基于“證據(jù)推理”素養(yǎng)培養(yǎng)的新高考背景下元素化合物教學(xué)策略

孫景芳

摘要：結(jié)合2021年北京等級(jí)考化學(xué)第1 8題的解析與思考，探討了新高考背景下元素化合物知識(shí)備考策略，在實(shí)驗(yàn)探究活動(dòng)的開展和化學(xué)反應(yīng)原理的融合應(yīng)用中，實(shí)現(xiàn)了知識(shí)結(jié)構(gòu)化和思維的程序化，促進(jìn)了證據(jù)推理與模型認(rèn)知等核心素養(yǎng)的發(fā)展，提高了備考復(fù)習(xí)的實(shí)效性。

關(guān)鍵詞：2021年北京等級(jí)考；元素化合物；證據(jù)推理；實(shí)驗(yàn)探究；化學(xué)反應(yīng)原理

文章編號(hào)：1008-0546（2023）09-0054-05

中圖分類號(hào)：G632.41

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

doi： 10.3969/j .issn.1008-0546.2023.09.010

元素化合物是中學(xué)化學(xué)的主干內(nèi)容，也是學(xué)生學(xué)習(xí)化學(xué)基本概念、基礎(chǔ)理論與化學(xué)實(shí)驗(yàn)的重要載體?！镀胀ǜ咧谢瘜W(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》要求“結(jié)合真實(shí)情境中的應(yīng)用實(shí)例或通過實(shí)驗(yàn)探究，了解元素化合物主要性質(zhì)”，這就決定了在元素化合物知識(shí)教學(xué)中需要充分基于“證據(jù)推理”展開教學(xué)，以實(shí)現(xiàn)其育人價(jià)值。筆者以2021年北京市等級(jí)考化學(xué)卷第18題為例，重點(diǎn)討論元素化合物知識(shí)的考查方式、教學(xué)導(dǎo)向價(jià)值以及對(duì)教學(xué)的啟示。

一、原題呈現(xiàn)

1．等級(jí)考原題

（2021年北京等級(jí)考化學(xué)第18題）鐵黃是一種重要的化工產(chǎn)品。由生產(chǎn)鈦白粉廢渣制備鐵黃的過程如下。

資料：①鈦白粉廢渣成分：主要為FeSO4．H2O，含少量TiOSO4和不溶物。

②TiOSO4+（x+1）H20==TiO2-xH2O↓+H2SO4

③0.1mol．L-I Fe2+生成Fe （OH）2，開始沉淀時(shí)pH=6.3，完全沉淀時(shí)pH=8.3。

0.1 mol.L-1 Fe3+生成FeOOH，開始沉淀時(shí)pH=1.5，完全沉淀時(shí)pH=2.8。

（1）純化

①加入過量鐵粉的目的是______。

②充分反應(yīng)后，分離混合物的方法是_____。

（2）制備品種

為制備高品質(zhì)鐵黃產(chǎn)品，需先制備少量鐵黃晶種。過程及現(xiàn)象是：向一定濃度FeSO4溶液中加入氨水，產(chǎn)生白色沉淀，并很快變成灰綠色。滴加氨水至pH為6.0時(shí)開始通空氣并記錄pH變化（如下圖所示）。

①產(chǎn)生白色沉淀的離子方程式是

一。

②產(chǎn)生白色沉淀后的pH低于資料③中的6.3。原因是：沉淀生成后c （Fe2+）____ 0.1 mol．L-1（填“>"“="或“<"）。

③0-t1時(shí)段，pH幾乎不變；t1一t2時(shí)段，pH明顯降低。結(jié)合方程式解釋原因：______ 。

④pH～4時(shí)制得鐵黃晶種。若繼續(xù)通人空氣，t3后pH幾乎不變，此時(shí)溶液中e（Fe2+）仍降低，但c（ Fe3+）增加，且c（Fe2+）降低量大于c（Fe3+）增加量。結(jié)合總方程式說明原因：_____。

（3）產(chǎn)品純度測(cè)定

鐵黃純度可以通過產(chǎn)品的耗酸量確定。

資料：Fe3++3C2O==Fe（C2O4）；，F(xiàn)e（C2O4）3不與稀堿液反應(yīng)。

Na2C2O4過量，會(huì)使測(cè)定結(jié)果 _____ （填“偏大”“偏小”或“不受影響”）。

2．參考答案

（1）①消耗硫酸，促進(jìn)TiOSO4水解平衡正向移動(dòng)，有利于TiO2.xH2O析出；防止Fe2+被氧化

②過濾

（2）①Fe2++2NH3.H2O==Fe（OH）2↓+2NH4

②>

③0-ti：4Fe （OH）2+O2==4FeOOH+2H20，c（H+）不變

t1-t2：4Fe2++O2+6H2O==4FeOOH↓+8H+，c（H+）增大

④12Fe2++3O2+2H2O==4FeOOH↓+8Fe3+，c（H+）不變，消耗的Fe2+多，產(chǎn)生的Fe3+少

（3）不受影響

二、試題解析

本題以生產(chǎn)鈦白粉廢渣制備化工產(chǎn)品鐵黃為載體，綜合考查了鐵元素及其化合物間的相互轉(zhuǎn)化、物質(zhì)的分離與提純、氧化還原反應(yīng)方程式的書寫、溶度積計(jì)算、酸堿中和滴定誤差分析等知識(shí)。要順利解答此題，需要學(xué)生靈活運(yùn)用所學(xué)知識(shí)，從真實(shí)的生產(chǎn)情境和題給資料中尋找答題依據(jù)，凸顯了對(duì)“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的考查。表1為本題解答過程中的證據(jù)線索和證據(jù)類型（來源），具體解析如下。

（1）第①小題，根據(jù)資料，鈦白粉廢渣中的TiOSO4會(huì)發(fā)生水解反應(yīng)，結(jié)合純化目的是要制得精制FeSO4溶液，聯(lián)系Fe2+易被氧化的性質(zhì)，可得正確答案為：消耗H2S04，促使TiOS04的水解反應(yīng)正向移動(dòng)，有利于生成TiO2-xH2O↓，同時(shí)過量的Fe可以防止Fe2+被氧化。

第②小題，根據(jù)資料①，鈦白粉廢渣成分中含少量TiOSO4和不溶物，結(jié)合純化過程中需要加入過量鐵粉，可知充分反應(yīng)后需要分離的是沉淀和溶液的混合物，因此應(yīng)采用的分離方法為過濾。

（2）第①小題，根據(jù)已有知識(shí)，向一定濃度FeSO4溶液中加入氨水，F(xiàn)e2+與氨水生成白色的Fe（OH）2沉淀，氨水為弱堿，寫離子方程式時(shí)不可拆開。因此，此題答案為：Fe2++2NH3.H2O==Fe（OH）2↓+2NH4+。

第②小題，考查基于證據(jù)的推理過程。根據(jù)沉淀轉(zhuǎn)化與Ksp的關(guān)系．c（Fe2+）與c2（OH一）的積達(dá)到Ksp[Fe（OH）2]即可產(chǎn)生沉淀，且c（ Fe2+）越大，形成沉淀所需的c（OH一）越小。根據(jù)資料，0.1 mol．L-1的Fe2+開始沉淀時(shí)pH為6.3，如果pH<6.3時(shí)也有沉淀，則溶液中的c （Fe2+）必大于0.1 mol.L-1。

第③小題，根據(jù)工藝流程，滴加氨水并通人空氣的目的是制備產(chǎn)物FeOOH，此時(shí)體系中存在Fe（OH）2和Fe2+，二者分別被02氧化的方程式為：4Fe（OH）2+02—4FeOOH+2H2O禾口4Fe2++ O2+6H2O ==4FeOOH↓+8H+。根據(jù)圖像信息，0 - t1時(shí)段，pH幾乎不變，說明H+濃度不變，應(yīng)該發(fā)生的反應(yīng)是前者，而t1一t2時(shí)段，pH明顯降低，說明H+濃度增大，發(fā)生的反應(yīng)應(yīng)該是后者。

第④小題，制得鐵黃晶種后若繼續(xù)通人空氣，依據(jù)溶液中c（Fe2+）降低，但c（Fe3+）增加，推出溶液中可能同時(shí)發(fā)生反應(yīng)a：4Fe2++ O2+2H2O==4FeOOH+4H+和反應(yīng)b：4Fe2++ O2+4H+==4Fe3++ 2H2O，然后再根據(jù)t3后pH幾乎不變，可知反應(yīng)a生成的H+與反應(yīng)b消耗的H+恰好相互抵消，因此，將兩反應(yīng)疊加可得總反應(yīng)：12Fe2++ 302+2H2O==4FeOOH+8Fe3+，可見，c（ Fe2+）降低量大于c（Fe3+）增加量。

第（3）題，根據(jù)實(shí)驗(yàn)流程可知測(cè)定鐵黃的純度的原理為：取Wg鐵黃與已知且過量的H2S04反應(yīng)，然后用NaOH滴定剩余的硫酸，通過鐵黃樣品的耗酸量來計(jì)算其純度。但是為避免生成的Fe3+消耗NaOH，根據(jù)資料需要加入稍過量的Na2C2O4來掩蔽Fe3+，此時(shí)，還需要考生清楚Na2C2O4過量時(shí)必然會(huì)消耗H2SO4，但其產(chǎn)物H2C2O4或NaHC2O4仍會(huì)與NaOH反應(yīng)，故對(duì)于計(jì)算過量的H2SO4是無影響的。因此，只要考生厘清了H2SO4、H2C2O4與HC2O與與NaOH反應(yīng)的實(shí)質(zhì)均為H+與OH一之間的反應(yīng)，就可以根據(jù)消耗的NaOH總量計(jì)算出產(chǎn)品的耗酸量，進(jìn)而計(jì)算出鐵黃產(chǎn)品的純度。綜上所述，Na2C2O4過量，對(duì)測(cè)定結(jié)果是無影響的。

三、對(duì)教學(xué)的啟示

基于真實(shí)的工業(yè)生產(chǎn)情景的化工流程題，凸顯了元素化合物知識(shí)的社會(huì)價(jià)值與學(xué)科意義。2021年北京等級(jí)考化學(xué)第18題充分體現(xiàn)了“立德樹人、服務(wù)選才、引導(dǎo)教學(xué)”的高考功能，又體現(xiàn)了“基礎(chǔ)性、綜合性、應(yīng)用性、創(chuàng)新性”的考查要求。試題精心設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)探究情境，巧妙融人化學(xué)反應(yīng)原理的應(yīng)用，在素材背景和呈現(xiàn)方式上力求突出學(xué)生的思維過程，通過多樣化的信息和設(shè)問給學(xué)生搭設(shè)開放性的思維平臺(tái)，要求考生能從宏觀和微觀、定性與定量結(jié)合以及物質(zhì)反應(yīng)變化的事實(shí)及不同特征尋找充分的證據(jù)，并解釋證據(jù)與結(jié)論之間的關(guān)系，考查學(xué)生的邏輯推理、演繹、歸納、總結(jié)等高階思維能力，對(duì)今后的化學(xué)教學(xué)具有良好的導(dǎo)向。

1．創(chuàng)設(shè)真實(shí)實(shí)驗(yàn)探究情境，培養(yǎng)證據(jù)意識(shí)，發(fā)展學(xué)生高階思維

《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》指出，證據(jù)推理是科學(xué)探究的思維核心，也是化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)思維能力的體現(xiàn)。要求學(xué)生具有證據(jù)意識(shí)，能基于證據(jù)對(duì)物質(zhì)組成、結(jié)構(gòu)及其變化提出可能的假設(shè)，通過分析推理加以證實(shí)或證偽；建立觀點(diǎn)、結(jié)論和證據(jù)之間的邏輯關(guān)系。[1]同時(shí)指出，要充分認(rèn)識(shí)化學(xué)實(shí)驗(yàn)的獨(dú)特價(jià)值，精心設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)探究活動(dòng)。

因此，在高三元素化合物復(fù)習(xí)中要充分發(fā)揮化學(xué)實(shí)驗(yàn)的教學(xué)功能，重視創(chuàng)設(shè)適合的問題情境，精心設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)探究活動(dòng)，通過科學(xué)探究鼓勵(lì)學(xué)生從問題出發(fā)，收集證據(jù)，并對(duì)其進(jìn)行分析推理，得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論。在整個(gè)過程中形成“問題一證據(jù)一結(jié)論”的推理意識(shí)，促進(jìn)學(xué)生的知識(shí)建構(gòu)，發(fā)展學(xué)生的高階思維。例如，筆者在進(jìn)行“二氧化硫的性質(zhì)復(fù)習(xí)”教學(xué)時(shí)，通過創(chuàng)設(shè)問題情境，以問題鏈為驅(qū)動(dòng)，利用實(shí)驗(yàn)探究的形式，以證據(jù)推理為抓手，啟發(fā)誘導(dǎo)學(xué)生層層深入，在問題與實(shí)驗(yàn)相互交融的教學(xué)內(nèi)容中，不僅提升學(xué)生大膽猜想、合理假設(shè)、縝密思維的水平，也提升了學(xué)生在解決實(shí)際問題中的學(xué)科應(yīng)用能力，體現(xiàn)“教、學(xué)、評(píng)”的一致性。具體的教學(xué)流程如圖1所示。要注重模塊融合，滲透化學(xué)反應(yīng)原理，有助于元素化合物知識(shí)與化學(xué)反應(yīng)原理知識(shí)間的融會(huì)貫通、相互印證，從而提高復(fù)習(xí)效率。

例如：Fe3+與Fe2+的檢驗(yàn)復(fù)習(xí)課教學(xué)實(shí)錄（片段）：

問題l.FeC13和KI溶液能反應(yīng)嗎？說出你的判斷依據(jù)。

【學(xué)生】因?yàn)镕e3+具有氧化性，I一具有還原性，所以二者可以發(fā)生氧化還原反應(yīng)生成Fe2+和I2。所以方程式為：2Fe3++ 21==2Fe2++ 12（沒有寫出可逆符號(hào)）。

設(shè)計(jì)意圖：重溫分析物質(zhì)性質(zhì)的價(jià)類二維角度，應(yīng)用已有的認(rèn)識(shí)思路，引導(dǎo)學(xué)生建構(gòu)分析問題的程序性方法，提升學(xué)生在新情境中解決實(shí)際問題的能力，診斷學(xué)生證據(jù)推理與模型認(rèn)知核心素養(yǎng)。

【學(xué)生實(shí)驗(yàn)】向2 mL l mol/L KI溶液中滴入3滴0.1 mol/L FeC13溶液。

【追問】能否通過溶液顏色變化證明二者發(fā)生了反應(yīng)？

【學(xué)生】不能，如果向蒸餾水中加入FeCl3溶液也會(huì)變?yōu)辄S色。需要通過對(duì)照實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步證明。

問題2：試設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案證明二者發(fā)生了反應(yīng)？

【學(xué)生】可以用CC14或用淀粉檢驗(yàn)I2的生成。

【追問】要證明反應(yīng)的發(fā)生有哪些思考的角度？

【學(xué)生】討論交流，從兩個(gè)角度證明反應(yīng)是否發(fā)生：一是檢驗(yàn)生成物的生成，如可以檢驗(yàn)Fe2+或I2；二是檢驗(yàn)反應(yīng)物的減少或消失，如可以檢驗(yàn)Fe3+或I一。

【學(xué)生】本實(shí)驗(yàn)中由于I一過量，所以檢驗(yàn)溶液中是否還有I一是不合理的，檢驗(yàn)溶液中是否還有Fe3+可以。

【學(xué)生】我認(rèn)為檢驗(yàn)溶液中是否還有Fe3+或I一來判斷反應(yīng)是否發(fā)生不合理，因?yàn)檫@是一個(gè)可逆反應(yīng)，反應(yīng)物不會(huì)完全轉(zhuǎn)化。

【學(xué)生】我認(rèn)為檢驗(yàn)Fe3+或I一都可以，只不過檢驗(yàn)生成物只需要定性檢驗(yàn)Fe2+或I2有沒有就可以了，而如果檢驗(yàn)反應(yīng)物則需要檢驗(yàn)Fe3+或I一有沒有減少，所以需要定量計(jì)算，比較麻煩。相比較來說檢驗(yàn)I2的生成操作更簡(jiǎn)單。

設(shè)計(jì)意圖：通過證明反應(yīng)是否發(fā)生水到渠成引出Fe3+和Fe2+的檢驗(yàn)問題，同時(shí)建立“證明反應(yīng)是否發(fā)生”的思路模型；培養(yǎng)學(xué)生證據(jù)意識(shí)，并能夠基于證據(jù)進(jìn)行分析推理，建立觀點(diǎn)、結(jié)論和證據(jù)之間的邏輯關(guān)系，發(fā)展學(xué)生證據(jù)推理與模型認(rèn)知核心素養(yǎng)。

問題3．如何證明該反應(yīng)是可逆反應(yīng)？討論并設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案加以證明。

【學(xué)生】要證明反應(yīng)是不是可逆反應(yīng)，需要證明反應(yīng)能否轉(zhuǎn)化完全。如果通過檢驗(yàn)不過量的物質(zhì)不存在了，說明不是可逆反應(yīng)；若不足量的物質(zhì)還存在，就說明是可逆反應(yīng)。

【學(xué)生實(shí)驗(yàn)】向2 mL l mol/LKI溶液中滴人3滴0.1 mol/L FeCl3溶液，然后滴加2滴KSCN溶液，溶液未變紅色。

【學(xué)生】提出猜想：①KSCN溶液變質(zhì)了；②Fe3+反應(yīng)完了；③反應(yīng)體系中c（Fe3+）太低。

【繼續(xù)實(shí)驗(yàn)】①直接取0.1 mol/L FeCl3溶液滴加KSCN溶液，溶液變紅。排除了猜想1。

②根據(jù)資料：Fe3+可與亞鐵氰化鉀K4[Fe（CN）6]反應(yīng)生成藍(lán)色沉淀，改用K4[Fe（CN）6]溶液檢驗(yàn)Fe3+，結(jié)果產(chǎn)生了藍(lán)色沉淀。排除了猜想2，證實(shí)了猜想3。

設(shè)計(jì)意圖：通過證明反應(yīng)是否可逆的環(huán)節(jié)巧妙地制造了認(rèn)知沖突，基于認(rèn)知沖突進(jìn)一步進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究，豐富了Fe3+檢驗(yàn)的方法。讓學(xué)生經(jīng)歷發(fā)現(xiàn)問題、提出假設(shè)、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、解釋證據(jù)、獲得結(jié)論的探究過程，在探究中收集證據(jù)，外顯了證據(jù)推理的過程，進(jìn)一步提升了學(xué)生的證據(jù)推理素養(yǎng)。

選擇性必修1“化學(xué)反應(yīng)原理”、選擇性必修2“物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)”模塊中的基礎(chǔ)理論，是深化“元素化合物性質(zhì)應(yīng)用”學(xué)科本質(zhì)理解的重要依據(jù)。在元素化合物復(fù)習(xí)中，要盡量避免干癟癟地羅列物質(zhì)性質(zhì)，而是多應(yīng)用“結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)”學(xué)科思想，從中心元素價(jià)電子到成鍵方式，分析具體物質(zhì)相應(yīng)的結(jié)構(gòu)，從物質(zhì)結(jié)構(gòu)上推導(dǎo)或解釋其性質(zhì)；多融合“化學(xué)反應(yīng)原理”創(chuàng)設(shè)綜合情境，通過問題解決，深入揭示、理解物質(zhì)轉(zhuǎn)化規(guī)律與本質(zhì)。[3]

總之，在元素化合物教學(xué)中，要重視以“證據(jù)推理”為思維方法，學(xué)會(huì)收集各種證據(jù)，基于證據(jù)進(jìn)行分析推理，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。要堅(jiān)持從原理和結(jié)構(gòu)層面加深對(duì)已有知識(shí)的理解，增加系統(tǒng)認(rèn)識(shí)物質(zhì)性質(zhì)的角度，把握學(xué)科的本質(zhì)和思想方法，為深入理解性質(zhì)、反應(yīng)服務(wù)，逐步形成觀念的結(jié)構(gòu)化，最終形成研究元素化合物轉(zhuǎn)化的思維模型，發(fā)展學(xué)生“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”的化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。

參考文獻(xiàn)

[1] 中華人民共和國(guó)教育部．普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）[S]．北京：人民教育出版社，2021：5．

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[3] 曾文鋒，引導(dǎo)建構(gòu)、注重融合、貫穿評(píng)價(jià)的元素化合物復(fù)習(xí)教學(xué)[J]．學(xué)苑教育，2020（26）：61-62．