邏輯推理圖示在高中化學(xué)分析計算題中的實踐

張浩 包朝龍

摘要：邏輯推理能力是智力的重要組成成分。在分析計算題中，應(yīng)用圖示的手段，使抽象、隱藏的內(nèi)容形象化、顯現(xiàn)化，有助于提高學(xué)生的邏輯推理能力。

關(guān)鍵詞：邏輯推理圖示；分析計算題；實踐

文章編號：1008-0546（2016）05-0008-03 中圖分類號：G632.41 文獻標識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2016.05.003

推理是指人在頭腦中根據(jù)已有的判斷，經(jīng)過分析與綜合的作用，引出新判斷的過程，是思維的一種形式。它和其它思維形式一樣，也有內(nèi)容和形式兩個方面，形式或結(jié)構(gòu)正確的推理叫邏輯推理，形式或結(jié)構(gòu)不正確的推理叫不合邏輯的推理，一般研究所指的推理能力即為邏輯推理能力。邏輯推理能力是個體智力的核心成分，美國心理學(xué)家L·M·推孟認為個體的智力與他的邏輯推理能力成正比[1]；法國心理學(xué)家A.比奈也把智力解釋為“正確的判斷，透徹的理解，適當?shù)耐评淼哪芰Α薄?/p>

邏輯推理能力是智力的重要組成成分。研究者普遍認為抽象思維能力或邏輯推理能力是影響化學(xué)學(xué)業(yè)成就的關(guān)鍵。圖示，可以清晰、直觀、明了地將思維過程呈現(xiàn)出來，利于激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣、突破教學(xué)難點[2]。本文以幾個分析計算題為例，探索邏輯推理圖示在高中化學(xué)教學(xué)中的實踐。

例題1：化合物A由N、H兩種元素組成，0.01mol A與足量CuO充分反應(yīng)生成紅色Cu的同時，生成了0.36g水和標準狀況下的體積為0.224L的N2。則化合物A的化學(xué)式為 。

分析：由0.36g水可以推出0.01mol A中氫元素的物質(zhì)的量；標準狀況下0.224L的N2可以推出0.01mol A中氮元素的物質(zhì)的量；又因為化合物A由N、H兩種元素組成，綜合可以推出A的化學(xué)式。其思維過程可用如右圖示：

0.36g H2O？圯0.04mol H

標準狀況下0.224L N2？圯0.02mol N ？圯A為N2H4

化合物A由N、H兩種元素組成，0.01mol A

點評：本題采用元素守恒法解決問題，思路清晰，一目了然。

例題2：某興趣小組的同學(xué)對化合物A進行組成分析，確定A中僅含有O、K、Fe三種元素。取3.96g化合物A的粉末溶于水，滴加足量的稀硫酸，向反應(yīng)后的溶液中加入含有0.08mol KOH的溶液，恰好完全反應(yīng)。過濾，將洗滌后的沉淀充分灼燒，得到紅棕色固體粉末1.60g；將所得濾液在一定條件下蒸發(fā)可得到一種純凈的不含結(jié)晶水的鹽10.44g。則化合物A的化學(xué)式為 。

分析：結(jié)合元素化合物的知識與題設(shè)（加入KOH溶液，過濾、洗凈、灼燒），可知題設(shè)中紅棕色固體粉末為Fe2O3，其質(zhì)量為1.60g，據(jù)此可以推出3.96g化合物A中含有的鐵元素的物質(zhì)的量；結(jié)合元素化合物的知識與題設(shè)（滴加稀硫酸），可知題設(shè)中一種純凈的不含結(jié)晶水的鹽為K2SO4，其質(zhì)量為10.44g，據(jù)此可以推出總的鉀元素的物質(zhì)的量，減去加入的0.08mol K，推出3.96g化合物A中含有的鉀元素的物質(zhì)的量；又因為A中僅含有O、K、Fe三種元素，綜上所述，可以推出3.96g化合物A中含有的氧元素的物質(zhì)的量。最后，結(jié)合元素化合價及化學(xué)式書寫規(guī)則，推出A的化學(xué)式。其思維過程可用如下圖示：

點評：例題1關(guān)注兩種元素，一步反應(yīng)，未知化合物的物質(zhì)的量已知，而例題2則關(guān)注三種元素，三步反應(yīng)，未知化合物的物質(zhì)的量不可確定。例題1、2的共同特點是均不必書寫出相關(guān)化學(xué)方程式，只需根據(jù)元素守恒思想進行邏輯推理。

例題3：將含有Mg、Al、Fe的合金15.5g放入足量的NaOH溶液中，在標準狀況下收集到3.36L氣體；再將等質(zhì)量的該合金加入到足量的稀H2SO4溶液中，在標準狀況下收集到12.32L氣體，繼續(xù)在該溶液中加入足量的NaOH溶液并久置，理論上產(chǎn)生沉淀的質(zhì)量為 。

分析：Mg、Al、Fe的合金中，只有Al和NaOH溶液反應(yīng)放出H2，據(jù)此，可以根據(jù)標準狀況下3.36L氣體（H2）及Al與H2的計量關(guān)系，推出Al的物質(zhì)的量；等質(zhì)量的該合金加入到足量的稀H2SO4溶液中，Mg、Al、Fe都會和稀硫酸反應(yīng)放出H2，據(jù)此，可以根據(jù)標準狀況下12.32L氣體（H2）及Mg、Al、Fe分別與H2的計量關(guān)系，推出一個包含Mg、Al、Fe的物質(zhì)的量的方程；Mg、Al、Fe的合金質(zhì)量為15.5g，還可以推出一個包含Mg、Al、Fe的物質(zhì)的量的方程；綜上所述，可推出Mg、Fe的物質(zhì)的量，進一步推出最后的數(shù)據(jù)，即氫氧化鎂與氫氧化鐵的質(zhì)量和。本題還需注意的是，“久置”二字推出的是鐵元素對應(yīng)的氫氧化物為氫氧化鐵，而非氫氧化亞鐵。其思維過程可用如下圖示：

點評：本題的特點是涉及的反應(yīng)都是學(xué)生熟悉的元素化合物知識。在眾多化學(xué)方程式面前，要理清其定量關(guān)系，采用圖示顯然方便、快捷和準確。如此邏輯推理過程的呈現(xiàn)利于培養(yǎng)學(xué)生化學(xué)學(xué)科素養(yǎng)。

例題4：向27.2gCu、Cu2O和CuO的混合物中加入某濃度的稀硝酸0.5L，固體物質(zhì)完全反應(yīng)，生成NO和Cu（NO3）2。在所得溶液中加入1.0 mol·L-1 NaOH溶液1.0L，此時溶液呈中性，銅離子已完全沉淀，沉淀質(zhì)量為39.2g。下列有關(guān)說法不正確的是（ ）

A.原混合物中，Cu和O的物質(zhì)的量之比為4：1

B.稀硝酸的物質(zhì)的量濃度為2.6 mol·L-1

C.產(chǎn)生的NO在標準狀況下的體積為4.48L

D.Cu、Cu2O和CuO與硝酸反應(yīng)后剩余HNO3為0.2mol

分析：根據(jù)Cu（OH）2的質(zhì)量可以推出原混合物中銅元素的總的物質(zhì)的量，結(jié)合原混合物的質(zhì)量，可以推出原混合物中氧元素的總的物質(zhì)的量；根據(jù)第一步求出的銅元素的總的物質(zhì)的量，推出與銅離子反應(yīng)的NaOH的物質(zhì)的量，結(jié)合NaOH的總的物質(zhì)的量，可以推出與HNO3反應(yīng)的NaOH的物質(zhì)的量，即Cu、Cu2O和CuO與硝酸反應(yīng)后剩余HNO3的物質(zhì)的量；根據(jù)第一步的結(jié)論，設(shè)原混合物中Cu、Cu2O和CuO的物質(zhì)的量分別為a mol、b mol、c mol，根據(jù)銅元素、氧元素守恒列兩個方程，約掉c，再結(jié)合得失電子守恒，推出產(chǎn)生的NO的物質(zhì)的量；根據(jù)第三步求出的NO的物質(zhì)的量，結(jié)合最后溶液中Na+與NO3-等物質(zhì)的量，可以推出總的HNO3的物質(zhì)的量，結(jié)合原稀硝酸的體積，最終推出原稀硝酸的物質(zhì)的量濃度。其思維過程可用如下圖示：

點評：本題圖示分析過程主要目的是為了使學(xué)生在鞏固元素化合物知識的同時，特別讓學(xué)生加深對元素守恒、得失電子守恒等思想的理解，在教學(xué)過程中和學(xué)生一起分步、分臺階的感受邏輯推理的魅力。

例題5：某溶液中可能含有Cl-、SO42-、CO32-、NH4+、Fe3+、A13+、K+，進行如下實驗：

（1）取該溶液100mL，加入過量NaOH溶液，加熱，得到0.01mol氣體，同時產(chǎn)生紅褐色沉淀；過濾，將沉淀洗滌、灼燒，得到0.8g固體；

（2）向（1）的濾液中通入足量CO2，過濾，得到0.01mol沉淀；

（3）向（2）的濾液中加入足量用鹽酸酸化的BaCl2溶液，得到2.33g沉淀。

由此可知原溶液中（ ）

A. 至少存在CO32-、Cl-中的一種

B. Cl-一定存在，K+可能存在

C. Cl-一定存在，且c（Cl-）≥0.6 mol·L-1

D. 溶液中至多存在4種離子

分析：結(jié)合元素化合物知識和題設(shè)，實驗（1），推出0.01mol氣體即為0.01mol NH3，推出原溶液中含有0.01mol NH4+；推出0.8g固體即為0.005mol Fe2O3，推出原溶液中含有0.01mol Fe3+，根據(jù)共存原則（CO32-與Fe3+會發(fā)生強烈的雙水解），推出原溶液中不含有CO32-；實驗（2），0.01mol沉淀即為0.01mol Al（OH）3，推出原溶液中含有0.01mol Al3+；實驗（3），2.33g沉淀即為0.01mol BaSO4，推出原溶液中含有0.01mol SO42-；再結(jié)合溶液中的電荷守恒，原溶液中若不存在K+，則推出Cl-的物質(zhì)的量為0.05mol，原溶液中若存在K+，則推出Cl-的物質(zhì)的量大于0.05mol。其思維過程可用如下圖示：

點評：區(qū)別于一般的離子共存習(xí)題，本題從定性和定量兩個維度展開了邏輯推理。與本文的其他例題相比，本題凸顯了溶液中的電荷守恒思想。

啟示：筆者認為在高中化學(xué)分析計算題教學(xué)工作中，結(jié)合各例題的分析過程，逐步板書出相關(guān)思維過程的圖示，刻意強調(diào)邏輯推理的重要性，有利于提升學(xué)生綜合分析問題和解決問題的能力，而這些能力正是學(xué)生必須具備的。

參考文獻

[1] 楊厚波.中學(xué)化學(xué)教學(xué)中邏輯思維能力培養(yǎng)的研究[D].南京：南京師范大學(xué)，2010，（5）

[2] 包朝龍.“突出推理”——07高考理綜化學(xué)命題的一大亮點[J].高考，2007，（7、8）