化學(xué)思想方法在實(shí)驗(yàn)考查中的滲透

江蘇 陳 方

化學(xué)思想方法在實(shí)驗(yàn)考查中的滲透

江蘇 陳 方

有關(guān)背景

普通高中《化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（實(shí)驗(yàn)）》中明確提出了高考對(duì)化學(xué)思想方法的考查要求，并在“化學(xué)實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)”中提到“初步認(rèn)識(shí)實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)條件控制、數(shù)據(jù)處理等方法在化學(xué)學(xué)習(xí)和科學(xué)研究中的應(yīng)用”。研究近年高考化學(xué)實(shí)驗(yàn)試題也能發(fā)現(xiàn)，涉及“比較、分類（類比）思想”“變量控制思想”“綠色化學(xué)思想”等的考查成了獨(dú)特而靚麗的風(fēng)景。本文舉例分析、闡述了這些思想方法在解決化學(xué)實(shí)驗(yàn)類試題中的價(jià)值，引導(dǎo)學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中，不斷體驗(yàn)和運(yùn)用這些思想方法，進(jìn)而不斷形成化學(xué)核心素養(yǎng)。

有關(guān)思想方法

1．比較、分類（類比）思想

類比是根據(jù)兩個(gè)（或兩類）對(duì)象之間在某些屬性上的相同或相似所作的一種類推，化學(xué)學(xué)習(xí)中該策略運(yùn)用得比較普遍。比較是對(duì)兩種或兩種以上易混淆的相關(guān)事物進(jìn)行對(duì)比分析的一種常用方法。比較不僅能揭示新概念的關(guān)鍵特征，而且能更容易掌握新概念的內(nèi)涵。它們均是精加工的重要方法。

不同物質(zhì)的屬類、結(jié)構(gòu)、性質(zhì)、制備等諸方面可能有某些相似甚至相同之處。學(xué)習(xí)中運(yùn)用類比這種科學(xué)方法，可將不同物質(zhì)進(jìn)行由此及彼的聯(lián)系，進(jìn)而簡(jiǎn)化思維過程，提高學(xué)習(xí)效率。

例1 某?；瘜W(xué)研究性學(xué)習(xí)小組的同學(xué)在學(xué)習(xí)了金屬的知識(shí)后，為了解Cu的常見化合物性質(zhì)，運(yùn)用類比學(xué)習(xí)的思想提出如下的問題，進(jìn)行探究。請(qǐng)你協(xié)助該小組的同學(xué)完成下列研究。

【提出問題】

①Cu的金屬活潑性小于Al，Al（OH）3具有兩性，Cu（OH）2也具有兩性嗎？

②通常情況下，＋2價(jià)Fe的穩(wěn)定性小于＋3價(jià)Fe，＋1價(jià)Cu的穩(wěn)定性也小于＋2價(jià)Cu嗎？③CuO能被H2、CO等還原，也能被NH3還原嗎？

【實(shí)驗(yàn)方案】

（1）解決問題①需用到的藥品有CuSO4溶液、________（填試劑），同時(shí)進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)。

（2）解決問題②的實(shí)驗(yàn)步驟和現(xiàn)象如下：取98g Cu（OH）2固體，加熱至80～100℃時(shí)，得到黑色固體粉末，繼續(xù)加熱到1 000℃以上，黑色粉末全部變成紅色粉末A。冷卻后稱量，A的質(zhì)量為72g。向A中加入適量的稀硫酸，得到藍(lán)色溶液，同時(shí)觀察到容器中還有紅色固體存在。據(jù)此可推得，A的化學(xué)式為__________。

（3）為解決問題③，設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)裝置如下圖所示（夾持及尾氣處理裝置未畫出）：

實(shí)驗(yàn)中觀察到CuO變?yōu)榧t色物質(zhì)，無水CuSO4變藍(lán)色。同時(shí)生成一種無污染的氣體。

【實(shí)驗(yàn)結(jié)論】

（1）Cu（OH）2具有兩性。證明Cu（OH）2具有兩性的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象是___________________________________________。

（2）根據(jù)“實(shí)驗(yàn)方案（2）”，得出的＋1價(jià)Cu和＋2價(jià)Cu穩(wěn)定性大小的結(jié)論是_________________________________；________________________________。

（3）CuO能被NH3還原。該反應(yīng)的化學(xué)方程式為_________________________________________________________。

【問題討論】（略）

解析：（1）類比Al（OH）3的實(shí)驗(yàn)室制法和兩性的檢驗(yàn)方法，可以利用CuSO4溶液和適量的NaOH溶液制得Cu（OH）2，把制得的Cu（OH）2分成兩份，一份加鹽酸，另一份加入NaOH溶液，觀察藍(lán)色沉淀是否溶解。（2）98g Cu（OH）2固體受熱分解可以得到80g CuO，CuO在高溫條件下繼續(xù)受熱分解如果全部生成Cu，應(yīng)得到64g Cu，但實(shí)驗(yàn)中A的質(zhì)量為72g，且加入硫酸溶液變藍(lán)，說明有Cu2O的存在，Cu2O在酸性條件下發(fā)生反應(yīng)生成Cu2＋和Cu，由此證明A應(yīng)為Cu2O，質(zhì)量恰好為72g。該實(shí)驗(yàn)說明在高于1 000℃時(shí)，＋1價(jià)Cu比＋2價(jià)Cu穩(wěn)定；在溶液中＋2價(jià)Cu比＋1價(jià)Cu穩(wěn)定。（3）略。

參考答案：

【實(shí)驗(yàn)方案】（1）鹽酸、NaOH溶液 （2）Cu2O

【實(shí)驗(yàn)結(jié)論】（1）Cu（OH）2既能溶于鹽酸，又能溶于NaOH溶液

（2）在高于1 000℃時(shí)，＋1價(jià)Cu比＋2價(jià)Cu穩(wěn)定；在溶液中＋2價(jià)Cu比＋1價(jià)Cu穩(wěn)定

例2 （2016新課標(biāo)Ⅱ，28）某班同學(xué)用如下實(shí)驗(yàn)探究Fe2＋、Fe3＋的性質(zhì)?；卮鹣铝袉栴}：

（1）分別取一定量氯化鐵、氯化亞鐵固體，均配制成0．1mol·L－1的溶液。在FeCl2溶液中需加入少量鐵屑，其目的是____________________________________________。

（2）甲組同學(xué)取2mL FeCl2溶液，加入幾滴氯水，再加入1滴KSCN溶液，溶液變紅，說明Cl2可將Fe2＋氧化。FeCl2溶液與氯水反應(yīng)的離子方程式為_________________。

（3）乙組同學(xué)認(rèn)為甲組的實(shí)驗(yàn)不夠嚴(yán)謹(jǐn)，該組同學(xué)在2mL FeCl2溶液中先加入0．5mL煤油，再于液面下依次加入幾滴氯水和1滴KSCN溶液，溶液變紅，煤油的作用是_____________________________________________________。

（4）丙組同學(xué)取10mL 0．1mol·L－1KI溶液，加入6mL 0．1mol·L－1FeCl3溶液混合。分別取2mL此溶液于3支試管中進(jìn)行如下實(shí)驗(yàn)：

①第一支試管中加入1mL CCl4充分振蕩、靜置，CCl4層顯紫色；

②第二支試管中加入1滴K3［Fe（CN）6］溶液，生成藍(lán)色沉淀；

③第三支試管中加入1滴KSCN溶液，溶液變紅。

實(shí)驗(yàn)②檢驗(yàn)的離子是________（填離子符號(hào)）；

實(shí)驗(yàn)①和③說明：在I－過量的情況下，溶液中仍含有________（填離子符號(hào)），由此可以證明該氧化還原反應(yīng)為________。

（5）丁組同學(xué)向盛有H2O2溶液的試管中加入幾滴酸化的FeCl2溶液，溶液變成棕黃色，發(fā)生反應(yīng)的離子方程式為_________________；一段時(shí)間后，溶液中有氣泡出現(xiàn)，并放熱，隨后有紅褐色沉淀生成，產(chǎn)生氣泡的原因是____________________，生成沉淀的原因是______________________（用平衡移動(dòng)原理解釋）。

解析：本題題干部分就已闡明實(shí)驗(yàn)意圖“探究Fe2＋、Fe3＋的性質(zhì)”，顯然有將Fe2＋、Fe3＋的性質(zhì)進(jìn)行對(duì)比的意味。由于兩種離子中鐵的價(jià)態(tài)的不同，它們的氧化性、還原性存在差異。其中（1）（2）（3）（5）主要涉及Fe2＋的還原性，其中（2）和（3）則是比較了不同條件下（有氧和無氧）Fe2＋的還原性；而（4）則主要是圍繞Fe3＋的氧化性而進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)探究。

參考答案：

2．變量控制思想

控制變量法是化學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)類試題中的一種常用思想方法，通過控制變量可以對(duì)影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果的多個(gè)因素逐一進(jìn)行探究。當(dāng)影響實(shí)驗(yàn)?zāi)稠?xiàng)內(nèi)容的變量有多個(gè)（多方面）時(shí)，往往先控制某些變量不變化，而只改變某個(gè)變量，弄清在其他量不變的情況下，這個(gè)變量對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響，進(jìn)而得出相關(guān)結(jié)論。然后再確定另一個(gè)變量，重新進(jìn)行相關(guān)分析。最后綜合得出相關(guān)結(jié)論。該法是化學(xué)學(xué)習(xí)中常用的探究問題和分析解決問題的科學(xué)方法之一，可以使研究的問題簡(jiǎn)單化、條理化、規(guī)律化。這一思想在化學(xué)學(xué)習(xí)中將會(huì)被逐漸滲透，特別是在實(shí)驗(yàn)研究中將成為一種重要的方法。

例3 （2016北京，26）用零價(jià)鐵（Fe）去除水體中的硝酸鹽（NO－3）已成為環(huán)境修復(fù)研究的熱點(diǎn)之一。

（1）Fe還原水體中NO3－的反應(yīng)原理如圖所示。

①作負(fù)極的物質(zhì)是________。

②正極的電極反應(yīng)式是___________________________。

（2）將足量鐵粉投入水體中，經(jīng)24小時(shí)測(cè)定NO－3的去除率和pH，結(jié)果如下：

______初始pH pH＝2．5 pH＝4．5________NO－3的去除率_______接近100%＜50%___________24小時(shí)pH 接近中性接近中性鐵的最終物質(zhì)形態(tài)

pH＝4．5時(shí)，NO3－的去除率低。其原因是__________。

（3）實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：在初始pH＝4．5的水體中投入足量鐵粉的同時(shí)，補(bǔ)充一定量的Fe2＋可以明顯提高NO3－的去除率。對(duì)Fe2＋的作用提出兩種假設(shè)：

Ⅰ．Fe2＋直接還原NO3－；

Ⅱ．Fe2＋破壞FeO（OH）氧化層。

①做對(duì)比實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如圖所示，可得到的結(jié)論是_____。

②同位素示蹤法證實(shí)Fe2＋能與FeO（OH）反應(yīng)生成Fe3O4。結(jié)合該反應(yīng)的離子方程式，解釋加入Fe2＋提高NO3－去除率的原因：________。

（4）其他條件與（2）相同，經(jīng)1小時(shí)測(cè)定NO－3的去除率和pH，結(jié)果如下：

____初始pH pH＝2．5 pH＝4．5____NO－3_的去除率______約10%約接近中性________接近中性3%_____1小時(shí)pH

與（2）中數(shù)據(jù)對(duì)比，解釋（2）中初始pH不同時(shí)，NO3－去除率和鐵的最終物質(zhì)形態(tài)不同的原因：__________________。

解析：（1）略。（2）通過控制變量（pH），測(cè)得相同時(shí)間后NO－3的去除率的高低，分析相關(guān)原因。顯然，pH較高時(shí)，F(xiàn)e3＋較易水解生成FeO（OH）（據(jù)題中圖示），阻礙電子轉(zhuǎn)移，所以NO－3的去除率低。（3）①?gòu)膱D中可以看出，在pH＝4．5（其他條件相同）時(shí)，只加入鐵粉或只加入Fe2＋，都不及同時(shí)加入鐵粉和Fe2＋對(duì)NO－3的去除率高，說明不符合假設(shè)Ⅰ，而是由于Fe2＋破壞FeO（OH）生成了四氧化三鐵。這是典型的變量控制思想的體現(xiàn)和應(yīng)用，也用了對(duì)比的方法。②據(jù)題意，利用有關(guān)守恒原理并結(jié)合酸性條件，可寫出有關(guān)離子方程式為2H＋；加入Fe2＋之所以可以提高NO－3的去除率，是因?yàn)闇p少了FeO（OH）的生成，產(chǎn)生更多的Fe3O4，增強(qiáng)了導(dǎo)電性。另外生成了H＋，可以減慢pH增大的速度，使NO－3的去除率增大。

（4）此問可看作綜合了（2）（3）兩問，主要運(yùn)用了比較的思想方法。

參考答案：

（2）Fe3＋較易水解生成FeO（OH），F(xiàn)eO（OH）不導(dǎo)電，阻礙電子轉(zhuǎn)移

（3）①本實(shí)驗(yàn)條件下，F(xiàn)e2＋不能直接還原NO－3；在Fe和Fe2＋共同作用下能提高NO－3的去除率②Fe2＋＋，F(xiàn)e2＋將不導(dǎo)電的FeO（OH）轉(zhuǎn)化為可導(dǎo)電的Fe3O4，利于電子轉(zhuǎn)移

（4）由于pH越高，F(xiàn)e3＋越容易水解生成FeO（OH），F(xiàn)eO（OH）又不導(dǎo)電，所以NO－3的去除率越低；初始pH低時(shí)，產(chǎn)生的Fe2＋充足；初始pH高時(shí)，產(chǎn)生的Fe2＋不足

3．綠色化學(xué)思想

化學(xué)新課程中的實(shí)驗(yàn)，理應(yīng)體現(xiàn)綠色化學(xué)思想，遵循綠色化設(shè)計(jì)原則，即原料的綠色化、化學(xué)反應(yīng)的綠色化、產(chǎn)品的綠色化。在原料、反應(yīng)（包括催化劑、溶劑）和產(chǎn)品的綠色化中，化學(xué)反應(yīng)的“原子經(jīng)濟(jì)性”至關(guān)重要，化學(xué)反應(yīng)應(yīng)最大限度地利用原料分子中的每一個(gè)原子，使它們都結(jié)合到目標(biāo)分子（產(chǎn)物）中去，從而達(dá)到零排放（即沒有副反應(yīng)、不生成副產(chǎn)物、不產(chǎn)生廢棄物）。當(dāng)實(shí)驗(yàn)過程中產(chǎn)生有毒、有害物質(zhì)或污染物時(shí)，要學(xué)會(huì)運(yùn)用化學(xué)知識(shí)和方法去防治污染，增強(qiáng)學(xué)生對(duì)自然和社會(huì)的責(zé)任感，使學(xué)生將來在面臨與化學(xué)有關(guān)的社會(huì)問題時(shí)，能做出更明智、更科學(xué)的決策。

例4 （2016新課標(biāo)Ⅰ，26節(jié)選）氮的氧化物（NOx）是大氣污染物之一，工業(yè)上在一定溫度和催化劑條件下用NH3將NOx還原生成N2，某同學(xué)在實(shí)驗(yàn)室中對(duì)NH3與NOx反應(yīng)進(jìn)行了探究。

甲

回答下列問題：

（2）氨氣與二氧化氮的反應(yīng)

將上述收集到的NH3充入注射器X中，硬質(zhì)玻璃管Y中加入少量催化劑，充入NO2（兩端用夾子K1、K2夾好）。在一定溫度下按圖乙裝置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

乙

______操作步驟____________實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象解釋原因打開K1，推動(dòng)注射器活塞，使X中的氣體緩慢通入Y管中①Y 管中________②反應(yīng)的化學(xué)方程式將注射器活塞退回原處并固定，待裝置恢復(fù)到室溫Y管中有少量水珠生成的氣態(tài)水凝聚打開K2______________________③_______________④__________________

解析：題干部分即闡明“氮的氧化物（NOx）是大氣污染物之一”，圍繞氮的氧化物的處理方法展開實(shí)驗(yàn)探究，其中F裝置不僅可以防止NH3的逸出而導(dǎo)致產(chǎn)生的污染而且可防止倒吸。圖乙的Z裝置，其中的NaOH溶液可吸收NO2，防止其污染空氣。

參考答案：

（2）①紅棕色氣體慢慢變淺

③Z中NaOH溶液產(chǎn)生倒吸現(xiàn)象

④反應(yīng)后氣體分子數(shù)減小，Y管中壓強(qiáng)小于外界壓強(qiáng)

傳統(tǒng)的化學(xué)教學(xué)往往只關(guān)注知識(shí)教學(xué)，忽視科學(xué)方法和科學(xué)觀念（思想）的教學(xué)，或者顧此失彼，處理不好三者的關(guān)系?；瘜W(xué)實(shí)驗(yàn)作為中學(xué)化學(xué)教學(xué)中的重要內(nèi)容，既要通過實(shí)驗(yàn)探究活動(dòng)，掌握基本的化學(xué)實(shí)驗(yàn)技能和方法，進(jìn)一步體驗(yàn)實(shí)驗(yàn)探究的基本過程，認(rèn)識(shí)實(shí)驗(yàn)在化學(xué)科學(xué)研究和化學(xué)學(xué)習(xí)中的重要作用，提高化學(xué)實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?；又要在教學(xué)中讓學(xué)生不斷體驗(yàn)并嘗試運(yùn)用諸如“比較、分類（類比）”“變量控制”“綠色化學(xué)”等學(xué)科思想方法。進(jìn)而逐漸形成學(xué)生的“實(shí)驗(yàn)探究”“分類表征”“模型認(rèn)知”“綠色應(yīng)用”等化學(xué)核心素養(yǎng)。

（作者單位：江蘇省溧水高級(jí)中學(xué)）