巧用福爾摩斯“證據(jù)推理”戰(zhàn)勝陌生情境

常 明 李 霜

高考考查的是必備知識(shí)和關(guān)鍵能力,往往在陌生情境中實(shí)現(xiàn)．2019年全國卷理綜化學(xué)部分題目的情境來源于我國科學(xué)家在頂級(jí)刊物《Nature》和《Science》發(fā)表的文章,設(shè)計(jì)新穎、與眾不同、陌生度高,可能會(huì)影響學(xué)生真實(shí)實(shí)力的發(fā)揮．如何挖掘核心素養(yǎng)的內(nèi)涵和價(jià)值,引領(lǐng)學(xué)生戰(zhàn)勝陌生情境，可參考大偵探福爾摩斯的證據(jù)推理,其辦案思路與核心素養(yǎng)不謀而合,能將“陌生案情”還原出真相．

在解題過程中，面對(duì)陌生情境學(xué)生要調(diào)整心態(tài),尋求有利證據(jù),建立證據(jù)、觀點(diǎn)和結(jié)論間的邏輯關(guān)系,快速而準(zhǔn)確地解決問題,激發(fā)探究興趣,有助于提升核心素養(yǎng)．

1 隔岸觀火,巧用圖表模型

1.1 模型認(rèn)知:利用符號(hào)證據(jù),確定正確答案

題目中的文字、模型和圖表等以及其他顯性或隱形條件都是“證據(jù)”,解題過程中可以運(yùn)用這些證據(jù),經(jīng)過推理得出正確答案．

1.2 證據(jù)推理

例1(2018年北京卷)我國科研人員提出了由CO2和CH4轉(zhuǎn)化為高附加值產(chǎn)品CH3COOH的催化反應(yīng)歷程．該歷程示意圖如圖1所示．

圖1

下列說法不正確的是( ).

A. 生成CH3COOH總反應(yīng)的原子利用率為100%

B. CH4→CH3COOH過程中,有C—H鍵發(fā)生斷裂

C. ① →② 放出能量并形成了C—C鍵

D. 該催化劑可有效提高反應(yīng)物的平衡轉(zhuǎn)化率

證據(jù)1左側(cè)球棍模型是反應(yīng)物CO2和CH4,共有4個(gè)白球(H)、2個(gè)灰球(O)、2個(gè)黑球(C);右側(cè)球棍模型是生成物CH3COOH,依然有4個(gè)白球(H)、2個(gè)灰球(O)、2個(gè)黑球(C)．以小球的種類和數(shù)目作為證據(jù),根據(jù)原子守恒觀判斷選項(xiàng)A正確．

證據(jù)2反應(yīng)過程中甲烷的球棍模型有球棍分離現(xiàn)象,說明C—H鍵發(fā)生斷裂, 選項(xiàng)B正確．

證據(jù)3圓圈內(nèi)從左往右第一條虛線高度表示過渡態(tài)反應(yīng)物的能量(相對(duì)高),第二條虛線高度表示過渡態(tài)生成物的能量(相對(duì)低),能量前高后低,說明此過程放熱,即①→②放出能量;過渡態(tài)球棍模型黑球之間是虛線,說明還未形成化學(xué)鍵,生成的中間產(chǎn)物②球棍模型對(duì)應(yīng)的黑球之間為實(shí)線,說明形成了化學(xué)鍵，根據(jù)質(zhì)能守恒觀推出選項(xiàng)C正確．

證據(jù)4催化劑的使用不會(huì)改變平衡狀態(tài),無法提高反應(yīng)物的平衡轉(zhuǎn)化率,選項(xiàng)D不正確．

例2(2018年全國卷Ⅰ) 最近我國科學(xué)家設(shè)計(jì)了一種CO2+H2S協(xié)同轉(zhuǎn)化裝置,實(shí)現(xiàn)對(duì)天然氣中CO2和H2S的高效去除．轉(zhuǎn)化裝置如圖2所示,其中電極分別為ZnO@石墨烯(石墨烯包裹的ZnO)和石墨烯,石墨烯電極區(qū)發(fā)生反應(yīng)為

① EDTA-Fe2+-e-=EDTA-Fe3+；

② 2EDTA-Fe3++H2S=2H++S+2EDTA-Fe2+.

圖2

該裝置工作時(shí),下列敘述錯(cuò)誤的是( ).

A. 陰極的電極反應(yīng):

CO2+2H++2e-=CO+H2O

B. 協(xié)同轉(zhuǎn)化總反應(yīng):

CO2+H2S=CO+H2O+S

C. 石墨烯上的電勢(shì)比ZnO@石墨烯上的低;

D. 若采用Fe3+/Fe2+取代EDTA-Fe3+/EDTA-Fe2+,溶液需為酸性

證據(jù)1圖示中右面緊鄰石墨烯電極左側(cè)向下的粗箭頭表明EDTA-Fe2+轉(zhuǎn)化為EDTA-Fe3+,鐵元素的化合價(jià)由+2變?yōu)?3，表明發(fā)生失去電子的氧化反應(yīng),發(fā)生氧化反應(yīng)的電極是陽極,所以可知石墨烯電極是陽極,那么ZnO@石墨烯電極是陰極.

證據(jù)2右面向上粗箭頭和H2S向上細(xì)箭頭,表示H2S中的-2價(jià)S元素失去電子,變成了單質(zhì)S,表示為H2S-2e-=2H++S,同時(shí)EDTA-Fe3+得到電子變成EDTA-Fe2+．實(shí)現(xiàn)了H2S氣體的去除及EDTA-Fe3+和EDTA-Fe2+之間的循環(huán)轉(zhuǎn)化.

證據(jù)3圖中左邊ZnO@石墨烯電極的右側(cè),向下的粗箭頭表示擴(kuò)散過來的CO2與2H+反應(yīng)得到電子生成CO．碳原子的化合價(jià)發(fā)生變化,表明CO2氣體發(fā)生得到電子的還原反應(yīng)

CO2+2H++2e-=CO+H2O,

也說明該電極是陰極,說明選項(xiàng)A說法正確．

證據(jù)4根據(jù)H2S-2e-=2H++S和CO2+2H++2e-=CO+H2O,兩個(gè)反應(yīng)加和以后得到協(xié)同轉(zhuǎn)化總反應(yīng)CO2+H2S=CO+H2O+S,說明選項(xiàng)B說法正確;石墨烯電極是陽極,ZnO@石墨烯電極是陰極,陽極電勢(shì)高于陰極,所以選項(xiàng)C說法錯(cuò)誤;Fe2+、Fe3+需要在酸性溶液中才能存在,否則會(huì)生成沉淀,選項(xiàng)D說法正確．

2 回歸基礎(chǔ),聯(lián)通概念數(shù)據(jù)

2.1 模型認(rèn)知:分析概念數(shù)據(jù),鎖定正確答案

高中化學(xué)課程目標(biāo)要求,學(xué)會(huì)收集各種證據(jù),基于證據(jù)進(jìn)行分析推理,證實(shí)或證偽假設(shè);能解釋證據(jù)與結(jié)論之間的關(guān)系,確定形成科學(xué)結(jié)論所需要的證據(jù)和尋找證據(jù)的途徑．在課本上學(xué)過的重要概念、性質(zhì)、題目給出的數(shù)據(jù)符號(hào)和化學(xué)學(xué)科思想等,均是解決問題的有力證據(jù),證據(jù)引領(lǐng)會(huì)使解題有方向,思路更明確．

若想發(fā)現(xiàn)證據(jù),需要扎實(shí)的基礎(chǔ)知識(shí)和對(duì)概念及物質(zhì)性質(zhì)深刻準(zhǔn)確的理解．要重視化學(xué)基本知識(shí)和基本原理的理解,養(yǎng)成從概念和原理中尋找證據(jù)和推理的習(xí)慣；要學(xué)會(huì)主動(dòng)積累證據(jù),嘗試應(yīng)用證據(jù)．

2.2 證據(jù)推理

例3(2018年全國卷Ⅰ,節(jié)選) Li2O是離子晶體,其晶格能可通過圖3中的Born-Haber循環(huán)計(jì)算得到．

圖3

3 精準(zhǔn)剖析,推敲文字描述

3.1 模型認(rèn)知:理解題干文字,尋找正確答案

許多證據(jù)就在普通的文字?jǐn)⑹鲋?需要學(xué)生有較好的閱讀和思考習(xí)慣,才能從容應(yīng)對(duì)．“作為必備品格和關(guān)鍵能力,首先是超越具體知識(shí)的、哲學(xué)層面的自我覺醒,需要老師喚醒學(xué)生的科學(xué)思想方法和興趣智慧,并不斷引領(lǐng)學(xué)生形成高品位、大視野的閱讀和思考習(xí)慣,最終擁有獨(dú)到深刻、與眾不同的見解．”較強(qiáng)的閱讀理解能力,會(huì)幫助學(xué)生在化學(xué)學(xué)科道路上走得更遠(yuǎn)．

3.2 證據(jù)推理

例4(2019年全國卷Ⅰ)利用生物燃料電池原理研究室溫下氨的合成,電池工作時(shí)MV2+/MV+在電極與酶之間傳遞電子,示意圖如圖4所示．下列說法錯(cuò)誤的是( ).

圖4

A. 相比現(xiàn)有工業(yè)合成氨,該方法條件溫和,同時(shí)還可提供電能

B. 陰極區(qū),在氫化酶作用下發(fā)生反應(yīng)H2+2MV2+=2H++2MV+

C. 正極區(qū),固氮酶為催化劑,N2發(fā)生還原反應(yīng)生成NH3

D. 電池工作時(shí)質(zhì)子通過交換膜由負(fù)極區(qū)向正極區(qū)移動(dòng)

證據(jù)本題證據(jù)寓于“利用燃料電池原理研究室溫下氨的合成,電池工作時(shí)MV2+/MV+在電極與酶之間傳遞電子”這段文字中,依據(jù)在兩個(gè)電極上MV2+/MV+二者之間的轉(zhuǎn)化,即MV+-e-=MV2+失去電子發(fā)生氧化反應(yīng),MV2++e-=MV+得到電子發(fā)生還原反應(yīng),可以判斷負(fù)極和正極．參考圖示中物質(zhì)之間箭頭的指向,N2和H2分別與電極反應(yīng)的產(chǎn)物相作用,綜合兩個(gè)電極反應(yīng)實(shí)現(xiàn)N2+3H2=2NH3．

用酶作催化劑,條件溫和,通過MV+和MV2+的相互轉(zhuǎn)化,化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能,故可提供電能,選項(xiàng)A說法正確;左室為負(fù)極區(qū),又可稱作陽極區(qū),選項(xiàng)B說法錯(cuò)誤;右室為正極區(qū),MV2+在正極得電子發(fā)生還原反應(yīng)生成MV+,電極反應(yīng)式為MV2++e-=MV+,在固氮酶的作用下MV+與N2反應(yīng)生成NH3和MV2+,選項(xiàng)C說法正確;電池工作時(shí),陽離子移向正極,所以氫離子(即質(zhì)子)通過交換膜由負(fù)極向正極移動(dòng),選項(xiàng)D說法正確．

以上幾道高考題陌生度很高,初次接觸容易產(chǎn)生恐懼心理．但是,只要我們找準(zhǔn)探究方向,利用基礎(chǔ)知識(shí)、基本原理和試題中提供的種種蛛絲馬跡(符號(hào)、數(shù)據(jù)、箭頭、圖示和文字等),做一回“福爾摩斯”,眼中有證據(jù),腦中有推理,筆下有結(jié)論,一個(gè)又一個(gè)新鮮的、陌生的、富有創(chuàng)造性的新情境問題將迎刃而解．

根據(jù)新課改的精神可以預(yù)測未來高考題中信息量會(huì)越來越大、越來越新,會(huì)提供更多陌生的顯性或隱性證據(jù)等待我們?nèi)グl(fā)現(xiàn)和應(yīng)用．以模型認(rèn)知、證據(jù)推理的化學(xué)思想方法為支撐,基于證據(jù)進(jìn)行分析推理,得出結(jié)論,找到正確答案．以創(chuàng)新的方法和策略,換種思維方式,穩(wěn)定心態(tài),開辟新途徑,變被動(dòng)為主動(dòng),就能做到在高考中正常發(fā)揮．