構(gòu)建模型 解決問題

中圖分類號：G632 文獻標識碼：A文章編號：1008-0333（2025）16-0128-03

培養(yǎng)高中生化學解題能力，是高中化學課堂教學的重中之重.鑒于高中化學學科的特點，化學題目對學生的邏輯推理、抽象思維和判斷能力均提出了更高的要求.但是在教學實踐中，受多種因素的影響，學生的化學解題能力相對比較低，常常面臨著找不到解題思路、無法解決問題等困境.面對這一現(xiàn)狀，教師在日常教學活動中，不僅要關(guān)注理論知識教學，還應向?qū)W生傳授一些常規(guī)性的解題技巧.在諸多化學解題技巧中，建模思想尤為常見，如氧化還原反應模型、晶體模型、平衡模型、化學平衡模型、溶解平衡模型等，是學生解題的有力工具.

1建模思想在高中化學解題教學中的具體應用

例1在制備含鋅的物質(zhì)中，硫酸鋅（ ZnSO₄ ）是主要原料， ZnSO₄ 是從菱鋅礦中制備的.在研究中發(fā)現(xiàn)，菱鋅礦以 ZnCO₃ 為主要成分，并含有少量的雜質(zhì) SiO₂ ，以及 Ca，Mg，F(xiàn)e 和 Cu 化合物.如圖1所示展示了 ZnSO₄ 的具體制備流程：

在本題目中涉及離子的氫氧化物溶度積常數(shù)，見表1：

思考并回答下列問題：

（1）焙燒菱鋅礦會生成氧化鋅，寫出其化學反應方程式？（2）在制取工藝的浸取環(huán)節(jié)中，為了提升其效果，可借助什么方式？（3）在整個制備工藝中，加入 X 物質(zhì)可將溶液的 pH 值控制在5，下列三種物質(zhì)哪一個為 X 物質(zhì)的最佳選擇（ ）.

A. NH₃?H₂O 1 B.Ca（OH）₂ C.NaOH且濾渣 ① 的主要成分是什么？

（4）選擇適量的 KMnO₄ 溶液，將其分批加入80～90^°C 的濾液 ① 中，待到兩種物質(zhì)充分發(fā)揮化學反應之后，再對其進行過濾;濾渣 ② 中包含了 MnO₂ ，而在這一階段中發(fā)生的化學反應離子方程為

（5）將適量的鋅粉加入濾液 ② 中，其目的是

（6）將適量的 H₂SO₄ （濃）加入濾渣 ④ 中，待其充分發(fā)生化學反應后，可釋放出HF，之后對其循環(huán)利用，同時產(chǎn)生副產(chǎn)物是

解析本題目是一道常見的化工工藝流程題目.根據(jù)建模思想的內(nèi)涵，在解答這一類型問題時，應遵循三個流程開展：

第一，分析題頭.在這一類型題目中，題頭信息至關(guān)重要，常常給出了原材料、雜質(zhì)的成分，甚至還會給出原材料、產(chǎn)品的基本性質(zhì)等，這些都是分析解題的重要信息.因此，根據(jù)化學建模思想的內(nèi)涵，學生在解答工藝流程題目時，首先應詳細地解讀題頭，對原材料、產(chǎn)品的性質(zhì)，以及化合價是否出現(xiàn)變化等信息進行解讀，并判斷從原材料轉(zhuǎn)化成為產(chǎn)品時需要經(jīng)歷哪些步驟等；另外，在解讀題頭的時候，還應對濾渣、濾液等成分進行分析，推導出除去雜質(zhì)的順序等

第二，分析流程圖.在這一工藝流程題目中，存在主（副）產(chǎn)品的制備和循環(huán)過程三個流程.其中，從原料到主產(chǎn)品制備作為循環(huán)主線，從原料到副產(chǎn)品作為分支線，循環(huán)利用的供需則屬于回頭線；另外，在整個流程圖中，主要涵蓋了三個環(huán)節(jié)，即原料的預處理、核心化學反應、產(chǎn)品的分離與提純.

第三，建構(gòu)分析模型.根據(jù)建模思想的內(nèi)涵，學生在解決問題時，經(jīng)過題頭、流程圖分析之后，還應根據(jù)其特點建構(gòu)其題目的具體分析模型.具體來說，應遵循“原料-核心化學反應-產(chǎn)品”的流程進行；從化學元素上來說，在解答這一問題時，學生應對化學流程中的元素展開分析，明確在這一工藝中去除了哪些元素，留下來哪些元素.同時，還應對各個元素進行跟蹤，判斷其屬于核心化學反應還是去除雜質(zhì)，抑或中間產(chǎn)物或者是下一步化學反應的預先處理.通常，如果主線元素屬于去除雜質(zhì)問題，則應繼續(xù)判斷其屬于分離、提純等方式；如果是核心反應，則應判斷屬于氧化還原反應、復分解反應還是電化學反應.

根據(jù)建模思想下的工藝流程題自解題路徑，即可先對題頭和流程圖進行分析.就本題目而言，根據(jù)其題干信息可得出：硫酸鋅（ ZnSO₄ ）是從菱鋅礦中提煉出來的，而菱鋅礦的主要化學成分為 ZnCO₃ ，其中含有雜質(zhì) SiO₂ ，以及 Ca，Mg，F(xiàn)e 和 Cu 化合物；從化學工藝流程圖中元素的角度出發(fā)，在該化學工藝流程中，主線化學反應中最終的產(chǎn)物為 Z_n ，所要制備的產(chǎn)品為 ZnSO₄?7H₂O ，并將菱鋅礦中所含的雜質(zhì)進行去除；在提煉硫酸鋅時，需要對原料進行焙燒、酸浸處理，在這一過程中可得到 Zn²⁺ ， Ca²⁺ 、Mg²⁺ ） Fe³⁺ 和 Cu²⁺ 溶液;隨即，該化學工藝進入到核心反應階段，再次加人X對溶液的 pH 值進行調(diào)節(jié)，進而使得部分雜質(zhì)轉(zhuǎn)化成為沉淀、分離出來;之后，再次進行過濾得到濾渣 ① ，再向其中加入 KMnO₄ 溶液之后，溶液將會對濾渣 ① 中的 Fe²⁺ 氧化，進而得到含有 Fe（OH）₃ 和 MnO₂ 的濾渣 ② ;再往其中加入鋅粉，即可發(fā)生化學反應，經(jīng)過濾得到含有 Cu 的濾渣 ③ ，隨機加入HF 即可得到含有 CaF₂Ω，MgF₂ 的濾渣 ④ ，最終經(jīng)過處理之后，得到最終的制備產(chǎn)品.

在上述分析的基礎(chǔ)上，即可結(jié)合具體的題目進行分析，得出答案：

（1）本題目聚焦特定條件下化學方程式書寫展開考查.在該題目中，菱鋅礦經(jīng)過焙燒之后，可生成氧化鋅，金屬碳酸鹽則可通過分解成為金屬氧化物，因此，答案為

（2）本題目主要對影響化學反應速率的因素展開考查，聚焦學生的思辨能力.在該問題中，對原料進行浸取處理，旨在將其中的礦物質(zhì)元素進行轉(zhuǎn)移，使其達到溶液中.在這一過程中，不斷提升原料的浸取率也加快化學反應的速率.因此，可通過增加液壓強、碾碎焙燒物、增加接觸面積、提升硫酸濃度等方式進行.

（3）本題目中主要對酸堿中和、除雜、沉淀溶液平衡等相關(guān)知識進行了考查.在該題目中，通過物質(zhì)X對溶液的 pH 值進行調(diào)節(jié)，這一操作的主要目的是將溶液中的雜質(zhì)離子去除.因此，在這一環(huán)節(jié)中，可選擇成本低、無污染、不會引入新雜質(zhì)的物質(zhì).但是在A選項中， NH₃?H₂O 容易進行分解，進而生成NH₃ ，不僅會污染空氣，且成本比較高；針對C選項來說， ΔNaOH 會產(chǎn)生 Na⁺ 這一新的雜質(zhì)，且成本比較高；針對B選項來說， Ca（OH）₂ 不僅成本低，也不會產(chǎn)生新的雜質(zhì)，因此該選項正確；當沉淀完全時，即為離子濃度低于 10^-5mol/L ，根據(jù) K_sp 得出： pHlt;5 的只有 Fe³⁺ ，濾渣 ① 中包含F(xiàn)e（OH），又因為CaSO₄ 是微溶物， SiO₂ 不能溶于酸中，因此濾渣 ① 中的成分主要為 Fe（OH）₃、CaSO₄ 和 SiO_2.

（4）聚焦學生的分析推測能力、陌生情境下的氧化還原反應方程式的書寫展開考查.在本題目中，加入 KMnO₄ 溶液的目的是氧化 Fe²⁺ ，使其發(fā)生化學反應生成沉淀，最終經(jīng)過濾得到濾渣 ②Fe（OH）₃ 和 MnO₂ ，其化學反應離子方程式為： 3Fe²⁺

（5）對學生的信息提取能力、推理論證能力進行考查.在本題目中加入HF之后，可判斷出 Cu²⁺ 已經(jīng)被去除，因此在濾液 ② 中加入鋅粉目的是將 Cu²⁺ 置換出來.因此，其化學反應方程式為 Zn+Cu²⁺ =Zn²⁺+Cu.

（6）主要對實驗室制備氫鹵酸的原理進行考查，更加關(guān)注學生的知識遷移和應用能力.在該題目中，濾渣 ④CaF₂、MgF₂ 可以和濃硫酸發(fā)生化學反應，進而產(chǎn)生 HF，以及副產(chǎn)物 CaSO₄，MgSO₄^[2] ：

2 高中化學建模思想解題教學啟示

第一，概括化學規(guī)律，加強化學應用，以便于學生真正理解化學反應實質(zhì).就化學學科來說，題目中涉及的化學建模思想多種多樣，對于學生來說存在一定的難度.鑒于此，教師應帶領(lǐng)學生圍繞化學規(guī)律和化學應用展開學習，使學生在日常學習活動中，逐漸進入到化學反應的實質(zhì)和內(nèi)核學習中.

第二，整合相關(guān)知識，拓展學生的解題思路.教師在日常解題教學中，可先引領(lǐng)學生運用建模思想確定出具體的解題思路.而要做到這一點，則需要教師在日常教學中，帶領(lǐng)學生對化學知識進行整合、拓展，使學生在深厚知識的基礎(chǔ)上，利用模型思想這一途徑，拓展其解題思路.

第三，教師在基于建模思想開展解題教學時，帶領(lǐng)學生關(guān)注新舊知識內(nèi)在聯(lián)系，以便學生在解決化學問題時，能夠結(jié)合不同的題目類型，建立針對性的解題模型，使學生在解題模型的輔助下，不斷提升自身的解題能力[3].

3 結(jié)束語

綜上所述，解題教學是化學教學的重要組成，化學建模思想則是解決問題的有力工具.鑒于化學題目的特點以及學生在解題中面臨的諸多困境，教師在日常解題教學活動中，應結(jié)合實際情況，針對不同的題目構(gòu)建不同的化學模型，使學生在化學建模思想的引導下，深度剖析題目、拓展自身的解題思維，最終形成一定的問題解決能力.

參考文獻：

[1］林花.高中化學解題中建模思想的應用［J].數(shù)理化解題研究，2023（36）：116-118.

[2］張麗麗.基于建模思想的高中化學工藝流程題解題策略研究［J].數(shù)理化解題研究，2023（04） ：135 -138.

[3］陳勇.建模思想在高中化學解題中的體現(xiàn)[J].高中數(shù)理化，2021（S1）：132.

[責任編輯：孫美齊]