巧用控制變量法有效突破化學實驗探究題

周海歐　鄧丹

在《普通高中化學課程標準（2017年版2020修訂）》中明確提出：能運用變量控制的方法探究并確定合適的反應條件，安全、順利地完成實驗。近幾年，實驗探究題的考查成為廣東化學高考實驗題的熱點，主要是考查學生對控制變量法的掌握程度。控制變量法就是在研究和解決問題的過程中，當影響事物的變化規律有多個因素時，往往先人為控制其它幾個因素不變，集中研究其中一個因素按照特定的條件發生變化所產生的影響，從而解決問題。

學生存在主要問題：不懂如何應用控制變量法、找不到變量、思路不清晰、不會分析實驗結果、設計實驗方案不完善等。

【解題模型】

明確探究對象—尋找影響因素（自變量）—控制單一變量—觀測因變量—得出實驗結論。

【例1】（2012·廣東高考節選）碘在科研與生活中有重要應用。某興趣小組用0.50mol·L-1 KI、0.2% 淀粉溶液、0.20mol·L-1 K2S2O8、0.10mol·L-1 Na2S2O3等試劑，探究反應條件對化學反應速率的影響.

已知：S2+2I-=2S+I2（慢）

I2+2S2=2I-+S4（快）

（2）為探究反應物濃度對化學反應速率的影響，設計的實驗方案如下表：

表中Vx=________ mL，理由是_____________________.

解析：對照實驗探究濃度對反應速率的影響須保證其他條件完全一致，故應加水2.0mL以保證溶液總體積完全相同，而此時其它物質的濃度不變，只改變了反應物K2S2O8溶液的濃度。

答案：（2）2.0 保持溶液總體積相同，僅改變S2的濃度而其他物質濃度不變（其他合理答案也可）

【例2】（2014·廣東高考節選）H2O2是一種綠色氧化還原試劑，在化學研究中應用廣泛。

（1）某小組擬在同濃度Fe3+的催化下，探究H2O2濃度對H2O2分解反應速率的影響。限選試劑與儀器：30% H2O2、0.1mol·L-1 Fe2（SO4）3、蒸餾水、錐形瓶、雙孔塞、水槽、膠管、玻璃導管、量筒、秒表、恒溫水浴槽、注射器

②設計實驗方案：在不同H2O2濃度下，測定________（要求所測得的數據能直接體現反應速率大?。?。

③設計實驗裝置，完成如圖所示的裝置示意圖。

④參照下表格式，擬定實驗表格，完整體現實驗方案（列出所選試劑體積、需記錄的待測物理量和所擬定的數據;數據用字母表示）。

解析：依據題意，探究不同H2O2濃度下，生成相同體積的O2所需要的時間或者是在相同時間內收集O2的體積，所以需要控制其它條件相同，只改變H2O2濃度。

答案：（1）②產生等體積氣體所需的時間

③如圖

（本題屬于開放性試題，合理答案均可）

【例3】（2015·廣東高考節選）NH3及其鹽都是重要的化工原料。

（3）設計實驗，探究某一種因素對溶液中NH4Cl水解程度的影響。

限制試劑與儀器：固體NH4Cl、蒸餾水、100 mL容量瓶、燒杯、膠頭滴管、玻璃棒、藥匙、天平、pH計、溫度計、恒溫水浴槽（可控制溫度）

①實驗目的：探究?????? 對溶液中NH4Cl水解程度的影響。

②設計實驗方案，擬定實驗表格，完整體現實驗方案（列出能直接讀取數據的相關物理量及需擬定的數據，數據用字母表示;表中V（溶液）表示所配制溶液的體積）。

③按實驗序號1所擬數據進行實驗，若讀取的待測物理量的數值為Y，則NH4Cl水解反應的平衡轉化率為????? （只列出算式，忽略水自身電離的影響）。

解析：（3）①根據題中所給儀器，有可以用于控制溫度的恒溫水槽，故可以設計實驗探究溫度對NH4Cl溶液水解程度的影響。

②根據上述儀器：可以用溫度計測量溶液溫度，可以用pH計測量溶液的pH，實驗遵循單一變量原則，則需要配置等體積等濃度的NH4Cl溶液，測量其在不同溫度下的pH，從而判斷其水解程度的大小。

③讀取的待測物理量的數值為Y，Y為pH值，pH=-lgc（H+），c（H+）=10-Ymol/L，NH4+ + H2O？葑NH3·H2O+H+，水解的氯化銨的物質的量為n（NH4Cl）=c（H+）×V=10-Y×0.1mol，則氯化銨水解反應的平衡轉化率為100%×（10-Y×0.1×53.5）/m =（10-Y× 5.35）/m。

答案：（3）①溫度

②

③（10-Y×5.35）/m

練習

1.（2021·廣東高考節選）

（4）某合作學習小組進行以下實驗探究。

① 實驗任務? 通過測定溶液電導率，探究溫度對AgCl溶解度的影響。

② 查閱資料? 電導率是表征電解質溶液導電能力的物理量。溫度一定時，強電解質稀溶液的電導率隨溶液中離子濃度的增大而增大;離子濃度一定時，稀溶液電導率隨溫度的升高而增大。25℃時，Ksp（AgCl）= 1.8×10-10。

③ 提出猜想? 猜想a：較高溫度的AgCl飽和溶液的電導率較大。

猜想b：AgCl在水中的溶解度s（45℃） > s（35℃） > s（25℃）。

④ 設計實驗、驗證猜想? 取試樣Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ（不同溫度下配制的AgCl飽和溶液），在設定的測試溫度下，進行表1中實驗1-3，記錄數據。

⑤數據分析、交流討論? 25℃的AgCl飽和溶液中，c（Cl-） =???????? mol·L-1。

實驗結果為A3>A2>A1。小組同學認為，此結果可以證明③中的猜想a成立，但不足以證明猜想b成立。結合②中信息，猜想b不足以成立的理由有?????????? 。

⑥優化實驗? 小組同學為進一步驗證猜想b，在實驗1-3的基礎上完善方案，進行實驗4和5。請在答題卡上完成表2中內容。

⑦實驗總結? 根據實驗1-5的結果，并結合②中信息，小組同學認為猜想b也成立。猜想b成立的判斷依據是

。

解析：第⑤問考查沉淀溶解平衡計算以及根據題目信息多角度探究現象成因的能力。25℃時，Ksp=c（Ag+）c（Cl-），飽和的AgCl溶液中c（Ag+）=c（Cl-），所以有c（Cl-）= =mol·L-1≈1.34×10-5mol·L-1;根據題目信息可知，濃度一定時，稀溶液電導率隨溫度的升高而增大，隨著實驗1，2，3測試溫度依次升高，即使溶液濃度未增加，電導率亦會增加，因此無法根據電導率結果判斷飽和溶液的濃度是否增加。

第⑥、⑦問考查考生通過設計實驗實現變量控制進而完成對物質性質進行探究的能力。

如要判斷AgCl在水中的溶解度隨溫度的變化情況，需要排除隨溫度變化而導致溶液電導率變化的影響因素，因此使用不同溫度下形成的飽和溶液在相同溫度下進行測試，如果試樣Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ在45℃時的電導率依次增加，則可以得出隨溫度升高，飽和溶液中離子濃度增加的結論。注意：為避免測試溫度降低后，飽和溶液析出，測試溫度選取45℃。

答案：（4）⑤ 1.34×10-5或×10-5等合理答案;實驗1，2，3沒有同時考慮溫度以及溫度對水電離程度的影響。

（4） ⑥

⑦ 參考答案：A3>B2，A2>B1;補充答案：A3>B2>B1

2.（2021·順德一模節選）某興趣小組通過實驗制備Fe（NO3）3并進行性質探究。

（3）Fe（NO3）3溶液性質的探究：

取適量0.1mol·L-1Fe（NO3）3溶液，加入到新制的銀鏡中，發現銀鏡溶解，且無其它固體析出。

① 實驗任務：通過設計實驗探究Fe（NO3）3溶液溶解銀的原因。

② 查閱資料：N在不同條件下的還原產物較復雜，有時難以觀察到氣體產生。

③ 提出猜想：猜想a：Fe3+具有氧化性，能夠氧化Ag;

????????? 猜想b：Fe（NO3）3溶液呈酸性，在此酸性條件下N能氧化Ag。

④ 設計實驗、驗證猜想

Ⅰ. 甲同學從上述實驗的生成物中檢測出Fe2+，驗證了猜想a成立。請寫出Fe3+氧化Ag的離子方程式

。

Ⅱ. 乙同學設計實驗驗證猜想b，請幫他完成下表中內容

解析：要證明猜想b成立，需要控制溶液的pH、溫度、N與原來Fe（NO3）3溶液相同，而陽離子鐵離子有氧化性，要排除在外。

答案：（3）I Fe3++Ag=Fe2++Ag+ II① 測定上述實驗用0.1mol/L Fe（NO3）3溶液的pH ② 配制與上述實驗用相同pH的HNO3溶液，將此溶液加入新制備的銀鏡中。（補充答案：配制0.3mol/L的硝酸鈉溶液，再向其中加入0.3mol/L的硝酸，調pH至測定值，將此溶液加入新制備的銀鏡中;或者Fe（NO3）3溶液加入三乙醇胺、F-（配位掩蔽劑），將此溶液加入新制備的銀鏡中。答案合理即可）

3.（2021·全國高三專題練習）某研究小組將純凈的SO2氣體通入0.1mol·L-1的Ba（NO3）2溶液中，得到了BaSO4沉淀，為探究上述溶液中何種微粒能氧化通入的SO2，該小組做出了如下假設：

假設一：溶液中的NO3-

假設二：溶液中溶解的O2

（1）驗證假設一

該小組設計實驗驗證了假設一，請在下表空白處填寫相關實驗現象

（2）為深入研究該反應，該小組還測得上述兩個實驗中溶液的pH隨通入SO2體積的變化曲線如下圖

實驗1中溶液pH變小的原因是??????????????????????????? ;V1時，實驗2中溶液pH小于實驗1的原因是

（用離子方程式表示）。

（3）驗證假設二

請設計實驗驗證假設二，寫出實驗步驟，預期現象和結論。

（4）若假設二成立，請預測：在相同條件下，分別通入足量的O2和KNO3，氧化相同的H2SO3溶液（溶液體積變化忽略不計），充分反應后兩溶液的pH前者????? （填大于或小于）后者，理由是????????????????????????? 。

答案：

（1）無明顯現象??? 有白色沉淀生成

（2）SO2溶于水后生成H2SO3??? 3SO2+2NO3-+2H2O=3SO42-+4H++2NO

（3）

（4）小于??? 反應的離子方程式表明，足量的O2和NO3-分別氧化相同的H2SO3，生成的H+的物質的量前者多于后者。

通過上述分析可知，此類試題考查形式：以表格形式給出多組實驗數據，讓考生找出每組數據的變化對反應的影響;給出影響化學反應的幾種因素，讓考生設計實驗分析各因素對反應的影響。應用控制變量思想解答此類試題的關鍵：認真細致審題，明確影響因素，研究各因素對探究實驗或探究問題有何影響;注意選擇數據或設置實驗的有效性，且變量要統一。

化學是一門以實驗為基礎的科學，化學教學也應當是理論和實踐緊密結合的。新課改以來，化學實驗成為高考中的必考題型，并且在高考中占據較大分值。在此背景下，化學實驗考查的內容與能力要求主要集中在高中生應該具有的化學實驗技能、實驗習慣和綜合的實驗探究方法和能力等維度。實驗命題側重考查其“接受、吸收、整合化學信息能力”，注重其“能夠通過對實際事物、實驗現象、實物、模型、圖形、圖表的觀察能力”，突出“化學實驗與科學探究能力”?；貧w課本，新教材的一大亮點就是增加了科學探究這一欄目。而作為教師，要在日常教學中革新實驗教學理念，上好實驗探究課。在上課過程中，通過實驗探究體會知識的生成，通過知識構建得到能力的提升。我們也可以在教學中嘗試去將控制變量法作為一種科學方法，用于解決某些實際化學問題的實驗探究過程之中。在實驗探究的過程中，通過控制變量，得到不同的實驗現象和結論，充分發揮學生的主觀能動性，幫助學生在變量控制的過程中實現從感性到理性，從現象到本質地認識物質及其變化規律，提升學生的創新意識和探究精神。

責任編輯 李平安

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