邏輯推理圖示在高中化學分析計算題中的實踐

張浩 包朝龍

摘要：邏輯推理能力是智力的重要組成成分。在分析計算題中，應用圖示的手段，使抽象、隱藏的內容形象化、顯現化，有助于提高學生的邏輯推理能力。

關鍵詞：邏輯推理圖示；分析計算題；實踐

文章編號：1008-0546（2016）05-0008-03 中圖分類號：G632.41 文獻標識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2016.05.003

推理是指人在頭腦中根據已有的判斷，經過分析與綜合的作用，引出新判斷的過程，是思維的一種形式。它和其它思維形式一樣，也有內容和形式兩個方面，形式或結構正確的推理叫邏輯推理，形式或結構不正確的推理叫不合邏輯的推理，一般研究所指的推理能力即為邏輯推理能力。邏輯推理能力是個體智力的核心成分，美國心理學家L·M·推孟認為個體的智力與他的邏輯推理能力成正比[1]；法國心理學家A.比奈也把智力解釋為“正確的判斷，透徹的理解，適當的推理的能力”。

邏輯推理能力是智力的重要組成成分。研究者普遍認為抽象思維能力或邏輯推理能力是影響化學學業成就的關鍵。圖示，可以清晰、直觀、明了地將思維過程呈現出來，利于激發學生學習興趣、突破教學難點[2]。本文以幾個分析計算題為例，探索邏輯推理圖示在高中化學教學中的實踐。

例題1：化合物A由N、H兩種元素組成，0.01mol A與足量CuO充分反應生成紅色Cu的同時，生成了0.36g水和標準狀況下的體積為0.224L的N2。則化合物A的化學式為 。

分析：由0.36g水可以推出0.01mol A中氫元素的物質的量；標準狀況下0.224L的N2可以推出0.01mol A中氮元素的物質的量；又因為化合物A由N、H兩種元素組成，綜合可以推出A的化學式。其思維過程可用如右圖示：

0.36g H2O？圯0.04mol H

標準狀況下0.224L N2？圯0.02mol N ？圯A為N2H4

化合物A由N、H兩種元素組成，0.01mol A

點評：本題采用元素守恒法解決問題，思路清晰，一目了然。

例題2：某興趣小組的同學對化合物A進行組成分析，確定A中僅含有O、K、Fe三種元素。取3.96g化合物A的粉末溶于水，滴加足量的稀硫酸，向反應后的溶液中加入含有0.08mol KOH的溶液，恰好完全反應。過濾，將洗滌后的沉淀充分灼燒，得到紅棕色固體粉末1.60g；將所得濾液在一定條件下蒸發可得到一種純凈的不含結晶水的鹽10.44g。則化合物A的化學式為 。

分析：結合元素化合物的知識與題設（加入KOH溶液，過濾、洗凈、灼燒），可知題設中紅棕色固體粉末為Fe2O3，其質量為1.60g，據此可以推出3.96g化合物A中含有的鐵元素的物質的量；結合元素化合物的知識與題設（滴加稀硫酸），可知題設中一種純凈的不含結晶水的鹽為K2SO4，其質量為10.44g，據此可以推出總的鉀元素的物質的量，減去加入的0.08mol K，推出3.96g化合物A中含有的鉀元素的物質的量；又因為A中僅含有O、K、Fe三種元素，綜上所述，可以推出3.96g化合物A中含有的氧元素的物質的量。最后，結合元素化合價及化學式書寫規則，推出A的化學式。其思維過程可用如下圖示：

點評：例題1關注兩種元素，一步反應，未知化合物的物質的量已知，而例題2則關注三種元素，三步反應，未知化合物的物質的量不可確定。例題1、2的共同特點是均不必書寫出相關化學方程式，只需根據元素守恒思想進行邏輯推理。

例題3：將含有Mg、Al、Fe的合金15.5g放入足量的NaOH溶液中，在標準狀況下收集到3.36L氣體；再將等質量的該合金加入到足量的稀H2SO4溶液中，在標準狀況下收集到12.32L氣體，繼續在該溶液中加入足量的NaOH溶液并久置，理論上產生沉淀的質量為 。

分析：Mg、Al、Fe的合金中，只有Al和NaOH溶液反應放出H2，據此，可以根據標準狀況下3.36L氣體（H2）及Al與H2的計量關系，推出Al的物質的量；等質量的該合金加入到足量的稀H2SO4溶液中，Mg、Al、Fe都會和稀硫酸反應放出H2，據此，可以根據標準狀況下12.32L氣體（H2）及Mg、Al、Fe分別與H2的計量關系，推出一個包含Mg、Al、Fe的物質的量的方程；Mg、Al、Fe的合金質量為15.5g，還可以推出一個包含Mg、Al、Fe的物質的量的方程；綜上所述，可推出Mg、Fe的物質的量，進一步推出最后的數據，即氫氧化鎂與氫氧化鐵的質量和。本題還需注意的是，“久置”二字推出的是鐵元素對應的氫氧化物為氫氧化鐵，而非氫氧化亞鐵。其思維過程可用如下圖示：

點評：本題的特點是涉及的反應都是學生熟悉的元素化合物知識。在眾多化學方程式面前，要理清其定量關系，采用圖示顯然方便、快捷和準確。如此邏輯推理過程的呈現利于培養學生化學學科素養。

例題4：向27.2gCu、Cu2O和CuO的混合物中加入某濃度的稀硝酸0.5L，固體物質完全反應，生成NO和Cu（NO3）2。在所得溶液中加入1.0 mol·L-1 NaOH溶液1.0L，此時溶液呈中性，銅離子已完全沉淀，沉淀質量為39.2g。下列有關說法不正確的是（ ）

A.原混合物中，Cu和O的物質的量之比為4：1

B.稀硝酸的物質的量濃度為2.6 mol·L-1

C.產生的NO在標準狀況下的體積為4.48L

D.Cu、Cu2O和CuO與硝酸反應后剩余HNO3為0.2mol

分析：根據Cu（OH）2的質量可以推出原混合物中銅元素的總的物質的量，結合原混合物的質量，可以推出原混合物中氧元素的總的物質的量；根據第一步求出的銅元素的總的物質的量，推出與銅離子反應的NaOH的物質的量，結合NaOH的總的物質的量，可以推出與HNO3反應的NaOH的物質的量，即Cu、Cu2O和CuO與硝酸反應后剩余HNO3的物質的量；根據第一步的結論，設原混合物中Cu、Cu2O和CuO的物質的量分別為a mol、b mol、c mol，根據銅元素、氧元素守恒列兩個方程，約掉c，再結合得失電子守恒，推出產生的NO的物質的量；根據第三步求出的NO的物質的量，結合最后溶液中Na+與NO3-等物質的量，可以推出總的HNO3的物質的量，結合原稀硝酸的體積，最終推出原稀硝酸的物質的量濃度。其思維過程可用如下圖示：

點評：本題圖示分析過程主要目的是為了使學生在鞏固元素化合物知識的同時，特別讓學生加深對元素守恒、得失電子守恒等思想的理解，在教學過程中和學生一起分步、分臺階的感受邏輯推理的魅力。

例題5：某溶液中可能含有Cl-、SO42-、CO32-、NH4+、Fe3+、A13+、K+，進行如下實驗：

（1）取該溶液100mL，加入過量NaOH溶液，加熱，得到0.01mol氣體，同時產生紅褐色沉淀；過濾，將沉淀洗滌、灼燒，得到0.8g固體；

（2）向（1）的濾液中通入足量CO2，過濾，得到0.01mol沉淀；

（3）向（2）的濾液中加入足量用鹽酸酸化的BaCl2溶液，得到2.33g沉淀。

由此可知原溶液中（ ）

A. 至少存在CO32-、Cl-中的一種

B. Cl-一定存在，K+可能存在

C. Cl-一定存在，且c（Cl-）≥0.6 mol·L-1

D. 溶液中至多存在4種離子

分析：結合元素化合物知識和題設，實驗（1），推出0.01mol氣體即為0.01mol NH3，推出原溶液中含有0.01mol NH4+；推出0.8g固體即為0.005mol Fe2O3，推出原溶液中含有0.01mol Fe3+，根據共存原則（CO32-與Fe3+會發生強烈的雙水解），推出原溶液中不含有CO32-；實驗（2），0.01mol沉淀即為0.01mol Al（OH）3，推出原溶液中含有0.01mol Al3+；實驗（3），2.33g沉淀即為0.01mol BaSO4，推出原溶液中含有0.01mol SO42-；再結合溶液中的電荷守恒，原溶液中若不存在K+，則推出Cl-的物質的量為0.05mol，原溶液中若存在K+，則推出Cl-的物質的量大于0.05mol。其思維過程可用如下圖示：

點評：區別于一般的離子共存習題，本題從定性和定量兩個維度展開了邏輯推理。與本文的其他例題相比，本題凸顯了溶液中的電荷守恒思想。

啟示：筆者認為在高中化學分析計算題教學工作中，結合各例題的分析過程，逐步板書出相關思維過程的圖示，刻意強調邏輯推理的重要性，有利于提升學生綜合分析問題和解決問題的能力，而這些能力正是學生必須具備的。

參考文獻

[1] 楊厚波.中學化學教學中邏輯思維能力培養的研究[D].南京：南京師范大學，2010，（5）

[2] 包朝龍.“突出推理”——07高考理綜化學命題的一大亮點[J].高考，2007，（7、8）