趙相黔

(貴陽(yáng)市民族中學(xué),貴州 貴陽(yáng) 550025)

人是通過(guò)思維把握和認(rèn)識(shí)世界的,思維方式不一樣,認(rèn)識(shí)世界的方式也不一樣,所把握的結(jié)果也就不一樣.化學(xué)是自然學(xué)科的重要組成部分,化學(xué)知識(shí)體系蘊(yùn)涵著豐富的科學(xué)思維方法,對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維素養(yǎng)和思維能力有著重要作用.結(jié)構(gòu)化思維是一種高階思維模式,可以很好地發(fā)展學(xué)生智力,幫助學(xué)生掌握化學(xué)知識(shí)和解決問(wèn)題.

1 結(jié)構(gòu)化思維的內(nèi)涵

結(jié)構(gòu)化思維在國(guó)內(nèi)和國(guó)際上都有一定程度的研究.國(guó)內(nèi)朱良學(xué)教授闡述了結(jié)構(gòu)化思維的內(nèi)涵和原理,認(rèn)為結(jié)構(gòu)化思維可以有力地發(fā)展學(xué)生的智力、強(qiáng)化學(xué)生的思維,可以提高學(xué)生的創(chuàng)造力和分析問(wèn)題的能力[1];劉濯源教授提出將“思維導(dǎo)圖”應(yīng)用到學(xué)科教學(xué)中,可以強(qiáng)調(diào)學(xué)科知識(shí)中概念之間的邏輯關(guān)系,即結(jié)構(gòu)化思維[2].

通過(guò)大量的教育教學(xué)實(shí)踐不難發(fā)現(xiàn),學(xué)生只有真正掌握了學(xué)科的基本框架,才能深刻理解學(xué)科知識(shí).同樣的,學(xué)生如果能夠掌握試題的結(jié)構(gòu),合理運(yùn)用結(jié)構(gòu)化思維,才能更容易對(duì)自己所學(xué)的知識(shí)進(jìn)行遷移和運(yùn)用.

2 化學(xué)教學(xué)中的結(jié)構(gòu)化思維

結(jié)構(gòu)化思維在化學(xué)教學(xué)中很常見,每位教師都有這樣的教學(xué)案例.如制備純凈的氯氣,其結(jié)構(gòu)化思維解析如圖1所示.

圖1 氯氣制備的結(jié)構(gòu)化思維

3 制備類實(shí)驗(yàn)題中的結(jié)構(gòu)化思維方法

化學(xué)實(shí)驗(yàn)試題往往是綜合性的.從類型上主要可分為操作型、分析型、設(shè)計(jì)型、探究型實(shí)驗(yàn)試題等等.

根據(jù)結(jié)構(gòu)化思維理論,可以把化學(xué)實(shí)驗(yàn)題看成一個(gè)“系統(tǒng)”,即一個(gè)具有等級(jí)結(jié)構(gòu)的整體,此系統(tǒng)當(dāng)中可能包含多個(gè)組成單元,每個(gè)組成單元又有各自的組成單元.各個(gè)單元的認(rèn)識(shí)仍然可以使用結(jié)構(gòu)化思維的方式,即考慮一個(gè)化學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的時(shí)候,其思維方式應(yīng)當(dāng)是多條結(jié)構(gòu)化思維的綜合運(yùn)用.

下面結(jié)合制備類實(shí)驗(yàn)題討論結(jié)構(gòu)化思維的應(yīng)用方法.

3.1 明確制備實(shí)驗(yàn)的本質(zhì)

無(wú)論有機(jī)制備實(shí)驗(yàn)或者無(wú)機(jī)制備實(shí)驗(yàn),本質(zhì)都是由原料到產(chǎn)物的實(shí)驗(yàn)過(guò)程.主要分為兩種情況:一種是“從無(wú)到有”,即由原料通過(guò)化學(xué)反應(yīng)生成產(chǎn)物,大部分制備類實(shí)驗(yàn)題為此種類型;另一種是“從有到精”,即從原料中提取產(chǎn)物.鑒于提純類試題較少,主要討論合成類的試題.

3.2 確定核心反應(yīng)

解決問(wèn)題的重要方法是“處理關(guān)鍵的問(wèn)題和處理問(wèn)題的關(guān)鍵”.合成類實(shí)驗(yàn)題的關(guān)鍵是什么呢?在此將之稱為“核心反應(yīng)”.一個(gè)實(shí)驗(yàn)題當(dāng)中可能涉及多個(gè)反應(yīng),但往往只有一個(gè)是核心反應(yīng).尋找“核心反應(yīng)”是使用結(jié)構(gòu)化思維解決實(shí)驗(yàn)題最重要、最關(guān)鍵的一步,也是化學(xué)實(shí)驗(yàn)試題最本質(zhì)的地方,能否正確、快速判斷綜合類實(shí)驗(yàn)題的核心反應(yīng)是學(xué)生解答化學(xué)實(shí)驗(yàn)試題的關(guān)鍵.確定核心反應(yīng)并不復(fù)雜,無(wú)論流程多么復(fù)雜,裝置多么繁瑣,與實(shí)驗(yàn)?zāi)康南辔呛系姆磻?yīng)通常就是核心反應(yīng).

3.3 應(yīng)用三分法解析

經(jīng)過(guò)反復(fù)實(shí)踐,在確定實(shí)驗(yàn)的核心反應(yīng)后,可將制備實(shí)驗(yàn)分為三個(gè)實(shí)驗(yàn)單元進(jìn)行處理,稱為“三分法”,如圖2所示.

圖2 實(shí)驗(yàn)題的三個(gè)組成單元——三分法

三分法的結(jié)構(gòu)化思維流程如下:首先應(yīng)該確定制備實(shí)驗(yàn)的核心反應(yīng),然后根據(jù)核心反應(yīng)把實(shí)驗(yàn)分成三個(gè)部分,即圖2所示的“原料組織”“核心反應(yīng)”“后置處理”三個(gè)部分.然后再對(duì)這三個(gè)實(shí)驗(yàn)單元進(jìn)行處理,即所謂“三分法”處理.

3.3.1進(jìn)行原料組織

圍繞核心反應(yīng)分析“原料”問(wèn)題:原料是否給出.如果原料直接給出,則應(yīng)分析原料是否純凈;如果不純凈應(yīng)該如何去除雜質(zhì),除雜質(zhì)的裝置是什么.

如果原料未直接給出,則應(yīng)該在給出的條件中尋找如何得到純凈的原料.

其結(jié)構(gòu)化思考方式如圖3所示.

圖3 “原料組織”結(jié)構(gòu)化思維流程

需要注意的是,在有機(jī)制備試題當(dāng)中,通常原料是直接給出的,原料組織這一環(huán)節(jié)通常比無(wú)機(jī)制備簡(jiǎn)單.

3.3.2處理核心反應(yīng)

核心反應(yīng)的處理通常包涵三個(gè)方面的內(nèi)容:反應(yīng)的裝置、反應(yīng)的條件、反應(yīng)的現(xiàn)象.

3.3.2.1核心反應(yīng)的裝置

主要方法是通過(guò)核心反應(yīng)或者實(shí)驗(yàn)?zāi)康倪M(jìn)行判斷.可以先從物料入手進(jìn)行判斷,這是比較直接的方法,判斷也比較準(zhǔn)確;其次要根據(jù)題意進(jìn)行判斷.

3.3.2.2核心反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)步驟和條件

選擇合適的實(shí)驗(yàn)條件,需要從兩個(gè)方面考慮:一是能夠有利于核心反應(yīng)向正反應(yīng)方向進(jìn)行;二是能夠有效抑制副反應(yīng)的發(fā)生.

3.3.2.3核心反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象

實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的描述應(yīng)注意按照固體、液體、氣體的順序進(jìn)行回答,通常就可以比較全面地對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行描述.

如圖4所示是分析核心反應(yīng)的結(jié)構(gòu)化思維方法.

3.3.3后置處理

核心反應(yīng)之后的實(shí)驗(yàn)部分稱為后置處理.按照結(jié)構(gòu)化思維的方法,后置處理主要考慮的內(nèi)容如下:

無(wú)機(jī)制備核心反應(yīng)之后主要考慮問(wèn)題包括:如何收集產(chǎn)物及收集的條件;產(chǎn)物是否需要保護(hù),當(dāng)產(chǎn)物性質(zhì)活潑,能與氧氣、水、二氧化碳等反應(yīng)時(shí)尤其要注意這一問(wèn)題;反應(yīng)物或生成物當(dāng)中是否有污染物出現(xiàn),如果有則要考慮尾氣吸收等問(wèn)題.

有機(jī)制備當(dāng)中主要考慮如何分離、提純生成物以及由此衍生出來(lái)的分離、提純的方法等問(wèn)題.

圖5表示了實(shí)驗(yàn)后置處理的結(jié)構(gòu)化思維方法.

圖5 “后置處理”的結(jié)構(gòu)化思維方法

4 應(yīng)用舉例及分析

化學(xué)是復(fù)雜而有序的系統(tǒng),幫助學(xué)生掌握結(jié)構(gòu)化思維是解決這類系統(tǒng)性問(wèn)題的好方法.下面舉例說(shuō)明結(jié)構(gòu)化思維的具體應(yīng)用.

例1(2022年遼寧卷節(jié)選)氫醌法制備H2O2原理及裝置如圖6、7所示,已知:H2O、HX等雜質(zhì)易使Ni催化劑中毒.完成實(shí)驗(yàn)并回答相關(guān)實(shí)驗(yàn)問(wèn)題:(略)

圖6 氫醌法制備H2O2原理

圖7 氫醌法制備H2O2裝備

用結(jié)構(gòu)化思維方法分析本題:

【實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖侵苽銱2O2】

根據(jù)圖6所示實(shí)驗(yàn)原理可知,反應(yīng)化學(xué)方程式為:

在弄清楚實(shí)驗(yàn)?zāi)康呐c實(shí)驗(yàn)原理的基礎(chǔ)上進(jìn)入原料組織環(huán)節(jié).

【原料組織的思考方法】

此反應(yīng)涉及的原料有氫氣、氧氣、乙基蒽醌/溶劑/Ni.其中E處提供了氧氣;A處為氫氣制備裝置,根據(jù)試題已知H2O、HX等雜質(zhì)易使Ni催化劑中毒這一條件,可知D裝置為干燥裝置;B裝置應(yīng)該能夠除去氫氣中的H2O和HCl等雜質(zhì),故應(yīng)當(dāng)選擇能夠同時(shí)除去水與氯化氫的堿石灰;C處提供了乙基蒽醌/溶劑/Ni.至此,實(shí)驗(yàn)的原料組織已經(jīng)完成.

【核心反應(yīng)的思考方法】

反應(yīng)裝置裝置C為核心反應(yīng)區(qū),制備H2O2的反應(yīng)在此發(fā)生.從使用了溫控磁力攪拌器可知,反應(yīng)需要控制溫度并不斷攪拌.氫氣與氧氣分別從三項(xiàng)燒瓶左右兩口進(jìn)入;三頸燒瓶中間口接了T型管,一邊接抽氣口,另一邊接裝置F.

實(shí)驗(yàn)步驟根據(jù)圖6可知,核心反應(yīng)分為兩個(gè)部分,其一是氫氣與乙基蒽醌反應(yīng)生成乙基蒽醇;其二是乙基蒽醇與氧氣反應(yīng)生成過(guò)氧化氫.所以其操作過(guò)程為開始制備時(shí),打開活塞a、b,使氫氣流入三頸燒瓶中制備乙基蒽醇,反應(yīng)一段時(shí)間后,抽出殘留氣體,關(guān)閉活塞b,打開活塞c、d通入氧氣,繼續(xù)反應(yīng)一段時(shí)間,得到H2O2.

后置處理本例中后置處理包括使用抽氣設(shè)備將氫氣抽掉,以及通入氧氣是保護(hù)裝置F,根據(jù)題目所示已知條件,F中裝有濃硫酸,為保護(hù)裝置,防止外界水蒸氣進(jìn)入C中使催化劑中毒.最后根據(jù)題目所示條件計(jì)算H2O2的質(zhì)量分?jǐn)?shù).

結(jié)構(gòu)化思維方法不僅可以幫助學(xué)生解決這類有實(shí)驗(yàn)裝置的實(shí)驗(yàn)試題,還可以幫助學(xué)生解決文字表述類實(shí)驗(yàn)試題.

例2 (2022年全國(guó)乙卷節(jié)選)實(shí)驗(yàn)室制備二草酸合銅(Ⅱ)酸鉀(K2[Cu(C2O4)2])可采用如下步驟:

(1)取已知濃度的CuSO4溶液,攪拌下滴加足量NaOH溶液,產(chǎn)生淺藍(lán)色沉淀.加熱,沉淀轉(zhuǎn)變成黑色,過(guò)濾.

(2)向草酸(H2C2O4)溶液中加入適量K2CO3固體,制得KHC2O4和K2C2O4混合溶液.

(3)將(2)的混合溶液加熱至80～85℃,加入(1)中的黑色沉淀.全部溶解后,趁熱過(guò)濾.

(4)將(3)的濾液用蒸汽浴加熱濃縮,經(jīng)一系列操作后,干燥,得到二草酸合銅(Ⅱ)酸鉀晶體.

用結(jié)構(gòu)化思維對(duì)此題進(jìn)行分析可知.第(1)(2)步為原料組織階段.

第1階段發(fā)生的主要反應(yīng)為:

第2階段,當(dāng)n(H2C2O4)∶n(K2CO3)=1.5∶1時(shí),發(fā)生的主要反應(yīng)為:

2KHC2O4+K2C2O4+2H2O+2CO2↑

由于反應(yīng)產(chǎn)生氣體,為防止反應(yīng)過(guò)于劇烈而引起噴濺,可以采取的措施是少量多次加入.

第3階段為主反應(yīng)階段,由于加熱溫度為80～85 ℃,故可采用水浴加熱.

第4階段為后置處理階段,最后得到的是晶體,所以其操作應(yīng)包括:加熱濃縮、冷卻結(jié)晶、過(guò)濾、洗滌、干燥.

至此,本實(shí)驗(yàn)的主要問(wèn)題已經(jīng)分析完畢.