第2章 第3节 第4课时 控制变量与图像分析 学案（含答案）-高中化学鲁科版选择性必修1

第4课时　控制变量与图像分析
[学习目标]　1.熟练掌握化学反应速率的计算方法。2.基于图像分析反应速率和其影响因素。3.利用变量控制思维设计实验。
[重点难点]　基于图像分析反应速率和其影响因素。
　　　　　　　控制变量设计实验
导学
1．先分析确定变量，即要理清影响其实验探究结果(化学反应速率)的因素有哪些。
2．采取“定多变一”法，即控制其他因素不变，只改变一种因素，看这种因素与探究的问题存在怎样的关系，这样确定一种关系，再确定另一种。
3．通过分析每种因素与所探究问题之间的关系，得出所有因素与探究问题之间的关系。
导练
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 对应曲线 c(HCl)/(mol·L－1) 反应温度/℃ 铁的状态
1 a 30 粉末状
2 b 30 粉末状
3 c 2.5 块状
4 d 2.5 30 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2.5 mol·L－1
C．第2组实验中盐酸的浓度等于2.5 mol·L－1
D．第3组实验的反应温度低于30 ℃
答案　D
解析　由图像可知，相同时间内，曲线d生成的氢气的体积最小，第4组实验反应速率最慢，A正确；第1组实验反应所用时间最短，故反应速率最快，根据控制变量法原则知盐酸浓度应大于2.5 mol·L－1，B正确；第2组实验，铁是粉末状，与3、4组块状铁相区别，根据控制变量法原则知第2组实验中盐酸的浓度应等于2.5 mol·L－1，C正确；由3、4组实验并结合图像知第3组实验中反应温度应高于30 ℃，D错误。
2．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的浓度分别为1.00 mol·L－1、2.00 mol·L－1，大理石有细颗粒与粗颗粒两种规格，实验温度为298 K、308 K。
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 硝酸浓度/(mol·L－1) 实验目的
① 298 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
②
③ 粗颗粒
④
答案　②298　粗颗粒　1.00　③308　2.00　④298　细颗粒　2.00　(Ⅱ)③　(Ⅲ)④
解析　考查影响反应速率的因素的实验设计。实验①和②探究HNO3浓度对反应速率的影响，故大理石规格和反应温度应相同，而HNO3浓度不同；同理，①和③应选择不同的温度，①和④应选择不同的大理石规格，而另外2个条件相同。
　　　　　　　化学反应速率图像分析
导学
1．反应速率图像分析
化学反应速率与浓度、压强、温度、催化剂等外界因素有关。
(1)溶液中的反应速率图像分析(如：Zn＋H2SO4===ZnSO4＋H2↑)
v－c(H＋)图像 v－T(温度)图像 v－t(时间)图像
说明：开始时，反应放热、温度升高，反应速率增大，后来c(H＋) 逐渐减小，化学反应速率减小
(2)密闭容器中的反应速率图像分析(如：N2＋3H22NH3)
v－p(压强)图像 v－V(容积)图像 v－t (时间)图像 v－p、T(T1提醒　分析图像时特别关注图像中坐标轴、起点、终点、拐点、图像变化趋势等。
2．反应速率相关量的图像分析
化学反应速率与反应中单位时间内各物质的物质的量浓度变化、物质的量的变化符合化学方程式中化学计量关系，根据图像中相关量的变化可以间接分析反应速率。如：
(1)物质的量与时间关系图像
特别关注：①反应物和生成物的判断；②反应是否可逆；③依据各物质的变化量计算速率或确定化学方程式。
(2)浓度与时间关系图像
特别关注：①起点、终点——计算反应速率；②斜率——曲线斜率代表反应速率。
导练
1.如图所示为反应N2(g)＋3H2(g)??2NH3(g)的反应速率v(N2)变化的图像，则横轴不可能是(　　)
A．反应时间
B．温度
C．压强
D．N2的浓度
答案　A
解析　由题图可知，v(N2)随横轴值的增大而增大。对于反应N2(g)＋3H2(g)??2NH3(g)来说，其他条件不变时，升高温度、增大压强、增大N2的浓度，都能使v(N2)增大。在N2(g)＋3H2(g)??2NH3(g)的反应过程中，随着时间的增加，N2的浓度逐渐减小，v(N2)逐渐减小。
2．Shoichi研究了467 ℃、489 ℃时水煤气变换中CO和H2分压随时间变化关系(如图所示)，催化剂为氧化铁，实验初始时体系中的和pCO相等、和相等。
计算曲线a的反应在30～90 min内的平均反应速率(a)＝____________kPa·min－1。
答案　0.004 7
解析　由题图可知，30～90 min内，(a)＝≈0.004 7 kPa·min－1。
3．为研究某溶液中溶质R的分解速率的影响因素，分别用三份不同初始浓度的R溶液在不同温度下进行实验，c(R)随时间变化如图。下列说法不正确的是(　　)
A．25 ℃时，在10～30 min内，R的平均分解速率为0.030 mol·L－1·min－1
B．对比30 ℃和10 ℃曲线，在50 min时，R的分解百分率相等
C．对比30 ℃和25 ℃曲线，在0～50 min内，能说明R的平均分解速率随温度升高而增大
D．对比30 ℃和10 ℃曲线，在同一时刻，能说明R的分解速率随温度升高而增大
答案　D
解析　由图像可知，25 ℃时，在10～30 min内，R的浓度变化为1.4 mol·L－1－0.8 mol·L－1＝0.6 mol·L－1，R的平均分解速率v＝＝0.030 mol·L－1·min－1，A项正确；由图像可知，对比30 ℃和10 ℃曲线，在50 min时，R的浓度均为0，说明R完全分解，所以R的分解百分率相等，均为100%，B项正确；由图像可知，25 ℃曲线在0～50 min内，R的平均分解速率为＝0.026 mol·L－1·min－1,30 ℃曲线在0～50 min内，R的平均分解速率为＝0.032 mol·L－1·min－1，虽然30 ℃曲线反应物的起始浓度较小，但在0～50 min内，R的平均分解速率仍比25 ℃曲线大(或30 ℃曲线斜率比25 ℃曲线大)，说明R的平均分解速率随温度升高而增大，C项正确；对比30 ℃和10 ℃曲线，能说明R的平均分解速率随温度升高而增大，但30 ℃曲线反应物的起始浓度大，R的分解速率也相应大，因此在同一时刻不能说明R的分解速率随温度升高而增大，D项错误。
1．已知某化学实验的结果如下表：
实验序号 反应物 在相同温度下测得的化学反应速率/(mol·L－1·min－1)
大小相同的金属片 酸溶液
1 镁条 1 mol·L－1盐酸 v1
2 铁片 1 mol·L－1盐酸 v2
3 铁片 0.1 mol·L－1盐酸 v3
下列结论正确的是(　　)
A．v1>v2>v3 B．v3>v2>v1
C．v1>v3>v2 D．v2>v3>v1
答案　A
解析　影响化学反应速率的主要因素是反应物自身的性质，由于镁的活动性比铁强，所以与相同浓度的盐酸反应时，镁放出氢气的速率大；反应物浓度也影响反应速率，在其他条件一定时，化学反应速率与浓度成正比，故v2>v3。
2．环戊二烯()是重要的有机化工原料，广泛用于农药、橡胶、塑料等生产。
环戊二烯容易发生聚合反应生成二聚体，该反应为可逆反应。不同温度下，溶液中环戊二烯浓度与反应时间的关系如图所示，下列说法正确的是(　　)
A．T1＜T2
B．a点的反应速率小于c点的反应速率
C．a点的正反应速率小于b点的逆反应速率
D．b点时二聚体的浓度为0.45 mol·L－1
答案　AD
解析　由相同时间内，环戊二烯浓度减小量越大，反应速率越快可知，T13．某课外兴趣小组对H2O2的分解速率做了如下实验探究。
(1)下表是该小组研究影响过氧化氢(H2O2)分解速率的因素时采集的一组数据：用10 mL H2O2制取150 mL O2所需的时间。
浓度 时间/s 反应条件 30%H2O2 15%H2O2 10%H2O2 5%H2O2
(Ⅰ)无催化剂、不加热 几乎不反应 几乎不反应 几乎不反应 几乎不反应
(Ⅱ)无催化剂、加热 360 480 540 720
(Ⅲ)MnO2催化剂、加热 10 25 60 120
①该小组在设计方案时，考虑了浓度、a：__________、b：__________等因素对过氧化氢分解速率的影响。
②从上述影响H2O2分解速率的因素a和b中任选一个，说明该因素对该反应速率的影响：
________________________________________________________________________。
(2)将质量相同但颗粒大小不同的MnO2分别加入到5 mL 5%的双氧水中，并用带火星的木条测试。测定结果如下：
催化剂(MnO2) 操作情况 观察结果 反应完成所需的时间
粉末状 混合 不振荡 剧烈反应，带火星的木条复燃 3.5 min
块状 反应较慢，火星红亮但木条未复燃 30 min
①写出H2O2发生反应的化学方程式：_______________________________________________。
②实验结果说明催化剂作用的大小与__________________________________有关。
答案　(1)①温度　催化剂　②其他条件不变，升高反应温度，H2O2分解速率增大(或其他条件不变，使用合适的催化剂，H2O2分解速率增大)　(2)①2H2O22H2O＋O2↑　②催化剂的颗粒大小(或催化剂的表面积)
解析　(1)从本题提供的表格中的数据和条件进行分析可知，在该小组设计方案时，考虑到了浓度、温度和催化剂对化学反应速率的影响。分析(Ⅰ)、(Ⅱ)组实验可以得知，在其他条件不变时，升高反应温度，H2O2分解速率增大；分析(Ⅱ)、(Ⅲ)组实验可以得知，在其他条件不变时，使用合适的催化剂，H2O2分解速率增大。