SOLO 分類理論下“價—類”二維圖在高三一輪氮元素及其化合物復(fù)習(xí)中的應(yīng)用策略

金敖然

(廣西南寧市第三中學(xué))

元素及其化合物的復(fù)習(xí)是高三化學(xué)一輪復(fù)習(xí)中的重要模塊,在高考化學(xué)試題中占有相當(dāng)大的比重,經(jīng)常出現(xiàn)在STSE 問題、離子方程式的正誤判斷、元素化合物性質(zhì)、化學(xué)實驗基礎(chǔ)、陌生方程式書寫、工藝流程、綜合實驗等試題中.然而,這部分知識比較零散,記憶性內(nèi)容較多,僅憑機械性的記憶,容易造成各知識點沒有產(chǎn)生聯(lián)系而相對孤立,學(xué)生學(xué)得不扎實,因此不能綜合應(yīng)用,時間一長所學(xué)知識又容易產(chǎn)生混淆甚至遺忘.針對上述問題,學(xué)生可以嘗試在SOLO(Structure of t he Observed Learning Outcome,可觀察的學(xué)習(xí)結(jié)果的結(jié)構(gòu))分類理論基礎(chǔ)上,應(yīng)用“價—類”二維圖將氮元素及其化合物知識進行優(yōu)化整合,構(gòu)建單元復(fù)習(xí)進階模型,形成以核心概念為主軸,從現(xiàn)象到本質(zhì),從記憶知識到理解、綜合應(yīng)用,從低到高的進階式學(xué)習(xí),進而培養(yǎng)學(xué)生面對復(fù)雜情境,分析問題、解決問題的學(xué)科素養(yǎng)和關(guān)鍵能力.

1 SOLO 分類理論與“價—類”二維圖

SOL O 分類理論是比格斯在皮亞杰等學(xué)者的研究基礎(chǔ)上提出的.SOLO 理論將思維發(fā)展水平分為5個遞進的層次.1)前結(jié)構(gòu)水平.思維處于低水平認知,對化學(xué)知識認知模糊、易混淆,不能解決化學(xué)問題.2)單點結(jié)構(gòu)水平.僅能掌握一個知識或信息,缺乏知識間的聯(lián)系,解決的化學(xué)問題相對片面,沒有整體觀.3)多點結(jié)構(gòu)水平.能夠結(jié)合多個知識、信息解決化學(xué)問題,但知識與信息之間沒有進行整合,未能形成知識網(wǎng)絡(luò).4)關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)水平.該思維水平能夠?qū)⒒瘜W(xué)知識或信息有機地整合起來,可以解決復(fù)雜的問題.5)拓展抽象水平.能夠融合多學(xué)科知識解決化學(xué)問題,體現(xiàn)出更高的鉆研精神、探究思維及創(chuàng)新能力.SOLO分類理論分類明確、目標鮮明,能引導(dǎo)學(xué)生確立學(xué)習(xí)目標,發(fā)展自身的思維結(jié)構(gòu)水平,操作性很強.

“價—類”二維圖是研究物質(zhì)化學(xué)性質(zhì)和轉(zhuǎn)化的重要工具.其以元素為核心內(nèi)容,結(jié)合化合價進行物質(zhì)分類,內(nèi)涵是物質(zhì)之間的轉(zhuǎn)化.以“價—類”二維圖為工具對氮元素及其化合物進行復(fù)習(xí),能夠有效整合該模塊知識,形成系統(tǒng)的知識網(wǎng)絡(luò),幫助學(xué)生思維建模,解決實際問題,提升復(fù)習(xí)效果,落實化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)和關(guān)鍵能力.

2 “氮元素及其化合物”相關(guān)內(nèi)容的分類進階

本文針對氮元素及其化合物的主要內(nèi)容同時結(jié)合物質(zhì)結(jié)構(gòu)相關(guān)知識,以SOLO 分類理論設(shè)定進階目標,如表1所示.

表1

3 SOLO 分類理論下“價—類”二維圖在復(fù)習(xí)中的應(yīng)用策略

在SOLO 分類理論下,建立氮元素及其化合物的“價—類”二維圖(如圖1),通過化合價認識不同的含氮化合物及其轉(zhuǎn)化關(guān)系,形成知識網(wǎng)絡(luò),滲透“變化觀”.結(jié)合物質(zhì)結(jié)構(gòu)知識、物質(zhì)分類知識、氧化還原理論,分析并掌握物質(zhì)的化學(xué)性質(zhì).能對不同特征的含氮化合物進行分析論證,滲透“證據(jù)推理與模型認知”的學(xué)科素養(yǎng).對于復(fù)雜的化學(xué)問題,要融合反應(yīng)原理、物質(zhì)結(jié)構(gòu)、化學(xué)實驗以及多學(xué)科知識構(gòu)建思維模型,解決實際問題.

圖1 氮元素及其化合物的“價—類”二維圖

3.1 從物質(zhì)分類觀建立知識結(jié)構(gòu)實現(xiàn)多點結(jié)構(gòu)水平

物質(zhì)分類是我們認識物質(zhì)的前提.通過對氮及其化合物進行分類學(xué)習(xí),了解氨水是一種包含三分子(NH3、NH3?H2O、H2O)、三離子的混合物.在純凈物的分類中,以單質(zhì)(N2)、氧化物(NO、NO2)、氫 化 物(NH3、N2H4)、酸(HNO2、HNO3)、堿(NH3?H2O)、鹽[NH4Cl、NH4NO3、(NH4)2CO3]等對氮及其化合物的性質(zhì)進行統(tǒng)一的認識.結(jié)合化合價知識,以N 元素為＋2價的物質(zhì)(NO)為中心,N 元素化合價降低可以被還原成0價的N2,N2與H2反應(yīng),N 元素化合價進一步降低為－3 價(NH3).N 元素化合價也可以升高被氧化成＋4 價(NO2),NO2遇H2O 發(fā)生歧化反應(yīng)生成NO 和HNO3(氮元素為＋5 價).稀HNO3的還原產(chǎn)物為NO,濃HNO3的還原產(chǎn)物為NO2.這樣把氮元素及其化合物的性質(zhì)知識串聯(lián)起來,構(gòu)建知識框架,實現(xiàn)從單點結(jié)構(gòu)水平到多點結(jié)構(gòu)水平的發(fā)展.

例1(2023年北京卷4)下列事實能用平衡移動原理解釋的是( ).

A.H2O2溶液中加入少量Mn O2固體,促進H2O2分解

B.密閉燒瓶內(nèi)的NO2和N2O4的混合氣體,受熱后顏色加深

C.鐵釘放入濃HNO3中,待不再變化后,加熱能產(chǎn)生大量紅棕色氣體

D.鋅片與稀H2SO4反應(yīng)過程中,加入少量Cu SO4固體,促進H2的產(chǎn)生

催化劑影響化學(xué)反應(yīng)速率而不影響平衡移動,選項A 不符合題意.密閉燒瓶內(nèi)NO2和N2O4的混合氣體存在平衡:2 NO2?N2O4ΔH＜0,升溫后平衡逆向移動,混合氣體顏色加深,選項B 符合題意.常溫下Fe遇濃HNO3發(fā)生鈍化,無明顯現(xiàn)象,加熱后表面氧化膜溶解,Fe與濃硝酸反應(yīng)生成紅棕色氣體NO2,與化學(xué)平衡無關(guān),選項C不符合題意.鋅片與稀H2SO4反應(yīng)過程中,加入少量CuSO4固體,鐵置換銅形成無數(shù)個微小的原電池,加快反應(yīng)速率,與化學(xué)平衡無關(guān),選項D 不符合題意.答案為B.

3.2 融合物質(zhì)結(jié)構(gòu)知識認識物質(zhì)的性質(zhì)實現(xiàn)關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)水平

物質(zhì)結(jié)構(gòu)決定性質(zhì).N2分子結(jié)構(gòu)中氮氮三鍵的鍵能高,故N2穩(wěn)定.NH3的中心原子采用sp3雜化,分子構(gòu)型為三角錐形,是極性分子,H2O 是極性溶劑.另外,NH3的中心原子存在一個孤電子對,使NH3成為常見的配體,如可以和 Cu2＋生成深藍色的配離子,用于Cu2＋的檢驗.

例2(2023年全國新課標卷12)“肼合成酶”以其中的Fe2＋配合物為催化中心,可將NH2OH 與NH3轉(zhuǎn)化為肼(NH2NH2),其反應(yīng)歷程如圖2所示.下列說法錯誤的是( ).

圖2

A.NH2OH、NH3和H2O 均為極性分子

B.反應(yīng)涉及N—H、N—O 鍵斷裂和N—N 鍵生成

C.催化中心的Fe2＋被氧化為Fe3＋,后又被還原為Fe2＋

D.將 NH2OH替換為ND2OD,反應(yīng)可得ND2ND2

NH2OH 的中心原子采用sp3雜化,3 個雜化軌道分別連接2個H 原子和1個羥基,形成三角錐形,NH3也為三角錐形,H2O 為V 形,3種分子都是極性分子,選項A 說法正確.通過觀察反應(yīng)歷程圖發(fā)現(xiàn),反應(yīng)涉及N—H、N—O 鍵斷裂和N—N鍵生成,選項B 說法正確.過程中第二步存在鐵失去電子被氧化成Fe3＋,第四步中Fe3＋得到電子成為Fe2＋,選項C說法正確.根據(jù)歷程圖知,將NH2OH 替換為ND2OD 可以得到ND2NH2,選項D 說法錯誤.答案為D.

3.3 融合多學(xué)科知識建立物質(zhì)的轉(zhuǎn)化觀達到拓展抽象水平

以N2→NH3→NO→N2O3→NO2→N2O5→HNO3為主線形成物質(zhì)變化觀.在復(fù)習(xí)N2合成NH3的工業(yè)流程時,融合化學(xué)物質(zhì)結(jié)構(gòu)、反應(yīng)原理、化學(xué)實驗、化工生產(chǎn)設(shè)計、生產(chǎn)成本、環(huán)境保護、社會因素等多模塊、多學(xué)科知識.探究合成氨反應(yīng)原理,合成氨工藝最佳條件,以及合成氨化工生產(chǎn)設(shè)計的評價與改進等開放性問題,提升學(xué)生拓展抽象水平.

例3(2023年6月浙江卷17,節(jié)選)氮的化合物種類繁多,應(yīng)用廣泛.與碳氫化合物類似,N、H 兩元素之間也可以形成氮烷、氮烯.

①下列說法不正確的是_________.

A.能量最低的激發(fā)態(tài)N 原子的電子排布式:1s22s12p33s1

B.化學(xué)鍵中離子鍵成分的百分數(shù):Ca3N2＞Mg3N2

C.最簡單的氮烯分子式:N2H2

D.氮烷中N 原子的雜化方式都是sp3

②氮和氫形成的無環(huán)氨多烯,設(shè)分子中氮原子數(shù)為n,雙鍵數(shù)為m,其分子式通式為_________.

①能量最低的激發(fā)態(tài)N 原子應(yīng)該是2p 能級上的1個電子躍遷到3s能級,其電子排布式:1s22s22p13s1,選項A 說法錯誤.電負性Ca＜Mg,Ca3N2中離子鍵成分更高,選項B說法正確.最簡單的氮烯結(jié)構(gòu)簡式為NH==NH,分子式為N2H2,選項C說法正確.氮烷中N 原子的雜化方式都是sp3,選項D正確.②融合數(shù)學(xué)知識首先分析氮烷的分子式,以NH3為例,每個N 原子連接3個H 原子,氮烷中每增加1個N 原子,減少2個H 原子.故n個N 原子結(jié)合3n－2(n－1)個H,即氮烷分子式為NnHn＋2,每形成1個雙鍵少2個H,故分子式通式為NnHn＋2－2m(m≤,m為正整數(shù)).

4 結(jié)束語

SOLO 分類理論下,建立“價—類”二維圖,設(shè)置進階目標.從化合價和物質(zhì)的分類角度認識物質(zhì),同時融合其他知識模塊、其他學(xué)科知識,使氮及其化合物這部分知識系統(tǒng)化、結(jié)構(gòu)化.在此基礎(chǔ)上引導(dǎo)學(xué)生獨立思考,促進學(xué)生學(xué)習(xí)方式的改變,整體提升一輪復(fù)習(xí)的效果.

(完)