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7. [2024 长春]实验是化学研究的重要手段。图甲为探究铁锈蚀条件的实验装置,约一周后能观察到明显现象。小组同学对部分实验进行了改进,使出现明显现象的时间缩短至 5～10 min,改进后的装置如图乙所示(夹持装置已略去)。
(第7题图)
(1) 图甲实验中,对比
(2) 图乙实验中,证明铁生锈与水有关的现象为
(3) 图乙实验能够在较短时间内观察到明显现象,其主要原因是
(4) 图乙实验的优点是在一定程度上缩短了实验时间,但仍存在不足。请你指出该实验设计的不足之处:
(第7题图)
(1) 图甲实验中,对比
A、B
(填字母)可知,铁生锈与氧气有关。(2) 图乙实验中,证明铁生锈与水有关的现象为
U形管左侧的光亮铁丝生锈,右侧的光亮铁丝不生锈
。(3) 图乙实验能够在较短时间内观察到明显现象,其主要原因是
氧气浓度较大(合理答案均可)
。(4) 图乙实验的优点是在一定程度上缩短了实验时间,但仍存在不足。请你指出该实验设计的不足之处:
未能探究铁生锈是否与氧气有关(合理答案均可)
(写一条即可)。答案
7.（1）A、B （2）U形管左侧的光亮铁丝生锈,右侧的光亮铁丝不生锈 （3）氧气浓度较大(合理答案均可) （4）未能探究铁生锈是否与氧气有关(合理答案均可)
〔解析〕（1）题图甲中,试管A中的铁钉与氧气、水同时接触,试管B中植物油隔绝氧气,铁钉只与水接触,则对比A、B可知,铁生锈与氧气有关。（2）题图乙中,H2O2溶液在MnO2的催化作用下产生大量氧气,并且产生的氧气带有水分,而U形管内的干燥剂可以吸收水分,右侧干燥管内的干燥剂也可以吸收水分,所以U形管左侧的光亮铁丝同时接触氧气、水,很快生锈,右侧的光亮铁丝只接触氧气,不生锈,因此证明铁生锈与水有关的现象为U形管左侧的光亮铁丝生锈,右侧的光亮铁丝不生锈。（3）铁生锈是铁与氧气、水发生反应所致,而H2O2溶液在MnO2的催化作用下产生大量氧气,所以题图乙实验能够在较短时间内观察到明显现象,其主要原因是氧气浓度较大。（4）铁生锈是铁与氧气、水发生反应所致,题图乙实验中的变量是水,未能探究铁生锈是否与氧气有关。题图乙中U形管左侧的氧气浓度较大,即两侧氧气浓度不同,实验没有控制单一变量。
〔解析〕（1）题图甲中,试管A中的铁钉与氧气、水同时接触,试管B中植物油隔绝氧气,铁钉只与水接触,则对比A、B可知,铁生锈与氧气有关。（2）题图乙中,H2O2溶液在MnO2的催化作用下产生大量氧气,并且产生的氧气带有水分,而U形管内的干燥剂可以吸收水分,右侧干燥管内的干燥剂也可以吸收水分,所以U形管左侧的光亮铁丝同时接触氧气、水,很快生锈,右侧的光亮铁丝只接触氧气,不生锈,因此证明铁生锈与水有关的现象为U形管左侧的光亮铁丝生锈,右侧的光亮铁丝不生锈。（3）铁生锈是铁与氧气、水发生反应所致,而H2O2溶液在MnO2的催化作用下产生大量氧气,所以题图乙实验能够在较短时间内观察到明显现象,其主要原因是氧气浓度较大。（4）铁生锈是铁与氧气、水发生反应所致,题图乙实验中的变量是水,未能探究铁生锈是否与氧气有关。题图乙中U形管左侧的氧气浓度较大,即两侧氧气浓度不同,实验没有控制单一变量。
解析
【分析】
我们解题时要紧扣铁生锈的条件（铁同时接触水和氧气），结合控制变量法的思路逐一分析：
1. 第一问要验证铁生锈和氧气有关，需要选择只有氧气这一个变量不同、其余条件（都接触水）完全一致的两组实验，在图甲中筛选符合要求的实验组即可。
2. 第二问要证明铁生锈和水有关，变量是水，其余条件（都接触氧气）要完全相同，结合图乙中干燥剂的作用，分析两侧铁丝接触的物质差异，对应得出不同的锈蚀现象。
3. 第三问对比原实验和改进实验的差异，原实验在空气中进行，改进实验中过氧化氢分解会快速生成大量氧气，反应物浓度提升会加快反应速率，由此推导短时间出现现象的原因。
4. 第四问从实验目的出发，排查现有实验的对照设置，发现该实验仅设置了水的变量对照，没有验证氧气对铁生锈的影响，即可得出设计的不足。
【解析】
(1) 探究铁生锈与氧气有关时，控制变量为氧气，其余条件保持一致：A组铁钉同时接触水和氧气，发生锈蚀；B组铁钉接触水，植物油隔绝了氧气，没有锈蚀，二者对比可证明铁生锈与氧气有关。
(2) 图乙中H₂O₂在MnO₂催化下分解生成氧气，导出的氧气混有水蒸气，可接触U型管左侧铁丝，使左侧铁丝同时接触氧气和水；U型管内的干燥剂吸收了水蒸气，右侧铁丝仅接触干燥的氧气、没有水，因此观察到对应不同的锈蚀现象，即可证明铁生锈需要水。
(3) 铁锈蚀的反应速率和反应物浓度正相关，图乙中过氧化氢分解快速生成大量氧气，装置内氧气浓度远高于空气中的氧气浓度，大幅加快了铁锈蚀的速率，因此短时间内就能观察到明显现象。
(4) 该实验仅设置了有水、无水的对照，没有设计无氧气条件下的对照实验组，无法验证铁生锈是否需要氧气，存在设计缺陷。
【答案】
(1) A、B
(2) U形管左侧的光亮铁丝生锈，右侧的光亮铁丝不生锈
(3) 氧气浓度较大(合理答案均可)
(4) 未能探究铁生锈是否与氧气有关(合理答案均可)
【知识点】
铁锈蚀条件探究，控制变量法，过氧化氢分解
【点评】
本题以铁锈蚀条件的经典实验为基础，加入了实验改进的创新设计，既考察了基础对比实验的逻辑，又引导学生从实验目的出发评价实验设计的优缺点，强化了控制变量法在化学探究中的核心作用，能够很好地锻炼学生的实验分析能力。
【难度系数】
0.6
我们解题时要紧扣铁生锈的条件（铁同时接触水和氧气），结合控制变量法的思路逐一分析：
1. 第一问要验证铁生锈和氧气有关，需要选择只有氧气这一个变量不同、其余条件（都接触水）完全一致的两组实验，在图甲中筛选符合要求的实验组即可。
2. 第二问要证明铁生锈和水有关，变量是水，其余条件（都接触氧气）要完全相同，结合图乙中干燥剂的作用，分析两侧铁丝接触的物质差异，对应得出不同的锈蚀现象。
3. 第三问对比原实验和改进实验的差异，原实验在空气中进行，改进实验中过氧化氢分解会快速生成大量氧气，反应物浓度提升会加快反应速率，由此推导短时间出现现象的原因。
4. 第四问从实验目的出发，排查现有实验的对照设置，发现该实验仅设置了水的变量对照，没有验证氧气对铁生锈的影响，即可得出设计的不足。
【解析】
(1) 探究铁生锈与氧气有关时，控制变量为氧气，其余条件保持一致：A组铁钉同时接触水和氧气，发生锈蚀；B组铁钉接触水，植物油隔绝了氧气，没有锈蚀，二者对比可证明铁生锈与氧气有关。
(2) 图乙中H₂O₂在MnO₂催化下分解生成氧气，导出的氧气混有水蒸气，可接触U型管左侧铁丝，使左侧铁丝同时接触氧气和水；U型管内的干燥剂吸收了水蒸气，右侧铁丝仅接触干燥的氧气、没有水，因此观察到对应不同的锈蚀现象，即可证明铁生锈需要水。
(3) 铁锈蚀的反应速率和反应物浓度正相关，图乙中过氧化氢分解快速生成大量氧气，装置内氧气浓度远高于空气中的氧气浓度，大幅加快了铁锈蚀的速率，因此短时间内就能观察到明显现象。
(4) 该实验仅设置了有水、无水的对照，没有设计无氧气条件下的对照实验组，无法验证铁生锈是否需要氧气，存在设计缺陷。
【答案】
(1) A、B
(2) U形管左侧的光亮铁丝生锈，右侧的光亮铁丝不生锈
(3) 氧气浓度较大(合理答案均可)
(4) 未能探究铁生锈是否与氧气有关(合理答案均可)
【知识点】
铁锈蚀条件探究，控制变量法，过氧化氢分解
【点评】
本题以铁锈蚀条件的经典实验为基础，加入了实验改进的创新设计，既考察了基础对比实验的逻辑，又引导学生从实验目的出发评价实验设计的优缺点，强化了控制变量法在化学探究中的核心作用，能够很好地锻炼学生的实验分析能力。
【难度系数】
0.6
8. 新趋势 创新实验 已知铁制品通常含碳量约为2%，某兴趣小组的同学利用图甲所示的装置探究铁制品锈蚀的影响因素，在广口瓶①②③中加入药品，采集数据，得到相应的氧气体积分数的变化如图乙所示。
(第8题图)
（1）图甲中，能观察到铁粉生锈的广口瓶有
（2）图乙中，能说明铁生锈需要氧气和水共同作用的曲线是
（3）实验开始至约300 s内，对比广口瓶②③中氧气体积分数的变化，可以得出的结论是
（4）实验前需将铁粉、木炭粉及食盐混合均匀并密封分装，密封的目的是
（5）欲探究纯铁粉与含少量碳的铁粉的锈蚀快慢，现用广口瓶④连接以上数据采集器，在其他条件相同的情况下完成实验，则在广口瓶④中应装入的药品及用量为
（6）实验表明，足够长的时间后曲线②③均下降至0刻度线处。铜能与空气中氧气、水、二氧化碳反应而锈蚀生成铜绿，若将广口瓶②中的铁炭混合物换成足量的铜粉进行实验，足够长的时间后，能否比较准确地测定空气中氧气的含量？你的判断和理由是
（7）铁在潮湿的空气中会先转变成$\ce{Fe(OH)_{3}}$，然后逐步失水形成不同的铁锈。现取$\ce{Fe(OH)_{3}}$粉末42.8 g，经失水后得到35.6 g铁锈，则该铁锈的化学式可能是
A. $\ce{Fe_{2}O_{3}·3H_{2}O}$
B. $\ce{Fe_{2}O_{3}·2H_{2}O}$
C. $\ce{Fe_{2}O_{3}·H_{2}O}$
D. $\ce{Fe_{2}O_{3}}$
(第8题图)
（1）图甲中，能观察到铁粉生锈的广口瓶有
②③
（填序号）。（2）图乙中，能说明铁生锈需要氧气和水共同作用的曲线是
①②
（填序号）。（3）实验开始至约300 s内，对比广口瓶②③中氧气体积分数的变化，可以得出的结论是
加入食盐水后的耗氧量增加(或食盐能加速铁的锈蚀)
。（4）实验前需将铁粉、木炭粉及食盐混合均匀并密封分装，密封的目的是
防止与空气中的水和氧气接触,影响实验结果(合理答案均可)
。（5）欲探究纯铁粉与含少量碳的铁粉的锈蚀快慢，现用广口瓶④连接以上数据采集器，在其他条件相同的情况下完成实验，则在广口瓶④中应装入的药品及用量为
5.0 g铁粉、水10滴
。（6）实验表明，足够长的时间后曲线②③均下降至0刻度线处。铜能与空气中氧气、水、二氧化碳反应而锈蚀生成铜绿，若将广口瓶②中的铁炭混合物换成足量的铜粉进行实验，足够长的时间后，能否比较准确地测定空气中氧气的含量？你的判断和理由是
不能,因为空气中二氧化碳的含量是0.039%,铜不能把装置中的氧气耗尽
。（7）铁在潮湿的空气中会先转变成$\ce{Fe(OH)_{3}}$，然后逐步失水形成不同的铁锈。现取$\ce{Fe(OH)_{3}}$粉末42.8 g，经失水后得到35.6 g铁锈，则该铁锈的化学式可能是
C
（填字母）。A. $\ce{Fe_{2}O_{3}·3H_{2}O}$
B. $\ce{Fe_{2}O_{3}·2H_{2}O}$
C. $\ce{Fe_{2}O_{3}·H_{2}O}$
D. $\ce{Fe_{2}O_{3}}$
答案
8.（1）②③ （2）①② （3）加入食盐水后的耗氧量增加(或食盐能加速铁的锈蚀) （4）防止与空气中的水和氧气接触,影响实验结果(合理答案均可) （5）5.0 g铁粉、水10滴 （6）不能,因为空气中二氧化碳的含量是0.039%,铜不能把装置中的氧气耗尽 （7）C
〔解析〕（5）根据控制变量法的要求,铁粉与水的用量应相同,所以欲探究纯铁粉与含少量碳的铁粉的锈蚀快慢,现用广口瓶④连接以上数据采集器,在其他条件相同的情况下完成实验,则在广口瓶④中应装入的药品及用量为5.0 g铁粉、水10滴,与②形成对比。（6）由于空气中二氧化碳的含量是0.039%,则铜不能把装置中的氧气耗尽,所以将广口瓶②中的铁炭混合物换成足量的铜粉进行实验,足够长的时间后不能比较准确地测定空气中氧气的含量。（7）由于2Fe(OH)3 = Fe2O3 + 3H2O,即氢氧化铁可以看作Fe2O3·3H2O,此时没有失水,A不符合题意。若生成Fe2O3·2H2O,设生成此铁锈的质量为m。
2Fe(OH)3 = Fe2O3·2H2O+H2O
214 196
42.8 g m
214/196 = 42.8 g/m m=39.2 g≠35.6 g
则B不符合题意。
若生成Fe2O3·H2O,设生成此铁锈的质量为n。
2Fe(OH)3 = Fe2O3·H2O+2H2O
214 178
42.8 g n
214/178 = 42.8 g/n n=35.6 g
则C符合题意。
若生成Fe2O3,设生成此铁锈的质量为x。
2Fe(OH)3 = Fe2O3 + 3H2O
214 160
42.8 g x
214/160 = 42.8 g/x x=32 g≠35.6 g
则D不符合题意。
〔解析〕（5）根据控制变量法的要求,铁粉与水的用量应相同,所以欲探究纯铁粉与含少量碳的铁粉的锈蚀快慢,现用广口瓶④连接以上数据采集器,在其他条件相同的情况下完成实验,则在广口瓶④中应装入的药品及用量为5.0 g铁粉、水10滴,与②形成对比。（6）由于空气中二氧化碳的含量是0.039%,则铜不能把装置中的氧气耗尽,所以将广口瓶②中的铁炭混合物换成足量的铜粉进行实验,足够长的时间后不能比较准确地测定空气中氧气的含量。（7）由于2Fe(OH)3 = Fe2O3 + 3H2O,即氢氧化铁可以看作Fe2O3·3H2O,此时没有失水,A不符合题意。若生成Fe2O3·2H2O,设生成此铁锈的质量为m。
2Fe(OH)3 = Fe2O3·2H2O+H2O
214 196
42.8 g m
214/196 = 42.8 g/m m=39.2 g≠35.6 g
则B不符合题意。
若生成Fe2O3·H2O,设生成此铁锈的质量为n。
2Fe(OH)3 = Fe2O3·H2O+2H2O
214 178
42.8 g n
214/178 = 42.8 g/n n=35.6 g
则C符合题意。
若生成Fe2O3,设生成此铁锈的质量为x。
2Fe(OH)3 = Fe2O3 + 3H2O
214 160
42.8 g x
214/160 = 42.8 g/x x=32 g≠35.6 g
则D不符合题意。
解析
【分析】
这道题是结合数字化传感技术的铁锈蚀条件探究创新实验，解题核心思路是依托铁生锈的必要条件（铁同时接触氧气、水才会发生锈蚀），用控制变量法逐一对比各组实验的变量差异，结合氧气体积分数的变化图像推导结论：
1. 先梳理三个广口瓶的条件差异：①内有干燥剂，缺少水分；②有水无食盐；③有水和食盐，先判断满足铁生锈条件的装置。
2. 要证明铁生锈需要水和氧气共同作用，选择仅水为单一变量的两组对比，通过氧气消耗的差异验证水的作用。
3. 对比②③的唯一变量是是否添加食盐，从图像中氧气消耗的速率和总量差异推导食盐对铁锈蚀的影响。
4. 分析密封分装的作用，避免实验前铁粉提前接触空气里的水和氧气发生锈蚀，干扰实验结果。
5. 探究纯铁粉和含碳铁粉的锈蚀速率，按照控制变量法，仅去掉对照组中的木炭粉，其余条件保持一致即可。
6. 结合铜锈蚀的条件（同时消耗氧气、水、二氧化碳），联系空气中二氧化碳的极低占比，判断铜粉无法完全耗尽瓶内氧气，不能准确测定氧气体积分数。
7. 利用元素守恒计算，先算出42.8g Fe(OH)3中对应Fe2O3的质量，结合最终铁锈总质量算出结晶水的质量，推导Fe2O3和结晶水的物质的量之比，选出对应化学式。
【解析】
（1）铁锈蚀需要同时接触氧气和水，广口瓶①内有干燥剂，无水分，铁粉无法锈蚀；广口瓶②③内都有水，同时接触氧气，满足铁生锈的条件，因此铁粉会生锈。
（2）要证明铁生锈需要水和氧气共同作用，选择仅水为单一变量的两组：①中无水，氧气几乎不消耗，②中有水，氧气被大量消耗，对比曲线①②的氧气体积分数变化即可得出结论。
（3）广口瓶②③的唯一变量是是否加入食盐，从图像可见③的氧气体积分数下降更快、最终耗氧量更高，说明食盐可以加快铁的锈蚀速率，提升耗氧量。
（4）密封分装药品可以避免铁粉在实验前就接触空气中的水和氧气提前锈蚀，防止影响后续实验数据的准确性。
（5）根据控制变量法，探究纯铁粉和含少量碳的铁粉的锈蚀快慢，只需要去掉②中的木炭粉，其余药品用量和②完全保持一致即可。
（6）铜锈蚀需要同时消耗氧气、水、二氧化碳，而空气中二氧化碳的体积分数仅约0.03%，含量极低，铜无法将装置内的氧气完全耗尽，因此不能准确测定空气中氧气的含量。
（7）计算：Fe(OH)3的摩尔质量为107g/mol，42.8g Fe(OH)3的物质的量为42.8g÷107g/mol=0.4mol，其中含Fe元素0.4mol，对应生成的Fe2O3的物质的量为0.2mol，Fe2O3的质量为0.2mol×160g/mol=32g。最终铁锈总质量为35.6g，因此铁锈中结晶水的质量为35.6g-32g=3.6g，结晶水的物质的量为3.6g÷18g/mol=0.2mol，Fe2O3和H2O的物质的量之比为1:1，对应化学式为Fe2O3·H2O。
【答案】
（1）②③
（2）①②
（3）食盐能加速铁的锈蚀(或加入食盐水后的耗氧量增加，合理即可)
（4）防止与空气中的水和氧气接触，影响实验结果(合理即可)
（5）5.0 g铁粉、水10滴
（6）不能，因为空气中二氧化碳的含量约为0.03%，铜不能把装置中的氧气耗尽
（7）C
【知识点】
铁锈蚀的条件；控制变量法应用；化学式相关计算
【点评】
本题属于数字化实验创新探究题，围绕铁锈蚀的影响因素展开，综合考察了控制变量实验设计、图像信息提取、元素守恒计算等能力，易错点是第（6）问容易忽略铜锈蚀需要消耗二氧化碳、空气中二氧化碳含量极低的隐含条件，第（7）问可以用元素守恒简化计算，无需书写复杂的分步反应方程式。
【难度系数】
0.6
这道题是结合数字化传感技术的铁锈蚀条件探究创新实验，解题核心思路是依托铁生锈的必要条件（铁同时接触氧气、水才会发生锈蚀），用控制变量法逐一对比各组实验的变量差异，结合氧气体积分数的变化图像推导结论：
1. 先梳理三个广口瓶的条件差异：①内有干燥剂，缺少水分；②有水无食盐；③有水和食盐，先判断满足铁生锈条件的装置。
2. 要证明铁生锈需要水和氧气共同作用，选择仅水为单一变量的两组对比，通过氧气消耗的差异验证水的作用。
3. 对比②③的唯一变量是是否添加食盐，从图像中氧气消耗的速率和总量差异推导食盐对铁锈蚀的影响。
4. 分析密封分装的作用，避免实验前铁粉提前接触空气里的水和氧气发生锈蚀，干扰实验结果。
5. 探究纯铁粉和含碳铁粉的锈蚀速率，按照控制变量法，仅去掉对照组中的木炭粉，其余条件保持一致即可。
6. 结合铜锈蚀的条件（同时消耗氧气、水、二氧化碳），联系空气中二氧化碳的极低占比，判断铜粉无法完全耗尽瓶内氧气，不能准确测定氧气体积分数。
7. 利用元素守恒计算，先算出42.8g Fe(OH)3中对应Fe2O3的质量，结合最终铁锈总质量算出结晶水的质量，推导Fe2O3和结晶水的物质的量之比，选出对应化学式。
【解析】
（1）铁锈蚀需要同时接触氧气和水，广口瓶①内有干燥剂，无水分，铁粉无法锈蚀；广口瓶②③内都有水，同时接触氧气，满足铁生锈的条件，因此铁粉会生锈。
（2）要证明铁生锈需要水和氧气共同作用，选择仅水为单一变量的两组：①中无水，氧气几乎不消耗，②中有水，氧气被大量消耗，对比曲线①②的氧气体积分数变化即可得出结论。
（3）广口瓶②③的唯一变量是是否加入食盐，从图像可见③的氧气体积分数下降更快、最终耗氧量更高，说明食盐可以加快铁的锈蚀速率，提升耗氧量。
（4）密封分装药品可以避免铁粉在实验前就接触空气中的水和氧气提前锈蚀，防止影响后续实验数据的准确性。
（5）根据控制变量法，探究纯铁粉和含少量碳的铁粉的锈蚀快慢，只需要去掉②中的木炭粉，其余药品用量和②完全保持一致即可。
（6）铜锈蚀需要同时消耗氧气、水、二氧化碳，而空气中二氧化碳的体积分数仅约0.03%，含量极低，铜无法将装置内的氧气完全耗尽，因此不能准确测定空气中氧气的含量。
（7）计算：Fe(OH)3的摩尔质量为107g/mol，42.8g Fe(OH)3的物质的量为42.8g÷107g/mol=0.4mol，其中含Fe元素0.4mol，对应生成的Fe2O3的物质的量为0.2mol，Fe2O3的质量为0.2mol×160g/mol=32g。最终铁锈总质量为35.6g，因此铁锈中结晶水的质量为35.6g-32g=3.6g，结晶水的物质的量为3.6g÷18g/mol=0.2mol，Fe2O3和H2O的物质的量之比为1:1，对应化学式为Fe2O3·H2O。
【答案】
（1）②③
（2）①②
（3）食盐能加速铁的锈蚀(或加入食盐水后的耗氧量增加，合理即可)
（4）防止与空气中的水和氧气接触，影响实验结果(合理即可)
（5）5.0 g铁粉、水10滴
（6）不能，因为空气中二氧化碳的含量约为0.03%，铜不能把装置中的氧气耗尽
（7）C
【知识点】
铁锈蚀的条件；控制变量法应用；化学式相关计算
【点评】
本题属于数字化实验创新探究题，围绕铁锈蚀的影响因素展开，综合考察了控制变量实验设计、图像信息提取、元素守恒计算等能力，易错点是第（6）问容易忽略铜锈蚀需要消耗二氧化碳、空气中二氧化碳含量极低的隐含条件，第（7）问可以用元素守恒简化计算，无需书写复杂的分步反应方程式。
【难度系数】
0.6
