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11. 新素养 科学思维 为探究金属与酸反应，某实验小组进行了如下两组实验。
实验一:比较铁、铜、锌的活动性。
取经过打磨,且形状、大小相同的铁片、铜片和锌片于三支规格相同的试管中,同时加入稀硫酸,对比观察实验现象。
(1) 铁和稀硫酸反应的化学方程式为 。
(2) 铁、铜、锌的金属活动性由强到弱的顺序是 。
(3) 表中$x=$，$y=$。
实验二:探究锌与稀硫酸反应。
另取一块锌片与浓度为8%的稀硫酸反应,随着反应的进行,测得产生$\ce{H_{2}}$的总体积与反应时间的关系如表所示,同时用温度传感器测得溶液温度与反应时间的关系如图所示。
(4) 锌片与稀硫酸反应(填“吸热”或“放热”)。
(5) 如表所示,20~40 s内产生$\ce{H_{2}}$的平均速率是mL/s(平均速率指单位时间内$\ce{H_{2}}$体积的变化量)。
(6) 40~60 s内产生$\ce{H_{2}}$的体积大于20~40 s内产生的,主要原因是 。
(7) 0~20 s时溶液温度变化不大的原因是 。
实验一:比较铁、铜、锌的活动性。
取经过打磨,且形状、大小相同的铁片、铜片和锌片于三支规格相同的试管中,同时加入稀硫酸,对比观察实验现象。
(1) 铁和稀硫酸反应的化学方程式为 。
(2) 铁、铜、锌的金属活动性由强到弱的顺序是 。
(3) 表中$x=$，$y=$。
实验二:探究锌与稀硫酸反应。
另取一块锌片与浓度为8%的稀硫酸反应,随着反应的进行,测得产生$\ce{H_{2}}$的总体积与反应时间的关系如表所示,同时用温度传感器测得溶液温度与反应时间的关系如图所示。
(4) 锌片与稀硫酸反应(填“吸热”或“放热”)。
(5) 如表所示,20~40 s内产生$\ce{H_{2}}$的平均速率是mL/s(平均速率指单位时间内$\ce{H_{2}}$体积的变化量)。
(6) 40~60 s内产生$\ce{H_{2}}$的体积大于20~40 s内产生的,主要原因是 。
(7) 0~20 s时溶液温度变化不大的原因是 。
答案
(1) $\ce{Fe + H_{2}SO_{4} = FeSO_{4} + H_{2}\uparrow}$
(2) 锌＞铁＞铜
(3) 8；10
(4) 放热
(5) 0.5
(6) 反应放热，40~60 s时溶液温度更高，反应速率更快
(7) 反应刚开始，速率较慢，放出热量少
〔解析〕(2) 根据实验现象“锌片表面产生气泡，速率较快；铁片表面产生气泡，速率较慢；铜片表面无明显现象”可知，三种金属中，活动性最强的是锌，最弱的是铜，故三种金属的活动性由强到弱的顺序为锌＞铁＞铜。(3) 该实验中的变量为金属的种类，其他实验条件应相同，即硫酸溶液的浓度、体积相同，金属的质量、形状、大小等都相同，否则无法根据实验现象比较三种金属的活动性顺序，故x=8，y=10。(4) 根据图示可知，从20 s开始，溶液的温度逐渐升高，故可推断锌与稀硫酸反应放热。(5) 20~40 s内产生氢气的平均速率为$\frac{15\ \mathrm{mL}-5\ \mathrm{mL}}{40\ \mathrm{s}-20\ \mathrm{s}}=0.5\ \mathrm{mL/s}$。(6) 由于该反应放热，随着反应的不断进行，放出的热量越来越多，即40~60 s时溶液的温度高于20~40 s时溶液的温度，所以40~60 s时反应速率更快，产生气体的体积更大。(7) 由于刚开始反应时(0~20 s)速率较慢，放出的热量较少，所以溶液温度变化不大。
(2) 锌＞铁＞铜
(3) 8；10
(4) 放热
(5) 0.5
(6) 反应放热，40~60 s时溶液温度更高，反应速率更快
(7) 反应刚开始，速率较慢，放出热量少
〔解析〕(2) 根据实验现象“锌片表面产生气泡，速率较快；铁片表面产生气泡，速率较慢；铜片表面无明显现象”可知，三种金属中，活动性最强的是锌，最弱的是铜，故三种金属的活动性由强到弱的顺序为锌＞铁＞铜。(3) 该实验中的变量为金属的种类，其他实验条件应相同，即硫酸溶液的浓度、体积相同，金属的质量、形状、大小等都相同，否则无法根据实验现象比较三种金属的活动性顺序，故x=8，y=10。(4) 根据图示可知，从20 s开始，溶液的温度逐渐升高，故可推断锌与稀硫酸反应放热。(5) 20~40 s内产生氢气的平均速率为$\frac{15\ \mathrm{mL}-5\ \mathrm{mL}}{40\ \mathrm{s}-20\ \mathrm{s}}=0.5\ \mathrm{mL/s}$。(6) 由于该反应放热，随着反应的不断进行，放出的热量越来越多，即40~60 s时溶液的温度高于20~40 s时溶液的温度，所以40~60 s时反应速率更快，产生气体的体积更大。(7) 由于刚开始反应时(0~20 s)速率较慢，放出的热量较少，所以溶液温度变化不大。
解析
【分析】
这是一道金属与酸反应的综合探究题，解题时可以按小问逐一对应考点梳理思路：
1. 第(1)问回忆铁和稀硫酸的反应产物，注意铁和稀酸反应生成+2价亚铁盐，配平后标注气体符号即可。
2. 第(2)问根据金属和酸反应的规律：能和酸反应产生氢气的金属活动性强于不能反应的，反应速率越快金属活动性越强，结合实验现象就能排序。
3. 第(3)问用到控制变量法，本实验目的是比较不同金属的活动性，唯一变量是金属种类，其余所有影响反应的条件（稀硫酸的浓度、体积，金属的形状大小等）都必须完全相同，对照另外两组的稀硫酸参数就能得到x和y的数值。
4. 第(4)问结合温度传感器的图像，反应过程中溶液温度升高，说明反应放出热量。
5. 第(5)问根据题目给出的平均速率定义，用20s到40s之间氢气的体积变化量除以对应的时间差就能算出结果。
6. 第(6)问结合前面得出的反应放热的结论，温度升高会加快化学反应速率，所以40~60s温度更高，反应更快，产氢体积更大。
7. 第(7)问反应初始阶段，反应刚开始速率很慢，单位时间放出的热量很少，所以溶液温度几乎没有明显变化。
【解析】
(1) 铁和稀硫酸反应生成硫酸亚铁和氢气，按照化学方程式书写规则配平、标注气体符号即可得到对应方程式。
(2) 锌和稀硫酸反应产生气泡速率快，铁和稀硫酸反应产生气泡速率慢，铜和稀硫酸不反应无明显现象，根据金属和酸反应的剧烈程度可判断活动性顺序。
(3) 实验采用控制变量法，仅金属种类为变量，其余稀硫酸的浓度、体积均需保持一致，因此对照其他实验组的参数可得x、y的数值。
(4) 由温度传感器测得的变化可知，反应过程中溶液温度逐渐升高，说明锌和稀硫酸的反应释放热量。
(5) 20s时氢气体积为5mL，40s时氢气体积为15mL，20~40s内产生氢气体积为15mL-5mL=10mL，时间间隔为40s-20s=20s，代入平均速率公式计算即可得到结果。
(6) 该反应为放热反应，随着反应进行体系温度不断升高，40~60s时溶液温度比20~40s更高，温度升高会加快反应速率，因此相同时间内产生的氢气体积更大。
(7) 反应初始阶段，反应速率较慢，单位时间内反应放出的热量很少，因此0~20s时溶液温度变化不明显。
【答案】
(1) $\ce{Fe + H_{2}SO_{4} = FeSO_{4} + H_{2}\uparrow}$
(2) 锌＞铁＞铜
(3) 8；10
(4) 放热
(5) 0.5
(6) 反应放热，40~60 s时溶液温度更高，反应速率更快
(7) 反应刚开始，速率较慢，放出热量少
【知识点】
金属活动性探究，控制变量法，反应速率影响因素
【点评】
本题围绕金属与酸的反应展开探究，融合了基础化学方程式书写、金属活动性判断、控制变量实验设计、数据计算与现象解释多个考点，侧重考查学生的科学探究思维和信息整合能力，要求学生能结合实验结论反向推导反应过程的变化逻辑，是金属性质板块的典型综合题。
【难度系数】
0.6
这是一道金属与酸反应的综合探究题，解题时可以按小问逐一对应考点梳理思路：
1. 第(1)问回忆铁和稀硫酸的反应产物，注意铁和稀酸反应生成+2价亚铁盐，配平后标注气体符号即可。
2. 第(2)问根据金属和酸反应的规律：能和酸反应产生氢气的金属活动性强于不能反应的，反应速率越快金属活动性越强，结合实验现象就能排序。
3. 第(3)问用到控制变量法，本实验目的是比较不同金属的活动性，唯一变量是金属种类，其余所有影响反应的条件（稀硫酸的浓度、体积，金属的形状大小等）都必须完全相同，对照另外两组的稀硫酸参数就能得到x和y的数值。
4. 第(4)问结合温度传感器的图像，反应过程中溶液温度升高，说明反应放出热量。
5. 第(5)问根据题目给出的平均速率定义，用20s到40s之间氢气的体积变化量除以对应的时间差就能算出结果。
6. 第(6)问结合前面得出的反应放热的结论，温度升高会加快化学反应速率，所以40~60s温度更高，反应更快，产氢体积更大。
7. 第(7)问反应初始阶段，反应刚开始速率很慢，单位时间放出的热量很少，所以溶液温度几乎没有明显变化。
【解析】
(1) 铁和稀硫酸反应生成硫酸亚铁和氢气，按照化学方程式书写规则配平、标注气体符号即可得到对应方程式。
(2) 锌和稀硫酸反应产生气泡速率快，铁和稀硫酸反应产生气泡速率慢，铜和稀硫酸不反应无明显现象，根据金属和酸反应的剧烈程度可判断活动性顺序。
(3) 实验采用控制变量法，仅金属种类为变量，其余稀硫酸的浓度、体积均需保持一致，因此对照其他实验组的参数可得x、y的数值。
(4) 由温度传感器测得的变化可知，反应过程中溶液温度逐渐升高，说明锌和稀硫酸的反应释放热量。
(5) 20s时氢气体积为5mL，40s时氢气体积为15mL，20~40s内产生氢气体积为15mL-5mL=10mL，时间间隔为40s-20s=20s，代入平均速率公式计算即可得到结果。
(6) 该反应为放热反应，随着反应进行体系温度不断升高，40~60s时溶液温度比20~40s更高，温度升高会加快反应速率，因此相同时间内产生的氢气体积更大。
(7) 反应初始阶段，反应速率较慢，单位时间内反应放出的热量很少，因此0~20s时溶液温度变化不明显。
【答案】
(1) $\ce{Fe + H_{2}SO_{4} = FeSO_{4} + H_{2}\uparrow}$
(2) 锌＞铁＞铜
(3) 8；10
(4) 放热
(5) 0.5
(6) 反应放热，40~60 s时溶液温度更高，反应速率更快
(7) 反应刚开始，速率较慢，放出热量少
【知识点】
金属活动性探究，控制变量法，反应速率影响因素
【点评】
本题围绕金属与酸的反应展开探究，融合了基础化学方程式书写、金属活动性判断、控制变量实验设计、数据计算与现象解释多个考点，侧重考查学生的科学探究思维和信息整合能力，要求学生能结合实验结论反向推导反应过程的变化逻辑，是金属性质板块的典型综合题。
【难度系数】
0.6
