理清思維障礙 優化解題策略——以“氧化還原反應”問題的深度分析為例

湖南 李銀秀

氧化還原反應是一類重要的反應，與生命、社會生產、生活等密切相關，通過氧化還原反應實現物質及能量的轉化是科研工作者研究的重要課題，也是高考考查的重點。《普通高中化學課程標準(2017年版)》內容要求、學業要求及《普通高等學校招生全國統一考試大綱(2019年版)》均提出了明確的要求。在學習過程中，部分學生對氧化還原反應以及陳述理由、配平思維容量大的氧化還原反應化學方程式及書寫陌生氧化還原反應化學方程式有一定困難；計算發生多個氧化還原反應的復雜體系時，過程繁瑣或沒有思路；分析氧化還原反應的應用、設計實驗進行初步驗證并分析、解釋實驗現象時，表現出的證據推理與模型認知核心素養水平層級較低。本文針對性舉例分析，試圖理清思維障礙，優化解題策略。

一、缺失重要基本觀念，錯誤判斷反應類型

二、概念方法嚴重脫節，陌生反應頗感棘手

1.氧化劑和還原劑不明朗，守恒關系認識不全

2.思維方法單一固化，不能準確快速配平

【例3】(2018·江蘇卷·16節選)“過濾”得到的濾渣中含大量的Fe2O3。Fe2O3與FeS2混合后在缺氧條件下焙燒生成Fe3O4和SO2，理論上完全反應消耗的n(FeS2)∶n(Fe2O3)=________。

分析方法一：若利用得失電子守恒配平，只能選擇兩個研究對象。因為反應物FeS2中S元素化合價全部升高至相同物態，可選擇FeS2作為其中一個研究對象。FeS2中S由-1價升高到SO2中+4價，S元素共升高10價。由于得失電子守恒，Fe2O3中+3價Fe化合價必然降低。若根據Fe3O4中Fe的平均價態分析，就會陷入思維困境。結合已有知識，需改變思維方式，運用轉化思想。Fe3O4可看作FeO·Fe2O3，可見，反應物Fe2O3中Fe由+3價降低到FeO·Fe2O3中+2價。學生的潛在思維障礙是陌生情境中不清楚FeO·Fe2O3中+3價Fe元素的來源。可啟發學生思考同種元素相鄰價態之間不發生氧化還原反應，故FeO·Fe2O3中Fe2O3來自反應物中Fe2O3，即反應物Fe2O3中只有一部分Fe元素價態降低，不宜作為研究對象，促使學生思考將FeO·Fe2O3中降價得到的FeO拆分出來作為另一個研究對象。根據得失電子守恒可知降價得到的FeO化學計量數為10，加上FeS2轉化得到的FeO，FeO·Fe2O3(Fe3O4)化學計量數為11，產物中10個FeO和11個Fe2O3中Fe元素均來自反應物Fe2O3，10+11×2=32，根據Fe元素守恒，可知反應物Fe2O3的化學計量數為16，答案為1∶16。

分析方法二：也可將定1法與數學思維方法相結合，避免分析陌生反應中較為復雜的元素價態變化時耗時較多。

該題的得分率很低，值得老師在教學中反思如何精選習題及更好地啟發學生思考，促進學生思維的發展。值得注意的是，將氧化還原反應模型與數學思維模型相結合考查得較多，需引起重視。

該大題的難度為0.36，區分度達0.72，可見要重視回歸教材、夯實基礎，同時提升思維靈活性。

三、忽視思維分析遷移，錯誤書寫反應過程

【例5】(2015·全國卷Ⅰ·27節選)單質硼可用于生成具有優良抗沖擊性能的硼鋼。以硼酸和金屬鎂為原料可制備單質硼，用化學方程式表示制備過程：_________________

四、沒有外顯思維角度，不能洞察問題本質

【例6】(2014·北京卷·26節選)電解NO制備NH4NO3，其工作原理如圖所示。為使電解產物全部轉化為NH4NO3，需補充物質A，A是________，說明理由：______________________________。

【分析】本題以工業制備NH4NO3的相關反應作為問題情境的切入點，以化學反應原理作為分析解決問題的支撐點，展示化學反應與反應原理之間的相互依存關系，詮釋“物質變化是有條件的”化學思想。本題通過運用氧化還原反應原理揭示電解反應的實質，考查考生針對具體反應實例，理解、遷移和綜合運用化學反應原理解決實際問題的能力，并讓考生從化學反應原理的應用層面感悟化學反應發生的內因和外因的辯證關系。

五、缺乏整體思維觀念，不能挖掘隱含條件

【例7】(2017·浙江11月選考卷·29)取7.90 g KMnO4，加熱分解后剩余固體7.42 g。該剩余固體與足量的濃鹽酸在加熱條件下充分反應，生成單質氣體A，產物中錳元素以Mn2+存在。

請計算：

(1)KMnO4的分解率。

(2)氣體A的物質的量。

2 mol 1 mol

0.030 mol 0.015 mol

(2)剩余固體中含KMnO4、K2MnO4與MnO2，與足量的濃鹽酸在加熱條件下充分反應，生成單質氣體A，A為Cl2。因為產物中錳元素以Mn2+存在，可寫出以下化學方程式：

若用常規方法分別計算三個反應中各自產生Cl2的物質的量，計算量大，此時應調整思維方式，四個氧化還原反應①②③④在整個反應過程中，Mn元素從+7價全部降到+2價，說明整個反應過程中轉移電子：0.05 mol×5=0.25 mol，而失去電子的是O元素和Cl元素。在反應中每生成1 mol O2轉移4 mol電子，每生成1 mol Cl2轉移2 mol電子。根據得失電子守恒可知：0.25 mol=0.015 mol×4+2n(Cl2)，解得n(Cl2)=0.095 mol。

解答該題的關鍵策略在于不分別計算每個反應中產生Cl2的物質的量，而是將所有反應作為一個大系統考慮，從而避免繁瑣的計算過程，達到化難為易的目的。

該題通過抽樣統計平均得分只有0.48(含零分)，可見發生多個氧化還原反應復雜體系的計算，絕大多數考生完全不能適應，需要高度重視。

【例8】(2018·浙江4月選考卷·29)稱取4.00 g氧化銅和氧化鐵固體混合物，加入50.0 mL 2.00 mol·L-1的硫酸充分溶解，往所得溶液中加入5.60 g鐵粉，充分反應后，得固體的質量為3.04 g。

請計算：

(1)加入鐵粉充分反應后，溶液中溶質的物質的量。

(2)固體混合物中氧化銅的質量。

由以上假設可知，完全溶解4.00 g CuO和Fe2O3固體混合物，需消耗的n(H2SO4)范圍是0.05 mol

設CuO的物質的量為x、Fe2O3的物質的量為y，根據總質量為4.00 g，可建立方程：

x×80 g·mol-1+y×160 g·mol-1=4.00 g ①

反應體系中Fe原子的物質的量之和為(2y+0.10) mol，由于FeSO4為0.10 mol，根據Fe元素守恒，可知3.04 g固體中必然含n(Fe)=2ymol，結合上述分析，可建立方程：

x×64 g·mol-1+2y×56 g·mol-1=3.04 g ②

聯立①②式，解得x=0.030 mol、y=0.010 mol。

m(CuO)=0.030 mol×80 g·mol-1=2.40 g。

x+3y=0.06 mol ③

聯立①③式或②③式，均可解得

x=0.030 mol、y=0.010 mol。

可見浙江卷第29題常以元素化合物為載體，考查化學計算，題目短小精悍，定量考查較常見化學反應，考查學生分析比較和判斷推理能力。

六、實驗思維能力不強，遷移已有知識困難

【例9】(2017·浙江卷·28節選)FeSO4受熱分解的化學方程式為

請回答：

設計一個實驗方案，用化學方法驗證FeSO4受熱后固體的成分(不考慮其他反應)________。

【例10】(2017·全國卷Ⅲ·26節選)為探究硫酸亞鐵的分解產物，將已恒重的無水FeSO4接入如圖所示的裝置中，打開K1和K2，緩緩通入N2，加熱。實驗后反應管中殘留固體為紅色粉末。

(1)C、D中的溶液依次為________(填標號)。C、D中有氣泡冒出，并可觀察到的現象分別為________。

a.品紅 b.NaOH c.BaCl2

d.Ba(NO3)2e.濃H2SO4

(2)寫出硫酸亞鐵高溫分解反應的化學方程式：____________________。

不難看出，例9與例10有較大相關性，但試題呈現方式與設問方式不同，后者對證據推理與模型認知素養考查力度更大。

可見，化學實驗教學不僅要重視基本實驗技能的培訓，同時也要充分挖掘實驗教學的價值，提升實驗探究能力，加強實驗設計能力培養，也要改變只注重動手忽視深度思維訓練的實驗教學策略。

另外，還要注意判斷與書寫陌生反應的化學方程式時不能忽視反應介質等，影響氧化性、還原性因素的復雜性，探究氧化還原反應實驗時要注意進行變量控制及對照實驗，氧化還原反應強制弱等規律的相對性等。

上述分析啟示我們，教學中應加強對高考真題的研究和命題探究，理清學生思維障礙，優化解題策略，引導學生界定問題類型與本質，將實際問題轉化為所學知識，結合題給信息解決。高考命題的特點是體現素養為本、創設真實情境、考查核心知識、立意關鍵能力，設置實際問題，那么學生答題時應該展現核心素養、感受真實情境、應用核心知識、運用關鍵能力，解答實際問題。核心概念的學習能夠幫助學生建立相應的思路，但未必能使學生的認識方式發展到主動、系統的水平。所以在教學活動中，除了要關注認識角度的建立和形成以外，還要通過特定教學活動提升學生的認識方式類型，最終期待學生形成自主地利用多角度系統分析問題的認識方式，在真實有意義的問題中增進學生對化學的理解，提高學生解決問題能力，提升證據推理與模型認知核心素養。