20 新素养 科学思维 实验是化学研究的重要手段。图甲为探究铁锈蚀条件的实验装置,约一周后能观察到明显现象。小组同学对部分实验进行了改进,使出现明显现象的时间缩短至5~10 min,改进后的装置如图乙所示(夹持装置已略去)。

(1)图甲实验中,对比
(2)图乙实验中,证明铁生锈与水有关的现象为
(3)图乙实验能够在较短时间内观察到明显现象,其主要原因是
(4)图乙实验的优点是在一定程度上缩短了实验时间,但仍存在不足。请你指出该实验设计的不足之处:
(1)图甲实验中,对比
AC
(填字母)可知,铁生锈与水有关。(2)图乙实验中,证明铁生锈与水有关的现象为
U形管左侧铁丝生锈,右侧铁丝不生锈
。(3)图乙实验能够在较短时间内观察到明显现象,其主要原因是
提供了充足的氧气,使反应速率增大
。(4)图乙实验的优点是在一定程度上缩短了实验时间,但仍存在不足。请你指出该实验设计的不足之处:
不能探究铁生锈与氧气有关(合理答案均可)
(写一条即可)。答案:20. (1) AC
(2) U形管左侧铁丝生锈,右侧铁丝不生锈
(3) 提供了充足的氧气,使反应速率增大
(4) 不能探究铁生锈与氧气有关(合理答案均可)
(2) U形管左侧铁丝生锈,右侧铁丝不生锈
(3) 提供了充足的氧气,使反应速率增大
(4) 不能探究铁生锈与氧气有关(合理答案均可)
解析:
【分析】
铁生锈的条件是铁与氧气、水同时接触,探究时需运用控制变量法,每次只改变一个变量,保证其他条件相同,从而得出对应结论。
(1)要探究铁生锈与水有关,需控制氧气条件相同,改变水的有无,甲中A试管铁钉同时接触空气(含氧气)和蒸馏水(有水),C试管铁钉只接触干燥空气(无水),其他条件一致,对比二者即可。
(2)乙装置中,U形管左侧铁丝接触水和充足氧气,右侧铁丝被干燥剂隔绝水,仅接触氧气,若铁生锈与水有关,会出现左侧生锈、右侧不生锈的现象。
(3)乙装置中,过氧化氢在二氧化锰催化下快速分解产生大量氧气,使铁丝周围氧气浓度远高于甲装置,加快了锈蚀速率,缩短了实验时间。
(4)乙装置仅探究了铁生锈与水的关系,未设置“铁接触水但缺少氧气”或“铁接触氧气但缺少水”的对照,无法探究铁生锈与氧气的关系,这是其不足之一。
【解析】
(1)甲实验中,A试管中铁钉同时接触氧气和水,C试管中铁钉只接触氧气(干燥空气),变量为水,因此对比A、C可得出铁生锈与水有关。
(2)乙实验中,U形管左侧铁丝接触水和充足氧气,右侧铁丝被干燥剂隔绝水,只接触氧气,若铁生锈与水有关,则左侧铁丝生锈,右侧铁丝不生锈。
(3)乙装置中,过氧化氢在二氧化锰催化作用下分解生成氧气,为铁丝生锈提供了充足的氧气,加快了铁的锈蚀速率,因此能在较短时间内观察到明显现象。
(4)该实验只探究了铁生锈与水的关系,没有设置铁只接触氧气、不接触水的对照,无法探究铁生锈与氧气的关系,这是实验设计的不足之处。
【答案】
(1)AC
(2)U形管左侧铁丝生锈,右侧铁丝不生锈
(3)提供了充足的氧气,使反应速率增大
(4)不能探究铁生锈与氧气有关(合理即可)
【知识点】
铁锈蚀条件、控制变量法、实验设计评价
【点评】
本题通过改进实验装置探究铁锈蚀条件,重点考查控制变量法的应用和实验设计的评价能力,需要学生理解铁生锈的条件,能分析实验变量并评价实验的完整性,是一道中等难度的实验探究题。
【难度系数】
0.5
铁生锈的条件是铁与氧气、水同时接触,探究时需运用控制变量法,每次只改变一个变量,保证其他条件相同,从而得出对应结论。
(1)要探究铁生锈与水有关,需控制氧气条件相同,改变水的有无,甲中A试管铁钉同时接触空气(含氧气)和蒸馏水(有水),C试管铁钉只接触干燥空气(无水),其他条件一致,对比二者即可。
(2)乙装置中,U形管左侧铁丝接触水和充足氧气,右侧铁丝被干燥剂隔绝水,仅接触氧气,若铁生锈与水有关,会出现左侧生锈、右侧不生锈的现象。
(3)乙装置中,过氧化氢在二氧化锰催化下快速分解产生大量氧气,使铁丝周围氧气浓度远高于甲装置,加快了锈蚀速率,缩短了实验时间。
(4)乙装置仅探究了铁生锈与水的关系,未设置“铁接触水但缺少氧气”或“铁接触氧气但缺少水”的对照,无法探究铁生锈与氧气的关系,这是其不足之一。
【解析】
(1)甲实验中,A试管中铁钉同时接触氧气和水,C试管中铁钉只接触氧气(干燥空气),变量为水,因此对比A、C可得出铁生锈与水有关。
(2)乙实验中,U形管左侧铁丝接触水和充足氧气,右侧铁丝被干燥剂隔绝水,只接触氧气,若铁生锈与水有关,则左侧铁丝生锈,右侧铁丝不生锈。
(3)乙装置中,过氧化氢在二氧化锰催化作用下分解生成氧气,为铁丝生锈提供了充足的氧气,加快了铁的锈蚀速率,因此能在较短时间内观察到明显现象。
(4)该实验只探究了铁生锈与水的关系,没有设置铁只接触氧气、不接触水的对照,无法探究铁生锈与氧气的关系,这是实验设计的不足之处。
【答案】
(1)AC
(2)U形管左侧铁丝生锈,右侧铁丝不生锈
(3)提供了充足的氧气,使反应速率增大
(4)不能探究铁生锈与氧气有关(合理即可)
【知识点】
铁锈蚀条件、控制变量法、实验设计评价
【点评】
本题通过改进实验装置探究铁锈蚀条件,重点考查控制变量法的应用和实验设计的评价能力,需要学生理解铁生锈的条件,能分析实验变量并评价实验的完整性,是一道中等难度的实验探究题。
【难度系数】
0.5
21 某探究小组进行了“催化剂等因素对过氧化氢分解的影响”的系列探究,该小组分别取1 g不同的催化剂,再加入20 mL过氧化氢质量分数为5%的过氧化氢溶液,进行了如表实验:

(1)写出实验甲中发生反应的化学方程式:。
(2)$\ce{MnO_{2}}$粉末与红砖粉末对过氧化氢分解具有相同的催化效果,你认为此结论是否科学?(填“是”或“否”)。理由是。
(3)能说明催化剂的催化效果与其形态有关的实验组合是(填实验序号)。
(4)在一定温度下,另取2 g红砖小颗粒,向其中加入20 mL 8%的过氧化氢溶液,继续实验,发现产生气泡的速率明显比实验丙大。请分析可能的原因:
(至少写两条)。
(1)写出实验甲中发生反应的化学方程式:。
(2)$\ce{MnO_{2}}$粉末与红砖粉末对过氧化氢分解具有相同的催化效果,你认为此结论是否科学?(填“是”或“否”)。理由是。
(3)能说明催化剂的催化效果与其形态有关的实验组合是(填实验序号)。
(4)在一定温度下,另取2 g红砖小颗粒,向其中加入20 mL 8%的过氧化氢溶液,继续实验,发现产生气泡的速率明显比实验丙大。请分析可能的原因:
(至少写两条)。
答案:21. (1) $\ce{2H_{2}O_{2}\xlongequal{MnO_{2}} 2H_{2}O + O_{2}\uparrow}$
(2) 否 两种催化剂的催化效果是在不同温度下比较的(或实验温度不同,没有控制变量)
(3) 丙、丁
(4) 过氧化氢溶液的浓度不同、加入催化剂的质量不同(合理答案均可)
(2) 否 两种催化剂的催化效果是在不同温度下比较的(或实验温度不同,没有控制变量)
(3) 丙、丁
(4) 过氧化氢溶液的浓度不同、加入催化剂的质量不同(合理答案均可)
解析:
【分析】
本题围绕催化剂对过氧化氢分解的影响展开,需结合控制变量法分析实验,逐一解决问题:
1. 实验甲是过氧化氢在MnO₂催化下分解,需正确书写该反应的化学方程式;
2. 判断两种催化剂的催化效果是否科学,需看是否控制单一变量,甲和乙温度不同,无法比较催化效果;
3. 探究催化剂形态的影响,需保证温度、催化剂种类等条件相同,仅形态不同,找到对应实验组合;
4. 分析速率变化的原因,对比新实验与实验丙的变量,找出改变的条件对反应速率的影响。
【解析】
(1)实验甲中,过氧化氢在二氧化锰催化作用下分解生成水和氧气,化学方程式为:$\ce{2H_{2}O_{2}\xlongequal{MnO_{2}} 2H_{2}O + O_{2}\uparrow}$;
(2)比较不同催化剂的催化效果时,需控制其他条件相同,仅催化剂种类不同。实验甲温度为常温,实验乙温度为60℃,温度不同,未控制变量,因此无法得出MnO₂粉末与红砖粉末催化效果相同的结论,故填“否”,理由是两种催化剂的催化效果是在不同温度下比较的(或实验温度不同,没有控制变量);
(3)探究催化剂形态对催化效果的影响,需保证温度、催化剂种类等其他条件一致,仅形态不同。实验丙为红砖小颗粒、常温,实验丁为块状红砖、常温,其他条件相同,仅形态不同,因此实验组合是丙、丁;
(4)对比新实验与实验丙:实验丙中催化剂质量为1g、过氧化氢质量分数为5%,新实验中催化剂质量为2g、过氧化氢质量分数为8%,变量为过氧化氢溶液的浓度和催化剂的质量,这两个因素都会加快反应速率,因此产生气泡速率明显更大的原因是:过氧化氢溶液的浓度不同、加入催化剂的质量不同(合理即可)。
【答案】
(1) $\ce{2H_{2}O_{2}\xlongequal{MnO_{2}} 2H_{2}O + O_{2}\uparrow}$
(2) 否;两种催化剂的催化效果是在不同温度下比较的(或实验温度不同,没有控制变量)
(3) 丙、丁
(4) 过氧化氢溶液的浓度不同、加入催化剂的质量不同(合理答案均可)
【知识点】
催化剂的作用;控制变量法;过氧化氢分解反应
【点评】
本题为实验探究题,重点考查控制变量法在化学实验中的应用,以及影响过氧化氢分解速率的因素,需要学生准确分析实验变量,结合现象推导结论,是化学实验基础的典型题目。
【难度系数】
0.6
本题围绕催化剂对过氧化氢分解的影响展开,需结合控制变量法分析实验,逐一解决问题:
1. 实验甲是过氧化氢在MnO₂催化下分解,需正确书写该反应的化学方程式;
2. 判断两种催化剂的催化效果是否科学,需看是否控制单一变量,甲和乙温度不同,无法比较催化效果;
3. 探究催化剂形态的影响,需保证温度、催化剂种类等条件相同,仅形态不同,找到对应实验组合;
4. 分析速率变化的原因,对比新实验与实验丙的变量,找出改变的条件对反应速率的影响。
【解析】
(1)实验甲中,过氧化氢在二氧化锰催化作用下分解生成水和氧气,化学方程式为:$\ce{2H_{2}O_{2}\xlongequal{MnO_{2}} 2H_{2}O + O_{2}\uparrow}$;
(2)比较不同催化剂的催化效果时,需控制其他条件相同,仅催化剂种类不同。实验甲温度为常温,实验乙温度为60℃,温度不同,未控制变量,因此无法得出MnO₂粉末与红砖粉末催化效果相同的结论,故填“否”,理由是两种催化剂的催化效果是在不同温度下比较的(或实验温度不同,没有控制变量);
(3)探究催化剂形态对催化效果的影响,需保证温度、催化剂种类等其他条件一致,仅形态不同。实验丙为红砖小颗粒、常温,实验丁为块状红砖、常温,其他条件相同,仅形态不同,因此实验组合是丙、丁;
(4)对比新实验与实验丙:实验丙中催化剂质量为1g、过氧化氢质量分数为5%,新实验中催化剂质量为2g、过氧化氢质量分数为8%,变量为过氧化氢溶液的浓度和催化剂的质量,这两个因素都会加快反应速率,因此产生气泡速率明显更大的原因是:过氧化氢溶液的浓度不同、加入催化剂的质量不同(合理即可)。
【答案】
(1) $\ce{2H_{2}O_{2}\xlongequal{MnO_{2}} 2H_{2}O + O_{2}\uparrow}$
(2) 否;两种催化剂的催化效果是在不同温度下比较的(或实验温度不同,没有控制变量)
(3) 丙、丁
(4) 过氧化氢溶液的浓度不同、加入催化剂的质量不同(合理答案均可)
【知识点】
催化剂的作用;控制变量法;过氧化氢分解反应
【点评】
本题为实验探究题,重点考查控制变量法在化学实验中的应用,以及影响过氧化氢分解速率的因素,需要学生准确分析实验变量,结合现象推导结论,是化学实验基础的典型题目。
【难度系数】
0.6