“類比推理”思維在化學學習中的應用

江輝輝 鐘偉

１ 問題的提出

“素養(yǎng)為本”的化學教學要提高學生學習化學的能力，因此教師應重視對學生化學思維能力的培養(yǎng)，而類比推理思維是一種重要形式．類比思維，就是根據兩個或者兩類特殊對象之間存在某些屬性方面的相同或者相似，推理出它們的其他屬性也可能相同或者相似的邏輯推理方法．在高中化學教學過程中，適當地運用類比推理可以有效降低教學難度，提高教學效率，培養(yǎng)學生分析問題和解決問題的能力．

２ “類比推理”思維的具體應用

２.１ 在元素與結構教學中的應用

“性構相依”是元素化學教學的核心思想．通過引導學生分析不同物質的結構，可以推測物質的宏觀性質．硝酸、硫酸和磷酸是高中化學３種重要的含氧酸，其結構如圖１所示．對其結構的考查一直受到高考命題者的青睞，如果題目中出現與這３種酸結構相似的物質，我們就可以根據其結構結合類比推理的思維分析出陌生物質的性質．

例１ （２０２１ 年６ 月浙江卷）關于化合物ClONO２ 的性質，下列推測不合理的是（）．

A．具有強氧化性

B．與NaOH 溶液反應可生成兩種鈉鹽

C．與鹽酸作用能產生氯氣

D．水解生成鹽酸和硝酸

本題以陌生物質為載體，看似無從下手，實際上考查學生對硝酸結構和性質的類比推理能力．化合物ClONO２ 可看成氯原子取代了HONO２ 中的氫原子（如圖２）．硝酸中的H 為＋１價，可推知陌生物質中的Cl也為＋１價，N 為＋５價，所以該化合物具有強氧化性，選項A 正確．根據“結構決定性質”的化學學科思想，通過類比可知化合物ClONO２ 是氯原子取代了HONO２ 中的氫原子，在水解過程中ClONO２ 就會變回HONO２，而氯原子則會生成HClO（如圖２），所以選項D 錯誤．選項B中，可以理解為水解得到的HONO２ 與HClO 在NaOH 溶液中生成了硝酸鈉和次氯酸鈉兩種鹽，所以選項B正確．而選項C可以理解成化合物ClONO２ 中＋１價的氯與鹽酸中－１價的氯在酸性條件下發(fā)生歸中反應生成氯氣，所以選項C也正確．答案為D．

變式 關于化合物HOSO２Cl的性質，下列推測不合理的是（）．

A．具有強氧化性

B．與足量NaOH 溶液反應可生成兩種鈉鹽

C．與鹽酸作用能產生氯氣

D．水解生成鹽酸和硫酸

根據類比思維，化合物HOSO２Cl可看成Cl取代了硫酸分子結構中的OH，所以化合物HOSO２Cl中氯為－１價（和例１不同），在水解過程中應該生成鹽酸和硫酸，與足量NaOH 溶液反應可生成氯化鈉和硫酸鈉兩種鈉鹽，選項B、D正確．類比硫酸，化合物HOSO２Cl中S為＋６價，具有強氧化性，選項A 正確．化合物HOSO２Cl中氯為－１價，不會與鹽酸作用生成氯氣，選項C不正確．答案為C．

２.２ 在有機化學中的應用

有機化學是高考必考內容，主要以流程圖的形式考查學生靈活運用所學知識分析、解決問題的能力．而在考查的流程線路中，有的合成是熟悉的已學知識，而有的則是陌生的反應．在陌生反應的處理中，我們可以關注題目信息，采用類比推理的方法解決問題．例２ 化合物A 經Cope重排得到B，也可以從它的同分異構體A′經Cope重排得到（如圖３）．寫出A′的結構簡式．

類比已知信息（１），首先對物質A 進行標號，然后類比反應的過程，１和２以及１′和２′碳原子之間的雙鍵分別移到２和３以及２′和３′碳原子，１和１′碳原子之間形成鍵，３和３′碳原子之間斷開鍵（如圖４），再將其畫成平面結構b，由于烯醇不穩(wěn)定，類比已知信息（２），可異構為結構c，也就是化合物B的結構．要推出A′的結構，首先應該聯想到物質c除b外的另一種烯醇結構d，然后同樣類比已知信息（１），可以推理分析出A′的結構e．

２.３ 在化學實驗中的應用

化學是一門以實驗為基礎的學科，化學實驗是化學學科的魅力所在，同時實驗也是高考必考題，分值大、難度高、靈活性強，是學生較難拿到分數的題型之一．針對上述情況，我們在實驗教學中不妨采用類比推理的方式，有效地幫助學生提高實驗思維的能力．例３ （２０１７年１０月浙江卷）由氯化鋁溶液制備AlCl３６H２O 的裝置如圖５所示．

通入HCl的作用是抑制AlCl３ 水解和．本小題是浙江省選考實驗題的一個空，得分率相當低，主要原因是學生對于化學實驗的理解深度不夠．如果能夠從題目中提取“通入HCl后，AlCl３６H２O 就可以從氯化鋁溶液中析出”這樣的信息，我們就可以類比課本中肥皂制作實驗，通過加入氯化鈉增加c（Na＋ ）使肥皂（硬脂酸鈉）析出，所以通入HCl就是增加c（Cl－ ），促使AlCl３６H２O 析出，也就是借助“同離子效應”從溶液中析出固體．

例４ 根據溶解度曲線（如圖６），選擇合適操作從K２Cr２O７ 和K２SO４（等物質的量）混合溶液中制備K２Cr２O７： ．

a．蒸發(fā)至出現大量晶體，停止加熱;

b．冷卻至室溫;

c．洗滌;

d．蒸發(fā)至溶液出現晶膜，停止加熱;

e．趁熱過濾;

f．抽濾．

看到K２Cr２O７ 和K２SO４ 的溶解度曲線，聯想到KNO３ 晶體的制備，結合類比思維就可以設計出制備K２Cr２O７ 的方法，即將溶液蒸發(fā)至出現大量晶體（K２SO４），停止加熱，趁熱過濾，將濾液冷卻至室溫得到K２Cr２O７．所以正確的順序是：aebfc．

２.４ 在化學競賽中的應用

化學競賽作為部分有特長學生的輔助學習方式，其教學內容相比于高考范圍更廣、難度更大．因為是輔助學習，教師在教學過程中不可能對每個知識點都進行全面的教學．筆者結合自己的輔導經歷認為，對競賽生進行“類比推理”思維的培養(yǎng)可提高備考效率．

例５ （第２５屆中國化學奧林匹克競賽初賽）畫出Al２（nＧC４H９）４H２ 的結構簡式．

本題看似復雜，實際上考查的是元素化學、等電子體原理、Lewis結構式等知識，我們可以采用類比推理的方法解題．根據廣義的等電子體原理，正丁基負離子只有１對孤對電子，可以類比于氫負離子，因此Al２（nＧC４H９）４H２ 相當于“Al２H６”，或者更進一步可以類比于乙硼烷（B２H６）．根據這樣的思路，就可以畫出Al２（nＧC４H９）４H２ 的結構簡式，具體類比推理過程如圖７所示．

例６ 鋰、鋁和硅三元化合物中，鋁原子做ccp型堆積（面心立方密堆積），硅原子與鋁原子之間都以共價鍵連接，鋰原子占據鋁原子圍成的所有八面體空隙．試畫出該三元化合物晶體的晶胞圖．

鋰、鋁和硅三元化合物是陌生的物質，要畫出其晶體的晶胞圖感覺沒有思路，如果能夠想到SiAl－ 與SiC是一對等電子體，只要畫出SiC的晶胞圖，然后采用類比推理的方法就能解決本題．根據題目鋁原子做ccp型堆積，我們可以畫出其堆積圖（圖８Ｇ甲）．要畫出SiC的晶胞圖，我們可以聯想到我們熟悉的金剛石的晶胞結構（圖８Ｇ乙），將其位于晶胞圖四面體空隙中的碳原子替換成硅原子即可（圖８Ｇ丙），結合類比思維SiAl－ 的晶胞圖就是鋁原子位于晶胞頂點，硅原子位于一半的四面體空隙．題目中已知鋰原子占據鋁原子圍成的所有八面體空隙，也就是在晶胞的棱心、體心加上鋰原子即可（圖８Ｇ丁）．

３ “類比推理”思維應用的注意事項

在類比推理的過程中，有時會遇到以下情況：雖然類比的雙方具有若干個相同或相似的屬性，但類比推理出來的其他屬性可能就是雙方的差異點，從而導致推理的結論出現偏差．比如，類比NaClO 溶液與CO２ 反應生成NaHCO３ 和HClO，NaClO 溶液與SO２ 反應生成NaHSO３ 和HClO．在這個例子中，類比推理看似都利用了H２CO３ 和H２SO３ 的酸性強于HClO，使得上述制備成立，但是在類比過程中我們忽略了HSO－ ３ 的還原性和HClO 具有強氧化性，兩者混合會發(fā)生氧化還原反應，從而使得類比推理的結果出現錯誤．

因此在采用類比推理、求同思維進行研究時，我們一定還要注意求異思維，既要善于發(fā)現和揭示不同對象之間可能存在的各種聯系，又要充分注意和識別某種差異對類比結果產生的影響，從而確保思維過程的嚴密性和科學性．雖然類比推理不是萬能的，在分析過程中會出現偏差，但是只要我們正確、全面地看待和應用類比推理，它將是我們學習知識的一種重要思維形式，也是促進學生化學核心素養(yǎng)形成和發(fā)展的有效途徑．