建構類比思維模型 提升“宏微素養”

摘 " "要：“宏觀辨識與微觀探析”核心素養要求學生能從不同層次認識物質的多樣性，并形成“結構決定性質”的觀念。教師可借助核心元素化合價、物質類別、電離平衡、水解平衡、元素周期律（表）及官能團等要素，引導學生建構類比思維模型，梳理物質的性質及其轉化關系，從而達成認識思路、學科知識雙結構化的目的。由于類比只是一種預測陌生物質性質的認識思路，有可能出現偏差，教師還要引導學生對預測結果通過理論計算或化學實驗進行驗證。

關鍵詞：類比思維模型；“宏觀辨識與微觀探析”核心素養；化學教學

注重核心素養的培育是當前課程改革的重要特征，而思維是核心素養的核心。比較、分類、分析與綜合、抽象與概括、類比、推理、聯想、想象、重組、發散、定勢、辯證思維、臻美、空間認知、觀察等都是重要的思維方法。

“宏觀辨識與微觀探析”核心素養（以下簡稱“宏微素養”）要求學生：能從不同層次認識物質的多樣性，并對物質進行分類；能從元素和原子、分子水平認識物質的組成、結構、性質和變化，形成“結構決定性質”的觀念。因此，從物質類別、微粒種類、核心元素化合價、周期律（表）、官能團等角度建構類比思維模型，有利于培養學生的分類觀、微粒觀、價態觀、元素觀、基團觀。學生從宏觀和微觀相結合的視角去類比分析與解決實際問題，可以提升宏微素養。

類比的具體過程是：通過對兩個不同的對象進行比較，找出它們的相似點，然后以此為依據，把其中某一對象的有關知識或結論推移到另一對象中去。下面，筆者結合具體教學實踐，闡述幾種常見類比思維模型的建構策略，并對其應用偏差給出糾正辦法，供大家參考。

一、基于“價—類—離子”三維視角的類比

通過“鈉及其化合物”的學習，學生從初中時的基于事實經驗和簡單類比認識物質性質，發展為基于物質類別認識物質性質，并初步建構了基于物質類別研究物質性質的基本模型，即“陌生物質→所屬類別→類別通性”。

通過“氧化還原反應”的學習，學生建構了基于氧化還原反應規律，根據核心元素化合價升降趨勢預測物質性質的基本模型。至此，學生初步形成了認識物質的兩個視角，即類別和價態。通過“鐵、硫、氮等元素及其化合物”的學習，學生進一步鞏固和發展了以“價—類”二維視角研究物質的思路和方法。

通過“離子反應”的學習，學生從電離的角度重新認識了酸、堿、鹽及其在水溶液中的行為，建立了微粒（離子）和宏觀物質性質間的對應關系，認識到物質在水溶液中發生化學反應的本質，從微觀角度理解水溶液中同一類物質具有相似性質的原因。

基于以上認識，我們可以從“價—類—離子”三維視角建構認識物質的類比模型，詳見圖1。

基于物質類別的非氧化還原反應轉化關系及基于化合價的氧化還原反應轉化關系都符合強制弱規律。前者遵循強酸（堿）制弱酸（堿）的原理，而后者遵循的原理是強氧化劑制弱氧化劑。隨著學習的深入，學生習得了從電離平衡、水解平衡等角度認識物質性質的新視角，知曉了通過平衡移動原理也可實現弱酸制強酸、弱還原劑制強還原劑。

通過其平衡常數的計算，我們可看出，該反應能夠進行的程度非常大。

下面以NaClO與SO2反應為例說明該模型的應用。

SO2與CO2同為酸性氧化物，且與水反應后形成的H2SO3和H2CO3的酸性均強于HClO，由NaClO溶液與CO2發生復分解反應，可類比出NaClO與SO2反應生成NaHSO3和HClO。由于SO2具有還原性，HClO有強氧化性，故SO2與NaClO實際發生氧化還原反應。其類比過程詳見圖2。

在對具體問題進行分析的過程中，我們應綜合考慮多個類比因素。如從酸性氧化物角度類比得出SO2與Ba（NO3）2溶液不反應，從元素價態角度類比得出SO2會被氧化成SO42-，繼而生成BaSO4，從微觀離子角度分析也可得出產生沉淀的結論。其分析過程詳見圖3。

二、基于元素周期律（表）視角的類比（以同主族為例）

通過“原子結構”與“元素周期律（表）”的學習，學生形成了從分子、原子等微觀結構研究宏觀物質性質的視角，初步建構了以“位—構—性”三維視角研究物質性質的一般模型。同主族元素最外層電子數相同，其元素的化合價、形成化合物的化學式、電子式、空間構型等具有相似性，因此我們可利用其類比預測陌生元素及其形成的化合物的相關性質。隨著電子層數逐漸增多，原子半徑逐漸增大，元素及其形成的化合物的性質呈現一定的遞變規律。

基于以上認識，我們可建構基于元素周期律（表）視角的類比模型，詳見圖4。

利用該模型，我們可根據CH4、NH3、H2O、HF的結構預測得知ⅣA、ⅤA、ⅥA、ⅦA族元素簡單氫化物的化學式依次為RH4、RH3、H2R、HR，其空間構型分別為正四面體型、三角錐形、V字形、直線形。

利用鹵素原子（用X表示，下文同）與氫原子在成鍵方式上的相似性，我們可以將RH4、RH3、H2R、HR中的H原子替換成X原子，所得的RX4、RX3、RX2、RX的空間構型不會發生改變，不同的是由于原子半徑大小、電負性的改變，其鍵長及鍵角可能發生變化。

隨著電子層數逐漸增多，元素的金屬性、非金屬性，單質的氧化性、還原性，形成雙鍵的能力、形成氫鍵的能力，反應的活潑性，中心原子的配位數，某些化學性質等都出現了一些變化。如MgCl2·6H2O在HCl氣流中脫水，而SrCl2·6H2O可直接加熱脫水，ⅣA族元素的氫化物的沸點遞變規律與ⅤA、ⅥA、ⅦA族不同，CO2和SiO2的空間結構不同等。

下面以Fe3S4與HCl溶液反應為例說明該模型運用時需要注意的事項。

利用Fe3O4與HCl反應類比可得：Fe3S4+8HCl=FeCl2+2FeCl3+4H2S↑。由于物質氧化性的差異，Fe3+應與H2S發生氧化還原反應，綜合考慮的結果為：Fe3S4+6HCl=3FeCl2+S↓+3H2S↑。其類比過程詳見圖5。

除了利用同周期、同主族進行類比外，我們還可利用周期表中左上角和右下角的物質性質相似性進行類比。物質性質的相似性可用離子勢進行分析，其定義如下：

[φ "=陽離子電荷陽離子半徑 " =Zr " "（r-pm）]

Be2+的半徑小于Al3+，但電荷卻是Al3+高于Be2+，兩者的離子勢（離子場力）相似。

如Be和Al元素具有如下的相似性：（1）電極電勢相近；（2）均為兩性金屬；（3）BeO和Al2O3都具有高熔點、高硬度；（4）二者的氫氧化物均呈兩性；（5）BeCl2和AlCl3都是缺電子的共價型化合物，在蒸氣中以締合分子的狀態存在；（6）金屬鈹和鋁都能被濃硝酸鈍化；（7）二者形成的鹽都能水解且與高價陰離子形成的鹽難溶。相似的情況還出現在Li與Mg元素，B與Si元素。

三、基于官能團（或特定基團）視角的類比

通過“乙烯、乙炔、乙醇、乙酸”等有機物的學習，學生習得了幾種常見有機物的性質。在此基礎上，教師可以引導學生建構基于官能團（或特定基團）視角預測同類有機物性質的一般模型，詳見圖6。這有助于促進學生形成結構決定性質的認識思路，提升學生的宏微素養。

利用該模型，由丙三醇加入新制Cu（OH）2溶液后呈絳藍色，我們可以推測出將葡萄糖溶液加入新制Cu（OH）2溶液后也呈絳藍色的結論。其分析過程詳見圖7。

事物是相互聯系的，聯系的事物之間存在著相互影響，因此在利用模型預測性質時，我們既要抓住結構的相似性進行類比，同時也須高度重視因基團間的相互影響而導致的類比錯誤。如在“甲苯”的學習過程中，我們可以利用苯及甲烷的性質類推出甲苯苯環和側鏈上的取代反應。如其溴代反應，苯環和側鏈上發生的條件分別是溴化鐵做催化劑和光照，由于甲基對苯環的影響，其苯環上的氫分為鄰位、間位、對位三類，其中鄰位、對位溴代的產物比例較高。此外，由苯和甲烷都不能使酸性KMnO4溶液褪色，類比得出甲苯不能使酸性KMnO4溶液褪色也是錯誤的，因為苯環活化了甲基，使其能被酸性KMnO4氧化成羧基。又如鄰羥基苯甲酸，我們可以從苯環、羥基、羧基三個角度類比其性質，同時應關注到由于基團之間的相互影響，其羥基和羧基的電離常數都會發生一定的改變。

綜上，類比是一種預測陌生物質性質的認識思路，預測準確與否需要通過理論計算或化學實驗進行驗證。如Cl2、Br2與冷的NaOH溶液反應時生成NaClO和NaBrO，但I2與冷的NaOH溶液反應時生成NaIO3（因為IO-歧化生成IO3-的反應速率相當快，具體可通過電極電勢進行分析）。又如，Cl、Br元素的最高價氧化物對應的水化物的化學式分別為HClO4、HBrO4，而I元素的最高價氧化物對應的水化物正高碘酸的化學式為H5IO6。I原子采用了sp3d2雜化態，由于I原子半徑較大，周圍可容納六個氧原子，而正高碘酸的電離度較低且分子中含有較多的OH基團，因此正高碘酸在真空下加熱可逐步失去水轉化為偏高碘酸（HIO4）。因此，教師要善用、慎用類比，以更好地發揮類比在化學教學中的作用，切實提升學生的化學學科核心素養。