善用另類思維破解化學(xué)計算

扶云松

(河南省鄭州市第一中學(xué) 450000)

化學(xué)計算能力是高中學(xué)生必備的關(guān)鍵能力之一，它與化學(xué)基本概念、基本理論、元素化合物知識及有機(jī)物分子式相關(guān)知識都有著密切的聯(lián)系，是基本概念和基本理論、元素化合物等知識的量化和提升.學(xué)科思維又是智力結(jié)構(gòu)的核心，它具有廣闊性、靈活性和敏捷性，同時又有求異性、發(fā)散性和獨(dú)創(chuàng)性，它是學(xué)生將知識轉(zhuǎn)化為素養(yǎng)的必然途徑.學(xué)科思維通常包括常規(guī)思維和另類思維，所謂化學(xué)常規(guī)思維是根據(jù)化學(xué)基本概念、基本理論及化學(xué)解題的基本思路來解決問題的思維方法.而另類思維則是以我們所學(xué)的基本原理、基本知識為載體，突破認(rèn)知盲區(qū)，另辟解題路徑，從而解決復(fù)雜問題的思維方法.在化學(xué)計算中應(yīng)用另類思維可以達(dá)到化繁為簡、快速解題的效果.

1 運(yùn)用另類思維，將定量問題定性化

化學(xué)定量問題的計算重在培養(yǎng)學(xué)生的邏輯思維能力和分析推理能力，常規(guī)解題方法是根據(jù)化學(xué)基本原理，利用數(shù)學(xué)思想方法，步步推理，最終求解答案，但是這種方法，耗時費(fèi)力，不能速戰(zhàn)速決.如果運(yùn)用另類思維，將定量問題定性化，能夠達(dá)到事半功倍、神速破解的效果.

例1 常溫下，H3PO4在水中各級電離的過程如下圖所示.已知:pK=-lgK.

則下列相關(guān)說法正確的是( ).

B.用NaOH溶液滴定NaH2PO4溶液時宜選用甲基橙指示劑

C.在Na2HPO4溶液中有：

D.H3PO4是難揮發(fā)性三元弱酸

解析此題A選項(xiàng)是計算型化學(xué)選擇題，常規(guī)思維：列出H3PO4在水中各級電離的化學(xué)方程式：

此選項(xiàng)用常規(guī)思維解題，計算繁瑣、耗時較長.

如果用另類思維將迎刃而解：此反應(yīng)原理是多元弱酸與其正鹽反應(yīng)生成酸式鹽.反應(yīng)非常徹底，K?0，pK?0，所以A選項(xiàng)錯誤.

此題的B、C、D三個選項(xiàng)是正常的定性試題，在這里無需費(fèi)解，正確答案是D.

2 運(yùn)用另類思維，將計算問題圖像化

化學(xué)計算往往在運(yùn)用化學(xué)知識上比較簡單，入口容易，但在運(yùn)用數(shù)學(xué)公式計算時相對繁雜.若常規(guī)思維，許多學(xué)生往往因數(shù)學(xué)計算基本功薄弱而不得不放棄.而有些化學(xué)計算如果用另類思維，將計算問題圖像化，能達(dá)到豁然開朗、茅塞頓開的效果.

另類思維：做出如圖1所示的磷酸各粒子隨pH變化的分布分?jǐn)?shù)圖：

圖1

3 運(yùn)用另類思維，將平衡問題守恒化

變化觀念與平衡思想是化學(xué)五大核心素養(yǎng)之一，化學(xué)平衡計算是高中化學(xué)計算的重要組成部分，是教與學(xué)的重點(diǎn)和難點(diǎn).解決平衡計算的常規(guī)方法是利用三段式計算，雖然此方法規(guī)律性強(qiáng)，但是多元方程的求解令學(xué)生望而生畏.如果利用另類思維，將平衡問題守恒化，在快速解題上起到立竿見影的效果.

例3 中科院大連化物所團(tuán)隊(duì)直接利用CO2與H2合成甲醇為我國力爭2030年前實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和做出了貢獻(xiàn).主要涉及以下反應(yīng)：

恒溫恒壓條件下，向密閉容器中充入1mol CO2、3mol H2，500℃時達(dá)到平衡，此時CO2的平衡轉(zhuǎn)化率為60%，體系中CH3OH的物質(zhì)的量為amol，H2O的物質(zhì)的量為bmol，則此時H2的平衡轉(zhuǎn)化率是多少？

解析本題是經(jīng)典化學(xué)平衡計算題，常規(guī)思維是設(shè)未知數(shù)、列三段式，求解方程，在數(shù)學(xué)運(yùn)算時繁瑣，容易出錯.

設(shè)生成CO消耗CO2xmol，生成CH3OH消耗CO2ymol，生成CH3OCH3消耗CO2zmol，則

依題意，列方程組：

所以，H2的轉(zhuǎn)化率為：(x+3y+3z)/3=(2a+4b-1.8)/3.

另類思維：共4種產(chǎn)物：CO、CH3OH、CH3OCH3、H2O，設(shè)CH3OCH3的物質(zhì)的量為xmol，因CO2的轉(zhuǎn)化率為60%，則四種產(chǎn)物中碳原子共0.6 mol,氧原子共1.2 mol,所以CO、CH3OH、CH3OCH3、H2O四種分子共1.2 mol(氧元素守恒)，其中H2Obmol，則CO、CH3OH、CH3OCH3三種分子共(1.2-b)mol，又因CH3OCH3分子中有2個碳原子，所以CH3OCH3的物質(zhì)的量為0.6-(1.2-b)=(b-0.6)mol，因此，四種產(chǎn)物CO、CH3OH、CH3OCH3、H2O中氫原子共[4a+6(b-0.6)+2b]=(4a+8b-3.6)mol.所以，H2轉(zhuǎn)化的物質(zhì)的量為(2a+4b-1.8)mol，從而得出，H2的轉(zhuǎn)化率為：(x+3y+3z)/3=(2a+4b-1.8)/3.

由此可見，運(yùn)用另類思維，將平衡問題守恒化能大大簡化計算過程，在快速解題上起到立竿見影的效果.不僅提高了思維能力，也給學(xué)生節(jié)省了寶貴的學(xué)習(xí)時間.

4 運(yùn)用另類思維，將范圍問題假設(shè)化

化學(xué)計算題類型很多，常規(guī)的思維方法主要有：守恒法、平均值法、關(guān)系式法、差量法等等，這些常規(guī)的思維方法確實(shí)在化學(xué)計算中起到了重要的基礎(chǔ)作用.當(dāng)遇到有關(guān)范圍問題的計算時，學(xué)生往往束手無策，如果運(yùn)用另類思維，將范圍問題假設(shè)化，這樣可以大大簡化過程，縮短計算時間.

例4 現(xiàn)有Cu和Mg兩種單質(zhì)組成的混合物共4.8g，完全溶于足量的濃硝酸中，在標(biāo)準(zhǔn)狀況下，只產(chǎn)生4.48L的NO2氣體和0.336L的N2O4氣體，反應(yīng)完成后，在溶液中，加入足量的氫氧化鈉溶液，生成沉淀的質(zhì)量為( ).

A．7.04 g B．7.35 g C． 8.71 g D．11.6 g

另類思維：假設(shè)4.8g此金屬全部是Cu，其物質(zhì)的量為0.075mol，則生成的Cu(OH)2的質(zhì)量為0.075mol×98g/mol=7.35g；假設(shè)4.8g此金屬全部是Mg，其物質(zhì)的量為0.2mol，則生成的Mg (OH)2的質(zhì)量為0.2mol×58g/mol=11.6g；因是Cu和Mg兩種單質(zhì)組成的混合物，生成沉淀的質(zhì)量應(yīng)介于在7.35g與11.6g之間.答案選C.

5 運(yùn)用另類思維，將整體問題分解化

化學(xué)計算是將化學(xué)問題轉(zhuǎn)化為數(shù)學(xué)問題而得到解決的，化學(xué)計算不僅有代數(shù)計算，也有幾何計算.空間想象能力往往是學(xué)生學(xué)習(xí)的短板，學(xué)習(xí)晶體結(jié)構(gòu)時，晶胞中配位數(shù)的計算、晶胞密度的計算成為難點(diǎn)，利用常規(guī)思維很難突破.如果運(yùn)用另類思維，將整體問題分解為若干個子問題，結(jié)合幾何思想，能夠化險為夷、柳暗花明.

例5 由La、Sb、Fe構(gòu)成的合金，其晶胞類型為體心立方晶胞,La和Fe的位置如圖2所示，F(xiàn)e原子填入Sb原子形成的正八面體空隙；沿x、y、z軸的投影圖中Sb的位置相同,如圖2所示.問：

圖2

①La原子周圍距離最近的Sb原子數(shù)目為多少？

②若晶胞參數(shù)為apm,阿伏加德羅常數(shù)的值為NA,計算該晶體密度(用含a、NA的代數(shù)式表示).

解析本題是晶體結(jié)構(gòu)有關(guān)計算題，常規(guī)思維是把投影圖復(fù)原到三維晶胞中，然后根據(jù)原子間的相對位置，找出各種原子間的關(guān)系，從而進(jìn)行計算.但是，對于這道題來說，二維投影圖非常復(fù)雜，Sb原子數(shù)目非常多，很難復(fù)原到三維晶胞圖中去.所以從常規(guī)思維角度來分析此題是很難得出正確答案的.

另類思維：抓住Fe原子填入Sb原子形成的正八面體空隙這一關(guān)鍵信息，將該晶胞沿z軸方向分成層，上下底面、1/4和3/4層、1/2層的Sb原子位置如圖3所示：

圖3

由圖3可知，每個底面上有4個Sb原子，分?jǐn)偤笏?個，則6個面共12個Sb原子；1/4層及3/4層晶胞內(nèi)部各有4個Sb原子，1/2層晶胞內(nèi)部也有4個Sb原子，所以該晶胞中Sb原子數(shù)目為：12+4+4+4=24.同樣，由圖看出，體心La周圍配位的Sb的數(shù)目為：4+4+4=12.

該晶體的密度為：

化學(xué)計算題是高中學(xué)生在學(xué)習(xí)化學(xué)過程中比較頭痛的一類題目，也是學(xué)生在測驗(yàn)和考試中最難得分的一類題目.這類試題分?jǐn)?shù)的得失，主要取決于思維方法的運(yùn)用，常規(guī)思維方法的靈活運(yùn)用，可以有效地解決基礎(chǔ)計算題，但是遇到綜合計算題時，利用常規(guī)思維就難以駕馭，如果能夠嫻熟運(yùn)用另類思維，化難為易，不僅能夠快速解決各類化學(xué)計算題，還能培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思想方法，從而提高學(xué)生的核心素養(yǎng)和關(guān)鍵能力.