高中化學解題中建模思想的應用

楊清華

(福建省順昌金橋學校,福建 南平 353200)

高中化學課程主要以實驗探究為核心,這便導致化學知識點較為零散,學生在熟記和運用知識點時容易出現概念混淆、遺忘等現象,且高中化學考題題目大多十分復雜,若學生知識點掌握不牢靠,很容易找不到解題突破口,導致解題失敗或錯誤.對此,建模思想的合理應用能夠幫助學生有效提煉化學考題題目信息,達到化簡難題的目的,并拓展學生的邏輯思維,進而提高學生的化學解題能力.基于此,開展高中化學解題中建模思想的應用研究具有一定的教育價值與現實意義.

1 建模思想下氧化還原模型在高中化學解題中的應用

氧化還原反應是高中化學知識點中的核心組成部分,從知識點概念來源分析,氧化還原反應是根據化學反應原理、事實抽象出來的概念,其概念包含氧化劑、被氧化、氧化性、氧化產物、還原劑、被還原、還原性以及還原產物[1].基于建模思想下的氧化還原反應模型構建,能夠有效幫助學生分析相關氧化還原反應概念形成過程中的邏輯關系,進而使學生能夠更為精準地判斷哪些是氧化劑、還原劑、氧化產物以及還原產物.

例1現有100 mL 6 mol/L的氫氧化鈉溶液,該溶液剛好能夠和一定量的氯氣完全反應.反應產物可能有NaClO3、NaClO、NaCl,其中NaClO3的物質的量濃度與溫度高低密切相關,則下列哪個選項的說法是正確的( ).

B.被氫氧化鈉溶液吸收的氯氣的物質的量為0.3 mol

C.反應中轉移的電子的物質的量可能為0.4 mol

D.反應后溶液中c(NaCl)≤0.5 mol/L

解析利用數學建模思想,分析題意和已知條件,能夠構建相應的氧化還原反應模型.設NaCl、NaClO、NaClO3的物質的量分別為amol、bmol、cmol,由于反應產物中并沒有NaOH,參照電子守恒定律能夠得出b+5c=a,參照鈉元素守恒,能夠得出0.6(NaOH)=a(NaCl)+b(NaClO)+c(NaClO3),即a+b+c=6 mol/L×0.1 L=0.6 mol.故A選項說法不符合電子守恒定律,A 選項錯誤.根據生成物可知,鈉原子和氯原子的個數比為1∶1,被氫氧化鈉溶液吸收的氯氣的物質的量為0.6 mol/2=0.3 mol,故B選項說法正確.該反應中還原產物為NaCl,如果轉移電子的物質的量為0.4 mol,即產生0.4 mol的NaCl,a=0.4 mol,通過代入計算能夠得出b=0.15 mol,c=0.05 mol,故C選項說法正確.若反應產物中NaClO3越多,NaCl的物質的量也就越多,若反應產出中只有NaCl和NaClO3時,NaCl的物質的量會最多,即a=5c,a+c=0.6 mol,所以a=0.5 mol,即NaCl物質的量濃度為5 mol/L,所以D選項說法錯誤[2].答案為B、C.

2 建模思想下溶解平衡模型在高中化學解題中的應用

高中化學題目中,溶解平衡相關題目屬于較為常見的題目類型之一,同時此方面的知識有一定難度,因此溶解平衡相關題目是學生解題中的重難點.高中化學知識中所涉及的溶液類型十分復雜且多樣,以各溶液為基礎的化學反應眾多,導致學生在解析高中化學溶解平衡相關題目時,往往因無法選擇正確的解題方式而致使解題過程中出現錯誤.為此,需要引導學生基于建模思想構建相應的溶解平衡模型,以溶解平衡模型為切入點,對題干內容、問題進行全面分析,以此提高學生在解答溶解平衡相關題目時的準確率與速度.

例2將部分硫化物加入至廢水后能夠得到ZnS、CuS的納米粒子.在常溫條件下,硫化氫(H2S)的Ka1=1.3×10-7,Ka2=7.1×10-15,當溶液處于平衡狀態時,溶液中離子濃度關系如圖1所示,某溶液平衡狀態下的離子濃度關系.下列表達中錯誤的是( ).

圖1 某溶液平衡狀態時的離子濃度關系圖

B.向p的溶液中添加少許Na2S固體,溶液組成會從p向q移動

C.a點的CuS溶液為不飽和溶液

D.Ksp(CuS)的數量級為10-37

解析結合題目中所給條件與平衡常數進行計算,可以發現平衡常數為30,客觀來講該數值并不大,同時反應沒有趨于完全,故選項A錯誤;在p點時將Na2S固體添加至溶液中,會導致溶液內的c(S2-)增大,此時溶液中c(Cu2+)降低,故選項B正確;基于溶解平衡模型開展分析,可以發現當c(Cu2+)=10-18mol/L時,c(S2-)=10-18.3,因此Ksp(CuS)=c(S2-)×c(Cu2+)=10-36.3,其數量級為10-37,故選項D正確;結合選項D對選項C進行分析,a點時Cu2+、S2-的離子濃度積小于Ksp(CuS),能夠得知此時溶液為不飽和狀態,故選項C正確[3].答案為A.

3 建模思想下原電池模型在高中化學解題中的應用

原電池類型考題是高中化學的難點部分,在原電池解題過程中普遍會用到眾多知識.為了有效簡化該部分考題的難題可以利用建模思想,構建出相應的化學模型,進而幫助學生梳理解題思路,找準解題突破口.

例3鋰水電池工作原理如圖2所示,該鋰水電池屬于新型可控電池,請問下列四個選項中說法錯誤的是( ).

圖2 鋰水電池工作原理

A.碳極發生的化學反應為:

B.有機電解質與水溶液之間并不能實現互換

C.標準狀況下,產生22.4 L氫氣需要正極消耗14 g的鋰

D.該裝置能夠在提供電能的基礎上,獲得清潔氫氣

4 建模思想下核外電子排布模型在高中化學解題中的應用

在高中化學知識點中,核外電子排布相關知識能夠幫助學生發現并了解微觀世界,而微觀世界是學生在日常生活中無法通過肉眼進行直接觀察的.因此學生在學習核外電子排布相關知識時,往往存在因知識內容過于抽象而導致學習效果不佳的情況,進而對順利解答核外電子排布相關化學問題造成阻礙.為此,需要結合實際情況引導學生以建模思想,構建具體的核外電子排布模型,將抽象內容具體化,以模型呈現微觀事物,從而幫助學生更好地解析核外電子排布相關的化學問題.

例4相關研究表明,核外電子所帶有的能量會直接受到電子能級與所在電子層數的影響.核外電子所帶有的能量還會在一定程度上受核電荷數、核外電子數目的影響.硫離子與氬原子的核外電子排布相同,均為1s22s22p63s23p6,請問下述選項正確的是( ).

A.氬原子與硫離子都屬于8電子的穩定結構,故二者之間具有相同的化學性質

B.若產生電子躍遷現象時,硫離子與氬原子會產生不同的光譜

C.在3p能級中,硫離子與氬原子的電子到原子核距離相同

D.在1s能級中,硫離子與氬原子的電子具有相同能量

解析在實際解析前,學生應當根據題目內容構建核外電子排布模型,并基于模型對四個選項逐一分析.硫離子在得到電子后才會形成最外層電子數量為8的穩定結構,但其失電子能力強,所以硫離子與氬原子之間的還原性不同,故選項A錯誤;電子躍遷過程中所形成的光譜會受到電子能量的影響,不同的電子能量會形成不同的光譜,硫離子與氬原子雖然電子分布相同,但其核電荷數不同,所以電子能量不同,故選項B正確,選項D錯誤;在3p能級中,由于氬原子的核電荷數大,因此與硫離子相比,氬原子具有更強的吸引電子能力,所以其電子距離原子核更近,故選項C錯誤[5].答案為B.

5 結束語

綜上所述,建模思想是構建化學模型的基礎,合理應用建模思想能夠有效簡化化學考題難度,使化學考題變得簡單化、具體化以及模塊化,進而達到培養學生證據推理與模型認知能力的目的,并以此提高學生的解題能力.