化學(xué)實(shí)驗(yàn)與數(shù)據(jù)處理

PAGEPAGE5化學(xué)實(shí)驗(yàn)專(zhuān)題化學(xué)實(shí)驗(yàn)與數(shù)據(jù)處理班級(jí)座號(hào)姓名變量控制法：變量控制法就是在有多個(gè)因素（變量）同時(shí)起作用的過(guò)程中，通過(guò)控制實(shí)驗(yàn)條件，逐個(gè)研究單個(gè)因素（同時(shí)控制其他因素不變）的影響，然后加以綜合的研究方法。一般可采用以下步驟：觀察現(xiàn)象———提出問(wèn)題———猜想與假設(shè)———小組討論———控制變量（進(jìn)行實(shí)驗(yàn)）———總結(jié)規(guī)律。一、常見(jiàn)的考查方式實(shí)驗(yàn)條件控制與對(duì)比實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)試題有三種常見(jiàn)的考查方式：1、給出完整的實(shí)驗(yàn)方案及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，要求從中得出實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、?shí)驗(yàn)結(jié)論，或確定與某實(shí)驗(yàn)?zāi)康南鄬?duì)應(yīng)的實(shí)驗(yàn)序號(hào)。2、是給出部分實(shí)驗(yàn)方案，要求根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)康耐晟茖?shí)驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)，或根據(jù)某一實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮?jiǎn)述實(shí)驗(yàn)方案。3、是通過(guò)在實(shí)驗(yàn)方案中巧布信息點(diǎn)，綜合考查實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、?shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)結(jié)論。二、通用的解題思路實(shí)驗(yàn)條件控制與對(duì)比實(shí)驗(yàn)的方案由想要研究的影響因素（自變量）、其他影響因素（不變量）和影響結(jié)果（因變量）三部分組成。分析實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、?shí)驗(yàn)方案和實(shí)驗(yàn)結(jié)論三者之間的內(nèi)在邏輯關(guān)系，不難得出解答這類(lèi)試題的一般思路（見(jiàn)下圖）。三、典型試題1．根據(jù)實(shí)驗(yàn)方案得出實(shí)驗(yàn)?zāi)康幕驅(qū)嶒?yàn)結(jié)論這類(lèi)試題有選擇題和填空題兩種呈現(xiàn)方式，解題的關(guān)鍵是找準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)方案中的自變量和因變量，“研究自變量對(duì)因變量的影響”即為實(shí)驗(yàn)?zāi)康?，“隨自變量xx變化因變量xx變化”即為實(shí)驗(yàn)結(jié)論。例1．(2009福建卷)某探究小組利用丙酮的溴代反應(yīng)(CH3COCH3+Br2=CH3COCH2Br++HBr)來(lái)研究反應(yīng)物濃度與反應(yīng)速率的關(guān)系。反應(yīng)速率υ(Br2)通過(guò)測(cè)定溴的顏色消失所需的時(shí)間來(lái)確定。在一定溫度下，獲得如下實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)：實(shí)驗(yàn)序號(hào)初始濃度c/mol·L-1溴顏色消失所需時(shí)間t/sCH3COCH3HClBr2①0.800.200.0010290②1.600.200.0010145③0.800.400.0010145④0.800.200.0020580分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)所得出的結(jié)論不正確的是（）A．增大[CH3COCH3]，υ(Br2)增大B．實(shí)驗(yàn)②和③的υ(Br2)相等C．增大[HCl]，υ(Br2)增大D．增大[Br2]，υ(Br2)增大例2．（2007廣東卷）“碘鐘”實(shí)驗(yàn)中，3I－＋S2O82－＝I3－＋2SO42－的反應(yīng)速率可以用I3－與加入的淀粉溶液顯藍(lán)色的時(shí)間t來(lái)度量，t越小，反應(yīng)速率越大。某探究性學(xué)習(xí)小組在20℃實(shí)驗(yàn)編號(hào)①②③④⑤c(I－)/mol·L－10.0400.0800.0800.1600.120c(S2O82－)/mol·L－10.0400.0400.0800.0200.040t/s88.044.022.044.0t2（1）該實(shí)驗(yàn)的目的是。（2）顯色時(shí)間t2＝。（3）溫度對(duì)該反應(yīng)的反應(yīng)速率的影響符合一般規(guī)律，若在40℃下進(jìn)行編號(hào)③對(duì)應(yīng)濃度的實(shí)驗(yàn)，顯色時(shí)間t2的范圍為A．<22.0sB．22.0～44.0sC．＞44.0sD．?dāng)?shù)據(jù)不足，無(wú)法判斷（4）通過(guò)分析比較上表數(shù)據(jù)，得到的結(jié)論是。2．根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)康耐晟苹蚝?jiǎn)述實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)這類(lèi)試題的答題要求有兩類(lèi)，一類(lèi)是根據(jù)已給出的部分實(shí)驗(yàn)方案，補(bǔ)全實(shí)驗(yàn)方案中的空白部分；另一類(lèi)是只給出實(shí)驗(yàn)?zāi)康?，要求?jiǎn)述實(shí)驗(yàn)方案。應(yīng)對(duì)第一類(lèi)試題的辦法是，確定影響因素中哪一因素要變，哪些因素要保持不變。應(yīng)對(duì)第二類(lèi)試題的辦法是，掌握答題的基本套路（或模式）“保持其他條件不變，改變某一條件，測(cè)出相應(yīng)結(jié)果……”。例3．（2009浙江卷）研究表明：在使用等質(zhì)量催化劑時(shí)，增大催化劑比表面積可提高化學(xué)反應(yīng)速率。為了分別驗(yàn)證溫度、催化劑比表面積對(duì)化學(xué)反應(yīng)速率的影響規(guī)律，某同學(xué)設(shè)計(jì)了三組實(shí)驗(yàn)，部分實(shí)驗(yàn)條件已經(jīng)填在下面實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)表中。請(qǐng)?jiān)诳崭裰刑钊胧Ｓ嗟膶?shí)驗(yàn)條件數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)編號(hào)T/℃NO初始濃度/mol·L-1CO初始濃度/mol·L-1催化劑的比表面積/m2·g-1Ⅰ2801.20×10-35.80×10-382Ⅱ124Ⅲ350124例4．（2010廈門(mén)質(zhì)檢）我國(guó)科學(xué)家研究了常溫下利用Pt催化劑在可見(jiàn)光作用下使水分解制氫氣的方法，右是三種催化劑在光照分解水實(shí)驗(yàn)中的效果比較圖。能得出如圖結(jié)果的實(shí)驗(yàn)方案是。3．綜合考查實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、?shí)驗(yàn)方案和實(shí)驗(yàn)結(jié)論這類(lèi)試題的命制手法是，給出對(duì)比實(shí)驗(yàn)中若干組實(shí)驗(yàn)的完整數(shù)據(jù)，而在另外幾組實(shí)驗(yàn)中留下部分空白，要求通過(guò)分析給出的已知內(nèi)容得出相關(guān)實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)?zāi)康幕驅(qū)嶒?yàn)結(jié)論，并根據(jù)對(duì)比實(shí)驗(yàn)的特點(diǎn)補(bǔ)全實(shí)驗(yàn)方案。例5．（2010福建質(zhì)檢）一定條件下，氯化鎂與四氯化鈦的混合物可作烯烴聚合反應(yīng)的催化劑。為了探究溫度、氯化鎂固體的含水量以及粉碎方式對(duì)該催化劑催化效果的影響，設(shè)計(jì)如下對(duì)比實(shí)驗(yàn)：實(shí)驗(yàn)序號(hào)氯化鎂固體中氯元素含量/%溫度/℃粉碎方式/催化效果/g·g-1①70.9720滾動(dòng)球磨3.9×104②74.4520滾動(dòng)球磨5.0×104③74.4520振動(dòng)球磨5.9×104④100振動(dòng)球磨注：催化效果用單位時(shí)間內(nèi)每克催化劑得到產(chǎn)品的質(zhì)量來(lái)表示。（1）表中=。（2）從實(shí)驗(yàn)①、②可以得出的結(jié)論是。（3）設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)②、③的目的是。例6．（2011廈門(mén)質(zhì)檢）已知MnO2+H2O2+2H+=Mn2++O2↑+2H2O。為探究酸濃度對(duì)該反應(yīng)速率的影響，現(xiàn)取等量MnO2和下表有關(guān)物質(zhì)，在相同溫度下進(jìn)行4組實(shí)驗(yàn)，分別記錄收集20.0mL氧氣所需時(shí)間。實(shí)驗(yàn)編號(hào)ⅠⅡⅢⅣ10%H2O2的體積/mL5.05.0V1V220%硫酸的體積/mL00.51.0V3水的體積/mL15.014.5V413.5所需時(shí)間t/st1t2t3t4（1）上表中V1=，V3=。（2）有同學(xué)提出實(shí)驗(yàn)Ⅰ不可作為實(shí)驗(yàn)Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ的對(duì)比實(shí)驗(yàn)，其理由是：。（3）若實(shí)驗(yàn)測(cè)得t2＞t3＞t4，則可得出的實(shí)驗(yàn)結(jié)論是。【鞏固練習(xí)】1、（09寧夏卷改編）某化學(xué)興趣小組同學(xué)，利用硫代硫酸鈉溶液與稀硫酸的反應(yīng)探究溫度、反應(yīng)物濃度對(duì)化學(xué)反應(yīng)速率的影響。（Na2S2O3+H2SO4==Na2SO4+SO2↑+S↓+H2O）實(shí)驗(yàn)序號(hào)反應(yīng)溫度/℃Na2S2O3溶液稀H2SO4H2OV/mLc/（mol·L-1）V/mLc/（mol·L-1）V/mL①2550.1100.15②2550.2V10.2V2③35V30.2100.1V4（1）①、②的實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖?，其中V1=，V2=。（2）①、③的實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖牵渲蠽3=，V4=。2.某?；瘜W(xué)實(shí)驗(yàn)小組為探究外界條件對(duì)化學(xué)反應(yīng)速率的影響，并測(cè)定(NH4)2S2O8和KI反應(yīng)的化學(xué)反應(yīng)速率，進(jìn)行了如下實(shí)驗(yàn)探究：實(shí)驗(yàn)原理:(NH4）2S2O8與KI反應(yīng)離子方程式為S2O82-+2I-=2SO42-+I2（I）（反應(yīng)很慢！），平均反應(yīng)速率的計(jì)算式用:v=K[S2O82-]m[I-]n（I）表示，其中K為常數(shù)，只與溫度有關(guān)。實(shí)驗(yàn)時(shí)，向Na2S2O3、KI和淀粉指示劑的混合溶液中加入（NH4）2S2O8溶液，不斷攪拌。在反應(yīng)（I）進(jìn)行的同時(shí)，發(fā)生反應(yīng)：2S2O32-+I2=S4O62-+2I-（II）（反應(yīng)很快!），反應(yīng)（I）生成的I2立即與硫代硫酸鈉反應(yīng)，生成無(wú)色物質(zhì)。當(dāng)S2O32-耗盡時(shí)，反應(yīng)（I）繼續(xù)生成的I2才能與淀粉作用呈藍(lán)色。從加入（NH4）2S2O8溶液到出現(xiàn)藍(lán)色的時(shí)間為?t。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容實(shí)驗(yàn)小組設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)記錄表和數(shù)據(jù)記錄如下：（1）實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，亞鐵離子對(duì)反應(yīng)（I）有催化作用：①現(xiàn)有亞鐵鹽X，可能是硫酸亞鐵、氯化亞鐵、硝酸亞鐵、溴化亞鐵中一種，你認(rèn)為X最合適的亞鐵鹽的化學(xué)式___________________。用離子方程式表示催化反應(yīng)（I）的機(jī)理：_____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________。②某同學(xué)設(shè)計(jì)如下探究方案（請(qǐng)?zhí)羁眨海?）根據(jù)上述數(shù)據(jù)推知v=K[S2O82-]m[I-]n中m、n值近似為：m=_______，n=_______。（3）根據(jù)上述數(shù)據(jù)分析，可以得出的結(jié)論有（寫(xiě)出一條）：______________________________________________________________________________________3.某同學(xué)在用稀硫酸與鋅制取氫氣的實(shí)驗(yàn)中，發(fā)現(xiàn)加入少量硫酸銅溶液可加快氫氣的生成速率。為了進(jìn)一步研究硫酸銅的量對(duì)氫氣生成速率的影響，該同學(xué)設(shè)計(jì)了如下系列實(shí)驗(yàn)。將表中所給的混合溶液分別加入到6個(gè)盛有過(guò)量Zn粒的反應(yīng)瓶中，收集產(chǎn)生的氣體，記錄獲得相同體積的氣體所需時(shí)間。（1）請(qǐng)完成此實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，其中：V1=__________，V6=__________，V9=__________；（2）反應(yīng)一段時(shí)間后，實(shí)驗(yàn)A中的金屬呈_______色，實(shí)驗(yàn)E中的金屬呈__________色；（3）該同學(xué)最后得出的結(jié)論為：當(dāng)加入少量CuSO4溶液時(shí)，生成氫氣的速率會(huì)大大提高。但當(dāng)加入的CuSO4溶液超過(guò)一定量時(shí)，生成氫氣的速率反而會(huì)下降。請(qǐng)分析氫氣生成速率下降的主要原因____________________________________________________________________________________。4．地下水中硝酸鹽造成的氮污染已成為一個(gè)世界性的環(huán)境問(wèn)題。文獻(xiàn)報(bào)道某課題組模擬地下水脫氮過(guò)程，利用Fe粉和KNO3溶液反應(yīng)，探究脫氮原理及相關(guān)因素對(duì)脫氮速率的影響。實(shí)驗(yàn)前：①先用0.1mol/L硫酸溶液洗滌Fe粉，其目的是________________________，然后用蒸餾水洗滌至中性；②將KNO3溶液的pH調(diào)至2.5；③為防止空氣中的O2對(duì)脫氮的影響，應(yīng)向KNO3溶液中通入__________________（寫(xiě)化學(xué)式）。下圖表示足量Fe粉還原上述KNO3溶液過(guò)程中，測(cè)出的溶液中相關(guān)離子濃度、pH隨時(shí)間的變化關(guān)系（部分副反應(yīng)產(chǎn)物曲線(xiàn)略去）。請(qǐng)根據(jù)圖中信息寫(xiě)出t1時(shí)刻前該反應(yīng)的離子方程式_________________________________________。t1時(shí)刻后，該反應(yīng)仍在進(jìn)行，溶液中NH4+的濃度在增大，F(xiàn)e2+的濃度卻沒(méi)有增大，可能的原因是___________________________________________________________________________________________。（3）該課題組對(duì)影響脫氮速率的因素提出如下假設(shè)，請(qǐng)你完成：假設(shè)一：溶液的pH；假設(shè)二：__________________________________________________________；假設(shè)三：__________________________________________________________；·····（4）請(qǐng)你設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證上述假設(shè)一，寫(xiě)出實(shí)驗(yàn)步驟及結(jié)論。（已知溶液中的NO3-濃度可用離子色譜儀測(cè)定）________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________化學(xué)實(shí)驗(yàn)與數(shù)據(jù)處理【參考答案】例1．解析：選項(xiàng)A的自變量是[CH3COCH3]，因此[HCl]和[Br2]應(yīng)為不變量，分析上表數(shù)據(jù)可知實(shí)驗(yàn)①和②為該選項(xiàng)的對(duì)比實(shí)驗(yàn)，又[CH3COCH3]實(shí)驗(yàn)②大于實(shí)驗(yàn)①，因變量（t）實(shí)驗(yàn)②小于實(shí)驗(yàn)①，可見(jiàn)增大[CH3COCH3]，υ(Br2)增大，選項(xiàng)A正確。同理，可推出選項(xiàng)C也正確。實(shí)驗(yàn)②和實(shí)驗(yàn)③的[Br2]相等，t也相等，可見(jiàn)實(shí)驗(yàn)②和實(shí)驗(yàn)③的υ(Br2)相等，選項(xiàng)B正確。選項(xiàng)D的自變量為[Br2]，因此不變量為[CH3COCH3]和[HCl]，分析上表數(shù)據(jù)可知實(shí)驗(yàn)①和實(shí)驗(yàn)④為該選項(xiàng)的對(duì)比較實(shí)驗(yàn)，[Br2]實(shí)驗(yàn)④是實(shí)驗(yàn)①的2倍，t實(shí)驗(yàn)④也是實(shí)驗(yàn)①的2倍，可見(jiàn)υ(Br2)不受[Br2]的影響，選項(xiàng)D不正確。答案：D例2．解析：（1）從表中給出的物理量可知c(I－)、c(S2O82－)為自變量，t（用來(lái)度量反應(yīng)速率）為因變量，因此該實(shí)驗(yàn)的目的是研究反應(yīng)物I－與S2O82－的濃度對(duì)反應(yīng)速率的影響。（2）實(shí)驗(yàn)⑤中c(S2O82－)與實(shí)驗(yàn)①、實(shí)驗(yàn)②相同。比較實(shí)驗(yàn)①、實(shí)驗(yàn)②可知，c(I－)變?yōu)樵瓉?lái)的2倍時(shí)，反應(yīng)所需時(shí)間變?yōu)樵瓉?lái)的1/2，實(shí)驗(yàn)⑤中c(S2O82－)為實(shí)驗(yàn)①的3倍，其反應(yīng)所需時(shí)間應(yīng)實(shí)驗(yàn)①的1/3，因此t2=88.0/3≈29.3。（3）在其他條件保持不變的情況下，溫度升高反應(yīng)速率增大，因此實(shí)驗(yàn)③在40℃下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)所需時(shí)間比20℃少。（4）設(shè)反應(yīng)速率與濃度關(guān)系為υ=kcm(I－)cn(S2O82－)，實(shí)驗(yàn)①和實(shí)驗(yàn)②中c(S2O82－)相等，比較這兩個(gè)實(shí)驗(yàn)可知c(I－)變?yōu)樵瓉?lái)的2倍時(shí)，反應(yīng)速率也變?yōu)樵瓉?lái)的2倍，因此m=1；實(shí)驗(yàn)②和實(shí)驗(yàn)③中c(I－)相等，比較這兩個(gè)實(shí)驗(yàn)可知c(S2O82－)變?yōu)樵瓉?lái)的2倍時(shí)，反應(yīng)速率也變?yōu)樵瓉?lái)的2倍，因此n=1。綜上可知υ=kc(I－)c(S2O82－)，即反應(yīng)速率與反應(yīng)物起始濃度乘積成正比。答案：（1）研究反應(yīng)物I－與S2O82－的濃度對(duì)反應(yīng)速率的影響（2）29.3s（3）A（4）反應(yīng)速率與反應(yīng)物起始濃度乘積成正比（或顯色時(shí)間與反應(yīng)物起始濃度乘積成反比）例3．解析：實(shí)驗(yàn)Ⅰ、實(shí)驗(yàn)Ⅱ的自變量為催化劑的比表面積，只有保持其他條件不變才能得出有說(shuō)服力的結(jié)論，因此實(shí)驗(yàn)Ⅱ中的T、NO初始濃度、CO初始濃度都應(yīng)與實(shí)驗(yàn)Ⅰ相同。實(shí)驗(yàn)Ⅲ與實(shí)驗(yàn)Ⅱ的催化劑的比表面積相等，T不等，可見(jiàn)實(shí)驗(yàn)Ⅱ和實(shí)驗(yàn)Ⅲ的自變量為T(mén)，實(shí)驗(yàn)Ⅲ的NO初始濃度、CO初始濃度都應(yīng)與實(shí)驗(yàn)Ⅱ相同。答案：Ⅱ：280、1.20×10－3、5.80×10－2；Ⅲ：1.20×10－3、5.80×10－2例4．解析：題中給出的是對(duì)比實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖，可見(jiàn)要設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)為對(duì)比實(shí)驗(yàn)。從右圖可看出，催化劑的種類(lèi)是自變量，其他因素（水的量、催化劑的質(zhì)量、光照強(qiáng)度等）為不變量，每隔半小時(shí)分解所得氫氣的體積為因變量。因此，實(shí)驗(yàn)方案要體現(xiàn)三個(gè)要點(diǎn)：一是其他條件不變（指明不變量）；二是使用Pt、Ni、La三種不同的催化劑（指明自變量）；三是每隔半小時(shí)測(cè)出分解生成的氫氣體積（指明因變量）。答案：控制其它條件不變，每半小時(shí)測(cè)定一次不同催化劑分解水產(chǎn)生氫氣的體積，記錄數(shù)據(jù)，作圖分析。例5．解析：該實(shí)驗(yàn)要探究溫度、氯化鎂固體的含水量以及粉碎方式三個(gè)因素對(duì)催化劑催化效果的影響。要探究其中一個(gè)因素對(duì)催化劑催化效果的影響時(shí)，另兩個(gè)因素必須保持不變。比較實(shí)驗(yàn)①②③④，發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)④中100℃這一條件與實(shí)驗(yàn)①②③不同，可見(jiàn)實(shí)驗(yàn)④的目的是研究溫度對(duì)催化劑催化效果的影響，故除溫度不同外，其他條件都要相同；再看另外兩個(gè)因素，其中實(shí)驗(yàn)③的粉碎方式與實(shí)驗(yàn)④相同，故實(shí)驗(yàn)④中氯化鎂固體中氯元素含量也要與③相同，即=74.45。實(shí)驗(yàn)①②的變量是“氯化鎂固體中氯元素含量”，比較實(shí)驗(yàn)①②的催化效果，可知氯化鎂固體中氯元素含量越高（即含水量越低）催化效果越好。實(shí)驗(yàn)②③的變量是“粉碎方式”，故實(shí)驗(yàn)②③的實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖翘骄糠鬯榉绞綄?duì)催化效果的影響。答案：（1）74.45（2）氯化鎂固體含水量越高，催化劑催化效果越差（3）探究粉碎方式對(duì)催化效果的影響例6．解析：（1）該實(shí)驗(yàn)的目的是“探究酸濃度對(duì)該反應(yīng)速率的影響”，因此除酸濃度外的其他量都要保持不變。據(jù)4組實(shí)驗(yàn)中H2O2的濃度應(yīng)保持不變，可知V1=V2=5.0；據(jù)4組實(shí)驗(yàn)溶液的總體積應(yīng)相等（都為20.0mL），可知V3=1.