巧用福爾摩斯“證據推理”戰勝陌生情境

常 明 李 霜

高考考查的是必備知識和關鍵能力,往往在陌生情境中實現．2019年全國卷理綜化學部分題目的情境來源于我國科學家在頂級刊物《Nature》和《Science》發表的文章,設計新穎、與眾不同、陌生度高,可能會影響學生真實實力的發揮．如何挖掘核心素養的內涵和價值,引領學生戰勝陌生情境，可參考大偵探福爾摩斯的證據推理,其辦案思路與核心素養不謀而合,能將“陌生案情”還原出真相．

在解題過程中，面對陌生情境學生要調整心態,尋求有利證據,建立證據、觀點和結論間的邏輯關系,快速而準確地解決問題,激發探究興趣,有助于提升核心素養．

1 隔岸觀火,巧用圖表模型

1.1 模型認知:利用符號證據,確定正確答案

題目中的文字、模型和圖表等以及其他顯性或隱形條件都是“證據”,解題過程中可以運用這些證據,經過推理得出正確答案．

1.2 證據推理

例1(2018年北京卷)我國科研人員提出了由CO2和CH4轉化為高附加值產品CH3COOH的催化反應歷程．該歷程示意圖如圖1所示．

圖1

下列說法不正確的是( ).

A. 生成CH3COOH總反應的原子利用率為100%

B. CH4→CH3COOH過程中,有C—H鍵發生斷裂

C. ① →② 放出能量并形成了C—C鍵

D. 該催化劑可有效提高反應物的平衡轉化率

證據1左側球棍模型是反應物CO2和CH4,共有4個白球(H)、2個灰球(O)、2個黑球(C);右側球棍模型是生成物CH3COOH,依然有4個白球(H)、2個灰球(O)、2個黑球(C)．以小球的種類和數目作為證據,根據原子守恒觀判斷選項A正確．

證據2反應過程中甲烷的球棍模型有球棍分離現象,說明C—H鍵發生斷裂, 選項B正確．

證據3圓圈內從左往右第一條虛線高度表示過渡態反應物的能量(相對高),第二條虛線高度表示過渡態生成物的能量(相對低),能量前高后低,說明此過程放熱,即①→②放出能量;過渡態球棍模型黑球之間是虛線,說明還未形成化學鍵,生成的中間產物②球棍模型對應的黑球之間為實線,說明形成了化學鍵，根據質能守恒觀推出選項C正確．

證據4催化劑的使用不會改變平衡狀態,無法提高反應物的平衡轉化率,選項D不正確．

例2(2018年全國卷Ⅰ) 最近我國科學家設計了一種CO2+H2S協同轉化裝置,實現對天然氣中CO2和H2S的高效去除．轉化裝置如圖2所示,其中電極分別為ZnO@石墨烯(石墨烯包裹的ZnO)和石墨烯,石墨烯電極區發生反應為

① EDTA-Fe2+-e-=EDTA-Fe3+；

② 2EDTA-Fe3++H2S=2H++S+2EDTA-Fe2+.

圖2

該裝置工作時,下列敘述錯誤的是( ).

A. 陰極的電極反應:

CO2+2H++2e-=CO+H2O

B. 協同轉化總反應:

CO2+H2S=CO+H2O+S

C. 石墨烯上的電勢比ZnO@石墨烯上的低;

D. 若采用Fe3+/Fe2+取代EDTA-Fe3+/EDTA-Fe2+,溶液需為酸性

證據1圖示中右面緊鄰石墨烯電極左側向下的粗箭頭表明EDTA-Fe2+轉化為EDTA-Fe3+,鐵元素的化合價由+2變為+3，表明發生失去電子的氧化反應,發生氧化反應的電極是陽極,所以可知石墨烯電極是陽極,那么ZnO@石墨烯電極是陰極.

證據2右面向上粗箭頭和H2S向上細箭頭,表示H2S中的-2價S元素失去電子,變成了單質S,表示為H2S-2e-=2H++S,同時EDTA-Fe3+得到電子變成EDTA-Fe2+．實現了H2S氣體的去除及EDTA-Fe3+和EDTA-Fe2+之間的循環轉化.

證據3圖中左邊ZnO@石墨烯電極的右側,向下的粗箭頭表示擴散過來的CO2與2H+反應得到電子生成CO．碳原子的化合價發生變化,表明CO2氣體發生得到電子的還原反應

CO2+2H++2e-=CO+H2O,

也說明該電極是陰極,說明選項A說法正確．

證據4根據H2S-2e-=2H++S和CO2+2H++2e-=CO+H2O,兩個反應加和以后得到協同轉化總反應CO2+H2S=CO+H2O+S,說明選項B說法正確;石墨烯電極是陽極,ZnO@石墨烯電極是陰極,陽極電勢高于陰極,所以選項C說法錯誤;Fe2+、Fe3+需要在酸性溶液中才能存在,否則會生成沉淀,選項D說法正確．

2 回歸基礎,聯通概念數據

2.1 模型認知:分析概念數據,鎖定正確答案

高中化學課程目標要求,學會收集各種證據,基于證據進行分析推理,證實或證偽假設;能解釋證據與結論之間的關系,確定形成科學結論所需要的證據和尋找證據的途徑．在課本上學過的重要概念、性質、題目給出的數據符號和化學學科思想等,均是解決問題的有力證據,證據引領會使解題有方向,思路更明確．

若想發現證據,需要扎實的基礎知識和對概念及物質性質深刻準確的理解．要重視化學基本知識和基本原理的理解,養成從概念和原理中尋找證據和推理的習慣；要學會主動積累證據,嘗試應用證據．

2.2 證據推理

例3(2018年全國卷Ⅰ,節選) Li2O是離子晶體,其晶格能可通過圖3中的Born-Haber循環計算得到．

圖3

3 精準剖析,推敲文字描述

3.1 模型認知:理解題干文字,尋找正確答案

許多證據就在普通的文字敘述中,需要學生有較好的閱讀和思考習慣,才能從容應對．“作為必備品格和關鍵能力,首先是超越具體知識的、哲學層面的自我覺醒,需要老師喚醒學生的科學思想方法和興趣智慧,并不斷引領學生形成高品位、大視野的閱讀和思考習慣,最終擁有獨到深刻、與眾不同的見解．”較強的閱讀理解能力,會幫助學生在化學學科道路上走得更遠．

3.2 證據推理

例4(2019年全國卷Ⅰ)利用生物燃料電池原理研究室溫下氨的合成,電池工作時MV2+/MV+在電極與酶之間傳遞電子,示意圖如圖4所示．下列說法錯誤的是( ).

圖4

A. 相比現有工業合成氨,該方法條件溫和,同時還可提供電能

B. 陰極區,在氫化酶作用下發生反應H2+2MV2+=2H++2MV+

C. 正極區,固氮酶為催化劑,N2發生還原反應生成NH3

D. 電池工作時質子通過交換膜由負極區向正極區移動

證據本題證據寓于“利用燃料電池原理研究室溫下氨的合成,電池工作時MV2+/MV+在電極與酶之間傳遞電子”這段文字中,依據在兩個電極上MV2+/MV+二者之間的轉化,即MV+-e-=MV2+失去電子發生氧化反應,MV2++e-=MV+得到電子發生還原反應,可以判斷負極和正極．參考圖示中物質之間箭頭的指向,N2和H2分別與電極反應的產物相作用,綜合兩個電極反應實現N2+3H2=2NH3．

用酶作催化劑,條件溫和,通過MV+和MV2+的相互轉化,化學能轉化為電能,故可提供電能,選項A說法正確;左室為負極區,又可稱作陽極區,選項B說法錯誤;右室為正極區,MV2+在正極得電子發生還原反應生成MV+,電極反應式為MV2++e-=MV+,在固氮酶的作用下MV+與N2反應生成NH3和MV2+,選項C說法正確;電池工作時,陽離子移向正極,所以氫離子(即質子)通過交換膜由負極向正極移動,選項D說法正確．

以上幾道高考題陌生度很高,初次接觸容易產生恐懼心理．但是,只要我們找準探究方向,利用基礎知識、基本原理和試題中提供的種種蛛絲馬跡(符號、數據、箭頭、圖示和文字等),做一回“福爾摩斯”,眼中有證據,腦中有推理,筆下有結論,一個又一個新鮮的、陌生的、富有創造性的新情境問題將迎刃而解．

根據新課改的精神可以預測未來高考題中信息量會越來越大、越來越新,會提供更多陌生的顯性或隱性證據等待我們去發現和應用．以模型認知、證據推理的化學思想方法為支撐,基于證據進行分析推理,得出結論,找到正確答案．以創新的方法和策略,換種思維方式,穩定心態,開辟新途徑,變被動為主動,就能做到在高考中正常發揮．