搜索
第十一章化学实验热点第4讲变量与规律探究实验热点1变量探究实验典型的变量探究型实验，往往涉及有关影响化学反应速率、化学平衡移动规律等方面的内容。解题策略处理相关实验问题时，需要注意以下内容：一是要选择合适的化学反应，所选择的反应不能太灵敏，也不能太迟钝。二是反应物的浓度要适当，不能太大，而探索浓度变量时，浓度间的差别也不能太大。三是反应体系的温度，要有规律地设计不同的反应体系的温度，也要注意物质的相应性质，不能选择会引起反应发生变化的体系温度。四是对变量要进行适当的组合，组合的一般原则是“变一定多”，即保持其他变量不变，改变其中一个变量的值进行实验，测定数据，通过系列实验，找出变量对反应的影响。典例剖析1控制变量法是化学实验的一种常用方法，下表是某学习小组研究等物质的量浓度的稀硫酸和锌反应的实验数据(计算结果精确到小数点后一位)。分析以下数据，回答下列问题：实验序号稀硫酸的体积/mL锌的质量/g锌的形状温度/℃完全溶于酸的时间/s生成硫酸锌的质量/g150.02.0薄片15200m1250.02.0薄片25100m2350.02.0颗粒2570m3450.02.0颗粒3535m4550.02.0粉末25t15.0650.04.0粉末25t2m5750.06.0粉末25t314.9850.08.0粉末25t419.3950.010.0粉末25t5m61050.012.0粉末25t619.3(1)实验1和实验2表明________对化学反应速率有影响，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＜70B．m1＜m2C．m6＝19.3D．t1＞t4(3)本实验还可以研究________对化学反应速率的影响。(4)稀硫酸的物质的量浓度是________mol/L，实验6生成硫酸锌的质量m5＝______________。解析(1)实验1与实验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，同样可知实验3与实验4的反应条件也是温度不同。(2)其他条件相同时，锌采用粉末状比采用颗粒状的反应速率快，故对比实验3、5的数据可知t1＜70；因实验1、2采用锌的质量相同且全部溶解在稀硫酸中，故生成的硫酸锌等量，即m1＝m2；由实验8、10的数据可知，在加入8.0gZn时，稀硫酸已经耗尽，故m6＝19.3；实验5中加入锌的质量小于实验8的，随着反应的进行，硫酸浓度变小，反应速率变慢，故t1＜t4。(3)本实验还可以研究硫酸的浓度、催化剂(或压强)等对反应速率的影响。(4)由稀硫酸耗尽时产生硫酸锌的质量可求出50.0mL稀硫酸中含有n(H2SO4)≈0.12mol，故c(H2SO4)＝2.4mol/L；实验6中稀硫酸未耗尽，故可由4.0gZn(全部转化为ZnSO4)求出m5＝4×161/65≈9.9。答案(1)温度实验3和实验4(2)AC(3)硫酸的浓度和催化剂(或压强)(4)2.49.9热点2规律探究实验物质性质递变规律的探索也是中学化学实验探索的一个重要内容。研究同周期、同主族元素性质的递变规律，物质的氧化还原反应(如置换反应)规律，物质的酸(碱)性强弱规律，电解质溶液的导电规律等，都是开展有关规律探究的重要素材，也是高考命题的经典情境。解题策略解决有关规律探究问题的实验设计，其常用方法示例如下：(1)同周期、同主族元素性质的递变规律，一般通过设计判断元素金属性、非金属性的强弱实验来完成，如通过让金属单质与相同浓度的非氧化性酸反应产生H2的速率快慢来判断金属单质的还原性强弱，推断元素金属性强弱，从而找出相应的性质递变规律。(2)物质的酸(碱)性强弱的判断。(3)钢铁发生电化学腐蚀的规律探究。可以通过控制所含的杂质是否与空气接触、所接触的电解质溶液的酸碱度、钢铁在腐蚀过程中体系内的气压变化等角度设计实验，找出规律。典例剖析2(2008·广东，20)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的用量为25.0mL、大理石用量为10.00g。(1)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2.00②③④(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。(2)实验①中CO2质量随时间变化的关系见下图：依据反应方程式12CaCO3＋HNO3===12Ca(NO3)2＋12CO2↑＋12H2O，计算实验①在70～90s范围内HNO3的平均反应速率(忽略溶液体积变化，写出计算过程)。(3)请在答题卡的框图中，画出实验②、③和④中CO2质量随时间变化关系的预期结果示意图。解析(1)实验①和实验②探究HNO3浓度对该反应速率的影响，其他条件应相同而HNO3的浓度不同，故实验②中HNO3的浓度应为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，其余条件要保持一样。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。(2)反应时间70～90s范围内：Δm(CO2)＝0.95g－0.84g＝0.11gΔn(CO2)＝0.11g÷44g/mol＝0.0025molHNO3的减少量：Δn(HNO3)＝0.0025mol÷12＝0.0050molHNO3的平均反应速率：v(HNO3)＝Δn(HNO3)/VΔt＝0.0050mol÷0.0250L20s＝1.0×10－2mol/(L·s)(3)25.0mL2mol/L、1mol/L的HNO3的物质的量分别为0.050mol、0.025mol,10.00g大理石的物质的量为0.10mol。根据反应方程式：1molCaCO3消耗2molHNO3，因此HNO3的量都不足，大理石过量，实验②中产生的CO2是实验①中的一半，且反应速率比①慢，实验③、④中使用HNO3的量和实验①中相同，因此产生的CO2的量和实验①中相同，但反应速率都比实验①快，因此可以画出图象。答案(1)实验编号T/K大理石规格HNO3浓度/mol/L实验目的①298粗颗粒2.00②298粗颗粒1.00③308粗颗粒2.00④298细颗粒2.00(Ⅱ)①和③(Ⅲ)①和④(2)反应时间70～90s范围内：Δm(CO2)＝0.95g－0.84g＝0.11gΔn(CO2)＝0.11g÷44g/mol＝0.0025molHNO3的减少量：Δn(HNO3)＝0.0025mol÷12＝0.0050molHNO3的平均反应速率：v(HNO3)＝Δn(HNO3)/VΔt＝0.0050mol÷0.0250L20s＝1.0×10－2mol/(L·s)(3)即时巩固．1．(2011·临沂质检)同学想用实验证明高锰酸钾溶液的紫红色是MnO－4的颜色，而不是K＋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振荡，静置后未见明显变化，表明锌与K＋不反应D．在高锰酸钾溶液中加入适量锌粉振荡，静置后见紫红色褪去，表明MnO－4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，这与颜色无关，因此A项无意义；K＋无色，则高锰酸钾溶液的紫红色只能是MnO－4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＋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MnO－4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MnO－4为紫红色。答案A2．H2O2不稳定会分解，CuSO4溶液对过氧化氢分解有催化作用。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、药匙、木条；酚酞试液、2mol/L盐酸、2mol/L硫酸、2mol/L硝酸、5%的H2O2溶液、CuSO4溶液、蒸馏水。假设实验操作预期现象结论起催化作用的是CuSO4溶液中的SO2－4起催化作用的是CuSO4溶液中的Cu2＋解析CuSO4可电离出Cu2＋和SO2－4，欲探究何者对过氧化氢的分解起催化作用，设计实验时需要控制变量，即Cu2＋和SO2－4应单独存在，第一步实验加H2SO4(有SO2－4、无Cu2＋)无明显现象，说明SO2－4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SO2－4对过氧化氢分解不起作用，因此第二步所选试剂也可含SO2－4)的物质，考虑到题给试剂，应选择CuSO4溶液。答案假设实验操作预期现象结论向盛有约2mL5%的H2O2溶液的试管中滴加少量的2mol/LH2SO4，并把带火星的木条伸入试管无明显现象起催化作用的不是SO2－4向盛有约2mL5%的H2O2溶液的试管中滴加少量CuSO4溶液，并把带火星的木条伸入试管试管中有大量气泡产生，带火星的木条复燃起催化作用的是Cu2＋3．某校研究性学习小组的课题是“通过实验探究有关物质氧化性和还原性的强弱”。探究方案如下：Ⅰ.探究KMnO4、H2O2、PbO2氧化性的强弱。经资料检索知，Bi位于周期表中ⅤA族，＋3价较稳定，NaBiO3溶液为无色，Bi3＋无色；Mn2＋无色，MnO－4呈紫红色；Pb位于周期表中ⅣA族，＋2价较稳定，PbSO4是一种白色沉淀。取一定量的Mn(NO3)2溶液依次进行实验，现象记录如下：①滴加适量的NaBiO3溶液，溶液变为紫红色。②继续滴加适量H2O2，紫红色褪去，并有气泡产生。③再加入适量的PbO2固体，固体溶解，溶液又变为紫红色。④最后通入足量的SO2气体。请回答下列问题：(1)推测实验④中的现象为_______________。(2)分析上述现象，KMnO4、H2O2、PbO2氧化性由强到弱的顺序为_____________________。(3)写出②中反应的离子方程式___________。Ⅱ.探究镁、铝、铜金属单质还原性的强弱。现有镁条、铝片、铜片、氧化镁、氧化铝、氧化铁、盐酸、硝酸银溶液、硫酸铜溶液及其他常用的实验用品和仪器，根据现有药品，请你设计简单实验验证镁、铝、铜金属单质的还原性强弱。依据设计的实验方案，回答下列问题：(4)实验原理：用化学方程式表示实验中的反应。①___________________________；②___________________________；③___________________________。(5)实验现象：能够充分说明镁、铝、铜金属单质还原性强弱的明显现象是_________________。解析Ⅰ.①向Mn(NO3)2溶液中滴加NaBiO3溶液时，溶液变为紫红色，说明有MnO－4生成，即Mn2＋被氧化成MnO－4，NaBiO3中＋5价的Bi被还原成Bi3＋，所以氧化性NaBiO3＞KMnO4；②向所得到的KMnO4溶液中滴加H2O2，紫红色褪去，说明MnO－4被还原成Mn2＋，H2O2被氧化成O2，所以氧化性KMnO4＞H2O2；③向含Mn2＋的溶液中加入PbO2固体，固体溶解，溶液又变为紫红色，说明Mn2＋又被氧化成MnO－4，PbO2被还原成Pb2＋，所以氧化性PbO2＞KMnO4；④MnO－4可以将SO2氧化成SO2－4，SO2－4和Pb2＋结合生成白色的PbSO4沉淀。Ⅱ.镁、铝是活泼金属，能够和盐酸反应放出氢气，但是较活泼的镁反应较为剧烈；铜是不活泼金属，不能和盐酸反应放出氢气，但是可以和硝酸银溶液发生置换反应生成单质银。答案(1)紫红色褪去，生成白色沉淀(2)PbO2＞KMnO4＞H2O2(3)2Mn