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题型五　数字化实验
题型分析 —— 福建中考特色题型分析
　　此类题考查内容:通过各种传感器,对化学反应过程中的浓度(质量)变化、压强变化、温度变化、pH变化等进行测量,得出反应过程的相应变化曲线,根据实验原理,依据不同的曲线图,得出实验结论、分析实验现象或分析产生某种现象引发的原因等。
解题步骤:
1.明确各种传感器:
①气体压强传感器——温度升高或气体增多,压强变大;
②温度传感器——溶解时温度变化或化学反应中温度变化;
③浓度(质量)传感器——物质含量减小的是反应物,物质含量增大的是生成物;
④pH传感器——稀释或化学反应造成酸碱度变化。
2.解答数字化实验题的思路:直接读出坐标中的两个变量(横、纵坐标)之间的变化关系(关注起点、终点以及变化的趋势);对多个变化曲线,要对比它们之间的关系;结合化学反应过程,形成对变化规律的认识;根据题干要求作出解答。
举例精讲 —— 福建中考特色题型突破
类型1 测量气体压强变化
利用红磷测定空气中氧气含量的实验装置如图1,用气体压力传感器测出该集气瓶中的气压变化如图2。请回答下列问题:
(1)图2中BC段气压变化的原因是什么 　 　。
(2)导致DE段气压变化的实验操作是什么 　　　　 　　　。
类型2 测量温度变化
在蒸馏水中加入NaOH固体,不断搅拌,用温度传感器记录溶解过程的温度变化(如图所示),a、c两点观察到溶液中有固体存在,b点固体完全消失。下列说法不正确的是 (　　)
A.NaOH固体溶于水是放热过程
B.a、c两点时,NaOH溶解度相同
C.b点时,该溶液一定是不饱和溶液
D.d点时,该溶液一定是饱和溶液
酸碱中和反应在生活和生产中有广泛的应用。
【实验探究1】向盛有15 mL氢氧化钠溶液的烧杯中,逐滴匀速加入稀盐酸。并用温度传感器测得反应过程中溶液的温度变化情况如图所示:
【提出问题】氢氧化钠溶液和盐酸混合时,溶液温度升高,能否得出该反应放热的结论 为此,需补做下列两个实验。
【实验探究2】
实验①:向15 mL上述浓度的氢氧化钠溶液中逐滴加入　　　　　　　　,边加边搅拌,并用温度传感器测定实验过程中温度的变化。
实验②:将实验①中的氢氧化钠溶液替换为同浓度的盐酸,并再次进行实验。实验所得图像如下:
由图可知,盐酸、氢氧化钠溶液稀释时均　　　　(选填“放热”或“吸热”),但它们稀释时温度的变化量远　　　　(选填“大于”或“小于”)两溶液混合时温度的变化量。
【实验结论】氢氧化钠溶液和盐酸的反应是放热反应。
类型3 测量浓度(质量)变化
某兴趣小组开展“测定密闭容器中某种气体的体积分数”的探究实验。
【实验1】按图1所示装置,用红磷燃烧的方法测定空气中氧气的体积分数。
【实验2】按图2所示装置,在集气瓶内壁用水均匀涂附铁粉除氧剂(其中辅助成分不干扰实验),利用铁锈蚀的原理测定空气中氧气的体积分数。
(1)实验1中,红磷燃烧的主要现象是　　　　　　　　　。红磷熄灭后,待集气瓶冷却至室温,打开K,水能倒吸入集气瓶的原因是　　 　。
(2)为提高实验的准确性,以上两个实验都需要注意的事项是　　　　　　　　　　　 (写一点)。
(3)实验过程中,连接数字传感器,测得实验1、实验2中氧气的体积分数随时间变化的关系分别如图3、图4所示。依据图3、图4信息,　　　　　(选填“实验1”或“实验2”)的测定方法更准确,判断依据是　　 　。
(4)结合你的学习经验,若要寻找红磷或铁粉除氧剂的替代物,用图1或图2装置测定空气中氧气的体积分数,该替代物应满足的条件是　 　(写两点)。
类型4 测量pH变化
实验小组用pH传感器探究稀盐酸和氢氧化钠溶液的反应。实验操作如图1所示,测定结果如图2所示:
(1)盐酸和氢氧化钠反应的化学方程式为　 　。
(2)该实验中,甲溶液是　　　　　　　　。
(3)能说明盐酸与氢氧化钠发生化学反应的依据是　 。
(4)60 s时,烧瓶内溶液中的溶质是　 　。
类型5 其他数据测量及综合应用
酸碱中和反应在生活和生产中有广泛的应用。
【实验探究】用电导率传感器测氢氧化钠溶液中滴加稀盐酸的电导率变化,结果如图所示:
【查阅资料】①电导率传感器用于测量溶液的导电性强弱,能反映离子浓度大小。
②相同温度下,同种溶液的离子浓度越大电导率越大。
【分析与讨论】
(1)B点的pH　　　　(选填“大于”“等于”或“小于”)7。
(2)AB段曲线下降的原因是　 　。
(3)下图表示该反应过程中烧杯中不同时间点的微观粒子示意图,按时间先后排列的顺序为　　　　　　(填字母)。
题型专训
【基础作业】
1.(2024·厦门模拟)污水处理过程中,常添加混凝剂进行脱泥处理。混凝剂的净水效果可用浊度去除率比较,浊度去除率越高,净水效果越好。为了探究常见混凝剂的净水效果,某小组同学用明矾、硫酸铁及聚合硫酸铁(简称PFS)进行如下探究:在相同条件下,将明矾、硫酸铁、PFS投入不同酸碱度的污水中,搅拌后静置,测量浊度去除率,实验结果如图所示。下列说法正确的是 (　　)
A.pH越大,混凝剂的净水效果越好
B.三种混凝剂中,硫酸铁的净水效果最好
C.用明矾处理污水前,宜将污水pH调至弱碱性
D.pH在5~10范围内,三种混凝剂浊度去除率均可达60%以上
2.为了测定某氢氧化钠固体是否变质,某兴趣小组同学取一定量的样品配制成溶液,加入锥形瓶中,再逐滴加入稀盐酸至过量,并利用传感器测定CO2的含量,如图所示,下列结论不正确的是 (　　)
A.氢氧化钠固体已变质
B.0~50 s时段有中和反应发生
C.100 s时溶液的pH>7
D.200 s时溶液中的溶质只有一种
3.(2024·福州模拟)过氧化钠(Na2O2)是常用供氧剂,它能与人体呼出的气体发生化学反应产生氧气。如图1,用装有氧气和二氧化碳浓度传感器的塑料袋收集呼出的气体,然后迅速放入过氧化钠后扎紧塑料袋,测得氧气和二氧化碳的浓度变化如图2(1 ppm=0.0001%)。下列对实验的分析正确的是 (　　)
图1
图2
A.开始时,二氧化碳的浓度大于氧气的浓度
B.10 s时,二氧化碳浓度下降的原因是过氧化钠与二氧化碳反应
C.45 s后,氧气浓度不再改变的原因是二氧化碳被反应完全
D.该实验无法证明人体呼出的水蒸气能否与过氧化钠反应
4.(2024·晋江模拟)按图1装置将点燃的蜡烛伸入瓶中,蜡烛燃烧,白磷不燃烧,蜡烛熄灭一段时间后,白磷燃烧,瓶内O2浓度随时间变化如图2。依据实验现象,下列分析错误的是 (　　)
图1
图2
A.蜡烛熄灭的原因是燃烧产生了二氧化碳
B.蜡烛熄灭后白磷能燃烧说明瓶内还有氧气
C.t2时,白磷的温度达到着火点
D.t3时,白磷熄灭,瓶内氧气没有完全消耗
5.氧气的制取与性质实验探究。
(1)仪器④的名称为　　　　　。
(2)实验室用过氧化氢溶液和二氧化锰制取氧气的化学方程式为　　　　　　　　　。利用该原理制取氧气需要用到的仪器除了①⑦,还有　　　　(填序号)。
(3)探究影响过氧化氢分解速率的因素的实验如下:
实验 序号 过氧化 氢溶液 浓度% 过氧化 氢溶液 体积 /mL 温度/℃ 二氧化 锰用 量/g 收集 氧气 体积 /mL 反应 所需 时间 /s
a 5 1 20 0.1 4 16.75
b 15 1 20 0.1 4 6.04
c 30 5 35 0 2 49.21
d 　　　　　 　　　　 　　　　　 　　　　 　　　　 待测
对比实验a、b,得到的结论是　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　。若要探究过氧化氢溶液的分解速率还受温度影响,还需补充一个实验d,请在表中补充完整。
(4)蜡烛在充满空气的密闭集气瓶内燃烧,96 s时熄灭,同时用氧气传感器采集瓶内氧气浓度变化的数据如图所示。
根据测得的氧气浓度数据,你对燃烧条件的新认识是　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　。蜡烛熄灭后集气瓶中含量最多的气体是　　　　。
【素养作业】
6.室温下,向100 mL蒸馏水中加入1 g CaCO3,一段时间后再向其中加入10 mL蒸馏水,一段时间后继续加入10 mL蒸馏水。该过程中电导率(离子浓度越大,溶液电导率越大)的变化如图。已知:室温下,CaCO3的溶解度为0.0013 g。下列说法错误的是 (　　)
A.a→b电导率上升是由于CaCO3固体部分溶解于水中
B.c和e对应的时刻分别加入了10 mL蒸馏水
C.c→d、e→f,电导率下降,说明CaCO3的溶解度减小
D.g后的电导率几乎不再改变,说明CaCO3的溶解达到饱和状态
7.某实验小组借助传感器对稀NaOH溶液与稀盐酸的反应进行研究。三颈烧瓶中盛放X溶液,用恒压漏斗匀速滴加另一种溶液,并用磁力投拌器不断搅拌。实验装置和测定结果如图。下列说法正确的是 (　　)
A.X溶液是稀NaOH溶液
B.0~40 s溶液中H+数量不断增加
C.60 s时,溶液中存在离子有H+、Na+、Cl-
D.温度到达M点说明两者反应放热
8.(跨学科实践活动)某学习小组开展了“设计和制作家庭供氧器”的实践活动。
【活动一】选择制氧剂
查阅资料:过碳酸钠制氧气的反应为2(2Na2CO3·3H2O2)4Na2CO3+6H2O+3O2↑;
过氧化钠制取氧气的反应为2Na2O2+2H2O4NaOH+O2↑。
(1)实验室用高锰酸钾制取氧气的化学方程式为　　　　　　　　　　　　　　　　　　　。小组同学认为高锰酸钾不适合作“家庭供氧器”的制氧剂,除了安全问题,原因可能是　
(写一个)。
(2)10 g过氧化钠和10 g过碳酸钠生成氧气的质量与反应时间的关系如图1所示,根据图1分析“家庭供氧器”的制氧剂用过碳酸钠不用过氧化钠的原因是　　　　　　　　　　　　　　　　　　　。
图1
【活动二】制作供氧器
学习小组利用身边物品,模仿市售制氧机,自制了如图2所示的简易供氧器。
图2
(3)在供给氧气的过程中,氧气能从A瓶中逸出,是因为氧气具有　　　　　　　的物理性质。
(4)验证A瓶导出的气体是氧气的方法是　 　。
【活动三】使用供氧器
学习小组利用图2所示装置,设计实验方案,探究试剂的用量和温度对制氧速率的影响,结果如下表:
实验 序号 过碳酸 钠的 质量 二氧化 锰的 质量 水的 体积 温度 收集100 mL 氧气所用 的时间
① 10 g 0.3 g 100 mL 26 ℃ 36.59 s
② 20 g 0.3 g 100 mL 26 ℃ 11.67 s
③ 10 g 0.3 g 100 mL 41 ℃ 22 s
④ — — — — 待测
(5)对比实验①和②可以得出的结论是　 　。
(6)实验③若将温度升高至50 ℃,则收集100 mL氧气所用的时间　　　(选填“>”“<”或“=”)22 s。
(7)实验④与实验③对比,探究催化剂用量对制氧速率的影响,应选择试剂的用量和温度是　 　。
(8)反思上述活动,提出一个关于不同条件下过碳酸钠制氧速率还可探究的问题。　 　
答案
例1　(1)红磷燃烧放热,瓶内温度升高,使压强变大
(2)打开弹簧夹
【解析】(1)图2中BC段气压变化的原因:红磷燃烧放热,瓶内温度升高,使压强变大。
(2)导致DE段气压变大的实验操作是打开弹簧夹。
例2　C　【解析】A.由图像可知,氢氧化钠溶于水放出热量;B.a、c两点时,温度相同,都有固体存在,其他条件相同,所以a、c两点时,NaOH的溶解度相同;C.b点固体完全消失,可能是饱和溶液,也可能是不饱和溶液;D.根据题意分析可知,整个溶解过程中溶剂质量不变,a、c两点温度高于d点温度,a、c两点溶液均有固体剩余,属于饱和溶液,由图像可知,d点剩余的固体量更多,故d点溶液一定是饱和溶液。
例3　相同温度的水　放热　小于
【解析】结合题目及实验②可知,实验①②设计的目的是排除氢氧化钠溶液和稀盐酸溶液稀释放热的干扰,从而证明氢氧化钠溶液与盐酸混合后的放热属于反应放热。所以实验①中应是向氢氧化钠溶液中加入相同温度的水。通过图像得知,稀释时放热,但温度的变化远小于两者混合时放出的热量。
例4　(1)产生大量的白烟　氧气被消耗,集气瓶内气体压强小于大气压
(2)装置的气密性要良好(合理即可)
(3)实验2　反应后,实验1集气瓶内剩余氧气的体积分数是8.6%,实验2集气瓶内氧气几乎耗尽
(4)在空气中只与氧气反应,生成物不是气体
【解析】(1)实验1中,红磷燃烧的主要现象:产生了大量的白烟。红磷熄灭后,待集气瓶冷却至室温,打开K,水能倒吸入集气瓶的原因:氧气被消耗,集气瓶内气体压强小于大气压。
(2)为提高实验的准确性,以上两个实验都需要注意的事项是装置的气密性要良好等。
(3)实验过程中,连接数字传感器,测得实验1、实验2中氧气的体积分数随时间变化的关系分别如图3、图4所示。依据图3、图4信息可知,实验2测定方法更准确,判断依据:反应后,实验1集气瓶内剩余氧气的体积分是8.6%,实验2集气瓶内氧气几乎耗尽。
(4)用图1或图2装置测定空气中氧气的体积分数,该替代物应满足的条件是在空气中只与氧气反应,生成物不是气体。
例5　(1)NaOH+HClNaCl+H2O
(2)氢氧化钠溶液
(3)pH由小于7变成大于7
(4)氯化钠、氢氧化钠
【解析】(1)盐酸和氢氧化钠反应生成氯化钠和水,反应的化学方程式为NaOH+HClNaCl+H2O。
(2)该实验中,pH由小于7变成大于7,说明是向稀盐酸中滴加氢氧化钠溶液,甲溶液是氢氧化钠溶液。
(3)能说明盐酸与氢氧化钠发生化学反应的依据是pH由小于7变成大于7。
(4)60 s时,pH大于7,烧瓶内溶液的溶质是反应生成的氯化钠和过量的氢氧化钠。
例6　(1)等于
(2)氢氧化钠溶液与盐酸反应,氢离子与氢氧根离子结合成水分子,溶液中离子浓度降低,溶液电导率降低,曲线下降
(3)acbd
【解析】(1)B点电导率最低,结合查阅资料,说明离子浓度最低,而当氢氧化钠溶液和稀盐酸恰好完全反应时,氢离子和氢氧根离子恰好完全结合成水分子,此时离子浓度最低,所以B点pH等于7。
(2)AB段曲线下降的原因:氢氧化钠溶液与盐酸反应,氢离子与氢氧根离子结合成水分子,溶液中离子浓度降低,溶液电导率降低,曲线下降。
(3)根据反应过程,开始时没有滴加稀盐酸,到加入少量稀盐酸,再到恰好完全反应,最后稀盐酸过量,可得顺序为acbd。
题型专训
1.C　【解析】A.由图像可知,混凝剂的浊度去除率随pH的增大,先增大后减小,所以说并不是pH越大,混凝剂的净水效果越好,错误;B.由图像可知,当pH<9时,硫酸铁的浊度去除率最大,其净水效果最好,当pH>9时,硫酸铁的浊度去除率比PFS小,因此净水效果不是最好,错误;C.由图像可知,当pH在7~8之间时,明矾的浊度去除率最大,此时明矾的净水效果最好,所以用明矾处理污水前,宜将污水pH调至弱碱性,正确;D.由图像可知,pH在5~10范围内,明矾的浊度去除率没有达到60%以上,错误。
2.D　【解析】A.由图示可知,随着反应的进行,二氧化碳的质量逐渐增加,说明氢氧化钠固体已变质,正确;B.0~50 s时段,发生的是氢氧化钠和稀盐酸反应生成氯化钠和水的反应,有中和反应发生,正确;C.100 s后还在继续产生二氧化碳气体,说明100 s时碳酸钠有剩余,溶液显碱性,溶液的pH>7,正确;D.200 s时,稀盐酸过量,溶液中的溶质有氯化钠、氯化氢两种,错误。
3.D　【解析】A.由图2可知,开始时,二氧化碳的浓度为25000×0.0001%=2.5%,氧气浓度约为18%,则开始时二氧化碳的浓度小于氧气的浓度,错误;B.10 s时,二氧化碳浓度下降,但氧气的浓度几乎不变,不能说明过氧化钠与二氧化碳反应,错误;C.由图2可知,45 s后二氧化碳的浓度并未减少到零,故二氧化碳没有被反应完全,错误;D.该实验中没有测定水蒸气的含量变化,因此无法证明人体呼出的水蒸气能否与过氧化钠反应,正确。
4.A　【解析】A.结合图2可知,蜡烛熄灭的原因可能是氧气的含量降低,错误;B.燃烧需要有氧气,蜡烛熄灭后白磷能燃烧,说明瓶内还有氧气,正确;C.白磷燃烧需要达到着火点,由图2可知,t2~t3过程中氧气继续减少,说明t2时白磷开始燃烧,说明在t2时,白磷的温度达到了着火点,正确;D.由图2可知,t3时,氧气的浓度不为0,白磷熄灭,瓶内氧气没有完全消耗,正确。
5.(1)④酒精灯
(2)2H2O22H2O+O2↑　②⑧
(3)30　5　40　0　2　在其他条件相同的情况下,过氧化氢的浓度越大,反应速率越快
(4)燃烧不仅需要氧气,而且还需要氧气达到一定的浓度　氮气
【解析】(1)仪器④的名称为酒精灯。
(2)实验室用过氧化氢溶液和二氧化锰制取氧气的化学方程式为2H2O22H2O+O2↑;该反应是固体和液体在常温下制取气体,故利用该原理制取氧气需要用到的仪器除了①⑦,还有②⑧。
(3)对比实验a、b,可以看出两个实验只有过氧化氢的浓度不同,因此得到的结论是在其他条件相同的情况下,过氧化氢的浓度越大,反应速率越快;若要探究过氧化氢溶液的分解速率还受温度影响,根据控制变量法,其他条件相同,只有温度不同,据此补充实验d。
(4)从图像中的数据可以看出,蜡烛熄灭时,氧气并没有被完全耗尽,因此对燃烧条件的新认识是燃烧不仅需要氧气,而且还需要氧气达到一定的浓度;根据空气的成分,蜡烛熄灭后集气瓶中含量最多的气体是氮气。
6.C　【解析】A.开始时,向100 mL蒸馏水中加入碳酸钙,有部分碳酸钙会溶解,溶液中的离子浓度会增大,电导率增大,正确;B.由图示可知,c、e后电导率均下降,说明分别加入10 mL蒸馏水,溶液中的离子浓度瞬间减小,电导率下降,正确;C.由图示可知,c→d、e→f,电导率下降,是因为加水后溶液中的离子浓度瞬间减小,且温度不变,碳酸钙的溶解度不变,错误;D.由图示可知,g后的电导率几乎不再改变,说明CaCO3的溶解达到饱和状态,溶液中的离子浓度不变,错误。
7.D　【解析】A.由pH图像可知,初始时,溶液pH小于7,显酸性,随另一种溶液的不断滴入,最后溶液pH大于7,故是将稀NaOH溶液滴入稀盐酸,X溶液是稀盐酸,错误;B.由图可知,0~40 s时,溶液pH不断增大,说明随着不断滴入稀NaOH溶液,溶液中H+数量不断减少,错误;C.60 s时,溶液pH大于10,说明加入的碱过量,此时溶液中存在的离子有Na+、Cl-、OH-,错误;D.由图像可知,温度不断升高到达M点,说明两者反应放热,正确。
8.(1)2KMnO4K2MnO4+MnO2+O2↑　用高锰酸钾制取氧气需要加热,不方便
(2)过碳酸钠反应速率适中且制氧气持续时间长
(3)不易溶于水
(4)将带火星的木条放在A瓶导管口,若木条复燃,则导出的气体是氧气
(5)其他条件相同时,过碳酸钠质量越大,反应速率越快
(6)<
(7)过碳酸钠10 g、二氧化锰0.4 g、水100 mL、温度41 ℃
(8)水的体积是否会对过碳酸钠制氧速率产生影响
【解析】(1)高锰酸钾加热生成锰酸钾、二氧化锰和氧气,反应的化学方程式为2KMnO4K2MnO4+MnO2+O2↑。高锰酸钾不适合作“家庭供氧器”的制氧剂,因为用高锰酸钾制取氧气需要加热,不方便且不安全。
(2)根据图1分析可知,过氧化钠反应速率太快,过碳酸钠反应速率适中,制氧气持续时间长,因此“家庭供氧器”的制氧剂用过碳酸钠不用过氧化钠。
(3)氧气不易溶于水,故氧气能从A瓶中逸出。
(4)验证A瓶导出的气体是氧气的方法是将带火星的木条放在A瓶导管口,若木条复燃,则导出的气体是氧气。
(5)对比实验①和②可以得出的结论,当其他条件相同时,过碳酸钠质量越大,收集相同体积的氧气所用的时间越短,反应速率越快。
(6)通过对比可以发现当其他条件相同时,温度越高,收集相同体积氧气所用时间越短,因此实验③若将温度升高至50 ℃,则收集100 mL氧气所用的时间小于22 s。
(7)根据控制变量法,实验④与实验③对比探究催化剂用量对制氧速率的影响,过碳酸钠用量、水的体积、温度都应该与实验③相同,只有二氧化锰质量不同。
(8)过碳酸钠制氧速率还可能随加入水的体积的不同而变化。

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