化学实验数据的分析与处理策略

江苏 印志林

化学实验数据的分析与处理策略

江苏 印志林

科学探究的八大要素中有一个要素是要求对实验数据进行分析处理，近年来的高考中不断出现实验数据分析题，引导我们重视对实验数据分析能力的培养。下面具体举例，在分析化学实验数据呈现方式的基础上，就这类试题的考查热点和如何处理数据进行分析。

一、数据的表格化

实验题中的表格数据有两种呈现形式，一是实验前以信息或资料的形式给出，如物质的熔点、沸点、溶解度、溶度积、金属离子沉淀的pH等数据；二是以记录实验结果的形式给出，如实验中物质的量的变化、溶液的浓度、反应的温度、反应的时间等数据。

热点1过量判断型

【例1】在标准状况下，进行甲、乙、丙三组实验：三组各取60mL同浓度盐酸溶液，加入同一种镁铝合金粉末，产生气体，有关数据列表如下：

实验序号甲乙丙合金质量／mg 510 770 918 __气体体积／mL 560 672 672__

则下列说法正确的是（ ）

A．甲组和乙组的实验中，盐酸均是过量的

B．盐酸的物质的量浓度为0．8mol／L

C．合金中镁铝的物质的量之比为1∶1

D．丙组中铝的物质的量为0．009mol

解析：分析实验数据可知，甲实验中盐酸过量，丙实验中合金过量。设甲实验中，Mg、Al的物质的量分别为x、y，则x×24g／mol＋y×27g／mol＝0．51g、x＋1．5y＝0．56L÷ 22．4L／mol，解得x＝y＝0．01mol，则合金中镁铝的物质的量之比为1∶1。由甲组数据可知，生成672mL H2时，所需合金的质量为510mg×672mL／560mL＝612mg＜770mg，故乙组实验中合金过量。由乙组实验中H2的量计算盐酸的浓度为c（HCl）＝2n（H2）／0．06L＝0．06mol／0．06L＝1mol／L。丙组中铝的物质的量为0．01mol× 918mg／510mg＝0．018mol。

答案：C

点拨：对于这类“定一变一”型的实验数据分析题，首先要明确实验目的，弄清实验原理，然后分析不同组数据之间的内在联系和比例关系，判断哪组数据是过量反应物作用下所得的数据，最后灵活运用守恒原理，根据不足量的物质进行计算。

热点2控制变量型

【例2】（2015福建，节选）在不同条件下，KClO3可将KI氧化为I2或KIO3。某化学兴趣小组设计了系列实验研究反应条件对反应产物的影响，其中系列a实验的记录表如下（实验在室温下进行）：

________试管编号1 2 3 4___ __0．20mol／L KI（mL）1．0 1．0 1．0 1．0__ ______KClO3（s）（g）0．10 0．10 0．10 0．10_ _6．0mol／L H2SO4（mL）0 3．0 6．0 9．0__蒸馏水（mL）9．0 6．0 3．0 0___实验现象

（1）系列a实验的实验目的是______________________。

（2）设计1号试管实验的作用是____________________。

（3）若2号试管实验现象为“黄色溶液”，取少量该溶液加入淀粉溶液显蓝色；假设氧化产物唯一，还原产物为KCl，则此反应的离子方程式为_________________________。

解析：（1）分析表中数据得：KI、KClO3的物质的量不变，实验中改变的是硫酸和水的体积，且二者的体积之和相等，可见实验目的是研究反应体系中硫酸浓度对反应产物的影响。（2）设计1号试管实验时没有加入硫酸，即硫酸的浓度是0，据此可以进行对照实验，比较不同浓度的硫酸对反应产物的影响。（3）若2号试管的实验现象为“黄色溶液”，取少量该溶液加入淀粉溶液显蓝色，证明产生了I2；假设氧化产物唯一，还原产物为KCl，根据氧化还原反应规律，可得＋6I－＋6H＋===Cl－＋3I2＋3H2O。

答案：（1）研究反应体系中硫酸浓度对反应产物的影响

（2）硫酸浓度为0的对照实验

点拨：本题强调实验中变量控制思想的运用。设计实验研究反应条件对反应产物的影响时，必须要控制实验的条件，一次只能改变一个影响因素，否则就无法得出正确的结论。

热点3数据剔除型

【例3】取20．00mL待测稀盐酸溶液放入锥形瓶中，并滴加2～3滴酚酞作指示剂，用0．10mol／L NaOH标准溶液进行滴定。重复上述滴定操作2～3次，记录数据如下：

实验编号_ NaOH溶液的浓度（mol／L）滴定完成时，NaOH溶液滴入的体积（mL）待测盐酸溶液的体积（mL）_1 0．10 22．82 20．00 2 0．10 23．40 20．00 3 0．10 22．78 20．00

根据上述数据，可计算出该盐酸的浓度约为________（保留两位有效数字）。

解析：因为实验2所得的数值误差太大，故应剔除。滴定终点时，n（KOH）＝n（HCl），即0．10mol／L××10－3L＝20．00×10－3L·c（HCl），解得c（HCl）＝0．114mol／L。

答案：0．114mol／L

点拨：在定量实验中，为了提高实验的准确度和可靠度，消除实验过程中的偶然误差，往往需进行平行实验。对平行实验所得的数据，必须进行合理的取舍，舍弃离群值，在去掉了离群值后，其他比较集中的数据在中学阶段一般用算术平均值的方法来对其进行统计。

二、数据的图象化

图象化是用直线图或曲线图对化学实验结果加以处理的一种简明化形式。它适用于一个量的变化引起另一个量的变化的情况。图象化的最大特点是鲜明、直观、简单、明了。

【例4】（2013广东，节选）大气中的部分碘源于O3对海水中I－的氧化。为探究Fe2＋对O3氧化I－反应的影响（反应体如图1），某研究小组测定两组实验中I－3浓度和体系pH，结果见图2和下表。已知：在溶液中存在化学平衡：I2（g）＋I－（aq）I－3（aq）。

图1

图2

____编号____ _____反应物反应前pH反应后pH第1组O3＋I－5．2 11．0_____第2组O3＋I－＋Fe2＋5．2 4．1______

（1）第1组实验中，导致反应后pH升高的原因是_____ ______________________________________________________。

（2）图1中的A为________，由Fe3＋生成A的过程能显著提高I－的转化率，原因是__________________________。

（3）第2组实验进行18s后，I3－浓度下降。导致下降的直接原因有（双选）________。

A．c（H＋）减小B．c（I－）减小

C．I2（g）不断生成D．c（Fe3＋）增加

（4）据图2，计算3～18s内第2组实验中生成I3－的平均反应速率为_____________（结果保留两位有效数字）。

解析：（1）O3将I－氧化为I2，本身被还原生成水：2I－＋O3＋2H＋===I2＋O2＋H2O，反应消耗H＋（酸）且生成水，所以溶液的酸性减弱，pH升高。（2）因为Fe3＋可将I－氧化为I2：2Fe3＋＋2I－===2Fe2＋＋I2，由此可知A为Fe3＋的还原产物Fe2＋。该反应可使溶液中的c（I2）增大，促使I2（g）＋I－（aq（aq）的平衡正向移动，消耗的c（I－）增多，所以由Fe3＋生成Fe2＋的过程能显著提高I－的转化率。（3）第2组实验进行18s后，浓度下降，说明I2（g）＋I－（aq）（aq）的平衡逆向移动。c（Fe3＋）增加时，反应2Fe3＋＋2I－===2Fe2＋＋I2会使c（I－）下降，I2（g）不断生成，都会使I2（g）＋I－（aq）I3－（aq）的平衡逆向移动，使c（I3－）急剧减小。（4）根据图给数据可得：v（I3－）＝（11．8－3．5）×10－3mol／L÷（18－3）s＝5．5×10－4mol／（L·s）。

答案：（1）O3氧化I－的反应中消耗H＋和生成水

（2）Fe2＋Fe3＋将I－氧化：2Fe3＋＋2I－===2Fe2＋＋I2，溶液中c（I2）增大，使I2（aq）＋I－（aq）I3－（aq）的平衡正向移动

（3）BD

（4）5．5×10－4mol／（L·s）

【例5】0．80g CuSO4·5H2O样品受热脱水过程的热重曲线（样品质量随温度变化的曲线）如下图所示。

请回答下列问题：

（1）试确定200℃时固体物质的化学式：___________。

（2）取270℃所得样品，于570℃灼烧得到的主要产物是黑色粉末和一种氧化性气体，该反应的化学方程式为___________。把该黑色粉末溶解于稀硫酸中，经浓缩、冷却，有晶体析出，该晶体的化学式为_____________，其存在的最高温度是________。

（3）上述氧化性气体与水反应生成一种化合物，该化合物的浓溶液与Cu在加热时发生反应的化学方程式为____ ________________________。

（4）在0．10mol／L硫酸铜溶液中加入氢氧化钠稀溶液充分搅拌有浅蓝色氢氧化铜沉淀生成，当溶液的pH＝8时，c（Cu2＋）＝_________mol／L【Ksp［Cu（OH）2］＝2．2× 10－20】。

若在0．1mol／L硫酸铜溶液中通入过量H2S气体，使Cu2＋完全沉淀为CuS，此时溶液中的H＋浓度是________ mol／L。

解析：分析热重曲线可知，CuSO4·5H2O受热到102℃时开始脱水分解，在113℃时可得到较稳定的一种中间产物，到258℃时才会继续分解。

（1）0．80g CuSO4·5H2O中，CuSO4的质量为0．51g＜0．57g，故在200℃时固体还是CuSO4的结晶水合物。根据反应中失去的水的质量，可用差量法进行计算。

（2）在570℃时灼烧CuSO4得到的黑色粉末是CuO，氧化性气体是SO3。CuO与稀硫酸反应生成CuSO4和水，蒸发浓缩所得的晶体为CuSO4·5H2O，其存在的最高温度为102℃。（3）SO3与水反应生成硫酸，浓硫酸具有强氧化性，与铜共热时可将铜氧化。（4）pH＝8时，c（OH－）＝10－6mol／L，由Ksp［Cu（OH）2］＝c（Cu2＋）·c（OH－）2可得，c（Cu2＋）＝（2．2×10－20）／10－12＝2．2×10－8mol／L。在0．1mol／L硫酸铜溶液中通入过量H2S气体，使Cu2＋完全转化为CuS沉淀，溶液中的溶质为硫酸，c（SO2－4）不变，为0．1mol／L，则c（H＋）为0．2mol／L。

答案：（1）CuSO4·H2O

（2）CuSO4CuO＋SO3↑ CuSO4·5H2O102℃

（3）2H2SO4（浓）＋CuCuSO＋SO↑＋HO422

（4）2．2×10－80．2

点拨：解答实验数据图象分析题时，首先要弄清楚自变量和因变量是什么，注意理解曲线起点、终点、转折点的含义；然后找出数据变化的原因，与化学反应原理挂钩，根据所学知识分析原理、图象、数据三者之间的关系。

在定量化学实验中，可能会得到较多的实验数据。实验数据中通常包含着大量的信息，而这些信息往往却是隐含的。化学实验所得的数据，可分为有用、有效数据，正确、合理数据，错误、无效数据，以及无用、多余数据等。处理数据时，先要对数据进行筛选，然后对数据进行分析，异中求同，同中求异，发现其中所反映出来的有关规律，提取出所需要的信息，据此得出实验结论，从而顺利地实现问题的解决。

（作者单位：江苏省常州市横山桥高级中学）