發展模型思維 落實化學核心素養

馬俊斌

“模型認知”是化學學科核心素養之一，它要求學生通過分析、推理等方法認識研究對象的本質特征、構成要素及其相互關系，建立認知模型，并能運用模型解釋化學現象，揭示現象的本質和規律.葉瀾教授認為化學模型按其呈現水平和形式可分為四類：實物模型、想象模型、符號模型和數學模型，數學模型即通過數學表達式、圖表和表格解釋復雜的化學現象和規律的模型.解析法是應用解析式去求解數學模型的方法.數學中用解析式表示函數或任意數學對象的方法叫解析法.

化學中的很多認知模型都離不開解析思想，尤其是平衡關系式中的一些數量關系，多元平衡體系的計算更是高考平衡計算中的難點問題，用解析的思想建立解題模型，巧妙地化解其中抽象的難點，可以高效解題得分.本文從幾個經典考題展開論述，不當之處，還望指正.

問題提出 （2021.山東.20節選）2-甲氧基-2 -甲基丁烷（TAME）常用作汽油添加劑，在催化劑作用下，可通過甲醇與烯烴的液相反應制得，體系中同時存在如圖1反應：

回答下列問題：

（2）為研究上述反應體系的平衡關系，向某反應容器中加入1.0 moITAME，控制溫度為353K.測得TAME的平衡轉化率為a.已知反應Ⅲ的平衡常數K3=9.0，則平衡體系中B的物質的量為mol，反應I的平衡常數Kx1=____.

解決方案題中給出了3個方程式，應該選取其中的2個進行計算，為什么選取2個方程式進行計算而不選取3個方程式共同參與計算呢？給大家舉個例子進行說明：

解三元一次方程，至少需要3個方程，且要求3個方程式線性無關.

上述所給3個方程式并不能完全解出三個未知數，因為③=①+②，也就是說方程式③與①和②線性相關，在解題過程中屬于無效方程.

同理：由于反應Ⅲ=反應I -反應Ⅱ，所以題中所給化學方程式中只有兩個方程式可用于平衡計算，當然，可以隨意選取兩個線性無關的方程式進行計算.在此，筆者選用反應I和反應Ⅱ的方程列式計算（為簡化過程，方程式中物質均以字母代替），設反應I和反應Ⅱ中TAME的變化量分別為xmol、y mol，根據方程式變化關系有：

解析模型需要特別強調的是，不同于以往的三段式基本方法，用數學解析的思想，選取合適的化學方程式，提出假設列出變化關系，再結合題中所給信息列方程解未知數，然后分別計算平衡體系中所有物料的值，再進行平衡計算，為方便理解，特給出如下模型：

特別提醒：未知數一定是變化量！

模型應用

例1 （2020山東卷題18節選）探究CH3OH合成反應化學平衡的影響因素，有利于提高CH3OH的產率.以CO2、H2為原料合成CH3OH涉及的主要反應如下：

解析 由于反應Ⅲ=反應I -反應Ⅱ，所以題中所給三個化學方程式中只有兩個方程式線性無關，可用于平衡計算，所以結合投料為l mol CO2和3mol H2，所以選取反應I和反應Ⅲ進行模型計算，過程如下：

點評 本題解決的關鍵在于選取有效方程進行模型計算，對于多元平衡體系，一定要把握好線性無關的方程才能進行平衡計算這一要點，另外，選取反應I和反應Ⅲ進行計算即選取平行反應進行計算式解決多元平衡體系的相對簡單的方法，當然選取反應Ⅱ和反應Ⅲ或反應I和反應Ⅱ進行計算也可，不過要注意變量的計算關系，有興趣的可進行對比計算.

另，山東卷近兩年都選取多元平衡體系進行考查，2022年是否會延續，值得期待！

例2 （2021年河北，16節選）當今，世界多國相繼規劃了碳達峰、碳中和的時間節點.因此，研發二氧化碳利用技術，降低空氣中二氧化碳含量成為研究熱點.

（2）雨水中含有來自大氣的CO2，溶于水中的CO2進一步和水反應，發生電離：

解析解決本題的關鍵是“考慮水的電離，忽略HCO-的電離”.所以H+的總量要同時考慮兩個電離方程式，且兩個方程式相互影響制約.結合解析模型可有如下過程：

①選取有效反應方程式并設未知數

由于題中已知信息用到x、y，所以設變化量分別為a、b：

點評 本題所需平衡常數均已作為信息給出，所求為平衡時溶液中H+濃度，所以結合模型，只需列式計算即可得出結果.將抽象的問題的模型化，“考慮水的電離”解析為多元平衡體系中物料計算為本題的關鍵，結合解析模型可輕松解題得分，

另，河北省2021年為新高考元年，就選用了多元平衡體系的考查，相對于之前的全國卷，難度有了一定的提升.2022的原理計算考查，很有可能在此基礎上有所延續和提升，所以對多元平衡體系的計算模型深入研究，在備考復習中必須多加重視.

基于《高考評價體系說明》中對“一核、四層、四翼”的評價體系的構建及要求，“情境化試題的創設”應運而生.通過真實情景的創設，考查學生綜合運用所學知識和能力應對復雜問題的水平，化學反應在真實情境中并不是孤立存在的，一定是多元平衡共存，相互制約，相互影響，對多元平衡體系的學習和探究，有助于深入理解事物發展變化的本質，同時結合解析的思維，將化學中抽象的模型知識具體化，解析化，也是化學學科必備知識與學生關鍵能力的有效結合，是落實化學學科核心素養的有效途徑，模型認知，關鍵在于通過合理的證據推理過程，綜合運用多種知識和技能形成科學有效認知模型，并且注重模型的使用范嗣，辯證的解決問題.利用數學解析思維，合理建模是解決平衡計算的有效方法，當然，化學中的很多計算模型都可以借鑒和發展數學中的基本思維，比如溶液中平衡的計算問題.熱力學和動力學中很多問題都離不開數學計算，科學合理的建模，需要不斷地去研究和探索，不僅是幫助學生解題得分，更重要的是培養其研究并解決問題的方法，發展其科學探究這一核心素養.