高中化學(xué)解題中建模思想的有效運(yùn)用研究

沈?qū)毴A

(福建省寧德市民族中學(xué),福建 寧德 355000)

模型是對實(shí)際問題的抽象和簡化,每個(gè)模型都有自己的適用范圍和條件[1].化學(xué)是一門抽象的學(xué)科,化學(xué)問題的復(fù)雜性和抽象性使學(xué)生往往難以直觀地理解和掌握,因此,模型認(rèn)知在化學(xué)學(xué)習(xí)中的應(yīng)用是非常重要的.模型認(rèn)知思維可以幫助學(xué)生將抽象的化學(xué)概念轉(zhuǎn)化為具體的形象,從而更好地理解和應(yīng)用化學(xué)知識,高中化學(xué)中,模型認(rèn)知是學(xué)生必須培養(yǎng)的核心素養(yǎng)[2].

1 建模思想在高中化學(xué)中的有效運(yùn)用

化學(xué)模型對于解題具有十分重要的作用,下面選取兩個(gè)模型,結(jié)合理論和實(shí)證進(jìn)行分析.

1.1 “工業(yè)生產(chǎn)和流程綜合推斷”模型運(yùn)用研究

以工業(yè)生產(chǎn)為背景考查知識點(diǎn),具有信息量多、綜合度高的特征,對考生的提取信息能力、分析信息能力以及歸納能力和問題解決能力提出了更高的要求.該類題多以流程圖或文字表述的形式呈現(xiàn),核心的問題是“物質(zhì)的轉(zhuǎn)化” 與 “物質(zhì)的分離”,考查的知識點(diǎn)多涉及物質(zhì)間轉(zhuǎn)化、物質(zhì)與能量的轉(zhuǎn)化、對物質(zhì)轉(zhuǎn)化的控制、物質(zhì)的分離方法以及一些定量問題.對該類題搭建模型,可以幫助學(xué)生理順?biāo)悸?其具體模型如圖1所示.

圖1 “工業(yè)生產(chǎn)和流程綜合推斷”模型圖

例1高純六水氯化鍶晶體可作有機(jī)合成的催化劑.工業(yè)上用難溶于水的碳酸鍶粉末為原料(含少量碳酸鋇、氧化亞鐵、二氧化硅等雜質(zhì))制備高純六水氯化鍶晶體,其過程如圖2所示.

圖2 高純六水氯化鍶晶體(SrCl2·6H2O)制備流程圖

已知:

Ⅰ.溫度為25 ℃時(shí),氫氧化鐵的Ksp[Fe(OH)3]=1.0×10-38,氫氧化亞鐵的Ksp[Fe(OH)2]=1.0×10-16.

Ⅱ．在溫度為61 ℃時(shí),高純六水氯化鍶晶體會(huì)逐漸開始失去結(jié)晶水.

請回答以下問題:

(1)以SrSO4為主要成分的天青石,在經(jīng)過多個(gè)步驟的反應(yīng)之后,才能制備得到工業(yè)碳酸鍶.該過程的第一步是天青石和過量的焦炭反應(yīng)被還原為硫化鍶,反應(yīng)條件為隔絕空氣并微波加熱,請寫出該反應(yīng)的化學(xué)方程式____.

(2)在圖2的制備流程圖中,①步驟是工業(yè)碳酸鍶的粉碎步驟,并且將粉碎之后的工業(yè)碳酸鍶加水配置為漿液,小明認(rèn)為該步驟是為了加快反應(yīng)步驟的進(jìn)行,理由是____.

(3)在工業(yè)碳酸鍶的漿液中加入了工業(yè)鹽酸,并且得到了鍶元素的浸出率和溫度以及時(shí)間的關(guān)系,具體信息如圖3所示.

圖3 浸出溫度、時(shí)間對鍶浸出率的影響

根據(jù)圖3,可以得出合適的工業(yè)生產(chǎn)條件為____.

(4)步驟③中所得的濾渣主要成分,除氫氧化鐵之外,還有____(請?zhí)顚懳镔|(zhì)的化學(xué)式);當(dāng)溫度為 25℃,若要使Fe3+沉淀完全,則需要將溶液的pH調(diào)整為____(當(dāng)某一離子的濃度降至1.0×10-5mol/L時(shí),則可認(rèn)為該離子已經(jīng)沉淀完全).

(5)下列以下說法, ____是正確的.

A．步驟⑤在對SrCl2·6H2O晶體進(jìn)行干燥時(shí),可以采用減壓干燥的方法

B．在步驟④中,當(dāng)進(jìn)行冷卻結(jié)晶時(shí),應(yīng)通入HCl氣體

(6)如果需要獲得無水氯化鍶產(chǎn)品,則必須對高純六水氯化鍶晶體(SrCl2·6H2O)(M=267 g·mol-1)進(jìn)行脫水處理.脫水過程首先需要在170 ℃溫度下進(jìn)行預(yù)脫水處理,此時(shí)高純六水氯化鍶晶體的失重達(dá)到33.7%,則經(jīng)過預(yù)脫水后,產(chǎn)物的化學(xué)式應(yīng)為____.

小結(jié)對于一個(gè)完整的無機(jī)化工生產(chǎn),其通常具有的流程如圖4所示.在進(jìn)行該類題型的求解時(shí),要結(jié)合模型,對五大步驟進(jìn)行分析,從大量的信息中梳理出來相關(guān)的信息.而后運(yùn)用已學(xué)知識進(jìn)行求解.

圖4 無機(jī)化工生產(chǎn)流程圖

1.2 “蓋斯定律”模型運(yùn)用研究

運(yùn)用“蓋斯定律”進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算的模型如圖5所示.

圖5 “蓋斯定律”模型圖

例2甲烷(CH4)與二氧化碳(CO2)重整是二氧化碳利用的研究熱點(diǎn)之一.該重整反應(yīng)體系主要涉及以下反應(yīng):

根據(jù)蓋斯定律,反應(yīng)a的ΔH1=____(寫出一個(gè)代數(shù)式即可).

解析根據(jù)模型進(jìn)行分析.目標(biāo)反應(yīng)式為a,然后對其他反應(yīng)式進(jìn)行變換消元,可以得出a=b+c-e=c-d.根據(jù)蓋斯定律則有ΔH1=ΔH2+ΔH3-ΔH5=ΔH3-ΔH4.

小結(jié)對于該類題型,要結(jié)合模型流程進(jìn)行分析.首先要確定需要研究的反應(yīng),確定其中反應(yīng)物和生成物的狀態(tài)和化學(xué)計(jì)量數(shù)關(guān)系;然后再進(jìn)行“消元加減”處理.

2 結(jié)束語

建模思維對高中學(xué)習(xí)至關(guān)重要,模型的運(yùn)用可以將做題步驟流程化,降低題目的分析難度.然而,在化學(xué)學(xué)習(xí)的啟蒙階段,學(xué)生對于抽象概念的理解能力有限,模型認(rèn)知思維的培養(yǎng)難度較大.因此,教師需要根據(jù)學(xué)生的認(rèn)知水平和學(xué)習(xí)能力,采用適當(dāng)?shù)慕虒W(xué)方法和策略,激發(fā)學(xué)生的興趣和好奇心,培養(yǎng)他們的模型認(rèn)知思維能力.教師可以通過引導(dǎo)學(xué)生觀察、實(shí)驗(yàn)、探索和討論,幫助他們建立起化學(xué)模型.同時(shí),教師還應(yīng)該將宏觀和微觀結(jié)合起來,引導(dǎo)學(xué)生從宏觀現(xiàn)象中推導(dǎo)出微觀模型,從而加深對化學(xué)知識的理解.