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        “變量控制”思想在化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)和考試中的應(yīng)用初探

        2021-04-09 04:45:58重慶
        關(guān)鍵詞:影響實(shí)驗(yàn)

        重慶

        科學(xué)研究中,多因素(多變量)影響的問題,常常采用控制變量法研究,使多因素影響的變化過程變成幾個單因素影響的變化過程,分別加以研究,最后再將幾個單因素的影響結(jié)果加以綜合。被改變的因素叫“自變量”;隨自變量改變而改變的因素叫“因變量”;其他可能產(chǎn)生影響的因素叫“控制變量”。“變量控制”的思想在化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)和各類考試中有廣泛的應(yīng)用,現(xiàn)列舉幾例希望能引起各位讀者的共鳴。

        1 教材實(shí)驗(yàn)中的“變量控制”思想

        1.1 人教版(2007年2月第3版)選修4《化學(xué)反應(yīng)原理》20頁實(shí)驗(yàn)2-2——濃度對反應(yīng)速率的影響

        實(shí)驗(yàn)步驟:取兩支試管,各加入4 mL 0.01 mol/L的KMnO4酸性溶液,然后向一支試管中加入2 mL 0.1 mol/L H2C2O4(草酸)溶液,記錄溶液褪色所需的時(shí)間;向另一支試管中加入2 mL 0.2 mol/L H2C2O4溶液,記錄溶液褪色所需時(shí)間。

        兩個實(shí)驗(yàn)的情況,如表1所示:

        表1

        從對比可以看出,實(shí)驗(yàn)1和2的反應(yīng)混合體系中均是草酸過量以保證溶液褪色;根據(jù)“變量控制”思想——兩個體系中只有自變量“草酸濃度”不同。

        按照“變量控制”思想,能否只控制“KMnO4溶液濃度”不同,其他變量都一致呢?答案是否定的。上面的實(shí)驗(yàn)中含有一個隱含變量“溶液的顏色”,原實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中此變量是相同的,但不同濃度KMnO4溶液的顏色差異較大,所以從本質(zhì)上來說,改變KMnO4溶液的濃度是違背“變量控制”思想中的單一變量變化原則的。

        1.2 人教版(2007年2月第3版)選修4《化學(xué)反應(yīng)原理》21頁實(shí)驗(yàn)2-3——溫度對反應(yīng)速率的影響

        實(shí)驗(yàn)步驟:取兩支試管各加入5 mL 0.01 mol/L Na2S2O3溶液;另取兩支試管各加入5 mL 0.1 mol/L H2SO4溶液;將四支試管分成兩組(各有一支盛有Na2S2O3和H2SO4溶液的試管),一組放入冷水中,另一組放入熱水中,經(jīng)過一段時(shí)間后,分別混合并攪拌。記錄出現(xiàn)渾濁的時(shí)間。

        兩個實(shí)驗(yàn)的情況,如表2所示:

        表2

        本實(shí)驗(yàn)的“變量控制”思想非常明顯:兩支試管中,只有自變量溫度不同。從反應(yīng)特點(diǎn)來看“氣體的產(chǎn)生”也可以作為因變量,但是在渾濁體系中此變量并不容易觀察,所以在實(shí)際操作中因變量只能選擇“出現(xiàn)渾濁的時(shí)間”,并且為了保證渾濁程度相同還需在試管外面用來作對比的白紙上畫“十”字,使其剛好被渾濁掩蓋為停止計(jì)時(shí)的標(biāo)志。

        1.3 人教版(2007年2月第3版)選修4《化學(xué)反應(yīng)原理》21頁——科學(xué)探究

        表3

        本實(shí)驗(yàn)的意圖在于親身體驗(yàn)實(shí)驗(yàn)方案的設(shè)計(jì),落實(shí)“科學(xué)探究與創(chuàng)新意識”的化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。結(jié)合前面的方法,可利用表格做如下分析:

        表4

        對比實(shí)驗(yàn)中,控制變量c(H+)和c(I-)容易保持相同,自變量“反應(yīng)溫度”也較容易控制。所以本實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵是控制“可能影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果的變量”,使其對本實(shí)驗(yàn)不影響或?qū)⑵溆绊懡档阶畹?。結(jié)合表格中“試劑加入順序及理由”一欄,讀者應(yīng)該可以得出:①H2SO4溶液、②KI溶液以及③指示劑(淀粉溶液),這三種溶液的加入順序是實(shí)現(xiàn)“變量控制”的關(guān)鍵。

        按照通常的實(shí)驗(yàn)操作規(guī)范,指示劑(淀粉溶液)加入的量只需要幾滴,一般不最先加入。據(jù)此將所有可能的順序及其相關(guān)分析列出如表5所示。

        表5

        2 在各類考題中的體現(xiàn)

        2.1 模型認(rèn)知

        【例1】Fe(OH)3廣泛用于醫(yī)藥制劑、顏料制造等領(lǐng)域,其制備步驟及裝置(夾持裝置省略)如下:在三頸瓶中依次加入16.7 g FeSO4·7H2O和40.0 mL蒸餾水。邊攪拌邊緩慢加入3.0 mL濃H2SO4,再加入2.0 g NaClO3固體,水浴加熱至80℃。

        圖1

        研究相同時(shí)間內(nèi)溫度與NaClO3用量對Fe2+氧化效果的影響,設(shè)計(jì)對比試驗(yàn)如表6:

        表6

        (1)m=________;n=________。

        (2)若c>87.8>a,則a、b、c的大小關(guān)系為________。

        【答案】(1)2.0 25

        (2)c>b>a

        【分析】結(jié)合題目已知和問題,可歸納出如圖2的思維模型:

        圖2

        該實(shí)驗(yàn)中涉及的變量有:溫度、FeSO4·7H2O的質(zhì)量、NaClO3的質(zhì)量以及氧化效果。

        ①ⅰ、ⅱ對比:NaClO3的質(zhì)量為自變量,氧化效果為因變量,溫度和FeSO4·7H2O的質(zhì)量為控制變量。結(jié)合表6中已知的數(shù)據(jù)即得m=2.0;ⅲ、ⅳ對比:NaClO3的質(zhì)量為自變量,氧化效果為因變量,溫度和FeSO4·7H2O的質(zhì)量為控制變量。結(jié)合表格中已知的數(shù)據(jù)即得n=25。

        ②利用已知c>87.8,同時(shí)ⅲ、ⅳ對比能得出結(jié)論:其他變量相同時(shí),NaClO3的用量越多,氧化效果越好;又根據(jù)a<87.8,同時(shí)ⅰ、ⅳ對比能得出結(jié)論:其他變量相同時(shí),溫度越高,對Fe2+的氧化效果越好。將上述兩個結(jié)論用于ⅰ、ⅱ對比,則有b>a;ⅱ、ⅲ對比,則有c>b。故答案為c>b>a。

        【例2】(2018·北京卷·27改編)I-可以作為水溶液中SO2歧化反應(yīng)的催化劑,可能的催化過程如下。

        探究ⅰ、ⅱ反應(yīng)速率與SO2歧化反應(yīng)速率的關(guān)系,實(shí)驗(yàn)如下:分別將18 mL SO2飽和溶液加入到2 mL下列試劑中,密閉放置觀察現(xiàn)象。(已知:I2易溶解在KI溶液中)

        表7

        (1)B是A的對比實(shí)驗(yàn),則a=________。

        (2)比較A、B、C,可得出的結(jié)論是。

        (3)實(shí)驗(yàn)表明,SO2的歧化反應(yīng)速率:D>A。結(jié)合ⅰ、ⅱ反應(yīng)速率解釋原因:。

        【答案】(1)0.4

        (2)I-是SO2歧化反應(yīng)的催化劑,H+單獨(dú)存在時(shí)不具有催化作用,但H+可以加快歧化反應(yīng)速率

        (3)反應(yīng)ⅱ比ⅰ快;D中由反應(yīng)ⅱ產(chǎn)生的H+使反應(yīng)ⅰ加快

        【分析】該實(shí)驗(yàn)中涉及的變量有:c(I-)、c(H+)、c(I2)。

        運(yùn)用與例1相同的思維模型,①對比A和B,KI溶液濃度為控制變量,H2SO4溶液加入與否為自變量,故a=0.4;同時(shí)能得出結(jié)論:c(I-)相同時(shí),H+能加快ⅰ的反應(yīng)速率。

        ②對比實(shí)驗(yàn)B和C,H2SO4溶液加入與否為控制變量,KI溶液為自變量。能得出結(jié)論:H+不能催化反應(yīng)ⅰ進(jìn)行。綜合實(shí)驗(yàn)A、B和C的現(xiàn)象,可得出的結(jié)論是:I-是SO2歧化反應(yīng)的催化劑,H+單獨(dú)存在時(shí)不具有催化作用,但H+可以加快歧化反應(yīng)速率。

        ③對比D和A,結(jié)合變量控制思想和前面已知結(jié)論,容易得出答案為:反應(yīng)ⅱ比ⅰ快;D中由反應(yīng)ⅱ產(chǎn)生的H+使反應(yīng)ⅰ加快。

        2.2 證據(jù)推理——素養(yǎng)落地

        【變式練習(xí)1】為了研究某溶液中溶質(zhì)R的分解速率的影響因素,分別用三份不同初始濃度的R溶液在不同溫度下進(jìn)行實(shí)驗(yàn),c(R)隨時(shí)間變化情況如圖3,下列說法錯誤的是

        ( )

        圖3

        A.25℃時(shí),10~30 min內(nèi),R的分解平均速率為0.030 mol·L-1·min-1

        B.對比30℃和10℃曲線,在50 min時(shí),R的分解程度相同

        C.對比30℃和25℃曲線,在0~50 min內(nèi),能說明R的分解平均速率隨溫度升高而增大

        D.對比30℃和10℃曲線,在同一時(shí)刻,能說明R的分解速率隨溫度升高而增大

        【答案】D

        【變式練習(xí)2】室溫下利用H2C2O4溶液和酸性KMnO4溶液的反應(yīng)探究外界條件對反應(yīng)速率的影響,設(shè)計(jì)方案如下:

        表8

        (1)上述反應(yīng)的離子方程式為

        (2)分析數(shù)據(jù)可得到的結(jié)論是

        ;

        (3)該實(shí)驗(yàn)中n(Mn2+)隨時(shí)間變化趨勢如圖4甲所示,請于圖4乙畫出t2后生成CO2的速率圖像(從a點(diǎn)開始作圖)并說明理由。

        (2)反應(yīng)物濃度越大,化學(xué)反應(yīng)速率越快

        (3)見分析部分

        (2)再次回顧思維模型

        該反應(yīng)變量有:c(H2C2O4)、c(KMnO4)、c(H2SO4)和溶液褪色時(shí)間,c(KMnO4)和c(H2SO4)為控制變量,c(H2C2O4)為自變量,溶液褪色時(shí)間為因變量。對比實(shí)驗(yàn)1、2和3,能得出結(jié)論:反應(yīng)物濃度越大,化學(xué)反應(yīng)速率越快。

        (3)Mn2+對H2C2O4與KMnO4的反應(yīng)有催化作用,此反應(yīng)還有一個隱含自變量c(Mn2+)。在不同的階段兩個自變量中的其中一個起主要作用,所以利用圖4甲c(Mn2+)的濃度變化能得出結(jié)論:t2時(shí)c(Mn2+)增大,催化劑為主要影響因素,反應(yīng)速率突然加快;末尾階段,反應(yīng)物濃度減小成為主要影響因素,反應(yīng)速率減慢。

        t2后的變化趨勢如圖5所示。

        圖5

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