高中化學(xué)解題中建模思想的應(yīng)用

楊清華

(福建省順昌金橋?qū)W校,福建 南平 353200)

高中化學(xué)課程主要以實(shí)驗(yàn)探究為核心,這便導(dǎo)致化學(xué)知識(shí)點(diǎn)較為零散,學(xué)生在熟記和運(yùn)用知識(shí)點(diǎn)時(shí)容易出現(xiàn)概念混淆、遺忘等現(xiàn)象,且高中化學(xué)考題題目大多十分復(fù)雜,若學(xué)生知識(shí)點(diǎn)掌握不牢靠,很容易找不到解題突破口,導(dǎo)致解題失敗或錯(cuò)誤.對(duì)此,建模思想的合理應(yīng)用能夠幫助學(xué)生有效提煉化學(xué)考題題目信息,達(dá)到化簡(jiǎn)難題的目的,并拓展學(xué)生的邏輯思維,進(jìn)而提高學(xué)生的化學(xué)解題能力.基于此,開展高中化學(xué)解題中建模思想的應(yīng)用研究具有一定的教育價(jià)值與現(xiàn)實(shí)意義.

1 建模思想下氧化還原模型在高中化學(xué)解題中的應(yīng)用

氧化還原反應(yīng)是高中化學(xué)知識(shí)點(diǎn)中的核心組成部分,從知識(shí)點(diǎn)概念來(lái)源分析,氧化還原反應(yīng)是根據(jù)化學(xué)反應(yīng)原理、事實(shí)抽象出來(lái)的概念,其概念包含氧化劑、被氧化、氧化性、氧化產(chǎn)物、還原劑、被還原、還原性以及還原產(chǎn)物[1].基于建模思想下的氧化還原反應(yīng)模型構(gòu)建,能夠有效幫助學(xué)生分析相關(guān)氧化還原反應(yīng)概念形成過(guò)程中的邏輯關(guān)系,進(jìn)而使學(xué)生能夠更為精準(zhǔn)地判斷哪些是氧化劑、還原劑、氧化產(chǎn)物以及還原產(chǎn)物.

例1現(xiàn)有100 mL 6 mol/L的氫氧化鈉溶液,該溶液剛好能夠和一定量的氯氣完全反應(yīng).反應(yīng)產(chǎn)物可能有NaClO3、NaClO、NaCl,其中NaClO3的物質(zhì)的量濃度與溫度高低密切相關(guān),則下列哪個(gè)選項(xiàng)的說(shuō)法是正確的( ).

B.被氫氧化鈉溶液吸收的氯氣的物質(zhì)的量為0.3 mol

C.反應(yīng)中轉(zhuǎn)移的電子的物質(zhì)的量可能為0.4 mol

D.反應(yīng)后溶液中c(NaCl)≤0.5 mol/L

解析利用數(shù)學(xué)建模思想,分析題意和已知條件,能夠構(gòu)建相應(yīng)的氧化還原反應(yīng)模型.設(shè)NaCl、NaClO、NaClO3的物質(zhì)的量分別為amol、bmol、cmol,由于反應(yīng)產(chǎn)物中并沒(méi)有NaOH,參照電子守恒定律能夠得出b+5c=a,參照鈉元素守恒,能夠得出0.6(NaOH)=a(NaCl)+b(NaClO)+c(NaClO3),即a+b+c=6 mol/L×0.1 L=0.6 mol.故A選項(xiàng)說(shuō)法不符合電子守恒定律,A 選項(xiàng)錯(cuò)誤.根據(jù)生成物可知,鈉原子和氯原子的個(gè)數(shù)比為1∶1,被氫氧化鈉溶液吸收的氯氣的物質(zhì)的量為0.6 mol/2=0.3 mol,故B選項(xiàng)說(shuō)法正確.該反應(yīng)中還原產(chǎn)物為NaCl,如果轉(zhuǎn)移電子的物質(zhì)的量為0.4 mol,即產(chǎn)生0.4 mol的NaCl,a=0.4 mol,通過(guò)代入計(jì)算能夠得出b=0.15 mol,c=0.05 mol,故C選項(xiàng)說(shuō)法正確.若反應(yīng)產(chǎn)物中NaClO3越多,NaCl的物質(zhì)的量也就越多,若反應(yīng)產(chǎn)出中只有NaCl和NaClO3時(shí),NaCl的物質(zhì)的量會(huì)最多,即a=5c,a+c=0.6 mol,所以a=0.5 mol,即NaCl物質(zhì)的量濃度為5 mol/L,所以D選項(xiàng)說(shuō)法錯(cuò)誤[2].答案為B、C.

2 建模思想下溶解平衡模型在高中化學(xué)解題中的應(yīng)用

高中化學(xué)題目中,溶解平衡相關(guān)題目屬于較為常見的題目類型之一,同時(shí)此方面的知識(shí)有一定難度,因此溶解平衡相關(guān)題目是學(xué)生解題中的重難點(diǎn).高中化學(xué)知識(shí)中所涉及的溶液類型十分復(fù)雜且多樣,以各溶液為基礎(chǔ)的化學(xué)反應(yīng)眾多,導(dǎo)致學(xué)生在解析高中化學(xué)溶解平衡相關(guān)題目時(shí),往往因無(wú)法選擇正確的解題方式而致使解題過(guò)程中出現(xiàn)錯(cuò)誤.為此,需要引導(dǎo)學(xué)生基于建模思想構(gòu)建相應(yīng)的溶解平衡模型,以溶解平衡模型為切入點(diǎn),對(duì)題干內(nèi)容、問(wèn)題進(jìn)行全面分析,以此提高學(xué)生在解答溶解平衡相關(guān)題目時(shí)的準(zhǔn)確率與速度.

例2將部分硫化物加入至廢水后能夠得到ZnS、CuS的納米粒子.在常溫條件下,硫化氫(H2S)的Ka1=1.3×10-7,Ka2=7.1×10-15,當(dāng)溶液處于平衡狀態(tài)時(shí),溶液中離子濃度關(guān)系如圖1所示,某溶液平衡狀態(tài)下的離子濃度關(guān)系.下列表達(dá)中錯(cuò)誤的是( ).

圖1 某溶液平衡狀態(tài)時(shí)的離子濃度關(guān)系圖

B.向p的溶液中添加少許Na2S固體,溶液組成會(huì)從p向q移動(dòng)

C.a點(diǎn)的CuS溶液為不飽和溶液

D.Ksp(CuS)的數(shù)量級(jí)為10-37

解析結(jié)合題目中所給條件與平衡常數(shù)進(jìn)行計(jì)算,可以發(fā)現(xiàn)平衡常數(shù)為30,客觀來(lái)講該數(shù)值并不大,同時(shí)反應(yīng)沒(méi)有趨于完全,故選項(xiàng)A錯(cuò)誤;在p點(diǎn)時(shí)將Na2S固體添加至溶液中,會(huì)導(dǎo)致溶液內(nèi)的c(S2-)增大,此時(shí)溶液中c(Cu2+)降低,故選項(xiàng)B正確;基于溶解平衡模型開展分析,可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)c(Cu2+)=10-18mol/L時(shí),c(S2-)=10-18.3,因此Ksp(CuS)=c(S2-)×c(Cu2+)=10-36.3,其數(shù)量級(jí)為10-37,故選項(xiàng)D正確;結(jié)合選項(xiàng)D對(duì)選項(xiàng)C進(jìn)行分析,a點(diǎn)時(shí)Cu2+、S2-的離子濃度積小于Ksp(CuS),能夠得知此時(shí)溶液為不飽和狀態(tài),故選項(xiàng)C正確[3].答案為A.

3 建模思想下原電池模型在高中化學(xué)解題中的應(yīng)用

原電池類型考題是高中化學(xué)的難點(diǎn)部分,在原電池解題過(guò)程中普遍會(huì)用到眾多知識(shí).為了有效簡(jiǎn)化該部分考題的難題可以利用建模思想,構(gòu)建出相應(yīng)的化學(xué)模型,進(jìn)而幫助學(xué)生梳理解題思路,找準(zhǔn)解題突破口.

例3鋰水電池工作原理如圖2所示,該鋰水電池屬于新型可控電池,請(qǐng)問(wèn)下列四個(gè)選項(xiàng)中說(shuō)法錯(cuò)誤的是( ).

圖2 鋰水電池工作原理

A.碳極發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)為:

B.有機(jī)電解質(zhì)與水溶液之間并不能實(shí)現(xiàn)互換

C.標(biāo)準(zhǔn)狀況下,產(chǎn)生22.4 L氫氣需要正極消耗14 g的鋰

D.該裝置能夠在提供電能的基礎(chǔ)上,獲得清潔氫氣

4 建模思想下核外電子排布模型在高中化學(xué)解題中的應(yīng)用

在高中化學(xué)知識(shí)點(diǎn)中,核外電子排布相關(guān)知識(shí)能夠幫助學(xué)生發(fā)現(xiàn)并了解微觀世界,而微觀世界是學(xué)生在日常生活中無(wú)法通過(guò)肉眼進(jìn)行直接觀察的.因此學(xué)生在學(xué)習(xí)核外電子排布相關(guān)知識(shí)時(shí),往往存在因知識(shí)內(nèi)容過(guò)于抽象而導(dǎo)致學(xué)習(xí)效果不佳的情況,進(jìn)而對(duì)順利解答核外電子排布相關(guān)化學(xué)問(wèn)題造成阻礙.為此,需要結(jié)合實(shí)際情況引導(dǎo)學(xué)生以建模思想,構(gòu)建具體的核外電子排布模型,將抽象內(nèi)容具體化,以模型呈現(xiàn)微觀事物,從而幫助學(xué)生更好地解析核外電子排布相關(guān)的化學(xué)問(wèn)題.

例4相關(guān)研究表明,核外電子所帶有的能量會(huì)直接受到電子能級(jí)與所在電子層數(shù)的影響.核外電子所帶有的能量還會(huì)在一定程度上受核電荷數(shù)、核外電子數(shù)目的影響.硫離子與氬原子的核外電子排布相同,均為1s22s22p63s23p6,請(qǐng)問(wèn)下述選項(xiàng)正確的是( ).

A.氬原子與硫離子都屬于8電子的穩(wěn)定結(jié)構(gòu),故二者之間具有相同的化學(xué)性質(zhì)

B.若產(chǎn)生電子躍遷現(xiàn)象時(shí),硫離子與氬原子會(huì)產(chǎn)生不同的光譜

C.在3p能級(jí)中,硫離子與氬原子的電子到原子核距離相同

D.在1s能級(jí)中,硫離子與氬原子的電子具有相同能量

解析在實(shí)際解析前,學(xué)生應(yīng)當(dāng)根據(jù)題目?jī)?nèi)容構(gòu)建核外電子排布模型,并基于模型對(duì)四個(gè)選項(xiàng)逐一分析.硫離子在得到電子后才會(huì)形成最外層電子數(shù)量為8的穩(wěn)定結(jié)構(gòu),但其失電子能力強(qiáng),所以硫離子與氬原子之間的還原性不同,故選項(xiàng)A錯(cuò)誤;電子躍遷過(guò)程中所形成的光譜會(huì)受到電子能量的影響,不同的電子能量會(huì)形成不同的光譜,硫離子與氬原子雖然電子分布相同,但其核電荷數(shù)不同,所以電子能量不同,故選項(xiàng)B正確,選項(xiàng)D錯(cuò)誤;在3p能級(jí)中,由于氬原子的核電荷數(shù)大,因此與硫離子相比,氬原子具有更強(qiáng)的吸引電子能力,所以其電子距離原子核更近,故選項(xiàng)C錯(cuò)誤[5].答案為B.

5 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述,建模思想是構(gòu)建化學(xué)模型的基礎(chǔ),合理應(yīng)用建模思想能夠有效簡(jiǎn)化化學(xué)考題難度,使化學(xué)考題變得簡(jiǎn)單化、具體化以及模塊化,進(jìn)而達(dá)到培養(yǎng)學(xué)生證據(jù)推理與模型認(rèn)知能力的目的,并以此提高學(xué)生的解題能力.