中學化學實驗中的邏輯思維

【摘要】本文列舉了幾種典型的中學化學實驗，各種類型實驗又舉了若干典型例題，通過這些例題的邏輯分析，把隱含的邏輯關(guān)系提煉出來進行對比，并歸納出了中學階段實驗中所考查的主要邏輯順序問題，從而為初、高中階段一線教師提高學生的實驗能力和分析、解決問題的能力提供線索。

【關(guān)鍵詞】化學實驗；邏輯思維

【中圖分類號】G633.8 【文獻標識碼】B 【文章編號】2095-3089（2017）14-0091-02

邏輯思維是思維的高級形式，是指人們在認知過程中借助于概念、判斷、推理反映現(xiàn)實的思維形式。在邏輯思維中，要用到概念、判斷、推理等思維形式和比較、分析、綜合、抽象、概括等方法，而掌握和運用這些思維形式和方法的程度，也就是邏輯思維的能力，簡單的說，就是正確、合理地進行思考的能力。以實驗為載體考查學生“分析問題、解決問題的能力”是現(xiàn)階段高考化學的主要能力考查方式之一、也是學生學習的難點，而其中的邏輯思維能力更是精髓所在。實驗設計中的邏輯是以化學實驗的設計原則為背景的，是對關(guān)鍵要素的綜合分析、合理選擇、評價優(yōu)化的過程。

一、中學化學實驗的設計原則

化學實驗方案的設計要以實驗設計的基本原則為依據(jù)。忽略了這一點就失去一個邏輯分析的立足點和理論依據(jù)?；瘜W實驗設計的基本原則包括：

1.目的性原則 是指在科學實驗設計的整個過程中，對實驗原理、用品、裝置、步驟、方法以及實驗結(jié)果等方而的設計，都應圍繞實驗的目的與要求進行；

2.科學性原則 做到實驗原理準確無誤，實驗方案設計科學，實驗裝置設計合理，實驗操作符合要求；

3.直觀性原則 要求實驗現(xiàn)象明顯、感官度高，能通過可見（氣體、沉淀）、可感（熱、光、氣味）、可稱（質(zhì)量變化）、可辨（顏色變化）等現(xiàn)象判斷實驗的進程；

4.簡約性原則 取材容易、裝置簡單，縮短實驗時間，簡化實驗操作，突出創(chuàng)造性；

5.安全性、綠色化原則 貫徹“安全第一”的思想，減少藥品用量，防止易燃、易爆、腐蝕性及有毒物質(zhì)污染環(huán)境，嚴禁危害人身安全；

6.可行性原則 設計、改進實驗應該考慮學生的學情和學校的現(xiàn)有條件。

二、幾種典型實驗設計中的邏輯分析

1.離子的檢驗

中學階段只有極少數(shù)幾種離子只要用一種試劑或通過焰色反應就可以直接檢驗出來。多數(shù)離子的檢驗都需要排除干擾因素，或者采用轉(zhuǎn)化的方法才能達到檢驗目的，在排除干擾的過程中必然會出現(xiàn)試劑的選擇及邏輯順序等問題。

[例1]Fe2+和Fe3+的檢驗問題

教材上只提供了Fe2+、Fe3+的一些性質(zhì)，這些性質(zhì)是設計實驗的理論基礎，在實際問題中卻需要考慮離子所處的環(huán)境、考慮設計方案的基本原則，進而才能構(gòu)思形成檢驗的邏輯思路，最后用恰當?shù)幕瘜W用語表達出來。

[例2]Cl-、SO42-的檢驗方法比較

為了排除對目標離子的干擾，往往需要用輔助試劑，輔助試劑和主要試劑的加入順序和用量多少是操作的關(guān)鍵，形成方案的過程本身就是一種邏輯分析。

2.鑒別、鑒定

在物質(zhì)鑒別問題中有一類特殊方法，即“互滴法”，就是利用兩種物質(zhì)相互反應過程中，用量不同造成的產(chǎn)物不同，現(xiàn)象不同，從而達到鑒別目的的一種方法。這種將原理（少量、過量）、操作（互滴，逐滴）和現(xiàn)象三方面結(jié)合的過程就是邏輯分析的過程。例如，高中階段能用“互滴法”鑒別的常見組合有：HCl（aq）和Na2CO3（aq）、NaOH（aq）和AlCl3（aq）、HCl（aq）和NaAlO2（aq）。對某些混合物成分的鑒定也會牽涉到類似的問題，如例3。

[例3]如何證明木碳和濃硫酸的反應產(chǎn)物中含有CO2、SO2、H2O（g）？

合理的邏輯順序是：先檢驗H2O（g）（因為后方須將氣體通入溶液）；再檢驗SO2并將其除去（因為SO2的存在會干擾CO2的檢驗），確定無SO2后再說明CO2的存在。在這個邏輯關(guān)系下再去選擇裝置、連接裝置、優(yōu)化方案。

3.分離和提純

多組分的分離和多雜質(zhì)的提純，都會牽涉到邏輯順序問題。

[例4]粗鹽提純

粗鹽提純實驗中除雜試劑的選擇和過濾操作是基礎知識，而試劑的加入順序和用量的配合具有較高邏輯思維要求，順序不同試劑的作用是不同的，厘清這種關(guān)系，問題的解決可以層層深入下去。

[例5]（2009年福建高考化學理綜第24題，節(jié)選）鋁土礦（主要成分是Al2O3，含SiO2、Fe2O3、MgO等雜質(zhì)）中提取Al2O3，工藝流程如下：

圖1 由鋁土礦提取Al2O3工藝流程

流程甲為酸溶法，流程乙為堿溶法，這兩種方法是幾乎對稱，酸堿交替加入，酸堿強弱的選擇和用量的不同所包含的邏輯思維完全相同。在此基礎上再去解釋“濾液Y”到“沉淀Z”為什么只需“通入CO2”就容易被學生接受。（溶液中的硅酸鈉與偏鋁酸鈉反應，能生成硅鋁酸鹽沉淀，化學反應方程式為：

2Na2SiO3+2NaAlO2+2H2O===Na2Al2Si2O8↓+4NaOH）

4.科學探究實驗

探究實驗涉及到提出問題、猜想與假設、制定計劃、進行實驗、收集證據(jù)、解釋與結(jié)論、反思與評價、表達與交流等要素。這本身就是一種分析、探究、創(chuàng)新的邏輯思路?，F(xiàn)就其中的兩個環(huán)節(jié)分析如下。

（1）提出問題（或假設）

對實驗中可能出現(xiàn)的情況做預測，而這種猜想不是隨意的，它是一種邏輯推理，推理的依據(jù)是有關(guān)的化學原理、化學思想，如守恒思想、氧化還原反應原理、少量、過量的思想等。

[例6]用 0.1 mol·L-1 FeCl3溶液吸收SO2氣體后吸收液中除了含有H+、Cl-、SO42-以外，對其它成分（Fe3+、Fe2+、H2SO3）的可能組合提出如下假設：假設1：溶液中存在Fe3+、Fe2+； 假設2：溶液中存在________。endprint

答案可能會出現(xiàn)兩種：①Fe3+、H2SO3 ②Fe2+、H2SO3。其中②組合正確，而①不符合氧化還原反應原理。所以假設的提出要符合邏輯，即“合情合理”，符合題情符合化合反應基本原理才行。

[例7]預測Na在CO2中燃燒后的固體殘留物

模仿Mg與CO2的反應可以得出2Na+CO2 =Na2O+C，在此基礎上，再考慮用量的問題，如下表。

在CO2少量的基礎上，逐漸增加CO2的量，就可以系統(tǒng)地將所有情況考慮到。而不是沒有邏輯的胡亂猜想。

（2）實驗方案的設計

要求能夠以課本知識為基礎，“能夠通過對實際事物、實驗現(xiàn)象、實物、模型、圖形、圖表的觀察”進而“接受、吸收、整合化學信息”進行適當?shù)闹R遷移、拓展和延伸。

[例8] 請你設計實驗說明Na在CO2中燃燒后的殘留固體中是否含有Na2CO3、Na2O和C（試劑任選）

方案：①取樣，加水溶解后觀察是否有黑色殘留物（證明單質(zhì)C）；

②取少量步驟①所得上層清液加入過量BaCl2溶液觀察是否有白色沉淀（證明Na2CO3）

③取步驟②所得清液加入幾滴酚酞試液，觀察溶液顏色變化（證明Na2O）。

邏輯分析：離子反應必須要先溶解才能反應，而溶解的同時也完成了將Na2O轉(zhuǎn)化為NaOH的過程；先檢驗出單質(zhì)碳并以取上層清液的方式將其他成分與單質(zhì)碳分離開來，以免對后續(xù)現(xiàn)象造成影響；用過量BaCl2溶液檢驗CO32-，原因是BaCl2呈中性，過量是將CO32-檢驗出來并加以除去，為檢驗NaOH做準備。本方案的設計過程用到的試劑很少，但邏輯思維能力的要求較高。按照這樣的邏輯思維還可以獲得更多方案，也就達到了能力的訓練和提升。

【例9】（2011年北京高考題，節(jié)選）甲、乙兩同學為探究SO2與可溶性鋇的強酸鹽能否反應生成白色BaSO3沉淀，用下圖所示裝置進行實驗（夾持裝置和A中加熱裝置已略，氣密性已檢驗）

問題：分析B中不溶于稀鹽酸的沉淀產(chǎn)生的原因，甲認為是空氣參與反應，乙認為是白霧參與反應。

①為證實各自的觀點，在原實驗基礎上：甲在原有操作之前增加一步操作，該操作是________；乙在A、B間增加洗氣瓶D，D中盛放的試劑是_______。②進行實驗，B中現(xiàn)象：

邏輯分析：首先，B裝置中出現(xiàn)的白色沉淀既有“白霧”原因又有“空氣參與”原因，二者是不矛盾的，而不能把它想成非此即彼；其次，甲要證明是“空氣參與”，他的操作應該是消除空氣的影響，而不是消除“白霧”保留“空氣”。這兩層邏輯關(guān)系與我們所學基礎知識關(guān)系不大，主要考查學生的邏輯思維能力。同樣的問題在2010年安徽高考理綜化學第28題中也出現(xiàn)過，探究硝酸鐵溶液溶解了單質(zhì)銀的原因，實際上硝酸和Fe3+都參與了氧化，因為二者并不矛盾。但是很多學生都以為是二選一。

三、結(jié)束語

實驗設計中的邏輯思維主要表現(xiàn)為邏輯順序，筆者認為邏輯順序主要體現(xiàn)在以下幾個方面：一是整個實驗流程中的取樣次數(shù)，是取一份樣品進行一次性操作還是取兩份或幾份樣品進行平行實驗。二是操作對象上的先后順序，如上例中CO2、SO2、H2O（g）的檢驗。三是通過用量產(chǎn)生的邏輯，比如少量、過量以及由少量到過量，所產(chǎn)生的效果是不同的。一個實際問題的解決，必須放在特定背景和限制條件下來分析，根據(jù)具體情況確定基本原理，最終才能確定使用哪種邏輯順序。

中學階段學生的邏輯思維能力正處在由經(jīng)驗向理論轉(zhuǎn)型的過渡期，造成邏輯思維障礙的原因有很多，加之學生動手實驗的機會又很少，所以在平時的教學中，教師要有針對性的加以訓練和引導，實驗和能力相結(jié)合、理論和實際相結(jié)合，循序漸進，逐步提高學生分析問題和解決問題的能力。

作者簡介：

許光山，男，漢族，籍貫：安徽壽縣 研究方向：化學教學。endprint