高中化學(xué)解題中建模思想的應(yīng)用

楊清華

摘 要：化學(xué)是高中教育重點(diǎn)學(xué)科之一，知識點(diǎn)眾多，學(xué)習(xí)難度較大，且所涉及的知識點(diǎn)較為分散，因此，大部分學(xué)生在解題時都會存在解題思維混亂、解題耗費(fèi)時間過長等問題.針對此普遍的問題現(xiàn)象，教師應(yīng)注重對學(xué)生證據(jù)推理與模型認(rèn)知等核心素養(yǎng)能力的培養(yǎng)，進(jìn)而有效強(qiáng)化學(xué)生的化學(xué)解題能力.建模思想作為培養(yǎng)學(xué)生證據(jù)推理與模型認(rèn)知的有效途徑之一，合理應(yīng)用建模思想能夠幫助學(xué)生提高化學(xué)解題效率與準(zhǔn)確率.鑒于此，本文主要分析與研究高中化學(xué)解題中建模思想的應(yīng)用.

關(guān)鍵詞：高中；化學(xué)；解題；建模思想

中圖分類號：G632?? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A?? 文章編號：1008-0333（2024）07-0134-03

高中化學(xué)課程主要以實(shí)驗(yàn)探究為核心，這便導(dǎo)致化學(xué)知識點(diǎn)較為零散，學(xué)生在熟記和運(yùn)用知識點(diǎn)時容易出現(xiàn)概念混淆、遺忘等現(xiàn)象，且高中化學(xué)考題題目大多十分復(fù)雜，若學(xué)生知識點(diǎn)掌握不牢靠，很容易找不到解題突破口，導(dǎo)致解題失敗或錯誤.對此，建模思想的合理應(yīng)用能夠幫助學(xué)生有效提煉化學(xué)考題題目信息，達(dá)到化簡難題的目的，并拓展學(xué)生的邏輯思維，進(jìn)而提高學(xué)生的化學(xué)解題能力.基于此，開展高中化學(xué)解題中建模思想的應(yīng)用研究具有一定的教育價值與現(xiàn)實(shí)意義.

1 建模思想下氧化還原模型在高中化學(xué)解題中的應(yīng)用

氧化還原反應(yīng)是高中化學(xué)知識點(diǎn)中的核心組成部分，從知識點(diǎn)概念來源分析，氧化還原反應(yīng)是根據(jù)化學(xué)反應(yīng)原理、事實(shí)抽象出來的概念，其概念包含氧化劑、被氧化、氧化性、氧化產(chǎn)物、還原劑、被還原、還原性以及還原產(chǎn)物[1].基于建模思想下的氧化還原反應(yīng)模型構(gòu)建，能夠有效幫助學(xué)生分析相關(guān)氧化還原反應(yīng)概念形成過程中的邏輯關(guān)系，進(jìn)而使學(xué)生能夠更為精準(zhǔn)地判斷哪些是氧化劑、還原劑、氧化產(chǎn)物以及還原產(chǎn)物.

例1 現(xiàn)有100 mL 6? mol/L的氫氧化鈉溶液，該溶液剛好能夠和一定量的氯氣完全反應(yīng).反應(yīng)產(chǎn)物可能有NaClO3、NaClO、NaCl，其中NaClO3的物質(zhì)的量濃度與溫度高低密切相關(guān)，則下列哪個選項(xiàng)的說法是正確的（? ）.

A.反應(yīng)后溶液中c（Cl-）∶c（ClO-）∶c（ClO-3）=6∶6∶1

B.被氫氧化鈉溶液吸收的氯氣的物質(zhì)的量為0.3? mol

C.反應(yīng)中轉(zhuǎn)移的電子的物質(zhì)的量可能為0.4? mol

D.反應(yīng)后溶液中c（NaCl）≤0.5? mol/L

解析 利用數(shù)學(xué)建模思想，分析題意和已知條件，能夠構(gòu)建相應(yīng)的氧化還原反應(yīng)模型.設(shè)NaCl、NaClO、NaClO3的物質(zhì)的量分別為a mol、b mol、c mol，由于反應(yīng)產(chǎn)物中并沒有NaOH，參照電子守恒定律能夠得出b+5c=a，參照鈉元素守恒，能夠得出0.6（NaOH）=a（NaCl）+b（NaClO）+c（NaClO3），即a+b+c=6 mol/L×0.1 L=0.6 mol.故A選項(xiàng)說法不符合電子守恒定律，A 選項(xiàng)錯誤.根據(jù)生成物可知，鈉原子和氯原子的個數(shù)比為1∶1，被氫氧化鈉溶液吸收的氯氣的物質(zhì)的量為0.6 mol/2=0.3 mol，故B選項(xiàng)說法正確.該反應(yīng)中還原產(chǎn)物為NaCl，如果轉(zhuǎn)移電子的物質(zhì)的量為0.4 mol，即產(chǎn)生0.4 mol的NaCl，a=0.4 mol，通過代入計(jì)算能夠得出b=0.15 mol，c=0.05 mol，故C選項(xiàng)說法正確.若反應(yīng)產(chǎn)物中NaClO3越多，NaCl的物質(zhì)的量也就越多，若反應(yīng)產(chǎn)出中只有NaCl和NaClO3時，NaCl的物質(zhì)的量會最多，即a=5c，a+c=0.6 mol，所以a=0.5 mol，即NaCl物質(zhì)的量濃度為5 mol/L，所以D選項(xiàng)說法錯誤[2].答案為B、C.

2 建模思想下晶體模型在高中化學(xué)解題中的應(yīng)用

在高中化學(xué)題目中，晶體相關(guān)知識屬于重要的知識內(nèi)容，而晶體類型的題目也十分常見.基于晶體知識的特殊性，學(xué)生需要在實(shí)際解題過程中具有一定的空間分析能力與邏輯思維能力，從而有效保障在分析各類晶體題目時的精準(zhǔn)性、全面性以及合理性，了解題目意圖并充分利用所謂條件實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)、高效的解題效果.在此方面，學(xué)生應(yīng)當(dāng)給予建模思想構(gòu)建與題目內(nèi)容相對應(yīng)的晶體模型，以晶體模型入手，分析晶體結(jié)構(gòu)并細(xì)化晶體結(jié)構(gòu)，充分挖掘晶體結(jié)構(gòu)中有價值的信息或條件，為晶體題目的順利解答提供重要依據(jù).

例2 在探究晶體結(jié)構(gòu)中，X射線衍射法是較為常用的方法之一，[MxFey（CN）z]是一種藍(lán)色晶體，在其結(jié)構(gòu)中Fe3+與Fe2+位于晶體結(jié)構(gòu)的頂點(diǎn)位置且不互相鄰，棱上是CN-，該晶體結(jié)構(gòu)中陰離子晶胞結(jié)構(gòu)如圖1所示，陰離子晶胞結(jié)構(gòu)圖[3].請問下列選項(xiàng)正確的是（? ）.

A.晶體化學(xué)式為MFe2（CN）2，其中M為+1價

B.M離子在立方體體心位置，M為+1價

C.M離子在立方體面心位置，M為+2價

D.該晶體屬于原子晶體

解析 通過對題目分析，能夠發(fā)現(xiàn)該結(jié)構(gòu)內(nèi)存在陰離子與陽離子，因此該晶體類型為離子晶體，故選項(xiàng)D錯誤；通過對題干中所給出的晶體結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行分析，能夠發(fā)現(xiàn)Fe3+與Fe2+的位置在晶體結(jié)構(gòu)頂點(diǎn)位置且其對應(yīng)的個數(shù)為12、CN-位于晶體棱上，其對應(yīng)的個數(shù)為3，通過上述結(jié)果能夠得知CN-、Fe、M之間的個數(shù)比為6：2：x，基于晶體化合價分析，陰離子所攜帶的負(fù)電荷數(shù)量為2+3+（-6）=-1，進(jìn)而得出該晶體化學(xué)式為MFe2（CN）6，解的x等于1且M的化合價為+1價，故選項(xiàng)C錯誤；由于亞鐵離子和鐵離子的個數(shù)為12，說說明每兩個晶胞存在一個M+，故選項(xiàng)B錯誤.正確選項(xiàng)為A[4].

2 建模思想下溶解平衡模型在高中化學(xué)解題中的應(yīng)用

高中化學(xué)題目中，溶解平衡相關(guān)題目屬于較為常見的題目類型之一，同時此方面的知識有一定難度，因此溶解平衡相關(guān)題目是學(xué)生解題中的重難點(diǎn).高中化學(xué)知識中所涉及的溶液類型十分復(fù)雜且多樣，以各溶液為基礎(chǔ)的化學(xué)反應(yīng)眾多，導(dǎo)致學(xué)生在解析高中化學(xué)溶解平衡相關(guān)題目時，往往因無法選擇正確的解題方式而致使解題過程中出現(xiàn)錯誤.為此，需要引導(dǎo)學(xué)生基于建模思想構(gòu)建相應(yīng)的溶解平衡模型，以溶解平衡模型為切入點(diǎn)，對題干內(nèi)容、問題進(jìn)行全面分析，以此提高學(xué)生在解答溶解平衡相關(guān)題目時的準(zhǔn)確率與速度.

例2 將部分硫化物加入至廢水后能夠得到ZnS、CuS的納米粒子.在常溫條件下，硫化氫（H2S）的Ka1=1.3×10-7，Ka2=7.1×10-15，當(dāng)溶液處于平衡狀態(tài)時，溶液中離子濃度關(guān)系如圖1所示，某溶液平衡狀態(tài)下的離子濃度關(guān)系.下列表達(dá)中錯誤的是（? ）.圖1 某溶液平衡狀態(tài)時的離子濃度關(guān)系圖

B.向p的溶液中添加少許Na2S固體，溶液組成會從p向q移動

C.a點(diǎn)的CuS溶液為不飽和溶液

D.Ksp（CuS）的數(shù)量級為10-37

解析 結(jié)合題目中所給條件與平衡常數(shù)進(jìn)行計(jì)算，可以發(fā)現(xiàn)平衡常數(shù)為30，客觀來講該數(shù)值并不大，同時反應(yīng)沒有趨于完全，故選項(xiàng)A錯誤；在p點(diǎn)時將Na2S固體添加至溶液中，會導(dǎo)致溶液內(nèi)的c（S2-）增大，此時溶液中c（Cu2+）降低，故選項(xiàng)B正確；基于溶解平衡模型開展分析，可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)c（Cu2+）=10-18 mol/L時，c（S2-）=10-18.3，因此Ksp（CuS）=c（S2-）×c（Cu2+）=10-36.3，其數(shù)量級為10-37，故選項(xiàng)D正確；結(jié)合選項(xiàng)D對選項(xiàng)C進(jìn)行分析，a點(diǎn)時Cu2+、S2-的離子濃度

積小于Ksp（CuS），能夠得知此時溶液為不飽和狀態(tài)，故選項(xiàng)C正確[3].答案為A.

3 建模思想下原電池模型在高中化學(xué)解題中的應(yīng)用

原電池類型考題是高中化學(xué)的難點(diǎn)部分，在原電池解題過程中普遍會用到眾多知識.為了有效簡化該部分考題的難題可以利用建模思想，構(gòu)建出相應(yīng)的化學(xué)模型，進(jìn)而幫助學(xué)生梳理解題思路，找準(zhǔn)解題突破口.

例3 鋰水電池工作原理如圖2所示，該鋰水電池屬于新型可控電池，請問下列四個選項(xiàng)中說法錯誤的是（? ）.圖2 鋰水電池工作原理

A.碳極發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)為：

2H2O+2e-H2↑+2OH-

B.有機(jī)電解質(zhì)與水溶液之間并不能實(shí)現(xiàn)互換

C.標(biāo)準(zhǔn)狀況下，產(chǎn)生22.4 L氫氣需要正極消耗14 g的鋰

D.該裝置能夠在提供電能的基礎(chǔ)上，獲得清潔氫氣

解析 根據(jù)圖2鋰水電池工作原理分析，能夠構(gòu)建出相應(yīng)的原電池模型，碳極上有氫氣形成，為正極，發(fā)生還原反應(yīng)，其相應(yīng)的電極反應(yīng)式為：2H2O+2e-H2↑+2OH-，所以，A選項(xiàng)的說法正確[4].鋰和水產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，生成氫氧化鋰與氫氣，鋰與有機(jī)電解質(zhì)并不能發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，所以，其兩者之間無法互換，B選項(xiàng)說法正確.結(jié)合鋰與水之間反應(yīng)的化學(xué)方程式能夠判斷鋰電極為負(fù)極，若在標(biāo)準(zhǔn)狀況下氫氣為22.4 L，則鋰的消耗量應(yīng)為14 g，所以，C選項(xiàng)的說法錯誤.根據(jù)圖示中的裝置分析，該裝置可以產(chǎn)生電能與氫氣，所以，D選項(xiàng)說法是正確的.答案為C.

4 建模思想下核外電子排布模型在高中化學(xué)解題中的應(yīng)用

在高中化學(xué)知識點(diǎn)中，核外電子排布相關(guān)知識能夠幫助學(xué)生發(fā)現(xiàn)并了解微觀世界，而微觀世界是學(xué)生在日常生活中無法通過肉眼進(jìn)行直接觀察的.因此學(xué)生在學(xué)習(xí)核外電子排布相關(guān)知識時，往往存在因知識內(nèi)容過于抽象而導(dǎo)致學(xué)習(xí)效果不佳的情況，進(jìn)而對順利解答核外電子排布相關(guān)化學(xué)問題造成阻礙.為此，需要結(jié)合實(shí)際情況引導(dǎo)學(xué)生以建模思想，構(gòu)建具體的核外電子排布模型，將抽象內(nèi)容具體化，以模型呈現(xiàn)微觀事物，從而幫助學(xué)生更好地解析核外電子排布相關(guān)的化學(xué)問題.

例4 相關(guān)研究表明，核外電子所帶有的能量會直接受到電子能級與所在電子層數(shù)的影響.核外電子所帶有的能量還會在一定程度上受核電荷數(shù)、核外電子數(shù)目的影響.硫離子與氬原子的核外電子排布相同，均為1s22s22p63s23p6，請問下述選項(xiàng)正確的是（? ）.

A.氬原子與硫離子都屬于8電子的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，故二者之間具有相同的化學(xué)性質(zhì)

B.若產(chǎn)生電子躍遷現(xiàn)象時，硫離子與氬原子會產(chǎn)生不同的光譜

C.在3p能級中，硫離子與氬原子的電子到原子核距離相同

D.在1s能級中，硫離子與氬原子的電子具有相同能量

解析 在實(shí)際解析前，學(xué)生應(yīng)當(dāng)根據(jù)題目內(nèi)容構(gòu)建核外電子排布模型，并基于模型對四個選項(xiàng)逐一分析.硫離子在得到電子后才會形成最外層電子數(shù)量為8的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，但其失電子能力強(qiáng)，所以硫離子與氬原子之間的還原性不同，故選項(xiàng)A錯誤；電子躍遷過程中所形成的光譜會受到電子能量的影響，不同的電子能量會形成不同的光譜，硫離子與氬原子雖然電子分布相同，但其核電荷數(shù)不同，所以電子能量不同，故選項(xiàng)B正確，選項(xiàng)D錯誤；在3p能級中，由于氬原子的核電荷數(shù)大，因此與硫離子相比，氬原子具有更強(qiáng)的吸引電子能力，所以其電子距離原子核更近，故選項(xiàng)C錯誤[5].答案為B.

5 結(jié)束語

綜上所述，建模思想是構(gòu)建化學(xué)模型的基礎(chǔ)，合理應(yīng)用建模思想能夠有效簡化化學(xué)考題難度，使化學(xué)考題變得簡單化、具體化以及模塊化，進(jìn)而達(dá)到培養(yǎng)學(xué)生證據(jù)推理與模型認(rèn)知能力的目的，并以此提高學(xué)生的解題能力.

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