高中化學(xué)解題中建模思想的有效運用研究

摘 要：建模思想作為一種重要的解決問題的思維方式，在高中化學(xué)解題中具有廣泛的應(yīng)用潛力.建模思想可以幫助學(xué)生將問題抽象為一個數(shù)學(xué)模型，通過分析模型，得出問題的解答.這種思維方式可以培養(yǎng)學(xué)生的邏輯思維能力、創(chuàng)造性思維能力和問題解決能力.該研究旨在探究高中化學(xué)解題中建模思想的有效運用，從理論和實證兩個層面進(jìn)行研究.通過對建模思想的理論基礎(chǔ)進(jìn)行分析，以及對高中化學(xué)解題中建模思想應(yīng)用的實證研究，希望能夠揭示建模思想在高中化學(xué)解題中的作用和價值，為高中化學(xué)教學(xué)提供有效的教學(xué)方法和策略.

關(guān)鍵詞：解題；建模；高中化學(xué)

中圖分類號：G632 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1008-0333（2024）04-0140-03

模型是對實際問題的抽象和簡化，每個模型都有自己的適用范圍和條件[1].化學(xué)是一門抽象的學(xué)科，化學(xué)問題的復(fù)雜性和抽象性使學(xué)生往往難以直觀地理解和掌握，因此，模型認(rèn)知在化學(xué)學(xué)習(xí)中的應(yīng)用是非常重要的.模型認(rèn)知思維可以幫助學(xué)生將抽象的化學(xué)概念轉(zhuǎn)化為具體的形象，從而更好地理解和應(yīng)用化學(xué)知識，高中化學(xué)中，模型認(rèn)知是學(xué)生必須培養(yǎng)的核心素養(yǎng)[2].

1 建模思想在高中化學(xué)中的有效運用

化學(xué)模型對于解題具有十分重要的作用，下面選取兩個模型，結(jié)合理論和實證進(jìn)行分析.

1.1 “工業(yè)生產(chǎn)和流程綜合推斷”模型運用研究

以工業(yè)生產(chǎn)為背景考查知識點，具有信息量多、綜合度高的特征，對考生的提取信息能力、分析信息能力以及歸納能力和問題解決能力提出了更高的要求.該類題多以流程圖或文字表述的形式呈現(xiàn)，核心的問題是“物質(zhì)的轉(zhuǎn)化” 與 “物質(zhì)的分離”，考查的知識點多涉及物質(zhì)間轉(zhuǎn)化、物質(zhì)與能量的轉(zhuǎn)化、對物質(zhì)轉(zhuǎn)化的控制、物質(zhì)的分離方法以及一些定量問題.對該類題搭建模型，可以幫助學(xué)生理順?biāo)悸?，其具體模型如圖1所示.

例1 高純六水氯化鍶晶體可作有機(jī)合成的催化劑.工業(yè)上用難溶于水的碳酸鍶粉末為原料（含少量碳酸鋇、氧化亞鐵、二氧化硅等雜質(zhì)）制備高純六水氯化鍶晶體，其過程如圖2所示.

已知

Ⅰ.溫度為25 ℃時，氫氧化鐵的Ksp［Fe（OH）3］=1.0×10-38，氫氧化亞鐵的Ksp［Fe（OH）2］=1.0×10-16.

Ⅱ．在溫度為61 ℃時，高純六水氯化鍶晶體會逐漸開始失去結(jié)晶水.

請回答以下問題：

（1）以SrSO4為主要成分的天青石，在經(jīng)過多個步驟的反應(yīng)之后，才能制備得到工業(yè)碳酸鍶.該過程的第一步是天青石和過量的焦炭反應(yīng)被還原為硫化鍶，反應(yīng)條件為隔絕空氣并微波加熱，請寫出該反應(yīng)的化學(xué)方程式.

（2）在圖2的制備流程圖中，①步驟是工業(yè)碳酸鍶的粉碎步驟，并且將粉碎之后的工業(yè)碳酸鍶加水配置為漿液，小明認(rèn)為該步驟是為了加快反應(yīng)步驟的進(jìn)行，理由是.

（3）在工業(yè)碳酸鍶的漿液中加入了工業(yè)鹽酸，并且得到了鍶元素的浸出率和溫度以及時間的關(guān)系，具體信息如圖3所示.

根據(jù)圖3，可以得出合適的工業(yè)生產(chǎn)條件為.

（4）步驟③中所得的濾渣主要成分，除氫氧化鐵之外，還有（請?zhí)顚懳镔|(zhì)的化學(xué)式）；當(dāng)溫度為 25℃，若要使Fe3+沉淀完全，則需要將溶液的pH調(diào)整為（當(dāng)某一離子的濃度降至1.0×10-5mol/L時，則可認(rèn)為該離子已經(jīng)沉淀完全）.

（5）下列以下說法， 是正確的.

A．步驟⑤在對SrCl2·6H2O晶體進(jìn)行干燥時，可以采用減壓干燥的方法

B．在步驟④中，當(dāng)進(jìn)行冷卻結(jié)晶時，應(yīng)通入HCl氣體

（6）如果需要獲得無水氯化鍶產(chǎn)品，則必須對高純六水氯化鍶晶體（SrCl2·6H2O）（M=267 g·mol-1）進(jìn)行脫水處理.脫水過程首先需要在170 ℃溫度下進(jìn)行預(yù)脫水處理，此時高純六水氯化鍶晶體的失重達(dá)到33.7%，則經(jīng)過預(yù)脫水后，產(chǎn)物的化學(xué)式應(yīng)為.

解析 根據(jù)模型，先對題意進(jìn)行分析.生產(chǎn)的目的是制備高純六水氯化鍶晶體.原料是天青石，經(jīng)過五個流程可以制備得到產(chǎn)物高純六水氯化鍶晶體.（1）問是考查第一個流程步驟，可以知道硫酸鍶與碳在高溫下反應(yīng)生成硫化鍶和一氧化碳，問題是考查反應(yīng)化學(xué)方程式的書寫，結(jié)合已知知識，可以得出具體的反應(yīng)化學(xué)方程式為：SrSO4+4C加熱SrS+4CO↑.（2）問仍考查流程①，對影響反應(yīng)速率的因素進(jìn)行了考查.對于一個化學(xué)反應(yīng)，當(dāng)增大反應(yīng)物的接觸面積、將溫度進(jìn)行一定的提升、增大酸的濃度以及在反應(yīng)時進(jìn)行充分?jǐn)嚢璧确绞?，反?yīng)速率都會有所提升.當(dāng)將工業(yè)碳酸鍶粉碎制成漿液之所以能加快反應(yīng)速率，是因為增大了反應(yīng)物的接觸面積.（3）問是對步驟②原料進(jìn)行的考查，考查對②原料的預(yù)處理.需要結(jié)合圖3鍶的浸出率和時間以及溫度的關(guān)系進(jìn)行分析.根據(jù)圖3的折線圖可以看出，當(dāng)溫度為40 ℃，處理的時間為60 min的時候，浸出率是最高的.所以，最適宜的生產(chǎn)條件應(yīng)該為溫度達(dá)到40 ℃，處理時間為60 min.（4）考查步驟③過濾除濾渣.結(jié)合原料以及①②步驟，根據(jù)可以生成沉淀物質(zhì)的知識點，可以推斷出濾渣除了Fe（OH））3外，還會有SiO2固體和BaSO4沉淀.第二問考查完全沉淀的知識點，25 ℃，Ksp［Fe（OH）3］=1.0×10-38，Ksp［Fe（OH）2］=1.0×10-16，若要使Fe3+完全沉淀，則有c3（OH-）=Ksp［Fe（OH）3］÷1.0×10-5=1.0×10-38÷1.0×10-5=1.0×10-33，故c（OH-）=1.0×10-11mol/L，c（H+）=1.0×10-3，即pH=3.（5）對步驟④和⑤進(jìn)行考查.A選項，若在干燥過程中采取了減壓干燥的方法，則可以最大限度地減少SrCl2·6H2O晶體失水的現(xiàn)象，故A正確.B選項，通入HCl氣體的作用是為了抑制水解現(xiàn)象.而Sr具有很強(qiáng)的金屬性，其對應(yīng)的二價離子并不會在水中發(fā)生水解，故不需要通入HCl氣體，B錯誤.（6）設(shè)烘干法在溫度為170 ℃下脫去x個結(jié)晶水，則有18x÷267×100%=33.7%，x≈5， 所以SrCl2·6H2O高溫脫水會失去五個結(jié)晶水，則此時獲得的產(chǎn)物化學(xué)式為：SrCl2·H2O.

小結(jié) 對于一個完整的無機(jī)化工生產(chǎn)，其通常具有的流程如圖4所示.在進(jìn)行該類題型的求解時，要結(jié)合模型，對五大步驟進(jìn)行分析，從大量的信息中梳理出來相關(guān)的信息.而后運用已學(xué)知識進(jìn)行求解.

1.2 “蓋斯定律”模型運用研究

運用“蓋斯定律”進(jìn)行相關(guān)運算的模型如圖5所示.

根據(jù)題意找到要現(xiàn)實性的“目錄”反應(yīng)式

對已知的熱化學(xué)方程式進(jìn)行變化，加減“消元”得到目標(biāo)式

建立ΔH的計算式進(jìn)行計算

解析 根據(jù)模型進(jìn)行分析.目標(biāo)反應(yīng)式為a，然后對其他反應(yīng)式進(jìn)行變換消元，可以得出a=b+c-e=c-d.根據(jù)蓋斯定律則有ΔH1=ΔH2+ΔH3-ΔH5=ΔH3-ΔH4.

小結(jié) 對于該類題型，要結(jié)合模型流程進(jìn)行分析.首先要確定需要研究的反應(yīng)，確定其中反應(yīng)物和生成物的狀態(tài)和化學(xué)計量數(shù)關(guān)系；然后再進(jìn)行“消元加減”處理.

2 結(jié)束語

建模思維對高中學(xué)習(xí)至關(guān)重要，模型的運用可以將做題步驟流程化，降低題目的分析難度.然而，在化學(xué)學(xué)習(xí)的啟蒙階段，學(xué)生對于抽象概念的理解能力有限，模型認(rèn)知思維的培養(yǎng)難度較大.因此，教師需要根據(jù)學(xué)生的認(rèn)知水平和學(xué)習(xí)能力，采用適當(dāng)?shù)慕虒W(xué)方法和策略，激發(fā)學(xué)生的興趣和好奇心，培養(yǎng)他們的模型認(rèn)知思維能力.教師可以通過引導(dǎo)學(xué)生觀察、實驗、探索和討論，幫助他們建立起化學(xué)模型.同時，教師還應(yīng)該將宏觀和微觀結(jié)合起來，引導(dǎo)學(xué)生從宏觀現(xiàn)象中推導(dǎo)出微觀模型，從而加深對化學(xué)知識的理解.

參考文獻(xiàn)：

［1］ 張婷婷.培養(yǎng)高中生化學(xué)思維模型建構(gòu)能力的實踐研究[J].數(shù)理化解題研究，2023（6）：125-127.

［2］ 李宇風(fēng)，余方喜.高中化學(xué)模型認(rèn)知素養(yǎng)測評的實踐研究[J].化學(xué)教學(xué)，2023（5）：9-13，90.

［責(zé)任編輯：季春陽］

收稿日期：2023-11-05

作者簡介：沈?qū)毴A（1984.10-），女，福建省福鼎人，本科，中學(xué)一級教師，從事高中化學(xué)教學(xué)研究.