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19. (7分)某兴趣小组以“生命之源——水”为主题开展项目式学习。
任务一:探究水的电解
如图1是课本电解水实验,图2是兴趣小组利用注射器改装的电解水实验装置。两支注射器排尽空气后,均吸取20 mL氢氧化钠溶液,接通电源。
(1)实验图2中观察到两支注射器内均有气泡产生,且左侧液面下降得比右侧液面快。经检验气体成分后,可推知水是由组成的。
(2)改进后装置的优点有(写一条)。
任务二:探究影响电解水速率的因素
以收集20 mL氢气为标准,记录收集时间和收集到的氧气的体积,实验数据如下表所示:
(3)欲探究温度对电解水速率的影响,应选择的实验对照组是(填实验序号)。
(4)根据表中数据得出的结论是(写一点)。
任务三:探究电解水过程中出现的“异常”现象
兴趣小组使用石墨电极进行如图3所示电解水实验,添加澄清石灰水[主要成分为$\ce{Ca(OH)_{2}}$]增强水的导电性。连接电源,除两极有气泡产生外,正极附近还出现明显的白色浑浊。兴趣小组的同学们对这一现象中出现的白色不溶物的成分和形成原因进行了探究。
查阅资料:电解过程中溶液的温度会升高。
(5)兴趣小组同学首先排除空气中的$\ce{CO_{2}}$进入水中导致出现白色浑浊,原因是。
(6)兴趣小组同学提出不同猜想,并设计相关实验进行验证。
①同学甲:取与上述实验相同体积的澄清石灰水于烧杯中,加热至电解时的温度,观察到溶液中没有明显的白色浑浊现象,该实验的目的是。
②同学乙:认为可能是采用的石墨电极电解导致出现白色浑浊。该同学用铂电极替代石墨电极重复上述实验,一段时间后溶液中没有出现白色浑浊。
根据同学甲、乙的实验,推测电解水的过程出现白色浑浊的主要原因是。
任务一:探究水的电解
如图1是课本电解水实验,图2是兴趣小组利用注射器改装的电解水实验装置。两支注射器排尽空气后,均吸取20 mL氢氧化钠溶液,接通电源。
(1)实验图2中观察到两支注射器内均有气泡产生,且左侧液面下降得比右侧液面快。经检验气体成分后,可推知水是由组成的。
(2)改进后装置的优点有(写一条)。
任务二:探究影响电解水速率的因素
以收集20 mL氢气为标准,记录收集时间和收集到的氧气的体积,实验数据如下表所示:
(3)欲探究温度对电解水速率的影响,应选择的实验对照组是(填实验序号)。
(4)根据表中数据得出的结论是(写一点)。
任务三:探究电解水过程中出现的“异常”现象
兴趣小组使用石墨电极进行如图3所示电解水实验,添加澄清石灰水[主要成分为$\ce{Ca(OH)_{2}}$]增强水的导电性。连接电源,除两极有气泡产生外,正极附近还出现明显的白色浑浊。兴趣小组的同学们对这一现象中出现的白色不溶物的成分和形成原因进行了探究。
查阅资料:电解过程中溶液的温度会升高。
(5)兴趣小组同学首先排除空气中的$\ce{CO_{2}}$进入水中导致出现白色浑浊,原因是。
(6)兴趣小组同学提出不同猜想,并设计相关实验进行验证。
①同学甲:取与上述实验相同体积的澄清石灰水于烧杯中,加热至电解时的温度,观察到溶液中没有明显的白色浑浊现象,该实验的目的是。
②同学乙:认为可能是采用的石墨电极电解导致出现白色浑浊。该同学用铂电极替代石墨电极重复上述实验,一段时间后溶液中没有出现白色浑浊。
根据同学甲、乙的实验,推测电解水的过程出现白色浑浊的主要原因是。
答案
解：
(1) 氢元素和氧元素
(2) 装置密闭，便于检验生成的气体（合理即可）
(3) ①④⑤
(4) 其他条件相同时，外加电压越大，电解水的速率越快（或其他条件相同时，温度越高，电解水的速率越快，合理即可）
(5) 该实验装置为密闭体系，空气中的$\ce{CO_{2}}$短时间内无法大量进入溶液中，不能快速产生明显的白色浑浊
(6) ① 排除温度升高导致氢氧化钙析出，产生白色浑浊的可能性
② 石墨电极的主要成分是碳，电解时正极产生的氧气与石墨电极反应生成二氧化碳，二氧化碳和溶液中的氢氧化钙反应生成碳酸钙白色沉淀
(1) 氢元素和氧元素
(2) 装置密闭，便于检验生成的气体（合理即可）
(3) ①④⑤
(4) 其他条件相同时，外加电压越大，电解水的速率越快（或其他条件相同时，温度越高，电解水的速率越快，合理即可）
(5) 该实验装置为密闭体系，空气中的$\ce{CO_{2}}$短时间内无法大量进入溶液中，不能快速产生明显的白色浑浊
(6) ① 排除温度升高导致氢氧化钙析出，产生白色浑浊的可能性
② 石墨电极的主要成分是碳，电解时正极产生的氧气与石墨电极反应生成二氧化碳，二氧化碳和溶液中的氢氧化钙反应生成碳酸钙白色沉淀
解析
【分析】
本题围绕电解水实验展开，需结合质量守恒、控制变量法、物质性质等知识逐一分析：
1. 第(1)问：电解水生成$\ce{H_{2}}$和$\ce{O_{2}}$，根据反应前后元素种类不变，可推导水的元素组成；
2. 第(2)问：注射器装置密闭，对比课本装置，分析其在气体收集、检验上的优点；
3. 第(3)问：探究温度对电解水速率的影响，需用控制变量法，保证其他条件（电压、电极）相同，仅温度不同，据此选对照组；
4. 第(4)问：分析实验数据，对比电压、温度对收集氢气时间的影响，总结速率变化规律；
5. 第(5)问：从装置密闭性角度，分析空气中$\ce{CO_{2}}$难以进入溶液的原因，排除其影响；
6. 第(6)问：①甲实验控制温度变量，排除温度导致$\ce{Ca(OH)_{2}}$析出的可能；②乙实验更换电极后无浑浊，结合甲的结论，分析石墨电极的反应导致浑浊的原因。
【解析】
(1) 电解水生成氢气和氧气，根据质量守恒定律，化学反应前后元素种类不变，氢气由氢元素组成，氧气由氧元素组成，因此水是由氢元素和氧元素组成；
(2) 注射器改装的装置密闭性好，能防止气体逸出，便于收集和检验生成的气体，操作简便（合理即可）；
(3) 探究温度对电解水速率的影响，需控制外加电压、电极类型等其他变量相同，仅温度不同，符合条件的实验序号为①④⑤；
(4) 分析实验数据可知，其他条件相同时，外加电压越大，收集20 mL氢气的时间越短，电解水的速率越快（或其他条件相同时，温度越高，收集20 mL氢气的时间越短，电解水的速率越快，合理即可）；
(5) 该实验装置为密闭体系，空气中的$\ce{CO_{2}}$短时间内无法大量进入溶液，不能快速产生明显的白色浑浊，因此排除空气中$\ce{CO_{2}}$的影响；
(6) ① 取相同澄清石灰水加热至电解温度，无浑浊，目的是排除温度升高导致氢氧化钙析出产生白色浑浊的可能性；
② 用铂电极（不与氧气反应）替代石墨电极后无浑浊，结合甲的实验，可知白色浑浊的主要原因是：石墨电极的主要成分是碳，电解时正极产生的氧气与石墨电极反应生成二氧化碳，二氧化碳和溶液中的氢氧化钙反应生成碳酸钙白色沉淀。
【答案】
(1) 氢元素和氧元素
(2) 装置密闭，便于检验生成的气体（合理即可）
(3) ①④⑤
(4) 其他条件相同时，外加电压越大，电解水的速率越快（或其他条件相同时，温度越高，电解水的速率越快，合理即可）
(5) 该实验装置为密闭体系，空气中的$\ce{CO_{2}}$短时间内无法大量进入溶液中，不能快速产生明显的白色浑浊
(6) ① 排除温度升高导致氢氧化钙析出，产生白色浑浊的可能性
② 石墨电极的主要成分是碳，电解时正极产生的氧气与石墨电极反应生成二氧化碳，二氧化碳和溶液中的氢氧化钙反应生成碳酸钙白色沉淀
【知识点】
电解水实验、控制变量法、氢氧化钙的性质
【点评】
本题以项目式学习为载体，整合电解水的核心知识，考查实验探究中的控制变量法应用及异常现象的分析，注重学生的实验思维与逻辑推理能力，是一道综合性较强的初中化学实验题，符合学业水平考查要求。
【难度系数】
0.5
本题围绕电解水实验展开，需结合质量守恒、控制变量法、物质性质等知识逐一分析：
1. 第(1)问：电解水生成$\ce{H_{2}}$和$\ce{O_{2}}$，根据反应前后元素种类不变，可推导水的元素组成；
2. 第(2)问：注射器装置密闭，对比课本装置，分析其在气体收集、检验上的优点；
3. 第(3)问：探究温度对电解水速率的影响，需用控制变量法，保证其他条件（电压、电极）相同，仅温度不同，据此选对照组；
4. 第(4)问：分析实验数据，对比电压、温度对收集氢气时间的影响，总结速率变化规律；
5. 第(5)问：从装置密闭性角度，分析空气中$\ce{CO_{2}}$难以进入溶液的原因，排除其影响；
6. 第(6)问：①甲实验控制温度变量，排除温度导致$\ce{Ca(OH)_{2}}$析出的可能；②乙实验更换电极后无浑浊，结合甲的结论，分析石墨电极的反应导致浑浊的原因。
【解析】
(1) 电解水生成氢气和氧气，根据质量守恒定律，化学反应前后元素种类不变，氢气由氢元素组成，氧气由氧元素组成，因此水是由氢元素和氧元素组成；
(2) 注射器改装的装置密闭性好，能防止气体逸出，便于收集和检验生成的气体，操作简便（合理即可）；
(3) 探究温度对电解水速率的影响，需控制外加电压、电极类型等其他变量相同，仅温度不同，符合条件的实验序号为①④⑤；
(4) 分析实验数据可知，其他条件相同时，外加电压越大，收集20 mL氢气的时间越短，电解水的速率越快（或其他条件相同时，温度越高，收集20 mL氢气的时间越短，电解水的速率越快，合理即可）；
(5) 该实验装置为密闭体系，空气中的$\ce{CO_{2}}$短时间内无法大量进入溶液，不能快速产生明显的白色浑浊，因此排除空气中$\ce{CO_{2}}$的影响；
(6) ① 取相同澄清石灰水加热至电解温度，无浑浊，目的是排除温度升高导致氢氧化钙析出产生白色浑浊的可能性；
② 用铂电极（不与氧气反应）替代石墨电极后无浑浊，结合甲的实验，可知白色浑浊的主要原因是：石墨电极的主要成分是碳，电解时正极产生的氧气与石墨电极反应生成二氧化碳，二氧化碳和溶液中的氢氧化钙反应生成碳酸钙白色沉淀。
【答案】
(1) 氢元素和氧元素
(2) 装置密闭，便于检验生成的气体（合理即可）
(3) ①④⑤
(4) 其他条件相同时，外加电压越大，电解水的速率越快（或其他条件相同时，温度越高，电解水的速率越快，合理即可）
(5) 该实验装置为密闭体系，空气中的$\ce{CO_{2}}$短时间内无法大量进入溶液中，不能快速产生明显的白色浑浊
(6) ① 排除温度升高导致氢氧化钙析出，产生白色浑浊的可能性
② 石墨电极的主要成分是碳，电解时正极产生的氧气与石墨电极反应生成二氧化碳，二氧化碳和溶液中的氢氧化钙反应生成碳酸钙白色沉淀
【知识点】
电解水实验、控制变量法、氢氧化钙的性质
【点评】
本题以项目式学习为载体，整合电解水的核心知识，考查实验探究中的控制变量法应用及异常现象的分析，注重学生的实验思维与逻辑推理能力，是一道综合性较强的初中化学实验题，符合学业水平考查要求。
【难度系数】
0.5
