基于“證據推理”素養培養的新高考背景下元素化合物教學策略

孫景芳

摘要：結合2021年北京等級考化學第1 8題的解析與思考，探討了新高考背景下元素化合物知識備考策略，在實驗探究活動的開展和化學反應原理的融合應用中，實現了知識結構化和思維的程序化，促進了證據推理與模型認知等核心素養的發展，提高了備考復習的實效性。

關鍵詞：2021年北京等級考；元素化合物；證據推理；實驗探究；化學反應原理

文章編號：1008-0546（2023）09-0054-05

中圖分類號：G632.41

文獻標識碼：B

doi： 10.3969/j .issn.1008-0546.2023.09.010

元素化合物是中學化學的主干內容，也是學生學習化學基本概念、基礎理論與化學實驗的重要載體。《普通高中化學課程標準（2017年版）》要求“結合真實情境中的應用實例或通過實驗探究，了解元素化合物主要性質”，這就決定了在元素化合物知識教學中需要充分基于“證據推理”展開教學，以實現其育人價值。筆者以2021年北京市等級考化學卷第18題為例，重點討論元素化合物知識的考查方式、教學導向價值以及對教學的啟示。

一、原題呈現

1．等級考原題

（2021年北京等級考化學第18題）鐵黃是一種重要的化工產品。由生產鈦白粉廢渣制備鐵黃的過程如下。

資料：①鈦白粉廢渣成分：主要為FeSO4．H2O，含少量TiOSO4和不溶物。

②TiOSO4+（x+1）H20==TiO2-xH2O↓+H2SO4

③0.1mol．L-I Fe2+生成Fe （OH）2，開始沉淀時pH=6.3，完全沉淀時pH=8.3。

0.1 mol.L-1 Fe3+生成FeOOH，開始沉淀時pH=1.5，完全沉淀時pH=2.8。

（1）純化

①加入過量鐵粉的目的是______。

②充分反應后，分離混合物的方法是_____。

（2）制備品種

為制備高品質鐵黃產品，需先制備少量鐵黃晶種。過程及現象是：向一定濃度FeSO4溶液中加入氨水，產生白色沉淀，并很快變成灰綠色。滴加氨水至pH為6.0時開始通空氣并記錄pH變化（如下圖所示）。

①產生白色沉淀的離子方程式是

一。

②產生白色沉淀后的pH低于資料③中的6.3。原因是：沉淀生成后c （Fe2+）____ 0.1 mol．L-1（填“>"“="或“<"）。

③0-t1時段，pH幾乎不變；t1一t2時段，pH明顯降低。結合方程式解釋原因：______ 。

④pH～4時制得鐵黃晶種。若繼續通人空氣，t3后pH幾乎不變，此時溶液中e（Fe2+）仍降低，但c（ Fe3+）增加，且c（Fe2+）降低量大于c（Fe3+）增加量。結合總方程式說明原因：_____。

（3）產品純度測定

鐵黃純度可以通過產品的耗酸量確定。

資料：Fe3++3C2O==Fe（C2O4）；，Fe（C2O4）3不與稀堿液反應。

Na2C2O4過量，會使測定結果 _____ （填“偏大”“偏小”或“不受影響”）。

2．參考答案

（1）①消耗硫酸，促進TiOSO4水解平衡正向移動，有利于TiO2.xH2O析出；防止Fe2+被氧化

②過濾

（2）①Fe2++2NH3.H2O==Fe（OH）2↓+2NH4

②>

③0-ti：4Fe （OH）2+O2==4FeOOH+2H20，c（H+）不變

t1-t2：4Fe2++O2+6H2O==4FeOOH↓+8H+，c（H+）增大

④12Fe2++3O2+2H2O==4FeOOH↓+8Fe3+，c（H+）不變，消耗的Fe2+多，產生的Fe3+少

（3）不受影響

二、試題解析

本題以生產鈦白粉廢渣制備化工產品鐵黃為載體，綜合考查了鐵元素及其化合物間的相互轉化、物質的分離與提純、氧化還原反應方程式的書寫、溶度積計算、酸堿中和滴定誤差分析等知識。要順利解答此題，需要學生靈活運用所學知識，從真實的生產情境和題給資料中尋找答題依據，凸顯了對“證據推理與模型認知”化學學科核心素養的考查。表1為本題解答過程中的證據線索和證據類型（來源），具體解析如下。

（1）第①小題，根據資料，鈦白粉廢渣中的TiOSO4會發生水解反應，結合純化目的是要制得精制FeSO4溶液，聯系Fe2+易被氧化的性質，可得正確答案為：消耗H2S04，促使TiOS04的水解反應正向移動，有利于生成TiO2-xH2O↓，同時過量的Fe可以防止Fe2+被氧化。

第②小題，根據資料①，鈦白粉廢渣成分中含少量TiOSO4和不溶物，結合純化過程中需要加入過量鐵粉，可知充分反應后需要分離的是沉淀和溶液的混合物，因此應采用的分離方法為過濾。

（2）第①小題，根據已有知識，向一定濃度FeSO4溶液中加入氨水，Fe2+與氨水生成白色的Fe（OH）2沉淀，氨水為弱堿，寫離子方程式時不可拆開。因此，此題答案為：Fe2++2NH3.H2O==Fe（OH）2↓+2NH4+。

第②小題，考查基于證據的推理過程。根據沉淀轉化與Ksp的關系．c（Fe2+）與c2（OH一）的積達到Ksp[Fe（OH）2]即可產生沉淀，且c（ Fe2+）越大，形成沉淀所需的c（OH一）越小。根據資料，0.1 mol．L-1的Fe2+開始沉淀時pH為6.3，如果pH<6.3時也有沉淀，則溶液中的c （Fe2+）必大于0.1 mol.L-1。

第③小題，根據工藝流程，滴加氨水并通人空氣的目的是制備產物FeOOH，此時體系中存在Fe（OH）2和Fe2+，二者分別被02氧化的方程式為：4Fe（OH）2+02—4FeOOH+2H2O禾口4Fe2++ O2+6H2O ==4FeOOH↓+8H+。根據圖像信息，0 - t1時段，pH幾乎不變，說明H+濃度不變，應該發生的反應是前者，而t1一t2時段，pH明顯降低，說明H+濃度增大，發生的反應應該是后者。

第④小題，制得鐵黃晶種后若繼續通人空氣，依據溶液中c（Fe2+）降低，但c（Fe3+）增加，推出溶液中可能同時發生反應a：4Fe2++ O2+2H2O==4FeOOH+4H+和反應b：4Fe2++ O2+4H+==4Fe3++ 2H2O，然后再根據t3后pH幾乎不變，可知反應a生成的H+與反應b消耗的H+恰好相互抵消，因此，將兩反應疊加可得總反應：12Fe2++ 302+2H2O==4FeOOH+8Fe3+，可見，c（ Fe2+）降低量大于c（Fe3+）增加量。

第（3）題，根據實驗流程可知測定鐵黃的純度的原理為：取Wg鐵黃與已知且過量的H2S04反應，然后用NaOH滴定剩余的硫酸，通過鐵黃樣品的耗酸量來計算其純度。但是為避免生成的Fe3+消耗NaOH，根據資料需要加入稍過量的Na2C2O4來掩蔽Fe3+，此時，還需要考生清楚Na2C2O4過量時必然會消耗H2SO4，但其產物H2C2O4或NaHC2O4仍會與NaOH反應，故對于計算過量的H2SO4是無影響的。因此，只要考生厘清了H2SO4、H2C2O4與HC2O與與NaOH反應的實質均為H+與OH一之間的反應，就可以根據消耗的NaOH總量計算出產品的耗酸量，進而計算出鐵黃產品的純度。綜上所述，Na2C2O4過量，對測定結果是無影響的。

三、對教學的啟示

基于真實的工業生產情景的化工流程題，凸顯了元素化合物知識的社會價值與學科意義。2021年北京等級考化學第18題充分體現了“立德樹人、服務選才、引導教學”的高考功能，又體現了“基礎性、綜合性、應用性、創新性”的考查要求。試題精心設計實驗探究情境，巧妙融人化學反應原理的應用，在素材背景和呈現方式上力求突出學生的思維過程，通過多樣化的信息和設問給學生搭設開放性的思維平臺，要求考生能從宏觀和微觀、定性與定量結合以及物質反應變化的事實及不同特征尋找充分的證據，并解釋證據與結論之間的關系，考查學生的邏輯推理、演繹、歸納、總結等高階思維能力，對今后的化學教學具有良好的導向。

1．創設真實實驗探究情境，培養證據意識，發展學生高階思維

《普通高中化學課程標準（2017年版）》指出，證據推理是科學探究的思維核心，也是化學學科核心素養思維能力的體現。要求學生具有證據意識，能基于證據對物質組成、結構及其變化提出可能的假設，通過分析推理加以證實或證偽；建立觀點、結論和證據之間的邏輯關系。[1]同時指出，要充分認識化學實驗的獨特價值，精心設計實驗探究活動。

因此，在高三元素化合物復習中要充分發揮化學實驗的教學功能，重視創設適合的問題情境，精心設計實驗探究活動，通過科學探究鼓勵學生從問題出發，收集證據，并對其進行分析推理，得出實驗結論。在整個過程中形成“問題一證據一結論”的推理意識，促進學生的知識建構，發展學生的高階思維。例如，筆者在進行“二氧化硫的性質復習”教學時，通過創設問題情境，以問題鏈為驅動，利用實驗探究的形式，以證據推理為抓手，啟發誘導學生層層深入，在問題與實驗相互交融的教學內容中，不僅提升學生大膽猜想、合理假設、縝密思維的水平，也提升了學生在解決實際問題中的學科應用能力，體現“教、學、評”的一致性。具體的教學流程如圖1所示。要注重模塊融合，滲透化學反應原理，有助于元素化合物知識與化學反應原理知識間的融會貫通、相互印證，從而提高復習效率。

例如：Fe3+與Fe2+的檢驗復習課教學實錄（片段）：

問題l.FeC13和KI溶液能反應嗎？說出你的判斷依據。

【學生】因為Fe3+具有氧化性，I一具有還原性，所以二者可以發生氧化還原反應生成Fe2+和I2。所以方程式為：2Fe3++ 21==2Fe2++ 12（沒有寫出可逆符號）。

設計意圖：重溫分析物質性質的價類二維角度，應用已有的認識思路，引導學生建構分析問題的程序性方法，提升學生在新情境中解決實際問題的能力，診斷學生證據推理與模型認知核心素養。

【學生實驗】向2 mL l mol/L KI溶液中滴入3滴0.1 mol/L FeC13溶液。

【追問】能否通過溶液顏色變化證明二者發生了反應？

【學生】不能，如果向蒸餾水中加入FeCl3溶液也會變為黃色。需要通過對照實驗進一步證明。

問題2：試設計實驗方案證明二者發生了反應？

【學生】可以用CC14或用淀粉檢驗I2的生成。

【追問】要證明反應的發生有哪些思考的角度？

【學生】討論交流，從兩個角度證明反應是否發生：一是檢驗生成物的生成，如可以檢驗Fe2+或I2；二是檢驗反應物的減少或消失，如可以檢驗Fe3+或I一。

【學生】本實驗中由于I一過量，所以檢驗溶液中是否還有I一是不合理的，檢驗溶液中是否還有Fe3+可以。

【學生】我認為檢驗溶液中是否還有Fe3+或I一來判斷反應是否發生不合理，因為這是一個可逆反應，反應物不會完全轉化。

【學生】我認為檢驗Fe3+或I一都可以，只不過檢驗生成物只需要定性檢驗Fe2+或I2有沒有就可以了，而如果檢驗反應物則需要檢驗Fe3+或I一有沒有減少，所以需要定量計算，比較麻煩。相比較來說檢驗I2的生成操作更簡單。

設計意圖：通過證明反應是否發生水到渠成引出Fe3+和Fe2+的檢驗問題，同時建立“證明反應是否發生”的思路模型；培養學生證據意識，并能夠基于證據進行分析推理，建立觀點、結論和證據之間的邏輯關系，發展學生證據推理與模型認知核心素養。

問題3．如何證明該反應是可逆反應？討論并設計實驗方案加以證明。

【學生】要證明反應是不是可逆反應，需要證明反應能否轉化完全。如果通過檢驗不過量的物質不存在了，說明不是可逆反應；若不足量的物質還存在，就說明是可逆反應。

【學生實驗】向2 mL l mol/LKI溶液中滴人3滴0.1 mol/L FeCl3溶液，然后滴加2滴KSCN溶液，溶液未變紅色。

【學生】提出猜想：①KSCN溶液變質了；②Fe3+反應完了；③反應體系中c（Fe3+）太低。

【繼續實驗】①直接取0.1 mol/L FeCl3溶液滴加KSCN溶液，溶液變紅。排除了猜想1。

②根據資料：Fe3+可與亞鐵氰化鉀K4[Fe（CN）6]反應生成藍色沉淀，改用K4[Fe（CN）6]溶液檢驗Fe3+，結果產生了藍色沉淀。排除了猜想2，證實了猜想3。

設計意圖：通過證明反應是否可逆的環節巧妙地制造了認知沖突，基于認知沖突進一步進行實驗探究，豐富了Fe3+檢驗的方法。讓學生經歷發現問題、提出假設、設計實驗、解釋證據、獲得結論的探究過程，在探究中收集證據，外顯了證據推理的過程，進一步提升了學生的證據推理素養。

選擇性必修1“化學反應原理”、選擇性必修2“物質結構與性質”模塊中的基礎理論，是深化“元素化合物性質應用”學科本質理解的重要依據。在元素化合物復習中，要盡量避免干癟癟地羅列物質性質，而是多應用“結構決定性質”學科思想，從中心元素價電子到成鍵方式，分析具體物質相應的結構，從物質結構上推導或解釋其性質；多融合“化學反應原理”創設綜合情境，通過問題解決，深入揭示、理解物質轉化規律與本質。[3]

總之，在元素化合物教學中，要重視以“證據推理”為思維方法，學會收集各種證據，基于證據進行分析推理，解釋證據與結論之間的關系，確定形成科學結論所需要的證據和尋找證據的途徑。要堅持從原理和結構層面加深對已有知識的理解，增加系統認識物質性質的角度，把握學科的本質和思想方法，為深入理解性質、反應服務，逐步形成觀念的結構化，最終形成研究元素化合物轉化的思維模型，發展學生“證據推理與模型認知”的化學學科核心素養。

參考文獻

[1] 中華人民共和國教育部．普通高中化學課程標準（2017年版2020年修訂）[S]．北京：人民教育出版社，2021：5．

[2] 葉煒華．基于認知沖突的元素化合物復習——以“S02的性質探究”為例[J]．中學化學教學參考，2022（2）：63-67．

[3] 曾文鋒，引導建構、注重融合、貫穿評價的元素化合物復習教學[J]．學苑教育，2020（26）：61-62．