撥開云霧見彩虹

自然界發生的各種現象往往是錯綜復雜的，并且被研究對象往往不是孤立的，總是處于與其他事物和現象的相互聯系之中，因此影響研究對象的因素在許多情況下并不是單一的，而是多種因素相互交錯、共同起作用的。要想精確地把握研究對象的各種特性，弄清事物變化的原因和規律，單靠自然條件下整體觀察研究對象是遠遠不夠的，還必須對研究對象施加人為的影響，造成特定的便于觀察的條件，這就是控制變量的方法。例如在研究氣體的物質的量、溫度、體積、壓強這4個狀態變量之間的關系時，必須設法把決定氣體狀態的兩個量用人為的方法控制起來，使它保持不變，然后來比較、研究其他兩個變量之間的關系。在探究外界條件對化學反應速率影響時，溫度、濃度、壓強、催化劑和固體表面積都會影響化學反應速率的大小，根據控制變量法的原理，必須先使四個變量不變，然后比較另外一個變量變化時，化學反應速率的變化。近年來，在高考的命題中經常以實驗為載體，巧用“一個實驗”連多點、多問的設置特點，考查學生用控制變量法探究影響化學反應速率的外界因素，此類題目能多角度考查了學生的能力（觀察能力、操作能力、分析理解能力、邏輯思維能力），試題的區分度大，頗受命題者的青睞，近年在全國各地的高考中屢屢出現。

題型一：定性判斷

題目特點：題目呈現了影響化學反應速率的多種變量，要求掌握控制變量法的基本原理，即在探究某個條件對化學反應速率的影響時，其它的條件必須不變，作定性判斷，不需要計算。

例1 （09年寧夏理綜·10）硫代硫酸鈉溶液與稀硫酸反應的化學方程式為：Na2S2O3+H2SO4=Na2SO4+SO2+S↓+H2O，下列各組實驗中最先出現渾濁的是表1中的（ ）。

答案：D

分析 決定化學反應速率的第一因素是溫度，在C、D比較中，根據控制變量法德原理，溫度和H2SO4的濃度一樣，而D中Na2S2O3濃度較大。

表1

例2 （2007海南·17）下表是稀硫酸與某金屬反應的實驗數據：

表2

分析上述數據，回答下列問題：

（1）實驗4和5表明， 對反應速率有影響， 反應速率越快，能表明同一規律的實驗還有（填實驗序號）。

（2）僅表明反應物濃度對反應速率產生影響的實驗有（填實驗序號）。

（3）本實驗中影響反應速率的其他因素還有

，其實驗序號是 。

（4）實驗中的所有反應，反應前后溶液的溫度變化值（約15℃）相近，推測其原因。

答案：（1）固體反應物的表面積；表面積越大；1和2（2）3和4，（3）開始反應溫度6和7。（4）一定量的金屬跟足量的硫酸反應放出的熱量相同。

分析 本題考查反應物的濃度、溫度、固體的表面積等三個因素對化學反應速率的影響，題目數據較多，若沒有正確使用控制變量的思想，會覺得做題無從下手。比較表2中實驗1和2、實驗4和5，其他條件都一樣，只是金屬狀態由絲變成了粉末，金屬消失的時間就少了很多，反應速率變快很多，也就是說明金屬固體的表面積越大，速率就越快。同理，比較表中各項數據進行分析不難得出正確答案。

題型二：定量計算

題目特點：呈現影響化學反應速率的多種變量，除了根據控制變量法的基本原理判斷外，還要從多種數據中分析外界條件對反應速率影響的規律，做出計算。

例2 （07年廣東化學·22）“碘鐘”實驗中，3I－＋S2O82－的反應速率可以用I3－與加入的淀粉溶液顯藍色的時間t來度量，t越小，反應速率越大。某探究性學習小組在20℃進行實驗，得到的數據如表3：

表3

回答下列問題：

（1）該實驗的目的是。

（2）顯色時間t2＝ 。

（3）溫度對該反應的反應速率的影響符合一般規律，若在40℃下進行編號③對應濃度的實驗，顯色時間t2的范圍為 （填字母）。

A．<22.0sB．22.0～44.0s

C．＞44.0sD．數據不足，無法判斷

答案：（1）研究反應物I－與S2O82－的濃度對反應速率的影響。（2）29.3s。（3）A。（4）反應速率與反應物起始濃度乘積成正比（或顯色時間與反應物起始濃度乘積成反比）。

分析 本題和2007海南相比有所創新，題目中影響化學反應速率的變量只有兩種反應物的濃度，第2問中t2無法直接計算，要通過實驗②和實驗①對比，在S2O82－濃度相同的條件下，②I－濃度為①兩倍，時間為①的1/2，依此類推t2應 88.0/3秒。

例3 （08年廣東化學·20）某探究小組用HNO3與大理石反應過程中質量減小的方法，研究影響反應速率的因素。所用HNO3濃度為1.00 mol·L-1、2.00 mol·L-1，大理石有細顆粒與粗顆粒兩種規格，實驗溫度為298 K、308 K，每次實驗HNO3的用量為25.0 mL、大理石用量為10.00 g。

請完成以下實驗設計表（表4），并在實驗目的一欄中填出對應的實驗編號：

表4

答案：

分析 本題考查溫度、反應物的濃度和固體表面積對化學反應速率的影響。第(1)問探究HNO3濃度對該反應速率的影響，那么大理石的規格和溫度必須和①相同，第(2) (3)問同理。

例4 （09年福建理綜·12）某探究小組利用丙酮的溴代反應（CH3COCH3＋Br2CH3COCH2Br＋HBr）來研究反應物濃度與反應速率的關系。反應速率v(Br2)通過測定溴的顏色消失所需的時間來確定。在一定溫度下，獲得實驗數據如表5：

表5

分析實驗數據所得出的結論不正確的是

A．增大c(CH3COCH3)， v(Br2)增大

B．實驗②和③的v(Br2)相等

C．增大c(HCl)， v(Br2)增大

D．增大c(Br2)，v(Br2)增大

答案：D

分析：本題是要探究反應物的濃度和催化劑的濃度對反應速率的影響，變量有3個，另外考查了速度和時間的反比關系。命題題型采用了選擇題，命題方式相似于07年廣東化學·22。

題型三：綜合運用

除了根據控制變量原理對化學反應速率的快慢或時間做比較和計算，還體現了化學反應原理和基本概念和基本理論的考查。

例4 （廈門2011屆高三上學期市質檢）探究酸濃度對MnO2＋ H2O2反應速率的影響。

已知MnO2+ H2O2 + 2H+ = Mn2+ + O2↑+ 2H2O，現取等量MnO2和表6有關物質，在相同的溫度下進行4組實驗，分別記錄收集20.0mL氧氣所需時間。

表6

（1）上表中V1= ，V3=

（2）有同學提出實驗Ⅰ不可以作為實驗Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ的對比實驗，其理由是。

（3）若實驗測得t2＞t2＞t4，則可得出的實驗結論是

。

答案：（1）5.0；1.5中（2）實驗Ⅰ中MnO2將作為催化劑，其它三組實驗中MnO2作為氧化劑，反應原理不同，且酸量不同。（3）酸濃度越大，反應速率越快。

分析 第（1）問涉及控制變量和如何控制變量，實驗目的是探究酸濃度對MnO2＋ H2O2反應速率的影響，所以要控制H2O2的濃度一樣，V1和V2都為5.0 mL，而如何控制酸濃度不同時，必須在總體積不變的條件下，即總體積都為20mL。第（2）問考查的是，化學反應條件改變了，反應原理就不同的變化觀。第（3）問則是總結外界條件影響化學反應速率的一般性的規律。

我們周圍的世界處在不停的變化之中，一個問題往往受到多個因素的影響，控制變量法的思路在我們解決多變量問題中起著重要的作用。對于控制變量法的學習，僅僅掌握它在化學反應速率解題中的應用是遠遠不夠的，我們應當在日常的教育教學中引導學生領悟它的思想內涵，在分析處理具體問題時加以靈活運用。