数字化实验探究题归类分析

陈云龙

数字化实验探究是近几年中考比较热点的探究试题。试题将实验中得到的数据以图表、曲线的形式呈现出来，综合考查同学们信息获取与分析能力以及实验设计与探究能力。

一、数字化实验在实验探究中的作用

数字化实验通常由“传感器+数字采集器+计算机配套的系统支持软件”三部分构成，通过传感器对压强、浓度、pH、温度、电导率等物理量进行识别，再将这些物理量转换为电信号，通过数据采集器及软件将电信号转化为数字，并以数字和图形相结合的形式呈现在计算机的屏幕上。同学们可以非常直观地对图形进行观察，然后做出判断或预测，发现隐藏在数据背后的化学规律和原理。

二、数字化实验探究题的解题基本思路

解数字化实验探究题时要从图表、曲线中获取相关实验数据，并对实验数据进行分析，将数据转化为与探究方法相关的实验结论。解答此类试题的关键是基于“曲线—宏观—微观—符号”四重表征思想分析曲线，运用证据推理分析化学变化本质与规律。解题基本思路如下：

（1）曲线分析：直接读出曲线坐标中的两个变量（横、纵坐标）之间的变化关系，关注起点、终点以及变化的趋势;

（2）宏观辨识：分析纵坐标中相关物理量（如压强、浓度、pH等）变化的原因;

（3）微观探析：分析化学反应的微观过程，形成对变化规律的认识;

（4）符号表征：用相关的化学用语（如化学方程式等）进行表征。

三、数字化实验探究题的常考题型归纳

1. 气体压强传感器

例1（2019·北京）用图1装置进行实验，先后将溶液快速全部推入，测得一段时间内压强变化如图2所示。

（1）先推入的溶液是___________。

（2）BC段压强不变，原因是______。

（3）CD段压强变大，用化学方程式解释：______。

解析：（1）AB段压强先减小，是因为CO2与先推入的NaOH溶液反应，装置内气体减少;（2）BC段压强基本不变，是因为CO2与NaOH溶液完全反应，反应停止。（3）CD段压强变大，是因为新生成的Na2CO3与稀盐酸反应生成CO2，装置内气体增加。

答案：NaOH溶液 NaOH溶液与CO2充分反应，反应停止 Na2CO3 + 2HCl [                ] 2NaCl + H2O + CO2↑

[小结][以气体压强传感器为情境的数字化实验题解题四部曲：

首先，分析“压强-时间”曲线中，压强随时间的变化规律。如本题中，AB段压强减少——BC段压强不变——CD段压强变大。

其次，分析压强变化的原因。如本题中，气体体积变化引起压强变化，气体体积的变化过程为：减少——不变——变大。

再次，分析气体体积变化的原因。如本题中，反应经历三个主要阶段： NaOH与CO2反应——NaOH与CO2反应停止——Na2CO3与稀盐酸反应。

最后，用相关的化学方程式进行表征。如本题中，相关反应如下：2NaOH +CO2 [                ] Na2CO3 + H2O，Na2CO3 + 2HCl [                ] 2NaCl + H2O + CO2↑。]

2.气体体积分数传感器

例2（2019·福建节选）某兴趣小组开展“测定空气中氧气的体积分数”的探究实验。

【实验1】按图3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4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），利用铁锈蚀原理测定空气中氧气的体积分数。

解析：由圖5和图6可知实验1和实验2中氧气的体积分数不断减少，最终实验1剩余氧气的体积分数为8.6%，实验2剩余氧气的体积分数接近0。测定空气中氧气的体积分数应尽可能将氧气消耗完，因此实验 2的测定方法更准确。

答案：实验2 反应后，实验1集气瓶中剩余氧气的体积分数为8.6%，而实验2集气瓶中氧气几乎耗尽

[小结][以气体体积分数传感器为情境的数字化实验题解题四部曲：

首先，分析“体积分数-时间”曲线中，浓度随时间的变化规律。如本题中，氧气的浓度（体积分数）不断减少。

其次，分析浓度变化的原因。如本题中，氧气的不断消耗引起氧气的体积分数不断减少。

再次，分析气体变化的原因。如本题中，红磷燃烧、铁锈蚀均不断消耗氧气。

最后，用相关的化学方程式进行表征。如本题中，相关反应为：4P + 5O2  [      点燃      ] 2P2O5等。]

3. 溶液pH传感器

例3（2019·咸宁改编）某同学对石灰石与稀盐酸反应制取二氧化碳后所得溶液感兴趣。他取适量反应后过滤的滤液，逐滴滴入Na2CO3溶液，并用pH传感器连续监测，得到如图7曲线图。（已知：CaCl2溶液显中性，Na2CO3溶液显碱性）

（1）图7中AB段内发生反应的化学反应方程式为______。

（2）图7中BC段pH不变的原因是______。

（3）图7中CD段上升的原因是______。

解析：（1）石灰石与稀盐酸反应后过滤的滤液溶质为CaCl2，且可能含有HCl。滴入Na2CO3溶液时，Na2CO3先与HCl反应（即AB段），因此pH先变大。（2）当Na2CO3与HCl完全反应后，后续滴入的Na2CO3继续与CaCl2反应生成CaCO3沉淀和NaCl（即BC段）。由于CaCl2溶液显中性，生成NaCl溶液也显中性，故pH不变。（3）当滴入的Na2CO3与CaCl2完全反应后，继续滴入过量Na2CO3溶液（即CD段），由于Na2CO3溶液显碱性，因此溶液的碱性逐渐增强，即pH变大。

答案：（1）2HCl + Na2CO3 [                ] 2NaCl + H2O + CO2↑ （2）BC段是CaCl2与Na2CO3反应生成CaCO3沉淀和NaCl的过程，而CaCl2溶液和NaCl溶液均显中性，所以pH不变 （3）滴入过量碱性的Na2CO3溶液，溶液的碱性逐渐增强，pH变大

小结

以pH传感器为情境的数字化实验题解题四部曲：

首先，分析“pH-时间”曲线中，pH随时间的变化规律。如本题中，pH经历了如下四个阶段：变大（AB）——不变（BC）——变大（CD）——不变（DE）;

其次，分析pH变化的原因。如本题中，pH变化的原因是H+（或OH-）变化引起的;

再次，分析H+（或OH-）的原因。如本题中，反应经历的四个阶段： Na2CO3与滤液中的HCl反应消耗H+——Na2CO3与滤液中的CaCl2反应生成CaCO3沉淀和NaCl，溶液显中性——继续加Na2CO3，溶液的碱性增强——最后溶液的pH趋近于Na2CO3溶液的pH，基本不变。

最后，用相关的化学方程式进行表征。如本题中，相关反应如下：2HCl + Na2CO3 [                ] 2NaCl +H2O + CO2↑，CaCl2 + Na2CO3 [                ]  CaCO3↓+ 2NaCl。