高考實驗題設計的新趨勢：變量控制與證據推理

新高考的主要目的是評價學生化學學科核心素養的發展狀況和學業質量標準的達成程度，這是有別于傳統高考的重要特征。運用變量控制和證據推理設計的實驗題，能很好地考查證據推理、創新意識的化學核心素養的發展狀況，是高考實驗題設計的新趨勢。

一、運用堿性變量設計實驗題，落實證據推理化學核心素養的考查

【例1】（2022年北京高考題）某小組同學探究不同條件下氯氣與二價錳化合物的反應。

資料：i．Mn2+在一定條件下被Cl2或ClO-氧化成MnO2（棕黑色）、MnO42-（綠色）、MnO4-（紫色）。

ii．濃堿條件下，MnO4-可被OH-還原為MnO42-。

iii．Cl2的氧化性與溶液的酸堿性無關，NaClO的氧化性隨堿性增強而減弱。

實驗裝置如圖1（夾持裝置略）

序號 物質a C中實驗現象

通入Cl2前 通入Cl2后

I 水 得到無色溶液 產生棕黑色沉淀，且放置后不發生變化

II 5%NaOH

溶液 產生白色沉淀，在空氣中緩慢變成棕黑色沉淀 棕黑色沉淀增多，放置后溶液變為紫色，仍有沉淀

III 40%NaOH

溶液 產生白色沉淀，在空氣中緩慢變成棕黑色沉淀 棕黑色沉淀增多，放置后溶液變為紫色，仍有沉淀

（1）B中試劑是___________。

（2）通入Cl2前，II、III中沉淀由白色變為黑色的化學方程式為___________。

（3）對比實驗I、II通入Cl2后的實驗現象，對于二價錳化合物還原性的認識是___________。

（4）根據資料ii，III中應得到綠色溶液，實驗中得到紫色溶液，分析現象與資料不符的原因。

原因一：可能是通入Cl2導致溶液的堿性減弱。

原因二：可能是氧化劑過量，氧化劑將MnO42-氧化為MnO4-。

①化學方程式表示可能導致溶液堿性減弱的原因___________，但通過實驗測定溶液的堿性變化很小。

②取III中放置后的1 mL懸濁液，加入4 mL40%NaOH溶液，溶液紫色迅速變為綠色，且綠色緩慢加深。溶液紫色變為綠色的離子方程式為___________，溶液綠色緩慢加深，原因是MnO2被___________（填化學式）氧化，可證明III的懸濁液中氧化劑過量。

③取II中放置后的1 mL懸濁液，加入4 mL水，溶液紫色緩慢加深，發生的反應是___________。

④從反應速率的角度，分析實驗III未得到綠色溶液的可能原因___________。

【解析】（1）高錳酸鉀與鹽酸反應制備氯氣時，有氯化氫揮發出來，B中盛飽和食鹽水，吸收Cl2中的HCl氣體，防止HCl影響氯氣與二價錳化合物反應的探究。

（2）通入Cl2前，II、III中均加入了NaOH溶液，Mn2+與OH-反應產生Mn（OH）2白色沉淀，根據“白色沉淀在空氣中緩慢變成棕黑色沉淀”推理判斷出Mn（OH）2被空氣中的氧氣氧化為MnO2：2Mn（OH）2+O2=2MnO2+2H2O。

（3）對比實驗I、II發現，二者堿性不同（II加了NaOH）。實驗I不加NaOH，則二價錳（MnSO4）不能被空氣中的氧氣氧化；實驗II加了NaOH，則二價錳[Mn（OH）2]能被空氣中的氧氣氧化，即“二價錳化合物還原性隨溶液的堿性增強而增強”。

（4）①可能導致溶液堿性減弱的原因是Cl2與燒堿溶液中的OH-反應使c（OH-）減小：Cl2+2OH-=Cl-+ClO-+H2O。

②實驗III通入氯氣后“棕黑色沉淀增多，放置后溶液變為紫色，仍有沉淀”的證據推理過程為：根據資料iii “Cl2的氧化性與溶液的酸堿性無關，NaClO的氧化性隨堿性增強而減弱”判斷，通入堿性氫氧化錳懸濁液中的氯氣，如果接觸氫氧根就反應生成次氯酸根和氯離子，如果接觸二氧化錳就將二氧化錳氧化紫色高錳酸根，結合①知通入氯氣后“通過實驗測定溶液的堿性變化很小”進一步推知，強堿性環境中次氯酸根氧化性減弱，不能氧化二氧化錳沉淀，綜上所述，“III中放置后的懸濁液”仍然顯強堿性，沉淀MnO2、紫色MnO4-、氧化劑ClO-可以共存。

“溶液紫色迅速變為綠色”的證據推理過程為：“加入 4mL40%NaOH溶液”使“III中放置后的1 mL懸濁液”堿性增大，結合資料ii“濃堿條件下MnO4-被OH-還原為MnO42-”判斷“堿性增大導致紫色MnO4-被OH-還原為綠色MnO42-：4 MnO4-+4OH-=4 MnO42-+O2↑+2H2O。

“且綠色緩慢加深”的證據推理過程為：隨著紫色高錳酸根被氫氧根還原為綠色錳酸根，消耗氫氧根導致氫氧根離子濃度減小，次氯酸根的氧化性增強，將二氧化錳沉淀氧化為綠色錳酸根，錳酸根濃度增大，所以“綠色緩慢加深”，也可證明III的懸濁液中氧化劑（次氯酸根）過量。

③“II中放置后的懸濁液”的成分與“III中放置后的懸濁液”相似，也是“顯強堿性，沉淀MnO2、紫色MnO4-、氧化劑ClO-可以共存”。“溶液紫色緩慢加深”的證據推理過程為：“加入4 mL水”，因為稀釋導致“II中放置后的

1 mL懸濁液”中氫氧根離子濃度減小，堿性減弱， ClO-氧化性增強，將MnO2氧化為紫色MnO4-，高錳酸根離子逐漸增大，溶液紫色緩慢加深：3ClO-+2MnO2+2OH-=2MnO4-+3Cl-+ H2O。

④由③中的“溶液紫色緩慢加深”反應“3ClO-+2MnO2+ 2OH-=2 MnO4-+3Cl-+H2O”判斷，堿性環境中次氯酸根的氧化性大于高錳酸根，由此推理出從反應速率的角度，實驗III未得到綠色溶液的可能原因是“ClO-將MnO42-氧化為MnO4-的速率大于MnO4-被OH-還原為MnO42-的速率”。

【答案】（1）飽和食鹽水

（2）2Mn（OH）2+O2=2MnO2+2H2O

（3）（二價錳化合物還原性）隨堿性增強而增強（或二價錳化合物在中性或弱酸性條件下只能被氧化到MnO2，在堿性條件下可以被氧化到更高價態）

（4）①Cl2+2OH-=Cl-+ClO-+H2O

②4 MnO4-+4OH-=4MnO42-+O2↑+2H2O ClO-（或NaClO）

③3ClO-+2MnO2+2OH-=2MnO4-+3Cl-+H2O

④c（OH-）和c（ClO-）均很大時，ClO-將MnO42-氧化為MnO4-的速率大于MnO4-被OH-還原為MnO42-的速率

【點評】本題的自變量是堿性強弱（氫氧根離子濃度大小），因變量是“堿性強二價錳化合物還原性強”和“NaClO氧化性隨堿性增強而減小”。推理的證據是實驗現象、題干給出的信息及所學中學化學基礎知識。由于變量控制可以讓考生動態認識化學反應，證據推理可以提高考生嚴謹的邏輯思維能力和準確的文字表達能力，因此利用變量控制和證據推理設計實驗題是新高考命題的必然趨勢。

二、運用操作變量設計實驗題，落實探究創新化學核心素養的考查

【例2】某實驗小組同學為探究不同操作配制的銀氨溶液中的主要成分，采用如圖2裝置進行實驗，已知電導率傳感器是測量溶液中電荷流動難易程度的傳感器。

（1）寫出儀器a的名稱________________________。

（2）實驗一，用注射器向25 mL蒸餾水和15 mL 0.12 mol/LAgNO3混合后的溶液中，滴加1.2 mol/L氨水，測得實驗數據如圖3，滴至A點時加入的氨水共4.5 mL。由M到A反應過程電導率減小的原因是：溶液中自由移動離子數目不變、溶液的________________增大、溶液的____________________減小。

（3）實驗二，用注射器向15 mL0.12 mol/LAgNO3溶液中滴加1.2 mol/L氨水至O點，過濾，洗滌沉淀的操作為____________________________，向沉淀中繼續加入3.0mL 氨水時電導率最大，此過程離子方程式為__________________________________，應加入________mL蒸餾水，再測定溶液pH。

（4）若實驗二最終pH為12.6，上述實驗過程判斷實驗一所得銀氨溶液的溶質是[Ag（NH3）2]NO3和NH3·H2O的實驗證據是______________________，利用化學反應和計算判斷實驗一銀氨溶液成分是[Ag（NH3）2]NO3和NH3·H2O的推理過程：_________________________________。

【解析】（1）儀器a的名稱是三頸燒瓶或三口燒瓶。

（2）MO段發生的反應是：AgNO3+ NH3·H2O = AgOH↓+NH4NO3，Ag+物質的量等于生成+物質的量，故溶液中自由移動離子數目不變，但溶液體積增大，自由移動離子濃度減小，電導率減小。

（3）洗滌沉淀的操作為：向過濾器中注入蒸餾水，直至沒過沉淀，待水自然流出后，重復上述操作兩到三次。此過程是AgOH沉淀溶于氨水（弱堿）生成強電解質[Ag（NH3）2]OH（氫氧化二氨合銀），反應的離子方程式為AgOH+2NH3·H2O=[Ag（NH3）2]++OH-+2H2O；兩個實驗的變量是“過濾”：實驗二“過濾”，實驗一“不過濾，所以兩個實驗反應后溶液的總體積應該相同，均為44.5 mL，實驗二應加入蒸餾水44.5 mL-3.0 mL =41.5 mL。

（4）“實驗二最終pH為12.6”是因為過濾出的AgOH溶于氨水生成強電解質[Ag（NH3）2]OH：[Ag（NH3）2]OH= [Ag（NH3）2]++ OH-，溶液中的陰離子是OH-。當實驗一溶

液的體積為44.5 mL時，pH=10.82，兩個實驗溶液體積均為44.5 mL時，實驗二的c（OH-）明顯大于實驗一的，據此可推

斷；實驗一所得銀氨溶液的溶質是[Ag（NH3）2]NO3 和NH3·H2O；推理過程為：實驗依次發生的反應是：AgNO3+ NH3·H2O =AgOH+NH4NO3、AgOH+NH4NO3+ NH3·H2O=[Ag（NH3）2]NO3+2H2O，總反應為：AgNO3+

2NH3·H2O=[Ag（NH3）2]NO3+2H2O，[Ag（NH3）2]NO3顯中性，反應后NH3·H2O過量，n（NH3·H2O）=1.2 mol/L×4.5×10-3? L-

15×10-3 L×0.12 mol/L×2 =1.8×10-3 mol，過量的弱堿氨水使溶液的pH=10.82。

【答案】（1）三頸燒瓶（或三口燒瓶）

（2）體積 自由移動離子濃度

（3）向過濾器中注入蒸餾水，直至沒過沉淀，待水自然流出后，重復上述操作兩到三次 AgOH+2NH3·H2O= [Ag（NH3）2]++OH-+2H2O 41.5

（4） pH=10.82 實驗依次發生的反應是：AgNO3+ NH3·H2O=AgOH↓+NH4NO3、AgOH+NH4NO3+ NH3·H2O=[Ag（NH3）2]NO3+2H2O，總反應為：AgNO3+

2NH3·H2O=[Ag（NH3）2]NO3+2H2O，[Ag（NH3）2]NO3顯中性，反應后NH3·H2O過量，n（NH3·H2O）=1.2mol/L×4.5×10-3L-15×10-3L×0.12mol/L×2 =1.8×10-3mol，過量的弱堿氨水使溶液的pH=10.82。

【點評】新課標“素養4 科學探究與創新意識”明確要求考生“敢于質疑，勇于創新”。本題通過實驗操作變量是否過濾，探究得出不過濾時銀氨溶液的成分是硝酸二氨合銀和過量的氨水，過濾時銀氨溶液的成分是氫氧化二氨合銀，很好地落實了“敢于質疑，勇于創新”的新課標要求。