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基于模型构建的化学习题教学示例


  顾黎颖 张红俊
  摘 要:高中化学习题教学是以学生已有的知识经验为基础,通过习题设计对化学知识进行巩固训练,以达到提升学生学习化学的兴趣。但是高中化学知识重难点多且很抽象,若在习题教学中帮助学生构建并运用思维模型,创新解题思路和方法,既可以事倍功半,又可以提升学生化学学科素养。
  关键词:模型构建;习题教学;问题解决
  模型认知是学习化学的思维核心,它既是一种重要的化学核心素养,也是学生学好化学必须具备的一种能力。高中化学重难点多,例如离子浓度的大小比较、化学平衡的移动等等一直都是学生的失分点。帮助和引导学生构建思维模型,则可以将问题解决层次化、简单化,不仅可提升学生的解题能力,还提升了学生模型构建能力,培养了学生的化学核心素养。
  一、构建模型,使问题解决层次化
  江苏高考14题是离子浓度大小比较,这个考点一直是高考的热点和难点。中学阶段多是在了解溶质相对量的基础上,借助于列电荷守恒式和物料守恒式、以及数学上的等量代替来解决,也有的老师还补充介绍质子守恒。但都囿于学生概念理解不清(如"弱电解质电离、离子的水解是微弱"的、"电离"和"水解"的相对强弱)、解决问题的思维和方法混乱而不能正确判断。因此有必要在习题教学中构建离子浓度大小关系比较的模型,使问题解决层次化。实际上,离子浓度的大小比较可用如下模型来表示:[溶液中强电解质电离产生的不水解也不电离的离子]>[溶液中强电解质电离产生的可水解或可电离的离子(原始量越多,离子浓度越大,原始量相同,则不电离也不水解的离子浓度大于电离的或水解的离子数目)]>[弱电解质电离或水解产生的微粒(根据电离或水解的程度以及溶液的酸碱性综合比较(需考虑水本身电离产生的离子)]。
  由模型可知:①原来强电解质产生的离子原始量越多则浓度越大,原始量相同则不电离也不水解的离子浓度大于继续电离的或水解的离子浓度;②原来强电解产生的离子一定大于由其派生出来的一些离子;③派生出来的离子浓度都很小,需综合考虑电离或水解的程度以及溶液酸碱性有关信息、派生产生的离子的来源等等。
  模型应用:如例1,25℃时0.1 mol·L-1Na2CO3溶液中:由①可知c(Na+)>c(CO);由②可知c(CO)>c(OH-),c(CO)>c(HCO);由③可知,c(OH-)是由CO、HCO 两步水解产生的,因此c(OH-)>c(HCO);所以有c(Na+)>c(CO)>c(OH-)>c(HCO)。
  由此可知,要比较离子浓度的关系,首先必需要明确三个问题:首先不管是单一溶质的溶液还是混合后的溶液,也不管混合后有无发生化学反应,必需明确最终溶液中的溶质是什么?相对量各是多少?哪些微粒会发生水解或电离?溶液的酸碱性如何?并且需特别注意的是原来强电解质电离产生的相比较而言都是大量的,即使产生的有些离子水解或再电离;还需明确水解或电离是很微弱的,即使发生水解或电离的微粒原来量很多,但由此派生出来的离子的浓度都是很小的,同时必需借助于溶液的酸碱性、以及离子的来源来进一步判断原本浓度很少的离子浓度的大小。
  如例2,25℃时, 将0.1 mol·L-1 NH4Cl溶液和0.1 mol·L-1的氨水等体积混合,pH>7的溶液中,原来强电解质产生较多的且相等的c(NH)和c(Cl-),但是由于pH>7,说明氨水的电离(产生NH)大于NH的水解(消耗NH),所以c(NH)>c(Cl-);又溶液呈碱性,有c(OH-)>c(H+);所以有c(NH)>c(Cl-)>c(OH-)>c(H+)。
  且如例3,25℃时,将0.1 mol·L-1 CH3COOH与0.05 mol·L-1 NaOH溶液等体积混合(pH<7)中,首先分析反应后的溶质是等物质的量浓度的CH3COOH和CH3COONa溶液,然后同上例,可知c(CH3COO-)>c(Na+)>c(CH3COOH)>c(H+)>c(OH-)。
  很明显,关注学生解决问题的思维模型构建,关注学生解决问题的技巧与策略,有意识的培养学生的化学关键能力和学科核心素养,不仅是教师教学智慧、教学能力的体现,也是教师树立为学生终身服务的教学思想的体现。
  二、构建模型,使问题解決简单化
  江苏高考15题是与化学反应速率和化学平衡有关,这个考点同样也是一个难点和热点问题。学生在解决此类题目经常出现问题。原因在哪?一是因为学生未熟悉解决问题时需注意"变量控制";二是未能理解化学平衡"等效"与"等同"的区别与联系,甚至还不能理解"等效平衡"的概念;最主要的是没有换一种思路来构建一个等效平衡的思维模型。
  模型构建:教学时应引导学生手脑并用,来构建下列两种化学平衡的思维模型。一是构建恒温恒容平衡思维模型(如图1)。新平衡状态可认为是两个原平衡状态简单的叠加并压缩而成,相当于增大压强。
  二是构建恒温恒压平衡思维模型(以气体物质的量增加的反应为例,见图2)。新平衡状态可以认为是两个原平衡状态简单的叠加,压强不变,平衡不移动。
  模型应用:一定温度下,在3个体积均为1.0 L的恒容密闭容器中反应2H2(g)+CO(g)[]CH3OH(g) 达到平衡。下列说法正确的是
  A.该反应的正反应放热。
  B.达到平衡时,容器Ⅰ中反应物转化率比容器Ⅱ中的大。
  C.达到平衡时,容器Ⅱ中c(H2)大于容器Ⅲ中c(H2)的两倍。
  D.达到平衡时,容器Ⅲ中的正反应速率比容器Ⅰ中的大。
  从变量控制的角度来分析,将Ⅲ中生成物全部转化为反应物后,可知Ⅰ和Ⅲ起如投入量相同,但温度不同;Ⅰ和Ⅱ温度相同,起始投入量Ⅱ是Ⅰ的两倍。对比Ⅰ和Ⅲ,平衡时c(CH3OH),Ⅰ>Ⅲ,而温度Ⅲ>Ⅰ,可知A正确;对于B,由Ⅰ到Ⅱ,相当于模型1,可采用图1模型,相当于增大压强,平衡右移,B错误;Ⅲ中若温度与Ⅰ相同,则根据B选项的解释可知Ⅱ中c(H2)小于容器Ⅲ中c(H2)的两倍,现Ⅲ中温度升高,平衡左移,Ⅲ中c(H2)变得更大,所以C错误;至于D,由于投料等效,但是温度Ⅲ中高,所以D正确。
  使用上述模型需特别注意的是:构建模型是一个虚拟的过程,因此此模型仅仅用来帮助我们判断达到平衡时物质的转化率、某物质的百分含量等,不可以用来判断反应进行的方向。
  如向上述Ⅲ平衡体系中再通入CH3OH,平衡 移动(填向左、向右、不),说说您的观点。很明显,增加生成物,平衡一定向左移动,显然这是正确的,但是从刚才的模型1来看,相当于增大压强,平衡却是右移;但是在理解转化率问题上则可以用模型1或是,例如(1)向上述Ⅲ平衡体系中再通入CH3OH,CH3OH的转化率 ;(2)假如在恒温恒压下向上述Ⅲ平衡体系中再通入CH3OH,CH3OH的转化率 (填增大、减小、不变、无法确定)。很明显,对于(1),根据模型1,CH3OH的转化率将会减小;对于(2),可根据模型2,平衡下移动,所以CH3OH的转化率不变。
  模型的构建和使用是形成科学思维的重要途径,但在化学习题教学的实践中,教师却很少关注。让我们和学生一起关注"模型认知"或"基于模型的认知",并致力于通过模型构建,帮助学生形成解决相关问题的一般思路,有效地提高学生分析问题和解决问题的能力。
  参考文献
  [1]2016年普通高等学校招生全国统一考试(江苏卷)[J].化学,2016:15.
  *本文系江苏省中小学教学研究2013年度第十期课题"普通高中师生共建教学问题库的实践"、苏州市教育科学"十三五"规划重点课题《中学化学可视化教学策略研究》的阶段性成果。
 
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