巧用控制变量法有效突破化学实验探究题

周海欧　邓丹

在《普通高中化学课程标准（2017年版2020修订）》中明确提出：能运用变量控制的方法探究并确定合适的反应条件，安全、顺利地完成实验。近几年，实验探究题的考查成为广东化学高考实验题的热点，主要是考查学生对控制变量法的掌握程度。控制变量法就是在研究和解决问题的过程中，当影响事物的变化规律有多个因素时，往往先人为控制其它几个因素不变，集中研究其中一个因素按照特定的条件发生变化所产生的影响，从而解决问题。

学生存在主要问题：不懂如何应用控制变量法、找不到变量、思路不清晰、不会分析实验结果、设计实验方案不完善等。

【解题模型】

明确探究对象—寻找影响因素（自变量）—控制单一变量—观测因变量—得出实验结论。

【例1】（2012·广东高考节选）碘在科研与生活中有重要应用。某兴趣小组用0.50mol·L-1 KI、0.2% 淀粉溶液、0.20mol·L-1 K2S2O8、0.10mol·L-1 Na2S2O3等试剂，探究反应条件对化学反应速率的影响.

已知：S2+2I-=2S+I2（慢）

I2+2S2=2I-+S4（快）

（2）为探究反应物浓度对化学反应速率的影响，设计的实验方案如下表：

表中Vx=________ mL，理由是_____________________.

解析：对照实验探究浓度对反应速率的影响须保证其他条件完全一致，故应加水2.0mL以保证溶液总体积完全相同，而此时其它物质的浓度不变，只改变了反应物K2S2O8溶液的浓度。

答案：（2）2.0 保持溶液总体积相同，仅改变S2的浓度而其他物质浓度不变（其他合理答案也可）

【例2】（2014·广东高考节选）H2O2是一种绿色氧化还原试剂，在化学研究中应用广泛。

（1）某小组拟在同浓度Fe3+的催化下，探究H2O2浓度对H2O2分解反应速率的影响。限选试剂与仪器：30% H2O2、0.1mol·L-1 Fe2（SO4）3、蒸馏水、锥形瓶、双孔塞、水槽、胶管、玻璃导管、量筒、秒表、恒温水浴槽、注射器

②设计实验方案：在不同H2O2浓度下，测定________（要求所测得的数据能直接体现反应速率大小）。

③设计实验装置，完成如图所示的装置示意图。

④参照下表格式，拟定实验表格，完整体现实验方案（列出所选试剂体积、需记录的待测物理量和所拟定的数据;数据用字母表示）。

解析：依据题意，探究不同H2O2浓度下，生成相同体积的O2所需要的时间或者是在相同时间内收集O2的体积，所以需要控制其它条件相同，只改变H2O2浓度。

答案：（1）②产生等体积气体所需的时间

③如图

（本题属于开放性试题，合理答案均可）

【例3】（2015·广东高考节选）NH3及其盐都是重要的化工原料。

（3）设计实验，探究某一种因素对溶液中NH4Cl水解程度的影响。

限制试剂与仪器：固体NH4Cl、蒸馏水、100 mL容量瓶、燒杯、胶头滴管、玻璃棒、药匙、天平、pH计、温度计、恒温水浴槽（可控制温度）

①实验目的：探究       对溶液中NH4Cl水解程度的影响。

②设计实验方案，拟定实验表格，完整体现实验方案（列出能直接读取数据的相关物理量及需拟定的数据，数据用字母表示;表中V（溶液）表示所配制溶液的体积）。

③按实验序号1所拟数据进行实验，若读取的待测物理量的数值为Y，则NH4Cl水解反应的平衡转化率为      （只列出算式，忽略水自身电离的影响）。

解析：（3）①根据题中所给仪器，有可以用于控制温度的恒温水槽，故可以设计实验探究温度对NH4Cl溶液水解程度的影响。

②根据上述仪器：可以用温度计测量溶液温度，可以用pH计测量溶液的pH，实验遵循单一变量原则，则需要配置等体积等浓度的NH4Cl溶液，测量其在不同温度下的pH，从而判断其水解程度的大小。

③读取的待测物理量的数值为Y，Y为pH值，pH=-lgc（H+），c（H+）=10-Ymol/L，NH4+ + H2O？葑NH3·H2O+H+，水解的氯化铵的物质的量为n（NH4Cl）=c（H+）×V=10-Y×0.1mol，则氯化铵水解反应的平衡转化率为100%×（10-Y×0.1×53.5）/m =（10-Y× 5.35）/m。

答案：（3）①温度

②

③（10-Y×5.35）/m

练习

1.（2021·广东高考节选）

（4）某合作学习小组进行以下实验探究。

① 实验任务  通过测定溶液电导率，探究温度对AgCl溶解度的影响。

② 查阅资料  电导率是表征电解质溶液导电能力的物理量。温度一定时，强电解质稀溶液的电导率随溶液中离子浓度的增大而增大;离子浓度一定时，稀溶液电导率随温度的升高而增大。25℃时，Ksp（AgCl）= 1.8×10-10。

③ 提出猜想  猜想a：较高温度的AgCl饱和溶液的电导率较大。

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

④ 设计实验、验证猜想  取试样Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ（不同温度下配制的AgCl饱和溶液），在设定的测试温度下，进行表1中实验1-3，记录数据。

⑤数据分析、交流讨论  25℃的AgCl饱和溶液中，c（Cl-） =         mol·L-1。

实验结果为A3>A2>A1。小组同学认为，此结果可以证明③中的猜想a成立，但不足以证明猜想b成立。结合②中信息，猜想b不足以成立的理由有           。

⑥优化实验  小组同学为进一步验证猜想b，在实验1-3的基础上完善方案，进行实验4和5。请在答题卡上完成表2中内容。

⑦实验总结  根据实验1-5的结果，并结合②中信息，小组同学认为猜想b也成立。猜想b成立的判断依据是

。

解析：第⑤问考查沉淀溶解平衡计算以及根据题目信息多角度探究现象成因的能力。25℃时，Ksp=c（Ag+）c（Cl-），饱和的AgCl溶液中c（Ag+）=c（Cl-），所以有c（Cl-）= =mol·L-1≈1.34×10-5mol·L-1;根据题目信息可知，浓度一定时，稀溶液电导率随温度的升高而增大，随着实验1，2，3测试温度依次升高，即使溶液浓度未增加，电导率亦会增加，因此无法根据电导率结果判断饱和溶液的浓度是否增加。

第⑥、⑦问考查考生通过设计实验实现变量控制进而完成对物质性质进行探究的能力。

如要判断AgCl在水中的溶解度随温度的变化情况，需要排除随温度变化而导致溶液电导率变化的影响因素，因此使用不同温度下形成的饱和溶液在相同温度下进行测试，如果试样Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ在45℃时的电导率依次增加，则可以得出随温度升高，饱和溶液中离子浓度增加的结论。注意：为避免测试温度降低后，饱和溶液析出，测试温度选取45℃。

答案：（4）⑤ 1.34×10-5或×10-5等合理答案;实验1，2，3没有同时考虑温度以及温度对水电离程度的影响。

（4） ⑥

⑦ 参考答案：A3>B2，A2>B1;补充答案：A3>B2>B1

2.（2021·顺德一模节选）某兴趣小组通过实验制备Fe（NO3）3并进行性质探究。

（3）Fe（NO3）3溶液性质的探究：

取适量0.1mol·L-1Fe（NO3）3溶液，加入到新制的银镜中，发现银镜溶解，且无其它固体析出。

① 实验任务：通过设计实验探究Fe（NO3）3溶液溶解银的原因。

② 查阅资料：N在不同条件下的还原产物较复杂，有时难以观察到气体产生。

③ 提出猜想：猜想a：Fe3+具有氧化性，能够氧化Ag;

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

④ 设计实验、验证猜想

Ⅰ. 甲同学从上述实验的生成物中检测出Fe2+，验证了猜想a成立。请写出Fe3+氧化Ag的离子方程式

。

Ⅱ. 乙同学设计实验验证猜想b，请帮他完成下表中内容

解析：要证明猜想b成立，需要控制溶液的pH、温度、N与原来Fe（NO3）3溶液相同，而阳离子铁离子有氧化性，要排除在外。

答案：（3）I Fe3++Ag=Fe2++Ag+ II① 测定上述实验用0.1mol/L Fe（NO3）3溶液的pH ② 配制与上述实验用相同pH的HNO3溶液，将此溶液加入新制备的银镜中。（补充答案：配制0.3mol/L的硝酸钠溶液，再向其中加入0.3mol/L的硝酸，调pH至测定值，将此溶液加入新制备的银镜中;或者Fe（NO3）3溶液加入三乙醇胺、F-（配位掩蔽剂），将此溶液加入新制备的银镜中。答案合理即可）

3.（2021·全国高三专题练习）某研究小组将纯净的SO2气体通入0.1mol·L-1的Ba（NO3）2溶液中，得到了BaSO4沉淀，为探究上述溶液中何种微粒能氧化通入的SO2，该小组做出了如下假设：

假设一：溶液中的NO3-

假設二：溶液中溶解的O2

（1）验证假设一

该小组设计实验验证了假设一，请在下表空白处填写相关实验现象

（2）为深入研究该反应，该小组还测得上述两个实验中溶液的pH随通入SO2体积的变化曲线如下图

实验1中溶液pH变小的原因是                            ;V1时，实验2中溶液pH小于实验1的原因是

（用离子方程式表示）。

（3）验证假设二

请设计实验验证假设二，写出实验步骤，预期现象和结论。

（4）若假设二成立，请预测：在相同条件下，分别通入足量的O2和KNO3，氧化相同的H2SO3溶液（溶液体积变化忽略不计），充分反应后两溶液的pH前者      （填大于或小于）后者，理由是                          。

答案：

（1）无明显现象    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    反应的离子方程式表明，足量的O2和NO3-分别氧化相同的H2SO3，生成的H+的物质的量前者多于后者。

通过上述分析可知，此类试题考查形式：以表格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;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。应用控制变量思想解答此类试题的关键：认真细致审题，明确影响因素，研究各因素对探究实验或探究问题有何影响;注意选择数据或设置实验的有效性，且变量要统一。

化学是一门以实验为基础的科学，化学教学也应当是理论和实践紧密结合的。新课改以来，化学实验成为高考中的必考题型，并且在高考中占据较大分值。在此背景下，化学实验考查的内容与能力要求主要集中在高中生应该具有的化学实验技能、实验习惯和综合的实验探究方法和能力等维度。实验命题侧重考查其“接受、吸收、整合化学信息能力”，注重其“能够通过对实际事物、实验现象、实物、模型、图形、图表的观察能力”，突出“化学实验与科学探究能力”。回归课本，新教材的一大亮点就是增加了科学探究这一栏目。而作为教师，要在日常教学中革新实验教学理念，上好实验探究课。在上课过程中，通过实验探究体会知识的生成，通过知识构建得到能力的提升。我们也可以在教学中尝试去将控制变量法作为一种科学方法，用于解决某些实际化学问题的实验探究过程之中。在实验探究的过程中，通过控制变量，得到不同的实验现象和结论，充分发挥学生的主观能动性，帮助学生在变量控制的过程中实现从感性到理性，从现象到本质地认识物质及其变化规律，提升学生的创新意识和探究精神。

责任编辑 李平安

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