中學(xué)化學(xué)實驗中的邏輯思維

【摘要】本文列舉了幾種典型的中學(xué)化學(xué)實驗，各種類型實驗又舉了若干典型例題，通過這些例題的邏輯分析，把隱含的邏輯關(guān)系提煉出來進(jìn)行對比，并歸納出了中學(xué)階段實驗中所考查的主要邏輯順序問題，從而為初、高中階段一線教師提高學(xué)生的實驗?zāi)芰头治觥⒔鉀Q問題的能力提供線索。

【關(guān)鍵詞】化學(xué)實驗；邏輯思維

【中圖分類號】G633.8 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】B 【文章編號】2095-3089（2017）14-0091-02

邏輯思維是思維的高級形式，是指人們在認(rèn)知過程中借助于概念、判斷、推理反映現(xiàn)實的思維形式。在邏輯思維中，要用到概念、判斷、推理等思維形式和比較、分析、綜合、抽象、概括等方法，而掌握和運(yùn)用這些思維形式和方法的程度，也就是邏輯思維的能力，簡單的說，就是正確、合理地進(jìn)行思考的能力。以實驗為載體考查學(xué)生“分析問題、解決問題的能力”是現(xiàn)階段高考化學(xué)的主要能力考查方式之一、也是學(xué)生學(xué)習(xí)的難點，而其中的邏輯思維能力更是精髓所在。實驗設(shè)計中的邏輯是以化學(xué)實驗的設(shè)計原則為背景的，是對關(guān)鍵要素的綜合分析、合理選擇、評價優(yōu)化的過程。

一、中學(xué)化學(xué)實驗的設(shè)計原則

化學(xué)實驗方案的設(shè)計要以實驗設(shè)計的基本原則為依據(jù)。忽略了這一點就失去一個邏輯分析的立足點和理論依據(jù)。化學(xué)實驗設(shè)計的基本原則包括：

1.目的性原則 是指在科學(xué)實驗設(shè)計的整個過程中，對實驗原理、用品、裝置、步驟、方法以及實驗結(jié)果等方而的設(shè)計，都應(yīng)圍繞實驗的目的與要求進(jìn)行；

2.科學(xué)性原則 做到實驗原理準(zhǔn)確無誤，實驗方案設(shè)計科學(xué)，實驗裝置設(shè)計合理，實驗操作符合要求；

3.直觀性原則 要求實驗現(xiàn)象明顯、感官度高，能通過可見（氣體、沉淀）、可感（熱、光、氣味）、可稱（質(zhì)量變化）、可辨（顏色變化）等現(xiàn)象判斷實驗的進(jìn)程；

4.簡約性原則 取材容易、裝置簡單，縮短實驗時間，簡化實驗操作，突出創(chuàng)造性；

5.安全性、綠色化原則 貫徹“安全第一”的思想，減少藥品用量，防止易燃、易爆、腐蝕性及有毒物質(zhì)污染環(huán)境，嚴(yán)禁危害人身安全；

6.可行性原則 設(shè)計、改進(jìn)實驗應(yīng)該考慮學(xué)生的學(xué)情和學(xué)校的現(xiàn)有條件。

二、幾種典型實驗設(shè)計中的邏輯分析

1.離子的檢驗

中學(xué)階段只有極少數(shù)幾種離子只要用一種試劑或通過焰色反應(yīng)就可以直接檢驗出來。多數(shù)離子的檢驗都需要排除干擾因素，或者采用轉(zhuǎn)化的方法才能達(dá)到檢驗?zāi)康模谂懦蓴_的過程中必然會出現(xiàn)試劑的選擇及邏輯順序等問題。

[例1]Fe2+和Fe3+的檢驗問題

教材上只提供了Fe2+、Fe3+的一些性質(zhì)，這些性質(zhì)是設(shè)計實驗的理論基礎(chǔ)，在實際問題中卻需要考慮離子所處的環(huán)境、考慮設(shè)計方案的基本原則，進(jìn)而才能構(gòu)思形成檢驗的邏輯思路，最后用恰當(dāng)?shù)幕瘜W(xué)用語表達(dá)出來。

[例2]Cl-、SO42-的檢驗方法比較

為了排除對目標(biāo)離子的干擾，往往需要用輔助試劑，輔助試劑和主要試劑的加入順序和用量多少是操作的關(guān)鍵，形成方案的過程本身就是一種邏輯分析。

2.鑒別、鑒定

在物質(zhì)鑒別問題中有一類特殊方法，即“互滴法”，就是利用兩種物質(zhì)相互反應(yīng)過程中，用量不同造成的產(chǎn)物不同，現(xiàn)象不同，從而達(dá)到鑒別目的的一種方法。這種將原理（少量、過量）、操作（互滴，逐滴）和現(xiàn)象三方面結(jié)合的過程就是邏輯分析的過程。例如，高中階段能用“互滴法”鑒別的常見組合有：HCl（aq）和Na2CO3（aq）、NaOH（aq）和AlCl3（aq）、HCl（aq）和NaAlO2（aq）。對某些混合物成分的鑒定也會牽涉到類似的問題，如例3。

[例3]如何證明木碳和濃硫酸的反應(yīng)產(chǎn)物中含有CO2、SO2、H2O（g）？

合理的邏輯順序是：先檢驗H2O（g）（因為后方須將氣體通入溶液）；再檢驗SO2并將其除去（因為SO2的存在會干擾CO2的檢驗），確定無SO2后再說明CO2的存在。在這個邏輯關(guān)系下再去選擇裝置、連接裝置、優(yōu)化方案。

3.分離和提純

多組分的分離和多雜質(zhì)的提純，都會牽涉到邏輯順序問題。

[例4]粗鹽提純

粗鹽提純實驗中除雜試劑的選擇和過濾操作是基礎(chǔ)知識，而試劑的加入順序和用量的配合具有較高邏輯思維要求，順序不同試劑的作用是不同的，厘清這種關(guān)系，問題的解決可以層層深入下去。

[例5]（2009年福建高考化學(xué)理綜第24題，節(jié)選）鋁土礦（主要成分是Al2O3，含SiO2、Fe2O3、MgO等雜質(zhì)）中提取Al2O3，工藝流程如下：

圖1 由鋁土礦提取Al2O3工藝流程

流程甲為酸溶法，流程乙為堿溶法，這兩種方法是幾乎對稱，酸堿交替加入，酸堿強(qiáng)弱的選擇和用量的不同所包含的邏輯思維完全相同。在此基礎(chǔ)上再去解釋“濾液Y”到“沉淀Z”為什么只需“通入CO2”就容易被學(xué)生接受。（溶液中的硅酸鈉與偏鋁酸鈉反應(yīng)，能生成硅鋁酸鹽沉淀，化學(xué)反應(yīng)方程式為：

2Na2SiO3+2NaAlO2+2H2O===Na2Al2Si2O8↓+4NaOH）

4.科學(xué)探究實驗

探究實驗涉及到提出問題、猜想與假設(shè)、制定計劃、進(jìn)行實驗、收集證據(jù)、解釋與結(jié)論、反思與評價、表達(dá)與交流等要素。這本身就是一種分析、探究、創(chuàng)新的邏輯思路。現(xiàn)就其中的兩個環(huán)節(jié)分析如下。

（1）提出問題（或假設(shè)）

對實驗中可能出現(xiàn)的情況做預(yù)測，而這種猜想不是隨意的，它是一種邏輯推理，推理的依據(jù)是有關(guān)的化學(xué)原理、化學(xué)思想，如守恒思想、氧化還原反應(yīng)原理、少量、過量的思想等。

[例6]用 0.1 mol·L-1 FeCl3溶液吸收SO2氣體后吸收液中除了含有H+、Cl-、SO42-以外，對其它成分（Fe3+、Fe2+、H2SO3）的可能組合提出如下假設(shè)：假設(shè)1：溶液中存在Fe3+、Fe2+； 假設(shè)2：溶液中存在________。endprint

答案可能會出現(xiàn)兩種：①Fe3+、H2SO3 ②Fe2+、H2SO3。其中②組合正確，而①不符合氧化還原反應(yīng)原理。所以假設(shè)的提出要符合邏輯，即“合情合理”，符合題情符合化合反應(yīng)基本原理才行。

[例7]預(yù)測Na在CO2中燃燒后的固體殘留物

模仿Mg與CO2的反應(yīng)可以得出2Na+CO2 =Na2O+C，在此基礎(chǔ)上，再考慮用量的問題，如下表。

在CO2少量的基礎(chǔ)上，逐漸增加CO2的量，就可以系統(tǒng)地將所有情況考慮到。而不是沒有邏輯的胡亂猜想。

（2）實驗方案的設(shè)計

要求能夠以課本知識為基礎(chǔ)，“能夠通過對實際事物、實驗現(xiàn)象、實物、模型、圖形、圖表的觀察”進(jìn)而“接受、吸收、整合化學(xué)信息”進(jìn)行適當(dāng)?shù)闹R遷移、拓展和延伸。

[例8] 請你設(shè)計實驗說明Na在CO2中燃燒后的殘留固體中是否含有Na2CO3、Na2O和C（試劑任選）

方案：①取樣，加水溶解后觀察是否有黑色殘留物（證明單質(zhì)C）；

②取少量步驟①所得上層清液加入過量BaCl2溶液觀察是否有白色沉淀（證明Na2CO3）

③取步驟②所得清液加入幾滴酚酞試液，觀察溶液顏色變化（證明Na2O）。

邏輯分析：離子反應(yīng)必須要先溶解才能反應(yīng)，而溶解的同時也完成了將Na2O轉(zhuǎn)化為NaOH的過程；先檢驗出單質(zhì)碳并以取上層清液的方式將其他成分與單質(zhì)碳分離開來，以免對后續(xù)現(xiàn)象造成影響；用過量BaCl2溶液檢驗CO32-，原因是BaCl2呈中性，過量是將CO32-檢驗出來并加以除去，為檢驗NaOH做準(zhǔn)備。本方案的設(shè)計過程用到的試劑很少，但邏輯思維能力的要求較高。按照這樣的邏輯思維還可以獲得更多方案，也就達(dá)到了能力的訓(xùn)練和提升。

【例9】（2011年北京高考題，節(jié)選）甲、乙兩同學(xué)為探究SO2與可溶性鋇的強(qiáng)酸鹽能否反應(yīng)生成白色BaSO3沉淀，用下圖所示裝置進(jìn)行實驗（夾持裝置和A中加熱裝置已略，氣密性已檢驗）

問題：分析B中不溶于稀鹽酸的沉淀產(chǎn)生的原因，甲認(rèn)為是空氣參與反應(yīng)，乙認(rèn)為是白霧參與反應(yīng)。

①為證實各自的觀點，在原實驗基礎(chǔ)上：甲在原有操作之前增加一步操作，該操作是________；乙在A、B間增加洗氣瓶D，D中盛放的試劑是_______。②進(jìn)行實驗，B中現(xiàn)象：

邏輯分析：首先，B裝置中出現(xiàn)的白色沉淀既有“白霧”原因又有“空氣參與”原因，二者是不矛盾的，而不能把它想成非此即彼；其次，甲要證明是“空氣參與”，他的操作應(yīng)該是消除空氣的影響，而不是消除“白霧”保留“空氣”。這兩層邏輯關(guān)系與我們所學(xué)基礎(chǔ)知識關(guān)系不大，主要考查學(xué)生的邏輯思維能力。同樣的問題在2010年安徽高考理綜化學(xué)第28題中也出現(xiàn)過，探究硝酸鐵溶液溶解了單質(zhì)銀的原因，實際上硝酸和Fe3+都參與了氧化，因為二者并不矛盾。但是很多學(xué)生都以為是二選一。

三、結(jié)束語

實驗設(shè)計中的邏輯思維主要表現(xiàn)為邏輯順序，筆者認(rèn)為邏輯順序主要體現(xiàn)在以下幾個方面：一是整個實驗流程中的取樣次數(shù)，是取一份樣品進(jìn)行一次性操作還是取兩份或幾份樣品進(jìn)行平行實驗。二是操作對象上的先后順序，如上例中CO2、SO2、H2O（g）的檢驗。三是通過用量產(chǎn)生的邏輯，比如少量、過量以及由少量到過量，所產(chǎn)生的效果是不同的。一個實際問題的解決，必須放在特定背景和限制條件下來分析，根據(jù)具體情況確定基本原理，最終才能確定使用哪種邏輯順序。

中學(xué)階段學(xué)生的邏輯思維能力正處在由經(jīng)驗向理論轉(zhuǎn)型的過渡期，造成邏輯思維障礙的原因有很多，加之學(xué)生動手實驗的機(jī)會又很少，所以在平時的教學(xué)中，教師要有針對性的加以訓(xùn)練和引導(dǎo)，實驗和能力相結(jié)合、理論和實際相結(jié)合，循序漸進(jìn)，逐步提高學(xué)生分析問題和解決問題的能力。

作者簡介：

許光山，男，漢族，籍貫：安徽壽縣 研究方向：化學(xué)教學(xué)。endprint