高考实验题设计的新趋势：变量控制与证据推理

新高考的主要目的是评价学生化学学科核心素养的发展状况和学业质量标准的达成程度，这是有别于传统高考的重要特征。运用变量控制和证据推理设计的实验题，能很好地考查证据推理、创新意识的化学核心素养的发展状况，是高考实验题设计的新趋势。

一、运用碱性变量设计实验题，落实证据推理化学核心素养的考查

【例1】（2022年北京高考题）某小组同学探究不同条件下氯气与二价锰化合物的反应。

资料：i．Mn2+在一定条件下被Cl2或ClO-氧化成MnO2（棕黑色）、MnO42-（绿色）、MnO4-（紫色）。

ii．浓碱条件下，MnO4-可被OH-还原为MnO42-。

iii．Cl2的氧化性与溶液的酸碱性无关，NaClO的氧化性随碱性增强而减弱。

实验装置如图1（夹持装置略）

序号 物质a C中实验现象

通入Cl2前 通入Cl2后

I 水 得到无色溶液 产生棕黑色沉淀，且放置后不发生变化

II 5%NaOH

溶液 产生白色沉淀，在空气中缓慢变成棕黑色沉淀 棕黑色沉淀增多，放置后溶液变为紫色，仍有沉淀

III 40%NaOH

溶液 产生白色沉淀，在空气中缓慢变成棕黑色沉淀 棕黑色沉淀增多，放置后溶液变为紫色，仍有沉淀

（1）B中试剂是___________。

（2）通入Cl2前，II、III中沉淀由白色變为黑色的化学方程式为___________。

（3）对比实验I、II通入Cl2后的实验现象，对于二价锰化合物还原性的认识是___________。

（4）根据资料ii，III中应得到绿色溶液，实验中得到紫色溶液，分析现象与资料不符的原因。

原因一：可能是通入Cl2导致溶液的碱性减弱。

原因二：可能是氧化剂过量，氧化剂将MnO42-氧化为MnO4-。

①化学方程式表示可能导致溶液碱性减弱的原因___________，但通过实验测定溶液的碱性变化很小。

②取III中放置后的1 mL悬浊液，加入4 mL40%NaOH溶液，溶液紫色迅速变为绿色，且绿色缓慢加深。溶液紫色变为绿色的离子方程式为___________，溶液绿色缓慢加深，原因是MnO2被___________（填化学式）氧化，可证明III的悬浊液中氧化剂过量。

③取II中放置后的1 mL悬浊液，加入4 mL水，溶液紫色缓慢加深，发生的反应是___________。

④从反应速率的角度，分析实验III未得到绿色溶液的可能原因___________。

【解析】（1）高锰酸钾与盐酸反应制备氯气时，有氯化氢挥发出来，B中盛饱和食盐水，吸收Cl2中的HCl气体，防止HCl影响氯气与二价锰化合物反应的探究。

（2）通入Cl2前，II、III中均加入了NaOH溶液，Mn2+与OH-反应产生Mn（OH）2白色沉淀，根据“白色沉淀在空气中缓慢变成棕黑色沉淀”推理判断出Mn（OH）2被空气中的氧气氧化为MnO2：2Mn（OH）2+O2=2MnO2+2H2O。

（3）对比实验I、II发现，二者碱性不同（II加了NaOH）。实验I不加NaOH，则二价锰（MnSO4）不能被空气中的氧气氧化；实验II加了NaOH，则二价锰[Mn（OH）2]能被空气中的氧气氧化，即“二价锰化合物还原性随溶液的碱性增强而增强”。

（4）①可能导致溶液碱性减弱的原因是Cl2与烧碱溶液中的OH-反应使c（OH-）减小：Cl2+2OH-=Cl-+ClO-+H2O。

②实验III通入氯气后“棕黑色沉淀增多，放置后溶液变为紫色，仍有沉淀”的证据推理过程为：根据资料iii “Cl2的氧化性与溶液的酸碱性无关，NaClO的氧化性随碱性增强而减弱”判断，通入碱性氢氧化锰悬浊液中的氯气，如果接触氢氧根就反应生成次氯酸根和氯离子，如果接触二氧化锰就将二氧化锰氧化紫色高锰酸根，结合①知通入氯气后“通过实验测定溶液的碱性变化很小”进一步推知，强碱性环境中次氯酸根氧化性减弱，不能氧化二氧化锰沉淀，综上所述，“III中放置后的悬浊液”仍然显强碱性，沉淀MnO2、紫色MnO4-、氧化剂ClO-可以共存。

“溶液紫色迅速变为绿色”的证据推理过程为：“加入 4mL40%NaOH溶液”使“III中放置后的1 mL悬浊液”碱性增大，结合资料ii“浓碱条件下MnO4-被OH-还原为MnO42-”判断“碱性增大导致紫色MnO4-被OH-还原为绿色MnO42-：4 MnO4-+4OH-=4 MnO42-+O2↑+2H2O。

“且绿色缓慢加深”的证据推理过程为：随着紫色高锰酸根被氢氧根还原为绿色锰酸根，消耗氢氧根导致氢氧根离子浓度减小，次氯酸根的氧化性增强，将二氧化锰沉淀氧化为绿色锰酸根，锰酸根浓度增大，所以“绿色缓慢加深”，也可证明III的悬浊液中氧化剂（次氯酸根）过量。

③“II中放置后的悬浊液”的成分与“III中放置后的悬浊液”相似，也是“显强碱性，沉淀MnO2、紫色MnO4-、氧化剂ClO-可以共存”。“溶液紫色缓慢加深”的证据推理过程为：“加入4 mL水”，因为稀释导致“II中放置后的

1 mL悬浊液”中氢氧根离子浓度减小，碱性减弱， ClO-氧化性增强，将MnO2氧化为紫色MnO4-，高锰酸根离子逐渐增大，溶液紫色缓慢加深：3ClO-+2MnO2+2OH-=2MnO4-+3Cl-+ H2O。

④由③中的“溶液紫色缓慢加深”反应“3ClO-+2MnO2+ 2OH-=2 MnO4-+3Cl-+H2O”判断，碱性环境中次氯酸根的氧化性大于高锰酸根，由此推理出从反应速率的角度，实验III未得到绿色溶液的可能原因是“ClO-将MnO42-氧化为MnO4-的速率大于MnO4-被OH-还原为MnO42-的速率”。

【答案】（1）饱和食盐水

（2）2Mn（OH）2+O2=2MnO2+2H2O

（3）（二价锰化合物还原性）随碱性增强而增强（或二价锰化合物在中性或弱酸性条件下只能被氧化到MnO2，在碱性条件下可以被氧化到更高价态）

（4）①Cl2+2OH-=Cl-+ClO-+H2O

②4 MnO4-+4OH-=4MnO42-+O2↑+2H2O ClO-（或NaClO）

③3ClO-+2MnO2+2OH-=2MnO4-+3Cl-+H2O

④c（OH-）和c（ClO-）均很大時，ClO-将MnO42-氧化为MnO4-的速率大于MnO4-被OH-还原为MnO42-的速率

【点评】本题的自变量是碱性强弱（氢氧根离子浓度大小），因变量是“碱性强二价锰化合物还原性强”和“NaClO氧化性随碱性增强而减小”。推理的证据是实验现象、题干给出的信息及所学中学化学基础知识。由于变量控制可以让考生动态认识化学反应，证据推理可以提高考生严谨的逻辑思维能力和准确的文字表达能力，因此利用变量控制和证据推理设计实验题是新高考命题的必然趋势。

二、运用操作变量设计实验题，落实探究创新化学核心素养的考查

【例2】某实验小组同学为探究不同操作配制的银氨溶液中的主要成分，采用如图2装置进行实验，已知电导率传感器是测量溶液中电荷流动难易程度的传感器。

（1）写出仪器a的名称________________________。

（2）实验一，用注射器向25 mL蒸馏水和15 mL 0.12 mol/LAgNO3混合后的溶液中，滴加1.2 mol/L氨水，测得实验数据如图3，滴至A点时加入的氨水共4.5 mL。由M到A反应过程电导率减小的原因是：溶液中自由移动离子数目不变、溶液的________________增大、溶液的____________________减小。

（3）实验二，用注射器向15 mL0.12 mol/LAgNO3溶液中滴加1.2 mol/L氨水至O点，过滤，洗涤沉淀的操作为____________________________，向沉淀中继续加入3.0mL 氨水时电导率最大，此过程离子方程式为__________________________________，应加入________mL蒸馏水，再测定溶液pH。

（4）若实验二最终pH为12.6，上述实验过程判断实验一所得银氨溶液的溶质是[Ag（NH3）2]NO3和NH3·H2O的实验证据是______________________，利用化学反应和计算判断实验一银氨溶液成分是[Ag（NH3）2]NO3和NH3·H2O的推理过程：_________________________________。

【解析】（1）仪器a的名称是三颈烧瓶或三口烧瓶。

（2）MO段发生的反应是：AgNO3+ NH3·H2O = AgOH↓+NH4NO3，Ag+物质的量等于生成+物质的量，故溶液中自由移动离子数目不变，但溶液体积增大，自由移动离子浓度减小，电导率减小。

（3）洗涤沉淀的操作为：向过滤器中注入蒸馏水，直至没过沉淀，待水自然流出后，重复上述操作两到三次。此过程是AgOH沉淀溶于氨水（弱碱）生成强电解质[Ag（NH3）2]OH（氢氧化二氨合银），反应的离子方程式为AgOH+2NH3·H2O=[Ag（NH3）2]++OH-+2H2O；两个实验的变量是“过滤”：实验二“过滤”，实验一“不过滤，所以两个实验反应后溶液的总体积应该相同，均为44.5 mL，实验二应加入蒸馏水44.5 mL-3.0 mL =41.5 mL。

（4）“实验二最终pH为12.6”是因为过滤出的AgOH溶于氨水生成强电解质[Ag（NH3）2]OH：[Ag（NH3）2]OH= [Ag（NH3）2]++ OH-，溶液中的阴离子是OH-。当实验一溶

液的体积为44.5 mL时，pH=10.82，两个实验溶液体积均为44.5 mL时，实验二的c（OH-）明显大于实验一的，据此可推

断；实验一所得银氨溶液的溶质是[Ag（NH3）2]NO3 和NH3·H2O；推理过程为：实验依次发生的反应是：AgNO3+ NH3·H2O =AgOH+NH4NO3、AgOH+NH4NO3+ NH3·H2O=[Ag（NH3）2]NO3+2H2O，总反应为：AgNO3+

2NH3·H2O=[Ag（NH3）2]NO3+2H2O，[Ag（NH3）2]NO3显中性，反应后NH3·H2O过量，n（NH3·H2O）=1.2 mol/L×4.5×10-3  L-

15×10-3 L×0.12 mol/L×2 =1.8×10-3 mol，过量的弱碱氨水使溶液的pH=10.82。

【答案】（1）三颈烧瓶（或三口烧瓶）

（2）体积 自由移动离子浓度

（3）向过滤器中注入蒸馏水，直至没过沉淀，待水自然流出后，重复上述操作两到三次 AgOH+2NH3·H2O= [Ag（NH3）2]++OH-+2H2O 41.5

（4） pH=10.82 实验依次发生的反应是：AgNO3+ NH3·H2O=AgOH↓+NH4NO3、AgOH+NH4NO3+ NH3·H2O=[Ag（NH3）2]NO3+2H2O，总反应为：AgNO3+

2NH3·H2O=[Ag（NH3）2]NO3+2H2O，[Ag（NH3）2]NO3显中性，反应后NH3·H2O过量，n（NH3·H2O）=1.2mol/L×4.5×10-3L-15×10-3L×0.12mol/L×2 =1.8×10-3mol，过量的弱碱氨水使溶液的pH=10.82。

【点评】新课标“素养4 科学探究与创新意识”明确要求考生“敢于质疑，勇于创新”。本题通过实验操作变量是否过滤，探究得出不过滤时银氨溶液的成分是硝酸二氨合银和过量的氨水，过滤时银氨溶液的成分是氢氧化二氨合银，很好地落实了“敢于质疑，勇于创新”的新课标要求。