控制變量思想在化學習題解答中的應用

姚明站

(江蘇省蘇州市高新區第一中學 215009)

在科學研究和問題解決時，對影響事物變化規律的條件或因素加以人為控制，只改變某個變量(即實驗變量)，而保證其它的變量(即無關變量)不變，以便在研究過程中，找到事物變化發展的規律，最終解決所研究問題的方法稱為控制變量法.控制變量法的模型可用如圖1來表示：

圖1

一、化學平衡圖像題解答中的應用

例1(2018·北京高考第27題)近年來，研究人員提出利用含硫物質熱化學循環實現太陽能的轉化與存儲.過程如圖2所示.

圖2

(1)反應Ⅰ：

ΔH1=+551kJ·mol-1

反應Ⅲ：

ΔH3=-297kJ·mol-1

反應Ⅱ的熱化學方程式：____.

(2)對反應Ⅱ，在某一投料比時，兩種壓強下，H2SO4在平衡體系中物質的量分數隨溫度的變化關系如圖3所示.p2____p1(填“>”或“<”)，得出該結論的理由是____.

圖3

解析根據蓋斯定律寫出反應2的熱化學方程式為

3SO2(g)+2H2O(g)=2H2SO4(l)+S(s)

ΔH=-254 kJ·mol-1

第(2)問在此基礎上，由已知圖像研究壓強與H2SO4物質的量分數因果關系的問題.而圖像則給出了溫度、壓強兩個因素對H2SO4物質的量分數的影響曲線，由控制變量法規則，可采用“定一議二”法分析解答，即控制溫度(無關變量)相同時，分析壓強(實驗變量)與H2SO4物質的量分數(反應變量)的因果關系.對橫坐標作輔助線(即等溫線)，根據勒夏特列原理，增大壓強平衡正向移動，H2SO4物質的量分數增大可知，p2>p1.

小結：分析多個因素對化學反應平衡(速率)的影響時，注意“求同存異”，確定相同的因素，研究某一因素的不同所導致的結果的變化，從而得到相應的結論.

二、化學實驗題解答中的應用

例2(2018·北京高考第27題)題干前半部分同例1.

(3)I-可以作為水溶液中SO2歧化反應的催化劑，可能的催化過程如下.將ⅱ補充完整.

(4)探究ⅰ、ⅱ反應速率與SO2歧化反應速率的關系，實驗見表1.分別將18 mL SO2飽和溶液加入到2mL下列試劑中，密閉放置觀察現象.(已知：I2易溶解在KI溶液中)

表1

①B是A的對比實驗，則a=____.

②比較A、B、C，可得出的結論是____.

③實驗表明，SO2的歧化反應速率D>A，結合ⅰ、ⅱ反應速率解釋原因：____.

解析第(4)問是探究ⅰ、ⅱ反應速率與SO2歧化反應速率的關系，而兩個反應中反應物和生成物眾多，也就是影響反應速率的因素眾多，需要通過控制變量法，只改變其中一個條件而其它條件不變來研究.

①B是A的對比實驗，采用控制變量法，B比A多加了0.2mol·L-1H2SO4，A與B中KI濃度應相等，則a=0.4.

②對比A與B，加入H+可以加快SO2歧化反應的速率；對比B與C，單獨H+不能催化SO2的歧化反應；比較A、B、C，可得出的結論是：I-是SO2歧化反應的催化劑，H+單獨存在時不具有催化作用，但H+可以加快歧化反應速率.

③對比D和A，D中加入KI的濃度小于A，D中多加了I2，反應ⅰ消耗H+和I-，反應ⅱ中消耗I2，D中“溶液由棕褐色很快褪色，變成黃色，出現渾濁較A快”，反應速率D>A，由此可見，反應ⅱ比反應ⅰ速率快，反應ⅱ產生H+使c(H+)增大，從而反應ⅰ加快.

小結：探究類化學實驗試題的解題策略如下：

(1)確定變量：解答這類題目時首先要認真審題，理清影響實驗探究結果的因素有哪些.

(2)定多變一：在探究時，應該先確定其他的因素不變(無關變量)，只變化一種因素(實驗變量)，看這種因素與探究的問題(反應變量)存在怎樣的關系；這樣確定一種以后，再確定另一種，通過分析每種因素與所探究問題之間的關系，得出所有影響因素與所探究問題之間的關系.

(3)數據有效：解答時注意選擇數據(或設置實驗)要有效，且變量統一，否則無法做出正確判斷.證明一個問題時，為了防止干擾，一般都需要做對比試驗、空白試驗.

三、平衡綜合題解答中的應用

化學平衡類題中，經常會遇到兩個或幾個平衡體系進行對比分析的試題，究其本質是幾個因素對同一反應平衡移動影響的問題研究，一般是先引入“等效平衡”的概念，再利用“等效平衡”思想進行分析解決問題，但引入的新概念晦澀難懂，教的煞費苦心，學生往往不領情.筆者認為，可以從控制變量的角度借助思維導圖來分析指導這類題的解答.

例3(2016·江蘇高考)一定溫度下，在3個體積均為1.0L的恒容密閉容器中反應：

達到平衡(見表2).下列說法正確的是( ).

表2

A．該反應的正反應放熱

B．達到平衡時，容器Ⅰ中反應物轉化率比容器Ⅱ中的大

C．達到平衡時，容器Ⅱ中c(H2)大于容器Ⅲ中c(H2)的兩倍

D．達到平衡時，容器Ⅲ中的正反應速率比容器Ⅰ中的大

解析引導學生分析時繪制思維導圖如圖4所示.

圖4

由A、D兩項設問可知，須對Ⅰ、Ⅲ兩容器進行對比分析.Ⅰ與Ⅲ起始量不同且溫度不同，變量較多，不能進行直接比較，可采用控制變量法進行分析對比.如圖4所示，容器Ⅲ(從逆反應開始)與容器Ⅲ′(從正反應開始)，起始狀態不同，但兩者的投入量相當，可以建立完全相同的平衡體系，比較Ⅰ、Ⅲ就變成了比較Ⅰ和Ⅲ′，由容器Ⅰ轉化為容器Ⅲ′只需要改變溫度一個變量.因平衡時甲醇的濃度：Ⅰ>Ⅲ，且溫度：Ⅰ<Ⅲ，即升高溫度平衡逆向移動，該反應正向為放熱反應，A正確；當其他條件不變時，升高溫度反應速率加快，達到平衡時，容器Ⅲ中的正反應速率比容器Ⅰ中的大，D正確.

同理，Ⅰ、Ⅱ兩容器進行對比時，溫度相同，氣體物質的量和壓強均增大，可假想一個“中間狀態”容器Ⅰ′，其體積是Ⅰ的2倍，充入起始物質亦是Ⅰ的2倍，這時Ⅰ與Ⅰ′達平衡時反應物轉化率、c(H2)相同，由Ⅰ′轉化為Ⅱ只需要增大壓強一個變量，平衡壓強平衡正向移動，達到平衡時，容器Ⅰ中反應物轉化率比容器Ⅱ中的小，B錯誤；Ⅱ與Ⅲ變量更多不能直接進行比較，若以Ⅰ作為參照控制變量即可進行比較.由B項的分析可知，Ⅱ中c(H2)小于Ⅰ中c(H2)的2倍，而Ⅲ和Ⅰ對比，平衡逆向移動，Ⅲ比Ⅰ中c(H2)大，故達到平衡時，容器Ⅱ中c(H2)小于容器Ⅲ中c(H2)的2倍，C錯誤.

小結：解答此類題時可利用“等效平衡”思想，假想一個“中間狀態”，以達控制變量的目的.“中間狀態”的構建要利用縮放思想，該方法適用于起始投入物質的物質的量之間存在一定的倍數關系的平衡體系.它指的是將反應容器的體積擴大(或縮小)一定的倍數，使起始物質的濃度相同，則在一定條件下，可建立相同的平衡態.然后在此基礎上進行加壓或減壓(實驗變量只剩壓強)，使其還原為原來的濃度，依據勒夏特列原理分析在改變壓強過程中，平衡移動方向，得知相關量的變化規律.

四、同分異構體數目判斷中的應用

例4(2016·新課標Ⅱ卷)分子式為C4H8Cl2的有機物共有(不含立體異構)( ).

A．7種 B．8種 C．9種 D．10種

解析判斷取代產物同分異構體數目，其分析方法是分析有機物的結構特點，確定不同位置的氫原子種數，再確定取代產物同分異構體數目.分子式為C4H8Cl2的有機物可看成是丁烷C4H10中的2個氫原子被2個氯原子取代，涉及等效氫、氯原子、氯原子位置三個變量，如若采用控制變量思想——“定多移一”，可快速有序地判斷，否則極易漏寫或多寫.

分析如下：

確定二氯丁烷的同分異構體數目，可先固定一個氯原子位置，再移動另一個氯原子位置，特別需要注意不要重復——可歸納為“定一移一，莫回頭”(兩個取代基相同，須“莫回頭”).