基于證據(jù)推理與模型認(rèn)知素養(yǎng)下的化學(xué)探究性學(xué)習(xí)
——以“新情境下的化學(xué)方程式書(shū)寫(xiě)”為例

云南 李海春

證據(jù)推理與模型認(rèn)知是化學(xué)學(xué)科的五大核心素養(yǎng)之一，亦是重要的化學(xué)學(xué)科思維方法。所謂模型認(rèn)知是指“知道可以通過(guò)分析、推理等方法認(rèn)識(shí)研究對(duì)象的本質(zhì)特征、構(gòu)成要素及其相互關(guān)系，建立認(rèn)知模型，并能運(yùn)用模型解釋化學(xué)現(xiàn)象，揭示現(xiàn)象的本質(zhì)和規(guī)律”。其關(guān)鍵是分析實(shí)際問(wèn)題，抓住其本質(zhì)，聯(lián)想已有的知識(shí)，建立表達(dá)式，并應(yīng)用其性質(zhì)找到解決問(wèn)題的途徑。新情境下的化學(xué)反應(yīng)方程式考查學(xué)生接受、吸收、整合化學(xué)信息的能力以及根據(jù)新信息結(jié)合已有知識(shí)分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的應(yīng)變能力。培養(yǎng)能力，重在培養(yǎng)學(xué)生分析和解決化學(xué)問(wèn)題的能力。

高考試題中涉及新情境下化學(xué)(離子)方程式類試題，出現(xiàn)的頻率高，分值多。該類試題所給予的信息是教材中沒(méi)有的知識(shí)，特點(diǎn)是信息新穎，新舊相承，需要加強(qiáng)對(duì)元素化合物性質(zhì)的理解與掌握，使學(xué)生能夠快速、準(zhǔn)確地獲取實(shí)質(zhì)性內(nèi)容及相關(guān)信息，并與已知化學(xué)方程式知識(shí)整合，在分析解答的基礎(chǔ)上提高學(xué)生應(yīng)用新信息的能力，激發(fā)其思維的廣度和深度，全面提升學(xué)科核心素養(yǎng)。

一、高考試題中新情境下的化學(xué)(離子)反應(yīng)方程式書(shū)寫(xiě)步驟

步驟一：根據(jù)化合價(jià)確定反應(yīng)是否為氧化還原反應(yīng)；

步驟二：若不是氧化還原反應(yīng)，根據(jù)復(fù)分解反應(yīng)的規(guī)律判斷產(chǎn)物；若為氧化還原反應(yīng)，分析出氧化劑、還原劑、氧化產(chǎn)物、還原產(chǎn)物，根據(jù)得失電子守恒配平原子個(gè)數(shù)；

步驟三：根據(jù)電荷守恒和質(zhì)量守恒配平化學(xué)計(jì)量數(shù)；

1.書(shū)寫(xiě)非氧化還原反應(yīng)類化學(xué)方程式的模型

【例1】(2021·全國(guó)乙卷·26節(jié)選)磁選后的煉鐵高鈦爐渣，主要成分有TiO2、SiO2、Al2O3、MgO、CaO以及少量的Fe2O3。為節(jié)約和充分利用資源，通過(guò)圖1工藝流程回收鈦、鋁、鎂等。

圖1

回答下列問(wèn)題：

(1)“焙燒”中，TiO2、SiO2幾乎不發(fā)生反應(yīng)，Al2O3、MgO、CaO、Fe2O3轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的硫酸鹽，寫(xiě)出Al2O3轉(zhuǎn)化為NH4Al(SO4)2的化學(xué)方程式_______________。

(5)“酸溶”后，將溶液適當(dāng)稀釋并加熱，TiO2+水解析出TiO2·xH2O沉淀，該反應(yīng)的離子方程式是_________________。

2.書(shū)寫(xiě)氧化還原反應(yīng)類化學(xué)方程式的模型

(1)書(shū)寫(xiě)步驟

第一步：依據(jù)信息，找到參與氧化還原的物質(zhì)，構(gòu)建“氧化劑+還原劑→氧化產(chǎn)物+還原產(chǎn)物”模型。

第二步：運(yùn)用得失電子守恒快速配平有元素化合價(jià)發(fā)生變化的物質(zhì)前的化學(xué)計(jì)量數(shù)。

第三步：利用質(zhì)量守恒定律并結(jié)合介質(zhì)的酸堿性，堿性條件下，補(bǔ)充OH-，不能出現(xiàn)H+(或能與OH-反應(yīng)的微粒)；同樣酸性條件下，補(bǔ)充H+，不能出現(xiàn)OH-(或能與H+反應(yīng)的微粒)。

(2)書(shū)寫(xiě)原則

①電子守恒的原則。氧化還原反應(yīng)中，氧化劑得電子的數(shù)目等于還原劑失電子的數(shù)目。

②電荷守恒的原則。離子反應(yīng)中，陽(yáng)離子所帶的正電荷總數(shù)等于陰離子所帶的負(fù)電荷總數(shù)。

③原子守恒的原則。反應(yīng)前后，原子的種類和個(gè)數(shù)保持不變。

④共存性原則。生成物中，能發(fā)生復(fù)分解反應(yīng)、氧化還原反應(yīng)、絡(luò)合反應(yīng)、強(qiáng)烈雙水解的物質(zhì)要繼續(xù)發(fā)生反應(yīng)，直至生成物遵循共存的原則。

【例2】(2021·全國(guó)甲卷·26節(jié)選)碘(紫黑色固體，微溶于水)及其化合物廣泛用于醫(yī)藥、染料等方面。回答下列問(wèn)題：

(1)I2的一種制備方法如圖2所示：

圖2

①加入Fe粉進(jìn)行轉(zhuǎn)化反應(yīng)的離子方程式為_(kāi)______________________________，生成的沉淀與硝酸反應(yīng)，生成________后可循環(huán)使用。

②通入Cl2的過(guò)程中，若氧化產(chǎn)物只有一種，反應(yīng)的化學(xué)方程式為_(kāi)_____________________________；若反應(yīng)物用量比n(Cl2)/n(FeI2)=1.5時(shí)，氧化產(chǎn)物為_(kāi)_______；當(dāng)n(Cl2)/n(FeI2)>1.5，單質(zhì)碘的收率會(huì)降低，原因是_______________________________。

(2)以NaIO3為原料制備I2的方法是：先向NaIO3溶液中加入計(jì)量的NaHSO3，生成碘化物；再向混合溶液中加入NaIO3溶液，反應(yīng)得到I2，上述制備I2的總反應(yīng)的離子方程式為_(kāi)___________________。

【例3】(2020·全國(guó)卷Ⅰ·26節(jié)選)釩具有廣泛用途。黏土釩礦中，釩以+3、+4、+5價(jià)的化合物存在，還包括鉀、鎂的鋁硅酸鹽，以及SiO2、Fe3O4。采用圖3所示工藝流程可由黏土釩礦制備NH4VO3。

圖3

回答下列問(wèn)題：

3.書(shū)寫(xiě)電極反應(yīng)式類的模型

(1)電極反應(yīng)式的建模：

負(fù)(陰)極：還原劑失電子→發(fā)生氧化反應(yīng)(一般通式：M-ne-→Mn+)

正(陽(yáng))極：氧化劑得電子→發(fā)生還原反應(yīng)(一般通式：N+me-→Nm-)

(2)書(shū)寫(xiě)規(guī)則：

①三大守恒規(guī)律：電荷守恒、電子守恒、質(zhì)量守恒

②正負(fù)極得失電子相等(負(fù)失正得)

③兩式相加后電子必須抵消

(3)書(shū)寫(xiě)注意點(diǎn)：

①電極反應(yīng)是一種離子反應(yīng)，遵循書(shū)寫(xiě)離子反應(yīng)式的一切規(guī)則(如拆、平、守恒等)。

③氧氣(氧原子得電子生成O2-)溶液中不存在O2-，在酸性溶液中它與H+結(jié)合成H2O、在堿性或中性溶液中它與H2O結(jié)合成OH-。

④兩極反應(yīng)相加得到總反應(yīng)，總反應(yīng)減去負(fù)極反應(yīng)得到正極反應(yīng)、總反應(yīng)減去正極反應(yīng)得到負(fù)極反應(yīng)。

⑤若正負(fù)極的產(chǎn)物會(huì)同所處的電解質(zhì)溶液反應(yīng)的話，則必須考慮產(chǎn)物同電解質(zhì)溶液的反應(yīng)。即電極反應(yīng)的產(chǎn)物必須能穩(wěn)定地存在與電解質(zhì)溶液中。

【例4】(2021·浙江6月選考·22)某全固態(tài)薄膜鋰離子電池截面結(jié)構(gòu)如圖4所示，電極A為非晶硅薄膜，充電時(shí)Li+得電子成為L(zhǎng)i嵌入該薄膜材料中；電極B為L(zhǎng)iCoO2薄膜；集流體起導(dǎo)電作用。下列說(shuō)法不正確的是

圖4

( )

A.充電時(shí)，集流體A與外接電源的負(fù)極相連

B.放電時(shí)，外電路通過(guò)amol電子時(shí)，LiPON薄膜電解質(zhì)損失amol Li+

【答案】B