论文部分内容阅读
在化学实验探究过程中，往往会有多种因素同时影响同一实验，为准确探究某一因素对实验结果的影响时，通常会使其它因素保持不变，像这种研究问题的方法就是控制变量法。它是科学探究中的重要思想方法，广泛地运用在各种科学探索和科学实验研究之中。下面以几道实验题为例介绍控制变量法在实验设计中的运用。
例1、某同学想用实验证明高锰酸钾溶液的紫红色是MnO4- 离子的颜色，而不是K+离子的颜色，他设计的下列实验步骤中没有意义的是 （ ）
A.将高锰酸钾晶体加热分解，所得固体质量减少；
B.观察氯化钾溶液没有颜色，表明溶液中K+无色；
C.在氯化钾溶液中加入适量锌粉震荡，静置后未见明显变化，表明锌与K+离子无反应；
D.在酸性高锰酸钾溶液中加入适量锌粉震荡，静置后见紫红色褪去，表明MnO4-离子为紫红色。
解析：高锰酸钾晶体加热分解，所得固体质量必然减少，而这与颜色无关，因此A项没有任何意义。K+无色，则高锰酸钾溶液的紫红色只能是MnO4- 离子的颜色，B项有意义。C项、D项单独看似乎无意义，但是二者结合起来即有意义：因为锌与K+离子不反应，因此，锌使高锰酸钾溶液褪色必然是锌与高锰酸根离子发生反应的结果，从而说明MnO4-离子是紫红色的。C项、D项实际上是控制K+相同，排除K+的干扰，从而说明MnO4-为紫红色。
答案 A；
例2、探究氢氧化钠溶液中哪一种粒子（H2O、Na+、OH-）能使指示剂变色？
实验步骤：
（1）在第一支试管中加入约2mL蒸馏水，滴入几滴无色酚酞试液，观察现象。
（2在第二支试管中加入约2mL NaCl(PH=7)溶液，滴入几滴无色酚酞试液，观察现象。
（3在第三支试管中加入约2mL NaOH溶液，滴入几滴无色酚酞试液，观察现象。
通过上述实验，回答下列问题（下述现象是指无色酚酞试液是否变红），你得出的结论：
实验（1）看到的现象是__________，说明H2O__________；
实验（2）看到的现象是_________，说明Na+__________；
实验（3）看到的现象是_________，说明OH-__________；
从而你得出的结论是______________。
解析：由于在蒸馏水中滴入几滴无色酚酞试液，溶液不变红，则说明H2O不能使指示剂变色；在NaCl(PH=7)溶液中滴入几滴无色酚酞试液，溶液也不变红，则说明Na+不能使指示剂变色；而在NaOH溶液中滴入几滴无色酚酞试液，溶液变红，由于H2O、Na+不能使指示剂变色，因此OH-是氢氧化钠溶液中使指示剂变色的粒子。
答案：不变红，H2O不能使指示剂变色。
不变红，Na+不能使指示剂变色。
变红，OH-能使指示剂变色。
OH-是氢氧化钠溶液中使指示剂变色的粒子。
例3、控制变量法是化学实验的一种常用方法，下表是某实验小组研究等物质的量浓度的稀盐酸和锌反应的实验数据（计算结果精确到小数点后一位）。
分析以上数据回答下列问题：
（1）实验1和实验2表明，___________對反应速率有影响，对同一规律进行研究的实验还有一组是________（填实验序号）。
（2）下列说法正确的是___________。
A. t1<40 sB.m1 C. m6=8.0 D.t1>t4
(3)本实验还可以研究_________对化学反应速率的影响。
（4）稀盐酸的物质的量浓度是____________mol/L。
（5）实验6生成氯化锌的质量是____________g。
解析：（1）实验1和实验2的条件只有温度不同，故可表明温度对化学反应速率有影响。同样，实验3和实验4的反应条件也只是温度不同。
（2）其他条件相同，用粉末状的锌比用颗粒状的锌反应快，对比实验3、5可知t1<40s，A项正确。因实验1、2中锌的质量相同且全部溶解在稀硫酸中，因此生成的氯化锌质量相等，即m1=m2，B项错误。由实验8和实验10的数据可知，在加入4.0克锌时，稀盐酸已经耗尽，故m6=8.0，C项正确。实验5中加入锌的质量小于实验8中锌的质量，随着反应的进行，稀盐酸的浓度减小，反应速率减小，故t1 （3）本实验还可以研究盐酸的浓度、催化剂（或压强）等对反应速率的影响。
（4）由稀盐酸耗尽时产生氯化锌的质量可求出25.0 mL稀盐酸中含有n(HCl)= 0.06 mol, 故c(HCl)=0.06mol÷0.025L=2.4mol/L。
（5）实验6中稀盐酸未耗尽，故可由2.0 g锌（全部转化为氯化锌）求出m5=2.0÷65g.mol-1×136 g.mol-1≈4.2g。
答案：（1）温度 3和4
（2）A、 C
（3）盐酸的浓度、催化剂（或压强）（其它合理答案也算对）
（4）2.4
(5) 4.2
例4、H2O2不稳定会分解，CuSO4溶液对H2O2的分解有催化作用。有同学猜想起催化作用的是Cu2+。请你根据以下实验条件，用实验证明该同学的猜想是否正确。
限选择的仪器和试剂：烧杯、试管、玻璃棒、量筒、容量瓶、滴管、酒精灯、钥匙、木条；酚酞试液、2mol/L硫酸、2mol/L硝酸、5%H2O2的溶液、CuSO4溶液、蒸馏水。
解析：CuSO4可电离出Cu2+和SO42-，欲探究何者对H2O2的分解起催化作用，设计实验时需要控制变量，即Cu2+和SO42-应单独存在，第一步实验加H2 SO4（有SO42-、无Cu2+）无明显现象，说明SO42-不起催化作用；第二步实验应加入一种含Cu2+（由于第一步已经验证SO42-对H2O2分解不起作用，因此第二步所选试剂也可含SO42-）的物质，考虑到所给试剂，应选择CuSO4溶液。
答案：
“通过以化学实验为主的多种探究活动,使学生体验科学研究的过程”是新课程倡导的基本理念。控制变量法作为科学探究的一种重要方法,受到新课程高考命题的关注。近2年的新课程高考对控制变量法的一般程序、结果的处理以及通过处理结果获得结论的信息加工能力进行了全方位的考查。我们通过以上四道具体的实验案例,让学生了解控制变量法的基本原理、原则和一般步骤,将有助于学生掌握基本的化学实验技能和方法,进一步体验实验探究的基本过程,认识实验在化学科学研究和化学学习中的重要作用,提高化学实验能力。
【组稿编辑：鲍圣峰】
（作者单位：276017山东省临沂市临沂第十八中学）
例1、某同学想用实验证明高锰酸钾溶液的紫红色是MnO4- 离子的颜色，而不是K+离子的颜色，他设计的下列实验步骤中没有意义的是 （ ）
A.将高锰酸钾晶体加热分解，所得固体质量减少；
B.观察氯化钾溶液没有颜色，表明溶液中K+无色；
C.在氯化钾溶液中加入适量锌粉震荡，静置后未见明显变化，表明锌与K+离子无反应；
D.在酸性高锰酸钾溶液中加入适量锌粉震荡，静置后见紫红色褪去，表明MnO4-离子为紫红色。
解析：高锰酸钾晶体加热分解，所得固体质量必然减少，而这与颜色无关，因此A项没有任何意义。K+无色，则高锰酸钾溶液的紫红色只能是MnO4- 离子的颜色，B项有意义。C项、D项单独看似乎无意义，但是二者结合起来即有意义：因为锌与K+离子不反应，因此，锌使高锰酸钾溶液褪色必然是锌与高锰酸根离子发生反应的结果，从而说明MnO4-离子是紫红色的。C项、D项实际上是控制K+相同，排除K+的干扰，从而说明MnO4-为紫红色。
答案 A；
例2、探究氢氧化钠溶液中哪一种粒子（H2O、Na+、OH-）能使指示剂变色？
实验步骤：
（1）在第一支试管中加入约2mL蒸馏水，滴入几滴无色酚酞试液，观察现象。
（2在第二支试管中加入约2mL NaCl(PH=7)溶液，滴入几滴无色酚酞试液，观察现象。
（3在第三支试管中加入约2mL NaOH溶液，滴入几滴无色酚酞试液，观察现象。
通过上述实验，回答下列问题（下述现象是指无色酚酞试液是否变红），你得出的结论：
实验（1）看到的现象是__________，说明H2O__________；
实验（2）看到的现象是_________，说明Na+__________；
实验（3）看到的现象是_________，说明OH-__________；
从而你得出的结论是______________。
解析：由于在蒸馏水中滴入几滴无色酚酞试液，溶液不变红，则说明H2O不能使指示剂变色；在NaCl(PH=7)溶液中滴入几滴无色酚酞试液，溶液也不变红，则说明Na+不能使指示剂变色；而在NaOH溶液中滴入几滴无色酚酞试液，溶液变红，由于H2O、Na+不能使指示剂变色，因此OH-是氢氧化钠溶液中使指示剂变色的粒子。
答案：不变红，H2O不能使指示剂变色。
不变红，Na+不能使指示剂变色。
变红，OH-能使指示剂变色。
OH-是氢氧化钠溶液中使指示剂变色的粒子。
例3、控制变量法是化学实验的一种常用方法，下表是某实验小组研究等物质的量浓度的稀盐酸和锌反应的实验数据（计算结果精确到小数点后一位）。
分析以上数据回答下列问题：
（1）实验1和实验2表明，___________對反应速率有影响，对同一规律进行研究的实验还有一组是________（填实验序号）。
（2）下列说法正确的是___________。
A. t1<40 sB.m1
(3)本实验还可以研究_________对化学反应速率的影响。
（4）稀盐酸的物质的量浓度是____________mol/L。
（5）实验6生成氯化锌的质量是____________g。
解析：（1）实验1和实验2的条件只有温度不同，故可表明温度对化学反应速率有影响。同样，实验3和实验4的反应条件也只是温度不同。
（2）其他条件相同，用粉末状的锌比用颗粒状的锌反应快，对比实验3、5可知t1<40s，A项正确。因实验1、2中锌的质量相同且全部溶解在稀硫酸中，因此生成的氯化锌质量相等，即m1=m2，B项错误。由实验8和实验10的数据可知，在加入4.0克锌时，稀盐酸已经耗尽，故m6=8.0，C项正确。实验5中加入锌的质量小于实验8中锌的质量，随着反应的进行，稀盐酸的浓度减小，反应速率减小，故t1
（4）由稀盐酸耗尽时产生氯化锌的质量可求出25.0 mL稀盐酸中含有n(HCl)= 0.06 mol, 故c(HCl)=0.06mol÷0.025L=2.4mol/L。
（5）实验6中稀盐酸未耗尽，故可由2.0 g锌（全部转化为氯化锌）求出m5=2.0÷65g.mol-1×136 g.mol-1≈4.2g。
答案：（1）温度 3和4
（2）A、 C
（3）盐酸的浓度、催化剂（或压强）（其它合理答案也算对）
（4）2.4
(5) 4.2
例4、H2O2不稳定会分解，CuSO4溶液对H2O2的分解有催化作用。有同学猜想起催化作用的是Cu2+。请你根据以下实验条件，用实验证明该同学的猜想是否正确。
限选择的仪器和试剂：烧杯、试管、玻璃棒、量筒、容量瓶、滴管、酒精灯、钥匙、木条；酚酞试液、2mol/L硫酸、2mol/L硝酸、5%H2O2的溶液、CuSO4溶液、蒸馏水。
解析：CuSO4可电离出Cu2+和SO42-，欲探究何者对H2O2的分解起催化作用，设计实验时需要控制变量，即Cu2+和SO42-应单独存在，第一步实验加H2 SO4（有SO42-、无Cu2+）无明显现象，说明SO42-不起催化作用；第二步实验应加入一种含Cu2+（由于第一步已经验证SO42-对H2O2分解不起作用，因此第二步所选试剂也可含SO42-）的物质，考虑到所给试剂，应选择CuSO4溶液。
答案：
“通过以化学实验为主的多种探究活动,使学生体验科学研究的过程”是新课程倡导的基本理念。控制变量法作为科学探究的一种重要方法,受到新课程高考命题的关注。近2年的新课程高考对控制变量法的一般程序、结果的处理以及通过处理结果获得结论的信息加工能力进行了全方位的考查。我们通过以上四道具体的实验案例,让学生了解控制变量法的基本原理、原则和一般步骤,将有助于学生掌握基本的化学实验技能和方法,进一步体验实验探究的基本过程,认识实验在化学科学研究和化学学习中的重要作用,提高化学实验能力。
【组稿编辑：鲍圣峰】
（作者单位：276017山东省临沂市临沂第十八中学）