“变量控制”思想在化学实验教学和考试中的应用初探

重庆

科学研究中，多因素(多变量)影响的问题，常常采用控制变量法研究，使多因素影响的变化过程变成几个单因素影响的变化过程，分别加以研究，最后再将几个单因素的影响结果加以综合。被改变的因素叫“自变量”；随自变量改变而改变的因素叫“因变量”；其他可能产生影响的因素叫“控制变量”。“变量控制”的思想在化学实验教学和各类考试中有广泛的应用，现列举几例希望能引起各位读者的共鸣。

1 教材实验中的“变量控制”思想

1.1 人教版(2007年2月第3版)选修4《化学反应原理》20页实验2-2——浓度对反应速率的影响

实验步骤：取两支试管，各加入4 mL 0.01 mol/L的KMnO4酸性溶液，然后向一支试管中加入2 mL 0.1 mol/L H2C2O4(草酸)溶液，记录溶液褪色所需的时间；向另一支试管中加入2 mL 0.2 mol/L H2C2O4溶液，记录溶液褪色所需时间。

两个实验的情况，如表1所示：

表1

从对比可以看出，实验1和2的反应混合体系中均是草酸过量以保证溶液褪色；根据“变量控制”思想——两个体系中只有自变量“草酸浓度”不同。

按照“变量控制”思想，能否只控制“KMnO4溶液浓度”不同，其他变量都一致呢？答案是否定的。上面的实验中含有一个隐含变量“溶液的颜色”，原实验设计中此变量是相同的，但不同浓度KMnO4溶液的颜色差异较大，所以从本质上来说，改变KMnO4溶液的浓度是违背“变量控制”思想中的单一变量变化原则的。

1.2 人教版(2007年2月第3版)选修4《化学反应原理》21页实验2-3——温度对反应速率的影响

实验步骤：取两支试管各加入5 mL 0.01 mol/L Na2S2O3溶液；另取两支试管各加入5 mL 0.1 mol/L H2SO4溶液；将四支试管分成两组(各有一支盛有Na2S2O3和H2SO4溶液的试管)，一组放入冷水中，另一组放入热水中，经过一段时间后，分别混合并搅拌。记录出现浑浊的时间。

两个实验的情况，如表2所示：

表2

本实验的“变量控制”思想非常明显：两支试管中，只有自变量温度不同。从反应特点来看“气体的产生”也可以作为因变量，但是在浑浊体系中此变量并不容易观察，所以在实际操作中因变量只能选择“出现浑浊的时间”，并且为了保证浑浊程度相同还需在试管外面用来作对比的白纸上画“十”字，使其刚好被浑浊掩盖为停止计时的标志。

1.3 人教版(2007年2月第3版)选修4《化学反应原理》21页——科学探究

表3

本实验的意图在于亲身体验实验方案的设计，落实“科学探究与创新意识”的化学学科核心素养。结合前面的方法，可利用表格做如下分析：

表4

对比实验中，控制变量c(H+)和c(I-)容易保持相同，自变量“反应温度”也较容易控制。所以本实验的关键是控制“可能影响实验结果的变量”，使其对本实验不影响或将其影响降到最低。结合表格中“试剂加入顺序及理由”一栏，读者应该可以得出：①H2SO4溶液、②KI溶液以及③指示剂(淀粉溶液)，这三种溶液的加入顺序是实现“变量控制”的关键。

按照通常的实验操作规范，指示剂(淀粉溶液)加入的量只需要几滴，一般不最先加入。据此将所有可能的顺序及其相关分析列出如表5所示。

表5

2 在各类考题中的体现

2.1 模型认知

【例1】Fe(OH)3广泛用于医药制剂、颜料制造等领域，其制备步骤及装置(夹持装置省略)如下：在三颈瓶中依次加入16.7 g FeSO4·7H2O和40.0 mL蒸馏水。边搅拌边缓慢加入3.0 mL浓H2SO4，再加入2.0 g NaClO3固体，水浴加热至80℃。

图1

研究相同时间内温度与NaClO3用量对Fe2+氧化效果的影响，设计对比试验如表6：

表6

(1)m=________；n=________。

(2)若c>87.8>a，则a、b、c的大小关系为________。

【答案】(1)2.0 25

(2)c>b>a

【分析】结合题目已知和问题，可归纳出如图2的思维模型：

图2

该实验中涉及的变量有：温度、FeSO4·7H2O的质量、NaClO3的质量以及氧化效果。

①ⅰ、ⅱ对比：NaClO3的质量为自变量，氧化效果为因变量，温度和FeSO4·7H2O的质量为控制变量。结合表6中已知的数据即得m=2.0；ⅲ、ⅳ对比：NaClO3的质量为自变量，氧化效果为因变量，温度和FeSO4·7H2O的质量为控制变量。结合表格中已知的数据即得n=25。

②利用已知c>87.8，同时ⅲ、ⅳ对比能得出结论：其他变量相同时，NaClO3的用量越多，氧化效果越好；又根据a<87.8，同时ⅰ、ⅳ对比能得出结论：其他变量相同时，温度越高，对Fe2+的氧化效果越好。将上述两个结论用于ⅰ、ⅱ对比，则有b>a；ⅱ、ⅲ对比，则有c>b。故答案为c>b>a。

【例2】(2018·北京卷·27改编)I-可以作为水溶液中SO2歧化反应的催化剂，可能的催化过程如下。

探究ⅰ、ⅱ反应速率与SO2歧化反应速率的关系，实验如下：分别将18 mL SO2饱和溶液加入到2 mL下列试剂中，密闭放置观察现象。(已知：I2易溶解在KI溶液中)

表7

(1)B是A的对比实验，则a=________。

(2)比较A、B、C，可得出的结论是。

(3)实验表明，SO2的歧化反应速率：D>A。结合ⅰ、ⅱ反应速率解释原因：。

【答案】(1)0.4

(2)I-是SO2歧化反应的催化剂，H+单独存在时不具有催化作用，但H+可以加快歧化反应速率

(3)反应ⅱ比ⅰ快；D中由反应ⅱ产生的H+使反应ⅰ加快

【分析】该实验中涉及的变量有：c(I-)、c(H+)、c(I2)。

运用与例1相同的思维模型，①对比A和B，KI溶液浓度为控制变量，H2SO4溶液加入与否为自变量，故a=0.4；同时能得出结论：c(I-)相同时，H+能加快ⅰ的反应速率。

②对比实验B和C，H2SO4溶液加入与否为控制变量，KI溶液为自变量。能得出结论：H+不能催化反应ⅰ进行。综合实验A、B和C的现象，可得出的结论是：I-是SO2歧化反应的催化剂，H+单独存在时不具有催化作用，但H+可以加快歧化反应速率。

③对比D和A，结合变量控制思想和前面已知结论，容易得出答案为：反应ⅱ比ⅰ快；D中由反应ⅱ产生的H+使反应ⅰ加快。

2.2 证据推理——素养落地

【变式练习1】为了研究某溶液中溶质R的分解速率的影响因素，分别用三份不同初始浓度的R溶液在不同温度下进行实验，c(R)随时间变化情况如图3，下列说法错误的是

( )

图3

A.25℃时，10～30 min内，R的分解平均速率为0.030 mol·L-1·min-1

B.对比30℃和10℃曲线，在50 min时，R的分解程度相同

C.对比30℃和25℃曲线，在0～50 min内，能说明R的分解平均速率随温度升高而增大

D.对比30℃和10℃曲线，在同一时刻，能说明R的分解速率随温度升高而增大

【答案】D

【变式练习2】室温下利用H2C2O4溶液和酸性KMnO4溶液的反应探究外界条件对反应速率的影响，设计方案如下：

表8

甲

(1)上述反应的离子方程式为

；

(2)分析数据可得到的结论是

；

(3)该实验中n(Mn2+)随时间变化趋势如图4甲所示，请于图4乙画出t2后生成CO2的速率图像(从a点开始作图)并说明理由。

(2)反应物浓度越大，化学反应速率越快

(3)见分析部分

(2)再次回顾思维模型

该反应变量有：c(H2C2O4)、c(KMnO4)、c(H2SO4)和溶液褪色时间，c(KMnO4)和c(H2SO4)为控制变量，c(H2C2O4)为自变量，溶液褪色时间为因变量。对比实验1、2和3，能得出结论：反应物浓度越大，化学反应速率越快。

(3)Mn2+对H2C2O4与KMnO4的反应有催化作用，此反应还有一个隐含自变量c(Mn2+)。在不同的阶段两个自变量中的其中一个起主要作用，所以利用图4甲c(Mn2+)的浓度变化能得出结论：t2时c(Mn2+)增大，催化剂为主要影响因素，反应速率突然加快；末尾阶段，反应物浓度减小成为主要影响因素，反应速率减慢。

t2后的变化趋势如图5所示。

图5