從高考化學(xué)計(jì)算談學(xué)科素養(yǎng)的培養(yǎng)

胡嘉謀

（古田縣第一中學(xué)，福建古田352200）

從高考化學(xué)計(jì)算談學(xué)科素養(yǎng)的培養(yǎng)

胡嘉謀

（古田縣第一中學(xué)，福建古田352200）

以2016年全國(guó)高考理綜I卷試題中的化學(xué)計(jì)算為例，對(duì)試題進(jìn)行分類研究，對(duì)學(xué)科素養(yǎng)的培養(yǎng)提出看法和建議。

高考化學(xué)；化學(xué)計(jì)算；學(xué)科素養(yǎng)

2016年全國(guó)高考理綜I卷化學(xué)試題難度適中，陌生面孔稍減，計(jì)算比重大增，沒有出現(xiàn)偏、難、怪現(xiàn)象，從簡(jiǎn)單中考查學(xué)科核心素養(yǎng)，從平淡中考查化學(xué)思維能力，全面考查考生運(yùn)用所學(xué)知識(shí)獨(dú)立思考與分析問題、解決問題的能力。現(xiàn)以2016年全國(guó)高考理綜I卷試題中的化學(xué)計(jì)算為例，對(duì)學(xué)科素養(yǎng)的培養(yǎng)淺談看法。

一、以微粒數(shù)為主的有關(guān)阿伏加德羅常數(shù)計(jì)算題

有關(guān)阿伏加德羅常數(shù)的計(jì)算是高頻考點(diǎn)，此類試題多以“宏觀、微觀、符號(hào)、化學(xué)量”的信號(hào)出現(xiàn)，圍繞宏觀與微觀結(jié)合、定性與定量結(jié)合等學(xué)科特點(diǎn)進(jìn)行化學(xué)命題，正是化學(xué)學(xué)習(xí)的真諦，也是考生所必備的學(xué)科素養(yǎng)。考生一定要有微粒觀與定量觀的意識(shí)，深入微觀世界破解各種微粒數(shù)的陷阱，用定量思維方法解決化學(xué)問題。

例1.（2016全國(guó)I卷8）設(shè)NA為阿伏加德羅常數(shù)值。下列有關(guān)敘述正確的是

A.14 g乙烯和丙烯混合氣體中的氫原子數(shù)為2NA

B.1 molN2與4molH2反應(yīng)生成的NH3分子數(shù)為2NA

C.1 molFe溶于過量硝酸，電子轉(zhuǎn)移數(shù)為2NA

D.標(biāo)準(zhǔn)狀況下，2.24LCCl4含有的共價(jià)鍵數(shù)為0.4NA

這是一道熟面孔、傳統(tǒng)式的NA常考題，全是最基本的微粒數(shù)口算。乙烯和丙烯兩種宏觀物質(zhì)的微觀組成是解決選項(xiàng)A的關(guān)鍵，挖掘隱含信息“最簡(jiǎn)式相同為CH2”，以此符號(hào)作為定量計(jì)算依據(jù)，CH2的摩爾質(zhì)量為14g·mol-1，14gCH2恰為1mol，則H原子數(shù)為2NA，選項(xiàng)A正確。定性分析：合成氨反應(yīng)是一個(gè)典型的可逆反應(yīng)。定量分析：氫氣過量，反應(yīng)是可逆的，1molN2不可能轉(zhuǎn)化為2molNH3，選項(xiàng)B錯(cuò)。定量分析：1 molFe溶于過量硝酸，F(xiàn)e只能轉(zhuǎn)化為+3價(jià)，電子轉(zhuǎn)移數(shù)為3NA，選項(xiàng)C錯(cuò)。定性分析：標(biāo)準(zhǔn)狀況下CCl4是液態(tài)的，無(wú)法利用氣體摩爾體積進(jìn)行定量運(yùn)算，選項(xiàng)D錯(cuò)。

啟示：除了這道滲透微粒觀的試題外，全卷試題中處處可見宏微結(jié)合的學(xué)科素養(yǎng)，這就要求考生在認(rèn)識(shí)、研究物質(zhì)世界的過程中必須具備有微觀分析、處理、解決有關(guān)化學(xué)問題的能力。因此，化學(xué)教學(xué)活動(dòng)要重視培養(yǎng)學(xué)生微觀思維的習(xí)慣，不斷提高宏觀辨識(shí)、微觀探析和符號(hào)表征能力，以提高化學(xué)學(xué)習(xí)能力。

二、以粒子濃度為主的有關(guān)電解質(zhì)溶液計(jì)算題

有關(guān)電解質(zhì)溶液中粒子分析與粒子各量計(jì)算或比較是一個(gè)全頻考點(diǎn)，此類試題多以圖示信息出現(xiàn)，看似圖景簡(jiǎn)單，但圖中深藏奧秘，能深刻有力地考查考生的化學(xué)素養(yǎng)與學(xué)科思想的靈活應(yīng)用。考生不但要有微粒觀與定量觀的意識(shí)，而且還要有應(yīng)用學(xué)科思想解決問題的觀念，只有這樣，分析解決此類問題才能到位。

例2.（2016全國(guó)I卷12）298K時(shí)，在20.0mL0.10mol· L-1的氨水中滴入0.10 mol·L-1的鹽酸，溶液的pH與所加鹽酸的體積關(guān)系如圖所示。已知0.10mol·L-1氨水的電離度為1.32%，下列有關(guān)敘述正確的是

A.該滴定過程應(yīng)該選擇酚酞作為指示劑

B.M點(diǎn)對(duì)應(yīng)的鹽酸體積為20.0 mL

C.M點(diǎn)處的溶液中c（NH4+）=c（Cl-）=c（H+）=c（OH-）

D.N點(diǎn)處的溶液中pH＜12

這是一道滲透學(xué)科思想、微粒觀、定量觀的考查電解質(zhì)溶液的計(jì)選題。

①數(shù)形結(jié)合思想：298K時(shí)的M點(diǎn)pH=7，說(shuō)明M點(diǎn)的溶液呈中性，即c（H+）=c（OH-）=1.0×10-7mol·L-1，這是解題的關(guān)鍵點(diǎn)。

②定性與定量相結(jié)合思想：如果二者恰好反應(yīng)，生成的NH4Cl水解使溶液顯酸性，滴定終點(diǎn)時(shí)溶液由堿性變?yōu)樗嵝裕f(shuō)明中和滴定應(yīng)該選擇甲基橙作為指示劑，選項(xiàng)A錯(cuò)；M點(diǎn)為中性溶液，說(shuō)明氨水稍有剩余，故M點(diǎn)對(duì)應(yīng)的鹽酸體積應(yīng)小于20.0mL，選項(xiàng)B錯(cuò)。

③M點(diǎn)的溶液中存在電荷守恒：c（NH4+）+c（H+）= c（Cl-）+c（OH-），中性溶液說(shuō)明c（NH4+）=c（Cl-）=0.10mol·L-1，選項(xiàng)C錯(cuò)。

④平衡思想：N點(diǎn)處的溶液存在電離平衡：NH3·H2O?NH4++OH-，氨水的電離度相當(dāng)于氨水達(dá)到電離平衡時(shí)的轉(zhuǎn)化率，由此可求得氨水的pH。c（OH-）= 0.10mol·L-1×1.32%=1.32×10-3mol·L-1，pOH≈3，pH≈11，選項(xiàng)D正確。

此外，13題是通過四種元素組成的六種物質(zhì)的框圖變化為載體來(lái)推斷元素的選擇題，推斷的突破口在于物質(zhì)r。利用定量數(shù)據(jù)進(jìn)行定性推理：0.01mol·L-1含氯元素的r溶液pH=2，c（H+）=0.01mol·L-1，完全電離，說(shuō)明r溶液是一種強(qiáng)酸；結(jié)合氯氣與水反應(yīng)可生成鹽酸（r溶液）、氯氣與甲烷反應(yīng)可生成HCl（r）的信息，便可完成簡(jiǎn)算、推論、驗(yàn)證，不難推出四種元素從而得到正確答案。

啟示：化學(xué)是研究物質(zhì)的，其組成與結(jié)構(gòu)、變化與性質(zhì)等方面基礎(chǔ)知識(shí)都是化學(xué)學(xué)習(xí)的主要內(nèi)容，從兩道選擇題所考查的具體物質(zhì)的有關(guān)常識(shí)可以看出，研究具體物質(zhì)要從現(xiàn)象與本質(zhì)、變化與發(fā)展、定性與定量等方面來(lái)辯證思考紛繁復(fù)雜的物質(zhì)變化，這就是解決物質(zhì)變化問題的基本思維方式和思維習(xí)慣。只有長(zhǎng)期引導(dǎo)訓(xùn)練，才能提高學(xué)科素養(yǎng)。

三、以電子守恒為主的有關(guān)氧化還原反應(yīng)計(jì)算題

有關(guān)氧化還原反應(yīng)的定性分析與定量計(jì)算是全頻考點(diǎn)，此類試題往往突出反應(yīng)原理的考查，主題仍是氧化還原反應(yīng)的基本常識(shí)。但萬(wàn)變不離其宗，其解決問題的思維模式離不開守恒思想中的價(jià)態(tài)守恒或電子守恒。認(rèn)識(shí)并應(yīng)用氧化還原反應(yīng)原理處理生產(chǎn)生活中的實(shí)際問題，既是學(xué)科素養(yǎng)的一個(gè)方面，也是考生必備的關(guān)鍵能力。

例3.（2016全國(guó)I卷28節(jié)選）NaClO2是一種重要的殺菌消毒劑，也常用來(lái)漂白織物等，其一種生產(chǎn)工藝如下

回答下列問題：

（1）NaClO2中Cl的化合價(jià)為_______。

（4）“尾氣吸收”是吸收“電解”過程排出的少量ClO2。此吸收反應(yīng)中，氧化劑與還原劑的物質(zhì)的量之比為________，該反應(yīng)中氧化產(chǎn)物是_________。

（5）“有效氯含量”可用來(lái)衡量含氯消毒劑的消毒能力，其定義是每克含氯消毒劑的氧化能力相當(dāng)于多少克Cl2的氧化能力。NaClO2的有效氯含量為____。（計(jì)算結(jié)果保留兩位小數(shù)）

此題共有3處計(jì)算填空，一處涉及化學(xué)式簡(jiǎn)算，兩處屬于氧化還原反應(yīng)計(jì)算，都是簡(jiǎn)單的基本計(jì)算，舊題重考，難度不大，答案直白。如（1）問觀察NaClO2的化學(xué)式根據(jù)價(jià)態(tài)觀即知Cl的化合價(jià)為+3價(jià)。又如（4）問根據(jù)氧化還原反應(yīng)原理分析堿性條件下ClO2的氧化性強(qiáng)于H2O2，H2O2的氧化產(chǎn)物O2，ClO2的還原產(chǎn)物為NaClO2，由電子守恒列式：n（ClO2）×1=n（H2O2）×2，不難得到n（ClO2）∶n（H2O2）=2∶1。再如（5）問“有效氯含量”雖是考查現(xiàn)場(chǎng)自學(xué)能力，但氧化劑NaClO2與Cl2的氧化（消毒）能力是從得電子多少來(lái)體現(xiàn)，仍是氧化還原反應(yīng)原理的應(yīng)用。二者發(fā)生還原反應(yīng)時(shí)最后都變成Cl-，轉(zhuǎn)移的電子數(shù)目分別為4、2。由電子守恒知：（1g/90.5g· mol-1）×4=［m（Cl2）/71g·mol-1］×2，解得m（Cl2）=1.569g。要求結(jié)果保留兩位小數(shù)，m（Cl2）由1.569g四舍五入得正確答案1.57g。

此外，11題電解原理以及選項(xiàng)D與26題、27題、28題各有一個(gè)陌生氧化還原方程式的書寫都是考查氧化還原反應(yīng)原理，均涉及到電子守恒思想的應(yīng)用。

啟示：氧化還原反應(yīng)的定性分析與定量計(jì)算均屬于基礎(chǔ)知識(shí)，貫穿高中化學(xué)教學(xué)始終，抓住始態(tài)、終態(tài)物質(zhì)的元素化合價(jià)變化與電子守恒思想，這就是研究物質(zhì)反應(yīng)規(guī)律的整體思維模式，也是學(xué)科素養(yǎng)必備的要素之一。化學(xué)教學(xué)中要強(qiáng)化陌生氧化還原反應(yīng)方程式的規(guī)范書寫訓(xùn)練，在訓(xùn)練中體驗(yàn)物質(zhì)變化的不變規(guī)律，以培養(yǎng)對(duì)物質(zhì)變化規(guī)律的理性思維習(xí)慣。

四、以平衡常數(shù)為主的有關(guān)各種平衡計(jì)算題

有關(guān)平衡常數(shù)的計(jì)算，往往需要經(jīng)過幾個(gè)程序方得結(jié)果，這類計(jì)算填空只求結(jié)果不求過程，但解題始終離不開嚴(yán)格的思維程序、解題步驟以及數(shù)學(xué)運(yùn)算。認(rèn)真審題尋找計(jì)算依據(jù)，按照規(guī)矩規(guī)范解題準(zhǔn)確運(yùn)算，減少非智力因素失分，則成為了解決此類簡(jiǎn)單計(jì)算的能力素養(yǎng)。

例4.（2016全國(guó)I卷27節(jié)選）元素鉻（Cr）在溶液中主要以Cr3+（藍(lán)紫色）、

Cr（OH）4-（綠色）、Cr2O72-（橙紅色）、CrO42-（黃色）等形式存在，Cr（OH）3為難溶于水的灰藍(lán)色固體，回答下列問題：

（2）CrO42-和Cr2O72-在溶液中可相互轉(zhuǎn)化。室溫下，初始濃度為1.0mol·L-1的Na2CrO4溶液中c（Cr2O72-）隨c（H+）的變化如圖所示。

②由圖可知，溶液酸性增大，CrO42-的平衡轉(zhuǎn)化率__________（填“增大“減小”或“不變”）。根據(jù)A點(diǎn)數(shù)據(jù)，計(jì)算出該轉(zhuǎn)化反應(yīng)的平衡常數(shù)為__________。

（3）在化學(xué)分析中采用K2CrO4為指示劑，以AgNO3標(biāo)準(zhǔn)溶液滴定溶液中的Cl-，利用Ag+與CrO42-生成磚紅色沉淀，指示到達(dá)滴定終點(diǎn)。當(dāng)溶液中Cl-恰好完全沉淀（濃度等于1.0×10-5mol·L-1）時(shí)，溶液中c（Ag+）為_______mol·L-1，此時(shí)溶液中c（CrO42-）等于__________ mol·L-1。（已知Ag2CrO4、AgCl的分別為2.0×10-12和2.0×10-10）。

此題涉及3處計(jì)算填空，考查化學(xué)平衡常數(shù)與溶度積常數(shù)的計(jì)算。（2）小題中的K平衡常數(shù)計(jì)算實(shí)際上是考查讀圖、識(shí)圖、用圖的素養(yǎng)與規(guī)范解題。

數(shù)形結(jié)合思想：此圖較為簡(jiǎn)單，關(guān)注審題為要，只有看準(zhǔn)圖示中的橫坐標(biāo)氫離子濃度存在10-7的量綱，縱坐標(biāo)是體現(xiàn)c（Cr2O72-）隨c（H+）增大而增大的曲線變化關(guān)系，才能保證K常數(shù)計(jì)算不出錯(cuò)。

聯(lián)系平衡思想知：溶液中CrO42-隨c（H+）變化可與Cr2O72-相互轉(zhuǎn)化，存在下列平衡式：2CrO42-+2H+?Cr2O72-+H2O，顯然，溶液中c（H+）增大，平衡正向進(jìn)行，CrO42-的平衡轉(zhuǎn)化率增大。

“三段式”的解題程序即按規(guī)矩辦事：查得A點(diǎn)c（H+）=1.0×10-7mol·L-1、c（Cr2O72-）=0.25mol·L-1，并知CrO42-的起始濃度為1.0 mol·L-1。

（3）小題兩個(gè)計(jì)算填空，貴在理解沉淀滴定原理。當(dāng)最后一滴AgNO3溶液與CrO42-生成磚紅色沉淀時(shí)，則Cl-完全沉淀，CrO42-剛開始沉淀，此時(shí)溶液中存在AgCl、Ag2CrO4的沉淀溶解平衡，計(jì)算依據(jù)均為平衡式與Ksp的表達(dá)式。

啟示：平衡思想普遍存在于現(xiàn)實(shí)生活中，這是宇宙萬(wàn)物的平衡法則與規(guī)律。凡涉及到平衡思想的定性與定量問題，都離不開相關(guān)平衡式，都必須聯(lián)系動(dòng)態(tài)平衡的觀點(diǎn)進(jìn)行客觀分析評(píng)價(jià)、按規(guī)矩定量計(jì)算。因此，在化學(xué)教學(xué)過程中要培養(yǎng)學(xué)生熟練應(yīng)用大平衡觀的思想方法解決平衡問題，通過找出相關(guān)平衡，提煉答題模式，體驗(yàn)與感悟其實(shí)用價(jià)值，提升化學(xué)計(jì)算能力。

五、以微觀結(jié)構(gòu)為主的有關(guān)物質(zhì)結(jié)構(gòu)計(jì)算題

有關(guān)物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)的選做題中微觀晶胞結(jié)構(gòu)的計(jì)算是個(gè)高頻考點(diǎn)。此類試題往往與空間模型有著密切聯(lián)系，深入分析微觀結(jié)構(gòu)，遷移應(yīng)用數(shù)學(xué)知識(shí)，形成“結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)，性質(zhì)反映結(jié)構(gòu)”的觀念，是解決好有關(guān)微觀結(jié)構(gòu)問題的科學(xué)思維方法。

例5.（2016全國(guó)I卷37節(jié)選）鍺（Ge）是典型的半導(dǎo)體元素，在電子、材料等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。回答下列問題：

（1）基態(tài)Ge原子的核外電子排布式為［Ar］________，有____個(gè)未成對(duì)電子。

（6）晶胞有兩個(gè)基本要素：

①原子坐標(biāo)參數(shù)，表示晶胞內(nèi)部各原子的相對(duì)位置，下圖為Ge單晶的晶胞，其中原子坐標(biāo)參數(shù)A為（0，0，0）；B為（1/ 2，0，1/2）；C為（1/2，1/ 2，0）。則D原子的坐標(biāo)參數(shù)為______。

②晶胞參數(shù)，描述晶胞的大小和形狀，已知Ge單晶的晶胞參數(shù)a=565.76pm，其密度為______g·cm-3（列出計(jì)算式即可）。

此題有3處簡(jiǎn)單計(jì)算，Ge原子的未成對(duì)電子數(shù)由核外電子排布的軌道表示式很容易觀察算出，此處略。晶胞兩個(gè)基本要素的簡(jiǎn)算重點(diǎn)考查考生的空間想象能力及將抽象模型具體為數(shù)學(xué)計(jì)算的能力。

數(shù)形結(jié)合思想與結(jié)構(gòu)思想：（6）①Ge晶胞屬于面心立方結(jié)構(gòu)，如圖所示，立方體的頂點(diǎn)A的原子坐標(biāo)參數(shù)（0，0，0）即在三維坐標(biāo)的原點(diǎn)位置，而立方體前面與底面的面心B、C原子坐標(biāo)參數(shù)分別為（1/2，0，1/2）、（1/2，1/ 2，0），即分別在三維坐標(biāo)的x軸與y軸上，圖示D點(diǎn)恰好位于左面、前面、底面三個(gè)面心與頂點(diǎn)A圍成的正四面體的體心，顯然其三維坐標(biāo)x=1/4，y=1/4，z=1/4。

數(shù)形結(jié)合思想與結(jié)構(gòu)思想：（6）②觀察圖示立方晶胞中有8個(gè)頂點(diǎn)、6個(gè)面心、體內(nèi)有4個(gè)Ge原子，利用分?jǐn)偡ㄓ?jì)算晶胞中Ge原子數(shù)為：8×1/8+6×1/2+4=8，其密度ρ=m/V=8×78/［6.02×1023）×（565.76×10-10）3］g·cm-3。

啟示：運(yùn)用結(jié)構(gòu)思想解決微觀層面的化學(xué)問題，目的是要求考生學(xué)會(huì)從微觀角度認(rèn)識(shí)物質(zhì)的本質(zhì)，體現(xiàn)化學(xué)學(xué)習(xí)與研究物質(zhì)始終貫穿“結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)，性質(zhì)反映結(jié)構(gòu)”的學(xué)科核心觀點(diǎn)與思想方法。只有走進(jìn)微觀世界，走進(jìn)化學(xué)空間，才能有效地探究宏觀物質(zhì)的本真特質(zhì)，從本質(zhì)上分析、解決化學(xué)問題。

［1］王云生.基礎(chǔ)教育階段學(xué)科核心素養(yǎng)及其確定［J］.福建基礎(chǔ)教育研究，2016（2）.

［2］胡嘉謀.滲透學(xué)科思想教育，提高課堂教學(xué)實(shí)效性［J］.福建基礎(chǔ)教育研究，2012（5）.

（責(zé)任編輯：張賢金）