化學思想方法在實驗考查中的滲透

江蘇 陳 方

化學思想方法在實驗考查中的滲透

江蘇 陳 方

有關背景

普通高中《化學課程標準（實驗）》中明確提出了高考對化學思想方法的考查要求，并在“化學實驗基礎”中提到“初步認識實驗方案設計、實驗條件控制、數據處理等方法在化學學習和科學研究中的應用”。研究近年高考化學實驗試題也能發現，涉及“比較、分類（類比）思想”“變量控制思想”“綠色化學思想”等的考查成了獨特而靚麗的風景。本文舉例分析、闡述了這些思想方法在解決化學實驗類試題中的價值，引導學生在學習過程中，不斷體驗和運用這些思想方法，進而不斷形成化學核心素養。

有關思想方法

1．比較、分類（類比）思想

類比是根據兩個（或兩類）對象之間在某些屬性上的相同或相似所作的一種類推，化學學習中該策略運用得比較普遍。比較是對兩種或兩種以上易混淆的相關事物進行對比分析的一種常用方法。比較不僅能揭示新概念的關鍵特征，而且能更容易掌握新概念的內涵。它們均是精加工的重要方法。

不同物質的屬類、結構、性質、制備等諸方面可能有某些相似甚至相同之處。學習中運用類比這種科學方法，可將不同物質進行由此及彼的聯系，進而簡化思維過程，提高學習效率。

例1 某校化學研究性學習小組的同學在學習了金屬的知識后，為了解Cu的常見化合物性質，運用類比學習的思想提出如下的問題，進行探究。請你協助該小組的同學完成下列研究。

【提出問題】

①Cu的金屬活潑性小于Al，Al（OH）3具有兩性，Cu（OH）2也具有兩性嗎？

②通常情況下，＋2價Fe的穩定性小于＋3價Fe，＋1價Cu的穩定性也小于＋2價Cu嗎？③CuO能被H2、CO等還原，也能被NH3還原嗎？

【實驗方案】

（1）解決問題①需用到的藥品有CuSO4溶液、________（填試劑），同時進行相關實驗。

（2）解決問題②的實驗步驟和現象如下：取98g Cu（OH）2固體，加熱至80～100℃時，得到黑色固體粉末，繼續加熱到1 000℃以上，黑色粉末全部變成紅色粉末A。冷卻后稱量，A的質量為72g。向A中加入適量的稀硫酸，得到藍色溶液，同時觀察到容器中還有紅色固體存在。據此可推得，A的化學式為__________。

（3）為解決問題③，設計的實驗裝置如下圖所示（夾持及尾氣處理裝置未畫出）：

實驗中觀察到CuO變為紅色物質，無水CuSO4變藍色。同時生成一種無污染的氣體。

【實驗結論】

（1）Cu（OH）2具有兩性。證明Cu（OH）2具有兩性的實驗現象是___________________________________________。

（2）根據“實驗方案（2）”，得出的＋1價Cu和＋2價Cu穩定性大小的結論是_________________________________；________________________________。

（3）CuO能被NH3還原。該反應的化學方程式為_________________________________________________________。

【問題討論】（略）

解析：（1）類比Al（OH）3的實驗室制法和兩性的檢驗方法，可以利用CuSO4溶液和適量的NaOH溶液制得Cu（OH）2，把制得的Cu（OH）2分成兩份，一份加鹽酸，另一份加入NaOH溶液，觀察藍色沉淀是否溶解。（2）98g Cu（OH）2固體受熱分解可以得到80g CuO，CuO在高溫條件下繼續受熱分解如果全部生成Cu，應得到64g Cu，但實驗中A的質量為72g，且加入硫酸溶液變藍，說明有Cu2O的存在，Cu2O在酸性條件下發生反應生成Cu2＋和Cu，由此證明A應為Cu2O，質量恰好為72g。該實驗說明在高于1 000℃時，＋1價Cu比＋2價Cu穩定；在溶液中＋2價Cu比＋1價Cu穩定。（3）略。

參考答案：

【實驗方案】（1）鹽酸、NaOH溶液 （2）Cu2O

【實驗結論】（1）Cu（OH）2既能溶于鹽酸，又能溶于NaOH溶液

（2）在高于1 000℃時，＋1價Cu比＋2價Cu穩定；在溶液中＋2價Cu比＋1價Cu穩定

例2 （2016新課標Ⅱ，28）某班同學用如下實驗探究Fe2＋、Fe3＋的性質。回答下列問題：

（1）分別取一定量氯化鐵、氯化亞鐵固體，均配制成0．1mol·L－1的溶液。在FeCl2溶液中需加入少量鐵屑，其目的是____________________________________________。

（2）甲組同學取2mL FeCl2溶液，加入幾滴氯水，再加入1滴KSCN溶液，溶液變紅，說明Cl2可將Fe2＋氧化。FeCl2溶液與氯水反應的離子方程式為_________________。

（3）乙組同學認為甲組的實驗不夠嚴謹，該組同學在2mL FeCl2溶液中先加入0．5mL煤油，再于液面下依次加入幾滴氯水和1滴KSCN溶液，溶液變紅，煤油的作用是_____________________________________________________。

（4）丙組同學取10mL 0．1mol·L－1KI溶液，加入6mL 0．1mol·L－1FeCl3溶液混合。分別取2mL此溶液于3支試管中進行如下實驗：

①第一支試管中加入1mL CCl4充分振蕩、靜置，CCl4層顯紫色；

②第二支試管中加入1滴K3［Fe（CN）6］溶液，生成藍色沉淀；

③第三支試管中加入1滴KSCN溶液，溶液變紅。

實驗②檢驗的離子是________（填離子符號）；

實驗①和③說明：在I－過量的情況下，溶液中仍含有________（填離子符號），由此可以證明該氧化還原反應為________。

（5）丁組同學向盛有H2O2溶液的試管中加入幾滴酸化的FeCl2溶液，溶液變成棕黃色，發生反應的離子方程式為_________________；一段時間后，溶液中有氣泡出現，并放熱，隨后有紅褐色沉淀生成，產生氣泡的原因是____________________，生成沉淀的原因是______________________（用平衡移動原理解釋）。

解析：本題題干部分就已闡明實驗意圖“探究Fe2＋、Fe3＋的性質”，顯然有將Fe2＋、Fe3＋的性質進行對比的意味。由于兩種離子中鐵的價態的不同，它們的氧化性、還原性存在差異。其中（1）（2）（3）（5）主要涉及Fe2＋的還原性，其中（2）和（3）則是比較了不同條件下（有氧和無氧）Fe2＋的還原性；而（4）則主要是圍繞Fe3＋的氧化性而進行的實驗探究。

參考答案：

2．變量控制思想

控制變量法是化學實驗設計類試題中的一種常用思想方法，通過控制變量可以對影響實驗結果的多個因素逐一進行探究。當影響實驗某項內容的變量有多個（多方面）時，往往先控制某些變量不變化，而只改變某個變量，弄清在其他量不變的情況下，這個變量對實驗結果的影響，進而得出相關結論。然后再確定另一個變量，重新進行相關分析。最后綜合得出相關結論。該法是化學學習中常用的探究問題和分析解決問題的科學方法之一，可以使研究的問題簡單化、條理化、規律化。這一思想在化學學習中將會被逐漸滲透，特別是在實驗研究中將成為一種重要的方法。

例3 （2016北京，26）用零價鐵（Fe）去除水體中的硝酸鹽（NO－3）已成為環境修復研究的熱點之一。

（1）Fe還原水體中NO3－的反應原理如圖所示。

①作負極的物質是________。

②正極的電極反應式是___________________________。

（2）將足量鐵粉投入水體中，經24小時測定NO－3的去除率和pH，結果如下：

______初始pH pH＝2．5 pH＝4．5________NO－3的去除率_______接近100%＜50%___________24小時pH 接近中性接近中性鐵的最終物質形態

pH＝4．5時，NO3－的去除率低。其原因是__________。

（3）實驗發現：在初始pH＝4．5的水體中投入足量鐵粉的同時，補充一定量的Fe2＋可以明顯提高NO3－的去除率。對Fe2＋的作用提出兩種假設：

Ⅰ．Fe2＋直接還原NO3－；

Ⅱ．Fe2＋破壞FeO（OH）氧化層。

①做對比實驗，結果如圖所示，可得到的結論是_____。

②同位素示蹤法證實Fe2＋能與FeO（OH）反應生成Fe3O4。結合該反應的離子方程式，解釋加入Fe2＋提高NO3－去除率的原因：________。

（4）其他條件與（2）相同，經1小時測定NO－3的去除率和pH，結果如下：

____初始pH pH＝2．5 pH＝4．5____NO－3_的去除率______約10%約接近中性________接近中性3%_____1小時pH

與（2）中數據對比，解釋（2）中初始pH不同時，NO3－去除率和鐵的最終物質形態不同的原因：__________________。

解析：（1）略。（2）通過控制變量（pH），測得相同時間后NO－3的去除率的高低，分析相關原因。顯然，pH較高時，Fe3＋較易水解生成FeO（OH）（據題中圖示），阻礙電子轉移，所以NO－3的去除率低。（3）①從圖中可以看出，在pH＝4．5（其他條件相同）時，只加入鐵粉或只加入Fe2＋，都不及同時加入鐵粉和Fe2＋對NO－3的去除率高，說明不符合假設Ⅰ，而是由于Fe2＋破壞FeO（OH）生成了四氧化三鐵。這是典型的變量控制思想的體現和應用，也用了對比的方法。②據題意，利用有關守恒原理并結合酸性條件，可寫出有關離子方程式為2H＋；加入Fe2＋之所以可以提高NO－3的去除率，是因為減少了FeO（OH）的生成，產生更多的Fe3O4，增強了導電性。另外生成了H＋，可以減慢pH增大的速度，使NO－3的去除率增大。

（4）此問可看作綜合了（2）（3）兩問，主要運用了比較的思想方法。

參考答案：

（2）Fe3＋較易水解生成FeO（OH），FeO（OH）不導電，阻礙電子轉移

（3）①本實驗條件下，Fe2＋不能直接還原NO－3；在Fe和Fe2＋共同作用下能提高NO－3的去除率②Fe2＋＋，Fe2＋將不導電的FeO（OH）轉化為可導電的Fe3O4，利于電子轉移

（4）由于pH越高，Fe3＋越容易水解生成FeO（OH），FeO（OH）又不導電，所以NO－3的去除率越低；初始pH低時，產生的Fe2＋充足；初始pH高時，產生的Fe2＋不足

3．綠色化學思想

化學新課程中的實驗，理應體現綠色化學思想，遵循綠色化設計原則，即原料的綠色化、化學反應的綠色化、產品的綠色化。在原料、反應（包括催化劑、溶劑）和產品的綠色化中，化學反應的“原子經濟性”至關重要，化學反應應最大限度地利用原料分子中的每一個原子，使它們都結合到目標分子（產物）中去，從而達到零排放（即沒有副反應、不生成副產物、不產生廢棄物）。當實驗過程中產生有毒、有害物質或污染物時，要學會運用化學知識和方法去防治污染，增強學生對自然和社會的責任感，使學生將來在面臨與化學有關的社會問題時，能做出更明智、更科學的決策。

例4 （2016新課標Ⅰ，26節選）氮的氧化物（NOx）是大氣污染物之一，工業上在一定溫度和催化劑條件下用NH3將NOx還原生成N2，某同學在實驗室中對NH3與NOx反應進行了探究。

甲

回答下列問題：

（2）氨氣與二氧化氮的反應

將上述收集到的NH3充入注射器X中，硬質玻璃管Y中加入少量催化劑，充入NO2（兩端用夾子K1、K2夾好）。在一定溫度下按圖乙裝置進行實驗。

乙

______操作步驟____________實驗現象解釋原因打開K1，推動注射器活塞，使X中的氣體緩慢通入Y管中①Y 管中________②反應的化學方程式將注射器活塞退回原處并固定，待裝置恢復到室溫Y管中有少量水珠生成的氣態水凝聚打開K2______________________③_______________④__________________

解析：題干部分即闡明“氮的氧化物（NOx）是大氣污染物之一”，圍繞氮的氧化物的處理方法展開實驗探究，其中F裝置不僅可以防止NH3的逸出而導致產生的污染而且可防止倒吸。圖乙的Z裝置，其中的NaOH溶液可吸收NO2，防止其污染空氣。

參考答案：

（2）①紅棕色氣體慢慢變淺

③Z中NaOH溶液產生倒吸現象

④反應后氣體分子數減小，Y管中壓強小于外界壓強

傳統的化學教學往往只關注知識教學，忽視科學方法和科學觀念（思想）的教學，或者顧此失彼，處理不好三者的關系。化學實驗作為中學化學教學中的重要內容，既要通過實驗探究活動，掌握基本的化學實驗技能和方法，進一步體驗實驗探究的基本過程，認識實驗在化學科學研究和化學學習中的重要作用，提高化學實驗能力；又要在教學中讓學生不斷體驗并嘗試運用諸如“比較、分類（類比）”“變量控制”“綠色化學”等學科思想方法。進而逐漸形成學生的“實驗探究”“分類表征”“模型認知”“綠色應用”等化學核心素養。

（作者單位：江蘇省溧水高級中學）