù)進(jìn)行了下列實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如下表：

編號(hào)溫度/℃酸化的H2C2O4溶液/mLKMnO4溶液/mL溶液褪色時(shí)間/s1255.02.0402255.0(另加少量可溶于水的MnSO4粉末)2.043605.02.025

(4)分析上述數(shù)據(jù)，滴定過(guò)程中反應(yīng)速率加快的一種可能原因是____________________。

【答案】(1)當(dāng)?shù)稳胱詈笠坏尾菟崛芤簳r(shí)，錐形瓶中溶液由淺紅色變?yōu)闊o(wú)色，且半分鐘內(nèi)不變化

(2)驗(yàn)證SO2是否被酸性KMnO4溶液完全吸收 同意 當(dāng)B中溶液顏色不變化，即可證明SO2已被酸性KMnO4溶液完全吸收

(3)Fe3S4