利用控制变量思想解决高考化学问题

内蒙古赤峰市巴林左旗林东一中(025450)

王晓波●



利用控制变量思想解决高考化学问题

内蒙古赤峰市巴林左旗林东一中(025450)

王晓波●

当研究多个因素之间的关系时，往往先控制其他几个因素不变，集中研究其中一个因素的变化所产生的影响，即每一次只改变其中的某一个因素，而控制其余几个因素不变，把多因素的问题变成单因素的问题，这种方法叫控制变量法.控制变量法是化学中常用的探究问题和分析解决问题的重要思想方法之一，应用这一思想方法可以使研究的问题简单化.控制变量思想常应用于反应速率、化学平衡影响因素中，本文就此进行论述.

例1 (2010·新课标全国高考28)某同学在用稀硫酸与锌制取氢气的实验中，发现加入少量硫酸铜溶液可加快氢气的生成速率.请回答下列问题：

(1)上述实验中发生反应的化学方程式有____；

(2)硫酸铜溶液可以加快氢气生成速率的原因是 ____；

(3)实验室中现有Na2SO4、MgSO4、Ag2SO4、K2SO4等4种溶液，可与实验中溶液起相似作用的是 ____；

(4)要加快上述实验中气体产生的速率，还可采取的措施有 ____(答两种)；

(5)为了进一步研究硫酸铜的量对氢气生成速率的影响，该同学设计了如下一系列实验.将表中所给的混合溶液分别加入到6个盛有过量Zn粒的反应瓶中，收集产生的气体，记录获得相同体积的气体所需时间.

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

①请完成此实验设计，其中：V1=____，V6=____，V9=____；

②反应一段时间后，实验A中的金属呈____色，实验E中的金属呈____色；

③该同学最后得出的结论为：当加入少量CuSO4溶液时，生成氢气的速率会大大提高.但当加入的CuSO4溶液超过一定量时，生成氢气的速率反而会下降.请分析氢气生成速率下降的主要原因 ____.

解析 通过一系列实验研究硫酸铜的量对氢气生成速率的影响.由于该反应生成氢气的速率，受硫酸的浓度、用量，锌粒纯度、表面积，硫酸铜溶液的浓度、用量等因素的影响.因此，考生必须明白，为研究硫酸铜的量对氢气生成速率的影响，必须依据实验目的，控制实验条件(控制变量).在实验中只能允许改变硫酸铜的量，保持其他条件不变，才能较快地揭示硫酸铜的量与氢气生成速率的关系.本题考查原电池原理的应用和影响化学反应速率的因素.

对于(1)、(2)、(3)问涉及的制取氢气反应原理与原电池反应原理相对简单，其答案分别是：

(2) CuSO4与Zn反应产生的Cu与Zn形成Cu/Zn微电池，加快了氢气产生的速率

(3) Ag2SO4

对于(4)问涉及加快反应速率的措施有：升高反应温度、适当增加硫酸的浓度、增加锌粒的比表面积等(任答其中两种即可)

对于(5)中①问，则是考查定量实验原理及变量控制方法的试题，体现“过程与方法”的考查.由于实验目的是“研究硫酸铜的量对氢气生成速率的影响”，故要控制硫酸的量不变和混合溶液体积相同，只要考虑CuSO4的量是氢气生成速率的影响因素.解题关键：抓住在保持稀硫酸浓度不变的条件下改变硫酸铜浓度对氢气生成速率影响进行解答问题.若只注意“获得相同体积的气体”，未注意“硫酸溶液浓度不变”则难以正确回答①问；若只注意表格中有10个未知体积要分析，未注意混合溶液体积相同，则会感觉数据混乱，难以分析到位.由于控制硫酸的量不变，故V1、V2、V3、V4、V5均等于30；由于每一个实验只改变CuSO4的用量，故6个反应瓶中的CuSO4用量要有所不同，观察表中数据依次增加，可推测V6为10；由于表中F组数据暗示：饱和CuSO4溶液与水的总体积为20mL，即确保变量统一，故V7、V8、V9、V10分别为20、19.5、17.5、15.因此，V1=30，V6=10，V9=17.5.

对于②问，反应一段时间后，实验A的金属是锌呈灰黑色，实验E中的金属是铜呈暗红色.对于③问，氢气生成速率下降的主要原因是加入一定量的CuSO4后，生成的单质Cu会沉积在Zn的表面，降低了Zn与溶液的接触面积.

反思感悟 解决本题的切入点较低，但涉及面广——原电池原理、影响反应速率的因素、控制反应条件探究利用原电池原理对反应速率的影响.当多因素影响化学反应速率时，控制多因素，研究单因素，明显体现了控制变量的思想方法.本题第(5)小题①问，就是紧扣对氢气生成速率影响的变量因素“硫酸铜的量”，然后控制硫酸的量不变和混合溶液体积相同，促使复杂问题简单化.

例2 (2009·浙江高考27)超音速飞机在平流层飞行时，尾气中的NO会破坏臭氧层.科学家正在研究利用催化技术将尾气中的NO和CO转变成CO2和N2，其反应为：

为了测定在某种催化剂作用下的反应速率，在某温度下用气体传感器测得不同时间的NO和CO浓度如表：

时间(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

请回答下列问题(均不考虑温度变化对催化剂催化效率的影响)：

(1)前2s内的平均反应速率v(N2)=____.

(2)在该温度下，反应的平衡常数K=____.

(3)假设在密闭容器中发生上述反应，达到平衡时下列措施能提高NO转化率的是____.

A．选用更有效的催化剂

B．升高反应体系的温度

C．降低反应体系的温度

D．缩小容器的体积

(4)研究表明：在使用等质量催化剂时，增大催化剂比表面积可提高化学反应速率.为了分别验证温度、催化剂比表面积对化学反应速率的影响规律，某同学设计了三组实验，部分实验条件已经填在下面实验设计表中.

实验编号T(℃)NO初始浓度(mol/L)CO初始浓度(mol/L)催化剂的比表面积(m2/g)Ⅰ2801.20×10-35.80×10-382Ⅱ124Ⅲ350124

①请在上表空格中填入剩余的实验条件数据.

②请在给出的坐标图中，画出上表中的三个实验条件下混合气体中NO浓度随时间变化的趋势曲线图，并标明各条曲线的实验编号.

参考答案：(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 本题第(4)利用控制变量的知识点分别验证温度、催化剂比表面积对化学反应速率的影响规律.促使复杂问题简单化.

新课程高考对控制变量法的一般程序、结果的处理以及通过处理结果获得结论的信息加工能力进行全方位的考查，就必须通过改变可能影响实验结果的多个因素中的任一个，其他可能因素保持不变的情况下进行实验，并将这个被改变的因素的实验效果与不改变任何因素的实验效果进行对比，从而来论证实验结论的正确与否.

G632

B

1008-0333(2016)31-0084-02