高中化學(xué)解題中建模思想的有效運(yùn)用研究

摘 要：建模思想作為一種重要的解決問(wèn)題的思維方式，在高中化學(xué)解題中具有廣泛的應(yīng)用潛力.建模思想可以幫助學(xué)生將問(wèn)題抽象為一個(gè)數(shù)學(xué)模型，通過(guò)分析模型，得出問(wèn)題的解答.這種思維方式可以培養(yǎng)學(xué)生的邏輯思維能力、創(chuàng)造性思維能力和問(wèn)題解決能力.該研究旨在探究高中化學(xué)解題中建模思想的有效運(yùn)用，從理論和實(shí)證兩個(gè)層面進(jìn)行研究.通過(guò)對(duì)建模思想的理論基礎(chǔ)進(jìn)行分析，以及對(duì)高中化學(xué)解題中建模思想應(yīng)用的實(shí)證研究，希望能夠揭示建模思想在高中化學(xué)解題中的作用和價(jià)值，為高中化學(xué)教學(xué)提供有效的教學(xué)方法和策略.

關(guān)鍵詞：解題；建模；高中化學(xué)

中圖分類(lèi)號(hào)：G632 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1008-0333（2024）04-0140-03

模型是對(duì)實(shí)際問(wèn)題的抽象和簡(jiǎn)化，每個(gè)模型都有自己的適用范圍和條件[1].化學(xué)是一門(mén)抽象的學(xué)科，化學(xué)問(wèn)題的復(fù)雜性和抽象性使學(xué)生往往難以直觀(guān)地理解和掌握，因此，模型認(rèn)知在化學(xué)學(xué)習(xí)中的應(yīng)用是非常重要的.模型認(rèn)知思維可以幫助學(xué)生將抽象的化學(xué)概念轉(zhuǎn)化為具體的形象，從而更好地理解和應(yīng)用化學(xué)知識(shí)，高中化學(xué)中，模型認(rèn)知是學(xué)生必須培養(yǎng)的核心素養(yǎng)[2].

1 建模思想在高中化學(xué)中的有效運(yùn)用

化學(xué)模型對(duì)于解題具有十分重要的作用，下面選取兩個(gè)模型，結(jié)合理論和實(shí)證進(jìn)行分析.

1.1 “工業(yè)生產(chǎn)和流程綜合推斷”模型運(yùn)用研究

以工業(yè)生產(chǎn)為背景考查知識(shí)點(diǎn)，具有信息量多、綜合度高的特征，對(duì)考生的提取信息能力、分析信息能力以及歸納能力和問(wèn)題解決能力提出了更高的要求.該類(lèi)題多以流程圖或文字表述的形式呈現(xiàn)，核心的問(wèn)題是“物質(zhì)的轉(zhuǎn)化” 與 “物質(zhì)的分離”，考查的知識(shí)點(diǎn)多涉及物質(zhì)間轉(zhuǎn)化、物質(zhì)與能量的轉(zhuǎn)化、對(duì)物質(zhì)轉(zhuǎn)化的控制、物質(zhì)的分離方法以及一些定量問(wèn)題.對(duì)該類(lèi)題搭建模型，可以幫助學(xué)生理順?biāo)悸罚渚唧w模型如圖1所示.

例1 高純六水氯化鍶晶體可作有機(jī)合成的催化劑.工業(yè)上用難溶于水的碳酸鍶粉末為原料（含少量碳酸鋇、氧化亞鐵、二氧化硅等雜質(zhì)）制備高純六水氯化鍶晶體，其過(guò)程如圖2所示.

已知

Ⅰ.溫度為25 ℃時(shí)，氫氧化鐵的Ksp［Fe（OH）3］=1.0×10-38，氫氧化亞鐵的Ksp［Fe（OH）2］=1.0×10-16.

Ⅱ．在溫度為61 ℃時(shí)，高純六水氯化鍶晶體會(huì)逐漸開(kāi)始失去結(jié)晶水.

請(qǐng)回答以下問(wèn)題：

（1）以SrSO4為主要成分的天青石，在經(jīng)過(guò)多個(gè)步驟的反應(yīng)之后，才能制備得到工業(yè)碳酸鍶.該過(guò)程的第一步是天青石和過(guò)量的焦炭反應(yīng)被還原為硫化鍶，反應(yīng)條件為隔絕空氣并微波加熱，請(qǐng)寫(xiě)出該反應(yīng)的化學(xué)方程式.

（2）在圖2的制備流程圖中，①步驟是工業(yè)碳酸鍶的粉碎步驟，并且將粉碎之后的工業(yè)碳酸鍶加水配置為漿液，小明認(rèn)為該步驟是為了加快反應(yīng)步驟的進(jìn)行，理由是.

（3）在工業(yè)碳酸鍶的漿液中加入了工業(yè)鹽酸，并且得到了鍶元素的浸出率和溫度以及時(shí)間的關(guān)系，具體信息如圖3所示.

根據(jù)圖3，可以得出合適的工業(yè)生產(chǎn)條件為.

（4）步驟③中所得的濾渣主要成分，除氫氧化鐵之外，還有（請(qǐng)?zhí)顚?xiě)物質(zhì)的化學(xué)式）；當(dāng)溫度為 25℃，若要使Fe3+沉淀完全，則需要將溶液的pH調(diào)整為（當(dāng)某一離子的濃度降至1.0×10-5mol/L時(shí)，則可認(rèn)為該離子已經(jīng)沉淀完全）.

（5）下列以下說(shuō)法， 是正確的.

A．步驟⑤在對(duì)SrCl2·6H2O晶體進(jìn)行干燥時(shí)，可以采用減壓干燥的方法

B．在步驟④中，當(dāng)進(jìn)行冷卻結(jié)晶時(shí)，應(yīng)通入HCl氣體

（6）如果需要獲得無(wú)水氯化鍶產(chǎn)品，則必須對(duì)高純六水氯化鍶晶體（SrCl2·6H2O）（M=267 g·mol-1）進(jìn)行脫水處理.脫水過(guò)程首先需要在170 ℃溫度下進(jìn)行預(yù)脫水處理，此時(shí)高純六水氯化鍶晶體的失重達(dá)到33.7%，則經(jīng)過(guò)預(yù)脫水后，產(chǎn)物的化學(xué)式應(yīng)為.

解析 根據(jù)模型，先對(duì)題意進(jìn)行分析.生產(chǎn)的目的是制備高純六水氯化鍶晶體.原料是天青石，經(jīng)過(guò)五個(gè)流程可以制備得到產(chǎn)物高純六水氯化鍶晶體.（1）問(wèn)是考查第一個(gè)流程步驟，可以知道硫酸鍶與碳在高溫下反應(yīng)生成硫化鍶和一氧化碳，問(wèn)題是考查反應(yīng)化學(xué)方程式的書(shū)寫(xiě)，結(jié)合已知知識(shí)，可以得出具體的反應(yīng)化學(xué)方程式為：SrSO4+4C加熱SrS+4CO↑.（2）問(wèn)仍考查流程①，對(duì)影響反應(yīng)速率的因素進(jìn)行了考查.對(duì)于一個(gè)化學(xué)反應(yīng)，當(dāng)增大反應(yīng)物的接觸面積、將溫度進(jìn)行一定的提升、增大酸的濃度以及在反應(yīng)時(shí)進(jìn)行充分?jǐn)嚢璧确绞剑磻?yīng)速率都會(huì)有所提升.當(dāng)將工業(yè)碳酸鍶粉碎制成漿液之所以能加快反應(yīng)速率，是因?yàn)樵龃罅朔磻?yīng)物的接觸面積.（3）問(wèn)是對(duì)步驟②原料進(jìn)行的考查，考查對(duì)②原料的預(yù)處理.需要結(jié)合圖3鍶的浸出率和時(shí)間以及溫度的關(guān)系進(jìn)行分析.根據(jù)圖3的折線(xiàn)圖可以看出，當(dāng)溫度為40 ℃，處理的時(shí)間為60 min的時(shí)候，浸出率是最高的.所以，最適宜的生產(chǎn)條件應(yīng)該為溫度達(dá)到40 ℃，處理時(shí)間為60 min.（4）考查步驟③過(guò)濾除濾渣.結(jié)合原料以及①②步驟，根據(jù)可以生成沉淀物質(zhì)的知識(shí)點(diǎn)，可以推斷出濾渣除了Fe（OH））3外，還會(huì)有SiO2固體和BaSO4沉淀.第二問(wèn)考查完全沉淀的知識(shí)點(diǎn)，25 ℃，Ksp［Fe（OH）3］=1.0×10-38，Ksp［Fe（OH）2］=1.0×10-16，若要使Fe3+完全沉淀，則有c3（OH-）=Ksp［Fe（OH）3］÷1.0×10-5=1.0×10-38÷1.0×10-5=1.0×10-33，故c（OH-）=1.0×10-11mol/L，c（H+）=1.0×10-3，即pH=3.（5）對(duì)步驟④和⑤進(jìn)行考查.A選項(xiàng)，若在干燥過(guò)程中采取了減壓干燥的方法，則可以最大限度地減少SrCl2·6H2O晶體失水的現(xiàn)象，故A正確.B選項(xiàng)，通入HCl氣體的作用是為了抑制水解現(xiàn)象.而Sr具有很強(qiáng)的金屬性，其對(duì)應(yīng)的二價(jià)離子并不會(huì)在水中發(fā)生水解，故不需要通入HCl氣體，B錯(cuò)誤.（6）設(shè)烘干法在溫度為170 ℃下脫去x個(gè)結(jié)晶水，則有18x÷267×100%=33.7%，x≈5， 所以SrCl2·6H2O高溫脫水會(huì)失去五個(gè)結(jié)晶水，則此時(shí)獲得的產(chǎn)物化學(xué)式為：SrCl2·H2O.

小結(jié) 對(duì)于一個(gè)完整的無(wú)機(jī)化工生產(chǎn)，其通常具有的流程如圖4所示.在進(jìn)行該類(lèi)題型的求解時(shí)，要結(jié)合模型，對(duì)五大步驟進(jìn)行分析，從大量的信息中梳理出來(lái)相關(guān)的信息.而后運(yùn)用已學(xué)知識(shí)進(jìn)行求解.

1.2 “蓋斯定律”模型運(yùn)用研究

運(yùn)用“蓋斯定律”進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算的模型如圖5所示.

根據(jù)題意找到要現(xiàn)實(shí)性的“目錄”反應(yīng)式

對(duì)已知的熱化學(xué)方程式進(jìn)行變化，加減“消元”得到目標(biāo)式

建立ΔH的計(jì)算式進(jìn)行計(jì)算

解析 根據(jù)模型進(jìn)行分析.目標(biāo)反應(yīng)式為a，然后對(duì)其他反應(yīng)式進(jìn)行變換消元，可以得出a=b+c-e=c-d.根據(jù)蓋斯定律則有ΔH1=ΔH2+ΔH3-ΔH5=ΔH3-ΔH4.

小結(jié) 對(duì)于該類(lèi)題型，要結(jié)合模型流程進(jìn)行分析.首先要確定需要研究的反應(yīng)，確定其中反應(yīng)物和生成物的狀態(tài)和化學(xué)計(jì)量數(shù)關(guān)系；然后再進(jìn)行“消元加減”處理.

2 結(jié)束語(yǔ)

建模思維對(duì)高中學(xué)習(xí)至關(guān)重要，模型的運(yùn)用可以將做題步驟流程化，降低題目的分析難度.然而，在化學(xué)學(xué)習(xí)的啟蒙階段，學(xué)生對(duì)于抽象概念的理解能力有限，模型認(rèn)知思維的培養(yǎng)難度較大.因此，教師需要根據(jù)學(xué)生的認(rèn)知水平和學(xué)習(xí)能力，采用適當(dāng)?shù)慕虒W(xué)方法和策略，激發(fā)學(xué)生的興趣和好奇心，培養(yǎng)他們的模型認(rèn)知思維能力.教師可以通過(guò)引導(dǎo)學(xué)生觀(guān)察、實(shí)驗(yàn)、探索和討論，幫助他們建立起化學(xué)模型.同時(shí)，教師還應(yīng)該將宏觀(guān)和微觀(guān)結(jié)合起來(lái)，引導(dǎo)學(xué)生從宏觀(guān)現(xiàn)象中推導(dǎo)出微觀(guān)模型，從而加深對(duì)化學(xué)知識(shí)的理解.

參考文獻(xiàn)：

［1］ 張婷婷.培養(yǎng)高中生化學(xué)思維模型建構(gòu)能力的實(shí)踐研究[J].數(shù)理化解題研究，2023（6）：125-127.

［2］ 李宇風(fēng)，余方喜.高中化學(xué)模型認(rèn)知素養(yǎng)測(cè)評(píng)的實(shí)踐研究[J].化學(xué)教學(xué)，2023（5）：9-13，90.

［責(zé)任編輯：季春陽(yáng)］

收稿日期：2023-11-05

作者簡(jiǎn)介：沈?qū)毴A（1984.10-），女，福建省福鼎人，本科，中學(xué)一級(jí)教師，從事高中化學(xué)教學(xué)研究.