阶段升华微专题(九)控制变量在测定化学反应速率中的应用与影响[专题分析]在研究影响化学反应速率的因素时,由于外界影响因素较多,若搞清某个因素的影响,均需控制其他因素相同或不变,才能进行实验。因此,控制变量思想在这部分体现较为充分,在近几年高考题中也多有考查,且大多以探究型实验题的形式出现。这类题目以实验为研究手段,尽管涉及因素较多,有其复杂性,但仍然重在考查考生的基础知识、基本技能、分析能力和实验能力。常见的命题角度有:(1)以表格的形式给出多组实验数据,让考生找出每组数据的变化对反应的影响。(2)给出影响化学反应的几种因素,让考生设计实验分析各因素对反应的影响。[专题指导]专题一实验探究外界条件对化学反应速率的影响【例1】(2013·安徽高考)某酸性工业废水中含有K2Cr2O7。光照下,草酸(H2C2O4)能将其中的Cr2O2-7转化为Cr3+。某课题组研究发现,少量铁明矾[Al2Fe(SO4)4·24H2O]即可对该反应起催化作用。为进一步研究有关因素对该反应速率的影响,探究如下:(1)在25℃下,控制光照强度、废水样品初始浓度和催化剂用量相同,调节不同的初始pH和一定浓度草酸溶液用量,做对比实验,完成以下实验设计表(表中不要留空格)。实验编号初始pH废水样品体积/mL草酸溶液体积/mL蒸馏水体积/mL①4601030②5601030③560测得实验①和②溶液中的Cr2O2-7浓度随时间变化关系如图所示。(2)上述反应后草酸被氧化为________(填化学式)。(3)实验①和②的结果表明______________________;实验①中0~t1时间段反应速率v(Cr3+)=______mol·L-1·min-1(用代数式表示)。(4)该课题组对铁明矾[Al2Fe(SO4)4·24H2O]中起催化作用的成分提出如下假设,请你完成假设二和假设三:假设一:Fe2+起催化作用;假设二:________;假设三:________;……(5)请你设计实验验证上述假设一,完成下表中内容。[除了上述实验提供的试剂外,可供选择的药品有K2SO4、FeSO4、K2SO4·Al2(SO4)3·24H2O、Al2(SO4)3等。溶液中Cr2O2-7的浓度可用仪器测定]实验方案(不要求写具体操作过程)预期实验结果和结论【解析】首先看清实验目的,确定条件改变的唯一变量,再根据图给信息进行综合分析;对于实验方案的设计也主要考虑变量的控制。(1)要保证其他量不变,草酸用量为唯一变量,必须保证溶液的体积为100mL,所以加入草酸和水的体积之和应为40mL,两者的具体体积没有要求,只需与②中数据不同即可。(2)此反应中铬的化合价由+6价变为+3价,化合价降低,所以碳的化合价应升高,草酸中碳的化合价为+3价,反应后只能变为+4价,即生成CO2。(3)通过图像可以明显看到,实验①的反应速率比实验②的快,故pH越小,反应速率越快,说明溶液pH对该反应的速率有影响;在0~t1时间段,Cr2O2-7的浓度改变了(c0-c1)mol·L-1,其反应速率为(c0-c1)/t1mol·L-1·min-1,所以v(Cr3+)=2(c0-c1)/t1mol·L-1·min-1。(4)铁明矾中除结晶水外,共有三种离子,均可能起催化作用,除Fe2+外,还有Al3+和SO2-4。(5)要想验证假设一正确,必须确定Al3+和SO2-4不起催化作用,所以可选择K2SO4·Al2(SO4)3·24H2O,为了确保Al3+和SO2-4的浓度与原来的相同,所以取和铁明矾相同物质的量的K2SO4·Al2(SO4)3·24H2O。【答案】(1)实验编号初始pH废水样品体积/mL草酸溶液体积/mL蒸馏水体积/mL③2020(2)CO2(3)溶液pH对该反应的速率有影响2(c0-c1)/t1(4)Al3+起催化作用SO2-4起催化作用(5)实验方案(不要求写具体操作过程)预期实验结果和结论用等物质的量K2SO4·Al2(SO4)3·24H2O代替实验①中的铁明矾,控制其他反应条件与实验①相同,进行对比实验反应进行相同时间后,若溶液中c(Cr2O2-7)大于实验①中的c(Cr2O2-7),则假设一成立;若两溶液中的c(Cr2O2-7)相同,则假设一不成立(本题属于开放性试题,合理答案均可)专题二实验探究原电池反应对化学反应速率的影响[例2]某同学在用稀硫酸与锌制取氢气的实验中,发现加入少量硫酸铜溶液可加快氢气的生成速率。请回答下列问题:(1)硫酸铜溶液可以加快氢气生成速率的原因是_____。(2)实验室中现有Na2SO4、MgSO4、Ag2SO4、K2SO4四种溶液,可与上述实验中CuSO4溶液起相似作用的是______。(3)为了进一步研究硫酸铜的量对氢气生成速率的影响,该同学设计了如下一系列实验。将表中所给的混合溶液分别加入到6个盛有过量Zn粒的反应瓶中,收集产生的气体,记录获得相同体积的气体所需的时间。实验混合溶液ABCDEF4mol/LH2SO4/mL30V1V2V3V4V5饱和CuSO4溶液/mL00.52.55V620H2O/mLV7V8V9V10100请完成此实验设计,其中:V1=________,V6=________,V9=________。【解析】(1)由于Zn与反应生成的Cu及硫酸溶液组成了CuZn原电池,大大加快了生成氢气的反应速率。(2)只要是比锌的金属性差的金属都可以与锌组成原电池,都可以加快生成氢气的反应速率,故在所给的物质中只有Ag2SO4符合题意。(3)因为要研究硫酸铜的量对反应速率的影响,故应保持硫酸的浓度在各组实验中相同,则硫酸溶液的体积均取30mL,根据F中增加的水与硫酸铜溶液的体积之和为20mL,可以求得各组实验中加入水的体积分别为V7=20mL,V8=19.5mL,V9=17.5mL,V10=15mL,实验E中加入的硫酸铜的体积V6=10mL。【答案】(1)CuSO4与Zn反应产生的Cu与Zn形成CuZn原电池,加快了氢气生成的速率(2)Ag2SO4溶液(3)301017.5[跟踪演练]1.等质量的铁与过量的盐酸在不同的实验条件下进行反应,测得在不同时间(t)内产生气体体积(V)的数据如图所示,根据图示分析实验条件,下列说法中一定不正确的是()组别曲线c(HCl)/mol·L-1温度/℃铁的状态1a30粉末状2b30粉末状3c2.5块状4d2.530块状A.第4组实验的反应速率最慢B.第1组实验中盐酸的浓度大于2.5mol·L-1C.第2组实验中盐酸的浓度等于2.5mol·L-1D.第3组实验的反应温度低于30℃【解析】由图像可知,1、2、3、4组实验产生的氢气一样多,只是反应速率有快慢之分。第4组实验,反应所用的时间最长,故反应速率最慢,A正确;第1组实验,反应所用的时间最短,故反应速率最快,根据控制变量法原则知盐酸的浓度应大于2.5mol·L-1,B正确;第2组实验,铁是粉末状,与3、4组中的块状铁相区别,根据控制变量法原则知盐酸的浓度应等于2.5mol·L-1,C正确;由3、4组中的温度区别,根据控制变量法原则知温度高于30℃,D错误。【答案】D2.某探究小组用HNO3与大理石反应过程中质量减小的方法,研究影响反应速率的因素。所用HNO3浓度为1.00mol/L、2.00mol/L,大理石有细颗粒与粗颗粒两种规格,实验温度为298K、308K,每次实验HNO3用量为25.00mL、大理石用量为10.00g。请完成以下实验设计表,并在实验目的一栏中填出对应的实验编号。实验编号T(K)大理石规格HNO3浓度(mol/L)实验目的①298粗颗粒2.00(Ⅰ)实验①和②探究HNO3浓度对该反应速率的影响;(Ⅱ)实验①和________探究温度对该反应速率的影响;(Ⅲ)实验①和________探究大理石规格(粗、细)对该反应速率的影响②③④【解析】(1)实验①和②探究HNO3浓度对该反应速率的影响,其他条件应相同而HNO3浓度不同,故实验②HNO3浓度应为1.00mol/L。实验①和③探究温度对反应速率的影响,除了温度不同,其他条件要保持一样。实验①和④探究大理石规格(粗、细)对反应速率的影响,因此要求二者大理石的规格不同,一个用粗颗粒,另一个用细颗粒。【答案】(1)②298粗颗粒1.00③308粗颗粒2.00④298细颗粒2.00(Ⅱ)③(Ⅲ)④3.草酸与高锰酸钾在酸性条件下能够发生如下反应:MnO-4+H2C2O4+H+―→Mn2++CO2↑+H2O(未配平),用4mL0.001mol/LKMnO4溶液与2mL0.01mol/LH2C2O4溶液研究不同条件对化学反应速率的影响。改变的条件如表所示:组别10%硫酸体积/mL温度/℃其他物质Ⅰ220—Ⅱ22010滴饱和MnSO4溶液Ⅲ230—Ⅳ1201mL蒸馏水(1)如果研究催化剂对化学反应速率的影响,使用实验________和________(用Ⅰ~Ⅳ表示,下同);如果研究温度对化学反应速率的影响,使用实验________和________。(2)对比实验Ⅰ和Ⅳ,可以研究________对化学反应速率的影响,实验Ⅳ中加入1mL蒸馏水的目的是_____________。【解析】(1)研究某一因素对化学反应速率的影响时,要保证其他各条件完全相同。(2)对比Ⅰ和Ⅳ,反应的温度、溶液的体积等都相同,仅有c(H+)不同,故可研究c(H+)对反应速率的影响。加1mL水的目的是确保c(KMnO4)、c(H2C2O4)不变和总体积不变。【答案】(1)ⅠⅡⅠⅢ(2)c(H+)(或硫酸溶液的浓度)确保所有实验中c(KMnO4)、c(H2C2O4)不变和总体积不变4.(2015·广州模拟)某实验小组以H2O2分解为例,研究浓度、催化剂、溶液的酸碱性对反应速率的影响。在常温下按照如下方案完成实验。编号反应物催化剂①10mL2%H2O2溶液无②10mL5%H2O2溶液无③10mL5%H2O2溶液1mL0.1mol/LFeCl3溶液④10mL5%H2O2溶液+少量HCl溶液1mL0.1mol/LFeCl3溶液⑤10mL5%H2O2溶液+少量NaOH溶液1mL0.1mol/LFeCl3溶液(1)催化剂能加快化学反应速率的原因____________。(2)实验①和②的目的是__________________________。实验时由于没有观察到明显现象而无法得出结论。资料显示,通常条件下H2O2稳定,不易分解。为了达到实验目的,你对原实验方案的改进是__________________________。(3)实验③、④、⑤中,测得生成氧气的体积随时间变化的关系如图所示。分析图示能够得出的实验结论是:_______。【解析】加入催化剂可降低反应的活化能,反应速率增大;实验①和②过氧化氢的浓度不同,实验目的是探究浓度对反应速率的影响,但可能因过氧化氢性质稳定,反应速率太慢,现象不明显,可以给不同浓度的过氧化氢提供相同的温度或催化剂,进行探究浓度对反应速率的影响。分析实验③、④、⑤表中的反应物和催化剂结合图像知道,酸碱性环境影响反应速率,对平衡移动没有影响。【答案】(1)降低了反应的活化能(2)探究浓度对反应速率的影响向反应物中加入等量同种催化剂(或将盛有反应物的试管放入同一热水浴中)(3)碱性环境能增大H2O2分解的速率,酸性环境能减小H2O2分解的速率,但酸碱性环境对平衡移动无影响5.(2015·安阳模拟)利用催化剂可使NO和CO发生反应:2NO(g)+2CO(g)2CO2(g)+N2(g)ΔH0。已知增大催化剂的比表面积可提高化学反应速率。为了分别验证温度、催化剂的比表面积对化学反应速率的影响规律,某同学设计了三组实验,部分实验条件已经填在实验设计表中。实验编号ⅠⅡⅢT(℃)280350NO初始浓度(mol/L)1.2×10-31.2×10-3CO初始浓度(mol/L)5.8×10-3催化剂的比表面积(m2/g)8212482(1)请填全表中的各空格。(2)实验Ⅰ中,NO的物质的量浓度(c)随时间(t)的变化如图