發(fā)展模型思維 落實化學(xué)核心素養(yǎng)

馬俊斌

“模型認(rèn)知”是化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)之一，它要求學(xué)生通過分析、推理等方法認(rèn)識研究對象的本質(zhì)特征、構(gòu)成要素及其相互關(guān)系，建立認(rèn)知模型，并能運用模型解釋化學(xué)現(xiàn)象，揭示現(xiàn)象的本質(zhì)和規(guī)律.葉瀾教授認(rèn)為化學(xué)模型按其呈現(xiàn)水平和形式可分為四類：實物模型、想象模型、符號模型和數(shù)學(xué)模型，數(shù)學(xué)模型即通過數(shù)學(xué)表達(dá)式、圖表和表格解釋復(fù)雜的化學(xué)現(xiàn)象和規(guī)律的模型.解析法是應(yīng)用解析式去求解數(shù)學(xué)模型的方法.數(shù)學(xué)中用解析式表示函數(shù)或任意數(shù)學(xué)對象的方法叫解析法.

化學(xué)中的很多認(rèn)知模型都離不開解析思想，尤其是平衡關(guān)系式中的一些數(shù)量關(guān)系，多元平衡體系的計算更是高考平衡計算中的難點問題，用解析的思想建立解題模型，巧妙地化解其中抽象的難點，可以高效解題得分.本文從幾個經(jīng)典考題展開論述，不當(dāng)之處，還望指正.

問題提出 （2021.山東.20節(jié)選）2-甲氧基-2 -甲基丁烷（TAME）常用作汽油添加劑，在催化劑作用下，可通過甲醇與烯烴的液相反應(yīng)制得，體系中同時存在如圖1反應(yīng)：

回答下列問題：

（2）為研究上述反應(yīng)體系的平衡關(guān)系，向某反應(yīng)容器中加入1.0 moITAME，控制溫度為353K.測得TAME的平衡轉(zhuǎn)化率為a.已知反應(yīng)Ⅲ的平衡常數(shù)K3=9.0，則平衡體系中B的物質(zhì)的量為mol，反應(yīng)I的平衡常數(shù)Kx1=____.

解決方案題中給出了3個方程式，應(yīng)該選取其中的2個進(jìn)行計算，為什么選取2個方程式進(jìn)行計算而不選取3個方程式共同參與計算呢？給大家舉個例子進(jìn)行說明：

解三元一次方程，至少需要3個方程，且要求3個方程式線性無關(guān).

上述所給3個方程式并不能完全解出三個未知數(shù)，因為③=①+②，也就是說方程式③與①和②線性相關(guān)，在解題過程中屬于無效方程.

同理：由于反應(yīng)Ⅲ=反應(yīng)I -反應(yīng)Ⅱ，所以題中所給化學(xué)方程式中只有兩個方程式可用于平衡計算，當(dāng)然，可以隨意選取兩個線性無關(guān)的方程式進(jìn)行計算.在此，筆者選用反應(yīng)I和反應(yīng)Ⅱ的方程列式計算（為簡化過程，方程式中物質(zhì)均以字母代替），設(shè)反應(yīng)I和反應(yīng)Ⅱ中TAME的變化量分別為xmol、y mol，根據(jù)方程式變化關(guān)系有：

解析模型需要特別強(qiáng)調(diào)的是，不同于以往的三段式基本方法，用數(shù)學(xué)解析的思想，選取合適的化學(xué)方程式，提出假設(shè)列出變化關(guān)系，再結(jié)合題中所給信息列方程解未知數(shù)，然后分別計算平衡體系中所有物料的值，再進(jìn)行平衡計算，為方便理解，特給出如下模型：

特別提醒：未知數(shù)一定是變化量！

模型應(yīng)用

例1 （2020山東卷題18節(jié)選）探究CH3OH合成反應(yīng)化學(xué)平衡的影響因素，有利于提高CH3OH的產(chǎn)率.以CO2、H2為原料合成CH3OH涉及的主要反應(yīng)如下：

解析 由于反應(yīng)Ⅲ=反應(yīng)I -反應(yīng)Ⅱ，所以題中所給三個化學(xué)方程式中只有兩個方程式線性無關(guān)，可用于平衡計算，所以結(jié)合投料為l mol CO2和3mol H2，所以選取反應(yīng)I和反應(yīng)Ⅲ進(jìn)行模型計算，過程如下：

點評 本題解決的關(guān)鍵在于選取有效方程進(jìn)行模型計算，對于多元平衡體系，一定要把握好線性無關(guān)的方程才能進(jìn)行平衡計算這一要點，另外，選取反應(yīng)I和反應(yīng)Ⅲ進(jìn)行計算即選取平行反應(yīng)進(jìn)行計算式解決多元平衡體系的相對簡單的方法，當(dāng)然選取反應(yīng)Ⅱ和反應(yīng)Ⅲ或反應(yīng)I和反應(yīng)Ⅱ進(jìn)行計算也可，不過要注意變量的計算關(guān)系，有興趣的可進(jìn)行對比計算.

另，山東卷近兩年都選取多元平衡體系進(jìn)行考查，2022年是否會延續(xù)，值得期待！

例2 （2021年河北，16節(jié)選）當(dāng)今，世界多國相繼規(guī)劃了碳達(dá)峰、碳中和的時間節(jié)點.因此，研發(fā)二氧化碳利用技術(shù)，降低空氣中二氧化碳含量成為研究熱點.

（2）雨水中含有來自大氣的CO2，溶于水中的CO2進(jìn)一步和水反應(yīng)，發(fā)生電離：

解析解決本題的關(guān)鍵是“考慮水的電離，忽略HCO-的電離”.所以H+的總量要同時考慮兩個電離方程式，且兩個方程式相互影響制約.結(jié)合解析模型可有如下過程：

①選取有效反應(yīng)方程式并設(shè)未知數(shù)

由于題中已知信息用到x、y，所以設(shè)變化量分別為a、b：

點評 本題所需平衡常數(shù)均已作為信息給出，所求為平衡時溶液中H+濃度，所以結(jié)合模型，只需列式計算即可得出結(jié)果.將抽象的問題的模型化，“考慮水的電離”解析為多元平衡體系中物料計算為本題的關(guān)鍵，結(jié)合解析模型可輕松解題得分，

另，河北省2021年為新高考元年，就選用了多元平衡體系的考查，相對于之前的全國卷，難度有了一定的提升.2022的原理計算考查，很有可能在此基礎(chǔ)上有所延續(xù)和提升，所以對多元平衡體系的計算模型深入研究，在備考復(fù)習(xí)中必須多加重視.

基于《高考評價體系說明》中對“一核、四層、四翼”的評價體系的構(gòu)建及要求，“情境化試題的創(chuàng)設(shè)”應(yīng)運而生.通過真實情景的創(chuàng)設(shè)，考查學(xué)生綜合運用所學(xué)知識和能力應(yīng)對復(fù)雜問題的水平，化學(xué)反應(yīng)在真實情境中并不是孤立存在的，一定是多元平衡共存，相互制約，相互影響，對多元平衡體系的學(xué)習(xí)和探究，有助于深入理解事物發(fā)展變化的本質(zhì)，同時結(jié)合解析的思維，將化學(xué)中抽象的模型知識具體化，解析化，也是化學(xué)學(xué)科必備知識與學(xué)生關(guān)鍵能力的有效結(jié)合，是落實化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的有效途徑，模型認(rèn)知，關(guān)鍵在于通過合理的證據(jù)推理過程，綜合運用多種知識和技能形成科學(xué)有效認(rèn)知模型，并且注重模型的使用范嗣，辯證的解決問題.利用數(shù)學(xué)解析思維，合理建模是解決平衡計算的有效方法，當(dāng)然，化學(xué)中的很多計算模型都可以借鑒和發(fā)展數(shù)學(xué)中的基本思維，比如溶液中平衡的計算問題.熱力學(xué)和動力學(xué)中很多問題都離不開數(shù)學(xué)計算，科學(xué)合理的建模，需要不斷地去研究和探索，不僅是幫助學(xué)生解題得分，更重要的是培養(yǎng)其研究并解決問題的方法，發(fā)展其科學(xué)探究這一核心素養(yǎng).