建构类比思维模型 提升“宏微素养”

来源:用户上传      作者:方高飞 陈小琴

　　摘 要：“宏观辨识与微观探析”核心素养要求学生能从不同层次认识物质的多样性，并形成“结构决定性质”的观念。教师可借助核心元素化合价、物质类别、电离平衡、水解平衡、元素周期律（表）及官能团等要素，引导学生建构类比思维模型，梳理物质的性质及其转化关系，从而达成认识思路、学科知识双结构化的目的。由于类比只是一种预测陌生物质性质的认识思路，有可能出现偏差，教师还要引导学生对预测结果通过理论计算或化学实验进行验证。
　　关键词：类比思维模型；“宏观辨识与微观探析”核心素养；化学教学
　　注重核心素养的培育是当前课程改革的重要特征，而思维是核心素养的核心。比较、分类、分析与综合、抽象与概括、类比、推理、联想、想象、重组、发散、定势、辩证思维、臻美、空间认知、观察等都是重要的思维方法。
　　“宏观辨识与微观探析”核心素养（以下简称“宏微素养”）要求学生：能从不同层次认识物质的多样性，并对物质进行分类；能从元素和原子、分子水平认识物质的组成、结构、性质和变化，形成“结构决定性质”的观念。因此，从物质类别、微粒种类、核心元素化合价、周期律（表）、官能团等角度建构类比思维模型，有利于培养学生的分类观、微粒观、价态观、元素观、基团观。学生从宏观和微观相结合的视角去类比分析与解决实际问题，可以提升宏微素养。
　　类比的具体过程是：通过对两个不同的对象进行比较，找出它们的相似点，然后以此为依据，把其中某一对象的有关知识或结论推移到另一对象中去。下面，笔者结合具体教学实践，阐述几种常见类比思维模型的建构策略，并对其应用偏差给出纠正办法，供大家参考。
　　一、基于“价―类―离子”三维视角的类比
　　通过“钠及其化合物”的学习，学生从初中时的基于事实经验和简单类比认识物质性质，发展为基于物质类别认识物质性质，并初步建构了基于物质类别研究物质性质的基本模型，即“陌生物质→所属类别→类别通性”。
　　通过“氧化还原反应”的学习，学生建构了基于氧化还原反应规律，根据核心元素化合价升降趋势预测物质性质的基本模型。至此，学生初步形成了认识物质的两个视角，即类别和价态。通过“铁、硫、氮等元素及其化合物”的学习，学生进一步巩固和发展了以“价―类”二维视角研究物质的思路和方法。
　　通过“离子反应”的学习，学生从电离的角度重新认识了酸、碱、盐及其在水溶液中的行为，建立了微粒（离子）和宏观物质性质间的对应关系，认识到物质在水溶液中发生化学反应的本质，从微观角度理解水溶液中同一类物质具有相似性质的原因。
　　基于以上认识，我们可以从“价―类―离子”三维视角建构认识物质的类比模型，详见图1。
　　基于物质类别的非氧化还原反应转化关系及基于化合价的氧化还原反应转化关系都符合强制弱规律。前者遵循强酸（碱）制弱酸（碱）的原理，而后者遵循的原理是强氧化剂制弱氧化剂。随着学习的深入，学生习得了从电离平衡、水解平衡等角度认识物质性质的新视角，知晓了通过平衡移动原理也可实现弱酸制强酸、弱还原剂制强还原剂。
　　通过其平衡常数的计算，我们可看出，该反应能够进行的程度非常大。
　　下面以NaClO与SO2反应为例说明该模型的应用。
　　SO2与CO2同为酸性氧化物，且与水反应后形成的H2SO3和H2CO3的酸性均强于HClO，由NaClO溶液与CO2发生复分解反应，可类比出NaClO与SO2反应生成NaHSO3和HClO。由于SO2具有还原性，HClO有强氧化性，故SO2与NaClO实际发生氧化还原反应。其类比过程详见图2。
　　在对具体问题进行分析的过程中，我们应综合考虑多个类比因素。如从酸性氧化物角度类比得出SO2与Ba（NO3）2溶液不反应，从元素价态角度类比得出SO2会被氧化成SO42-，继而生成BaSO4，从微观离子角度分析也可得出a生沉淀的结论。其分析过程详见图3。
　　二、基于元素周期律（表）视角的类比（以同主族为例）
　　通过“原子结构”与“元素周期律（表）”的学习，学生形成了从分子、原子等微观结构研究宏观物质性质的视角，初步建构了以“位―构―性”三维视角研究物质性质的一般模型。同主族元素最外层电子数相同，其元素的化合价、形成化合物的化学式、电子式、空间构型等具有相似性，因此我们可利用其类比预测陌生元素及其形成的化合物的相关性质。随着电子层数逐渐增多，原子半径逐渐增大，元素及其形成的化合物的性质呈现一定的递变规律。
　　基于以上认识，我们可建构基于元素周期律（表）视角的类比模型，详见图4。
　　利用该模型，我们可根据CH4、NH3、H2O、HF的结构预测得知ⅣA、ⅤA、ⅥA、ⅦA族元素简单氢化物的化学式依次为RH4、RH3、H2R、HR，其空间构型分别为正四面体型、三角锥形、V字形、直线形。
　　利用卤素原子（用X表示，下文同）与氢原子在成键方式上的相似性，我们可以将RH4、RH3、H2R、HR中的H原子替换成X原子，所得的RX4、RX3、RX2、RX的空间构型不会发生改变，不同的是由于原子半径大小、电负性的改变，其键长及键角可能发生变化。
　　随着电子层数逐渐增多，元素的金属性、非金属性，单质的氧化性、还原性，形成双键的能力、形成氢键的能力，反应的活泼性，中心原子的配位数，某些化学性质等都出现了一些变化。如MgCl2・6H2O在HCl气流中脱水，而SrCl2・6H2O可直接加热脱水，ⅣA族元素的氢化物的沸点递变规律与ⅤA、ⅥA、ⅦA族不同，CO2和SiO2的空间结构不同等。
　　下面以Fe3S4与HCl溶液反应为例说明该模型运用时需要注意的事项。
　　利用Fe3O4与HCl反应类比可得：Fe3S4+8HCl=FeCl2+2FeCl3+4H2S↑。由于物质氧化性的差异，Fe3+应与H2S发生氧化还原反应，综合考虑的结果为：Fe3S4+6HCl=3FeCl2+S↓+3H2S↑。其类比过程详见图5。

　　除了利用同周期、同主族进行类比外，我们还可利用周期表中左上角和右下角的物质性质相似性进行类比。物质性质的相似性可用离子势进行分析，其定义如下：
　　[φ =阳离子电荷阳离子半径 =Zr （r-pm）]
　　Be2+的半径小于Al3+，但电荷却是Al3+高于Be2+，两者的离子势（离子场力）相似。
　　如Be和Al元素具有如下的相似性：（1）电极电势相近；（2）均为两性金属；（3）BeO和Al2O3都具有高熔点、高硬度；（4）二者的氢氧化物均呈两性；（5）BeCl2和AlCl3都是缺电子的共价型化合物，在蒸气中以缔合分子的状态存在；（6）金属铍和铝都能被浓硝酸钝化；（7）二者形成的盐都能水解且与高价阴离子形成的盐难溶。相似的情况还出现在Li与Mg元素，B与Si元素。
　　三、基于官能F（或特定基团）视角的类比
　　通过“乙烯、乙炔、乙醇、乙酸”等有机物的学习，学生习得了几种常见有机物的性质。在此基础上，教师可以引导学生建构基于官能团（或特定基团）视角预测同类有机物性质的一般模型，详见图6。这有助于促进学生形成结构决定性质的认识思路，提升学生的宏微素养。
　　利用该模型，由丙三醇加入新制Cu（OH）2溶液后呈绛蓝色，我们可以推测出将葡萄糖溶液加入新制Cu（OH）2溶液后也呈绛蓝色的结论。其分析过程详见图7。
　　事物是相互联系的，联系的事物之间存在着相互影响，因此在利用模型预测性质时，我们既要抓住结构的相似性进行类比，同时也须高度重视因基团间的相互影响而导致的类比错误。如在“甲苯”的学习过程中，我们可以利用苯及甲烷的性质类推出甲苯苯环和侧链上的取代反应。如其溴代反应，苯环和侧链上发生的条件分别是溴化铁做催化剂和光照，由于甲基对苯环的影响，其苯环上的氢分为邻位、间位、对位三类，其中邻位、对位溴代的产物比例较高。此外，由苯和甲烷都不能使酸性KMnO4溶液褪色，类比得出甲苯不能使酸性KMnO4溶液褪色也是错误的，因为苯环活化了甲基，使其能被酸性KMnO4氧化成羧基。又如邻羟基苯甲酸，我们可以从苯环、羟基、羧基三个角度类比其性质，同时应关注到由于基团之间的相互影响，其羟基和羧基的电离常数都会发生一定的改变。
　　综上，类比是一种预测陌生物质性质的认识思路，预测准确与否需要通过理论计算或化学实验进行验证。如Cl2、Br2与冷的NaOH溶液反应时生成NaClO和NaBrO，但I2与冷的NaOH溶液反应时生成NaIO3（因为IO-歧化生成IO3-的反应速率相当快，具体可通过电极电势进行分析）。又如，Cl、Br元素的最高价氧化物对应的水化物的化学式分别为HClO4、HBrO4，而I元素的最高价氧化物对应的水化物正高碘酸的化学式为H5IO6。I原子采用了sp3d2杂化态，由于I原子半径较大，周围可容纳六个氧原子，而正高碘酸的电离度较低且分子中含有较多的OH基团，因此正高碘酸在真空下加热可逐步失去水转化为偏高碘酸（HIO4）。因此，教师要善用、慎用类比，以更好地发挥类比在化学教学中的作用，切实提升学生的化学学科核心素养。


转载注明来源:https://www.xzbu.com/9/view-15445495.htm