主題式“命制”高三化學(xué)復(fù)習(xí)課
——以“氯氣與水的反應(yīng)”為例

謝 瑾

(廣東省中山市古鎮(zhèn)高級(jí)中學(xué))

“主題單元教學(xué)”是讓學(xué)生接觸與教學(xué)主題相關(guān)的各種學(xué)習(xí)內(nèi)容,進(jìn)而掌握關(guān)于高中化學(xué)知識(shí)的一般規(guī)律與特例,形成以點(diǎn)帶面、以線促面的教學(xué)模式。“主題式命題”是高考試題命制的一種比較常見(jiàn)的方式,其命制的試題會(huì)對(duì)某一個(gè)主題進(jìn)行多角度和多考點(diǎn)的設(shè)問(wèn),以達(dá)到檢測(cè)學(xué)生學(xué)科能力和學(xué)科素養(yǎng)的命題目的。“主題單元教學(xué)”與“主題式命題”的本質(zhì)是一致的,在高三復(fù)習(xí)備考的背景下,通過(guò)“主題單元教學(xué)”來(lái)促進(jìn)學(xué)生適應(yīng)新高考“主題式命題”的需求。

一、研究背景

(一)新高考化學(xué)教材選修模塊的地位變更

2023年,2019年出版的人教版新教材(簡(jiǎn)稱(chēng)新教材)將亮相廣東省高中化學(xué)學(xué)業(yè)水平選擇性考試。其中《物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)》 《有機(jī)化學(xué)基礎(chǔ)》兩個(gè)模塊從二選一,變成了兩個(gè)必選。模塊數(shù)量的增多,不僅增加了高三化學(xué)復(fù)習(xí)備考的容量,而且這種特殊的考情,迫使高三教師對(duì)自己的備考資料進(jìn)行有效的“壓縮處理”。這種“壓縮處理”不是簡(jiǎn)單的堆積,而是邏輯關(guān)系的調(diào)整和效率的提升。

(二)高考化學(xué)試題主題式命題的思路分析

為了找準(zhǔn)備考方向,筆者對(duì)其他先行自主命題的省份的近兩年高考試題進(jìn)行研究,發(fā)現(xiàn)“主題式命題”仍是廣東省內(nèi)外高考化學(xué)試題命制的潮流所在。現(xiàn)就2022年廣東卷中的第18題進(jìn)行分析。

(2022年廣東卷,18題)稀土(RE)包括鑭、釔等元素,是高科技發(fā)展的關(guān)鍵支撐。我國(guó)南方特有的稀土礦可用離子交換法處理,一種從該類(lèi)礦(含鐵、鋁等元素)中提取稀土的工藝如下:

已知:月桂酸(C11H23COOH)熔點(diǎn)為44℃;月桂酸和(C11H23COO)3RE均難溶于水。該工藝條件下,稀土離子保持+3價(jià)不變;(C11H23COO)2Mg的Ksp=1.8×10-8;Al(OH)3開(kāi)始溶解時(shí)的pH為8.8;有關(guān)金屬離子沉淀的相關(guān)pH見(jiàn)下表。

離子Mg2+Fe3+Al3+RE3+開(kāi)始沉淀時(shí)的pH8.81.53.66.2～7.4沉淀完全時(shí)的pH/3.24.7/

(1)“氧化調(diào)pH”中,化合價(jià)有變化的金屬離子是________。

(2)“過(guò)濾1”前,用NaOH溶液調(diào)pH至________的范圍內(nèi),該過(guò)程中Al3+發(fā)生反應(yīng)的離子方程式為_(kāi)_______。

(3)“過(guò)濾2”后,濾餅中檢測(cè)不到Mg元素,濾液2中Mg2+濃度為2.7 g·L-1。為盡可能多地提取RE3+,可提高月桂酸鈉的加入量,但應(yīng)確保“過(guò)濾2”前的溶液中c(C11H23COO-)低于________mol·L-1(保留兩位有效數(shù)字)。

(4)①“加熱攪拌”有利于加快RE3+溶出、提高產(chǎn)率,其原因是________。

②“操作X”的過(guò)程為:先________,再固液分離。

(5)該工藝中,可再生循環(huán)利用的物質(zhì)有________(寫(xiě)化學(xué)式)。

(6)稀土元素釔(Y)可用于制備高活性的合金類(lèi)催化劑Pt3Y。

①還原YCl3和PtCl4熔融鹽制備Pt3Y時(shí),生成1 mol Pt3Y轉(zhuǎn)移________mol電子。

②Pt3Y/C用作氫氧燃料電池電極材料時(shí),能在堿性溶液中高效催化O2的還原,發(fā)生的電極反應(yīng)為_(kāi)_______。

【答案】(1)Fe2+

(3)4.0×10-4

(4)①可增加其溶解度并加快溶解速率 ②冷卻結(jié)晶

(5)MgSO4、C11H23COONa

從圖1可以看出,該考題以稀土元素及其化合物的性質(zhì)為考查載體,考查了多個(gè)模塊的化學(xué)知識(shí)和多個(gè)化學(xué)學(xué)科素養(yǎng)。其中包括以“微觀探析” “宏觀辨識(shí)”和“變化觀念”素養(yǎng)為考查目的對(duì)“離子反應(yīng)” “氧化還原反應(yīng)”和“電化學(xué)基礎(chǔ)”的考查角度,以及以“平衡思想” “模型認(rèn)知” “證據(jù)推理”素養(yǎng)為考查目的對(duì)“離子平衡”和“實(shí)驗(yàn)基本操作”的考查角度。(見(jiàn)圖1)

圖1 2022年廣東卷中的第18題命題思路

這種命題模式不僅在廣東卷出現(xiàn),在全國(guó)其他省份的高考化學(xué)試卷中也比較常見(jiàn)。其他先行自主命題的省份的試題中還有將“物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)”知識(shí)模塊融入該類(lèi)試題的情況。

(三)元素及其化合物復(fù)習(xí)的備考特點(diǎn)

高三的復(fù)習(xí)備考本來(lái)就是一個(gè)龐大的系統(tǒng)工程,大量的知識(shí)需要轉(zhuǎn)換形式再次呈現(xiàn)在學(xué)生的面前,如何讓學(xué)生即便是“風(fēng)景舊曾諳”,也能有“無(wú)邊光景一時(shí)新”的樂(lè)趣,相信這是每一個(gè)高三一線教師在備課過(guò)程中一直會(huì)思考的問(wèn)題。加上今年的高三化學(xué)備考需要處理的知識(shí)點(diǎn)增多,化學(xué)教師急需一個(gè)可以增效提速的備考方式來(lái)處理繁雜的知識(shí)體系。

元素及其化合物的備考尤顯“難”和“繁”。“難”是因?yàn)榭疾榻嵌瘸３Ｊ嵌嘀氐摹Ｋ鼈冎皇且粋€(gè)載體,呈現(xiàn)出來(lái)的卻是綜合性強(qiáng)、多模塊融合的外觀。這種外觀,常常讓學(xué)生無(wú)從下手,出現(xiàn)“看著容易,就是答不對(duì)”或者是“看到答案,才發(fā)現(xiàn)很容易”的現(xiàn)象。“繁”是因?yàn)樵丶捌浠衔锏目键c(diǎn)多。雖然新課標(biāo)刪去了對(duì)部分元素的要求,但涉及的各種物質(zhì)的性質(zhì),仍需占據(jù)學(xué)生一部分的記憶空間,時(shí)常還讓學(xué)生感覺(jué)零散難成系統(tǒng)。若沒(méi)有很好地向?qū)W生解釋各種物質(zhì)的性質(zhì)和變化背后的原理,就會(huì)出現(xiàn)散亂無(wú)規(guī)律、學(xué)不能致用的困局。

綜上所述,今年的高三復(fù)習(xí)背景有備考知識(shí)量增加、高考試題的“主題式命制”以及高三復(fù)習(xí)備考需要高效的特點(diǎn),若要破局,需要高三教師對(duì)教學(xué)思路做出改進(jìn)。

二、教學(xué)案例

針對(duì)目前的復(fù)習(xí)備考背景,筆者在部分元素及其化合物的復(fù)習(xí)課中重組了教學(xué)內(nèi)容,以精選的主題帶入多模塊考點(diǎn)融合,把已有的知識(shí)進(jìn)行再架構(gòu),解決新問(wèn)題,促進(jìn)學(xué)生的深度學(xué)習(xí),把教學(xué)的重點(diǎn)指向?qū)W生、指向化學(xué)學(xué)科的本質(zhì)。現(xiàn)以“氯氣與水的反應(yīng)”為例,從物質(zhì)結(jié)構(gòu)、離子反應(yīng)、化學(xué)平衡、氧化還原反應(yīng)、離子平衡、實(shí)驗(yàn)探究6個(gè)角度對(duì)其復(fù)習(xí)備考進(jìn)行構(gòu)建,其知識(shí)整合框架如圖2。總體設(shè)計(jì)是從簡(jiǎn)單到復(fù)雜,兼顧多元學(xué)科素養(yǎng)和多個(gè)模塊知識(shí)。

圖2 知識(shí)整合框架

環(huán)節(jié)一:物質(zhì)結(jié)構(gòu)角度,微觀結(jié)構(gòu)提領(lǐng)全局

問(wèn)題討論1:Cl2與水反應(yīng)中各分子結(jié)構(gòu)的變化?

微觀探析:水分子中帶負(fù)電荷的羥基部分與氯氣中一個(gè)Cl原子結(jié)合為次氯酸分子,剩余帶正電荷的H原子與另一個(gè)Cl原子結(jié)合為HCl分子。

設(shè)計(jì)說(shuō)明:從物質(zhì)結(jié)構(gòu)的角度對(duì)相關(guān)物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)及其變化進(jìn)行分析,能更加深刻地把握其發(fā)生化學(xué)變化的原理及產(chǎn)物性質(zhì)的來(lái)由。

環(huán)節(jié)二:氧化還原角度,模型推導(dǎo)微觀變化

問(wèn)題討論2:該反應(yīng)的電子轉(zhuǎn)移情況如何?都是形成單鍵,兩種產(chǎn)物中Cl原子的價(jià)態(tài)為什么不同?(已知電負(fù)性:H是2.1,Cl是3.0,O是3.5)

模型推導(dǎo):次氯酸分子中的Cl和O原子成鍵時(shí)由于電負(fù)性較低而顯+1價(jià),HCl分子中的Cl和H原子成鍵時(shí)由于電負(fù)性較大而顯-1價(jià)。

設(shè)計(jì)說(shuō)明:從電負(fù)性規(guī)律和微觀結(jié)構(gòu)推導(dǎo)化合價(jià)和電子轉(zhuǎn)移情況,讓學(xué)生從本質(zhì)上理解該歧化反應(yīng)的特點(diǎn)。

環(huán)節(jié)三:離子反應(yīng)角度,變化觀念、模型認(rèn)知

問(wèn)題討論3:反應(yīng)中涉及的微粒都是電解質(zhì)嗎?有強(qiáng)電解質(zhì)嗎?如何表示出其中區(qū)別?氯氣溶于水的過(guò)程O(píng)H-濃度如何變化?

模型認(rèn)知:強(qiáng)酸、強(qiáng)堿和可溶性鹽能在水溶液中拆分為離子符號(hào)表示其組成。

變化觀念:次氯酸是弱酸,主要以分子形式存在,HCl是強(qiáng)酸,主要以H+和Cl-存在,H+的濃度上升,抑制水的電離,導(dǎo)致OH-的濃度下降,最終c(H+)>c(OH-)。

設(shè)計(jì)說(shuō)明:從強(qiáng)、弱電解質(zhì)的類(lèi)別分析微粒種類(lèi)的變化,從離子反應(yīng)的角度認(rèn)識(shí)氯水成分的多樣性,為氯水性質(zhì)的推導(dǎo)和后期的定量計(jì)算做好鋪墊。

環(huán)節(jié)四:化學(xué)平衡角度,證據(jù)推理、平衡思想

問(wèn)題討論4:飽和氯水中離子濃度大小順序如何?[已知:常溫常壓下Kw=1.0×10-14;Ka(HClO)=4.0×10-8;1體積的水約溶解2體積的Cl2,忽略溶解前后水的體積變化;氣體的摩爾體積約為24.5 L/mol。假設(shè)已溶氯氣有80%與水反應(yīng)]

證據(jù)推理:已知:Cl2～HClO則

次氯酸和水分子都是部分電離,但

即c(ClO-)>c(OH-),所以離子濃度為c(H+)>c(Cl-)>c(ClO-)>c(OH-)。

問(wèn)題討論5:氯水的哪些性質(zhì)與該平衡的移動(dòng)有關(guān)?

平衡思想:1.新制氯水呈淺黃綠色,久置后顏色變淺,且失去漂白性;2.飽和食鹽水中Cl-濃度大,抑制Cl2與水繼續(xù)反應(yīng);3.用NaOH溶液吸收Cl2,是因?yàn)镠ClO和HCl被NaOH中和而濃度下降,促進(jìn)了Cl2與水繼續(xù)反應(yīng),同理,用堿液吸收Cl2制取的漂白液和漂白粉中含有的有效氯更多;4.鹽酸與漂白液混合產(chǎn)生Cl2,是因?yàn)镠+的濃度增大,促進(jìn)該平衡逆向移動(dòng)。

設(shè)計(jì)說(shuō)明:從平衡常數(shù)定量計(jì)算和宏觀的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象尋找平衡移動(dòng)存在的依據(jù),讓學(xué)生能強(qiáng)化證據(jù)推理的能力。

環(huán)節(jié)五:離子平衡角度,定量推理、定量分析

問(wèn)題討論6:飽和氯水完全失去漂白效果后,溶液的主要成分是什么?濃度約為多少?(已知:常溫常壓下,1體積的水約溶解2體積的Cl2,氣體的摩爾體積約為24.5 L·mol-1)

問(wèn)題討論7:在氯水中分別加入NaHCO3固體、Na2CO3固體后的溶液中的HClO濃度是否都增加?[已知:Ka1(H2CO3)=4.5×10-7;Ka2(H2CO3)=4.7×10-11;Ka(HClO)=4.0×10-8]

設(shè)計(jì)說(shuō)明:從數(shù)據(jù)分析的角度判斷化學(xué)反應(yīng)發(fā)生的可能性,加深學(xué)生對(duì)化學(xué)性質(zhì)的理解。

環(huán)節(jié)六:實(shí)驗(yàn)探究角度,科學(xué)探究、合理預(yù)測(cè)

實(shí)驗(yàn)1:將氯水滴入紅色的NaOH和酚酞混合溶液。

問(wèn)題討論8:紅色的NaOH和酚酞混合溶液褪色原因是什么?設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)證明。

假設(shè)1:Cl2與水生成的酸性物質(zhì)中和了OH-,導(dǎo)致紅色褪去;

假設(shè)2:Cl2與水生成的氧化性物質(zhì)破壞了酚酞的結(jié)構(gòu),導(dǎo)致紅色褪去。

科學(xué)探究:氯水中的氧化性物質(zhì)有Cl2和HClO,所以證明是否因?yàn)樗嵝允辜t色褪去更簡(jiǎn)單,只需在褪色溶液中滴加過(guò)量的NaOH,觀察溶液是否恢復(fù)紅色即可。

設(shè)計(jì)說(shuō)明:通過(guò)對(duì)褪色原因的分析(酸堿中和、酚酞被氧化),鞏固氯水的成分及性質(zhì),提出可能的驗(yàn)證方案,提升學(xué)生分析問(wèn)題的能力。

三、結(jié)束語(yǔ)

用高考真題采用的主題式命制模式來(lái)進(jìn)行高三化學(xué)復(fù)習(xí)課構(gòu)建,有其益處。首先,主題式命制的復(fù)習(xí)課可以讓學(xué)生對(duì)學(xué)科知識(shí)建立一個(gè)完整的邏輯體系,涉及的知識(shí)散而不亂,也能有一個(gè)理論和實(shí)際相結(jié)合的體驗(yàn)經(jīng)歷。其次,主題式命制的復(fù)習(xí)課把核心知識(shí)進(jìn)行多次滾動(dòng)出現(xiàn),避免出現(xiàn)學(xué)生學(xué)了后邊的又忘記前面的局面。

基金項(xiàng)目:本文系廣東省中山市教育科研2020年度一般項(xiàng)目“基于‘素養(yǎng)診斷’的高中化學(xué)‘當(dāng)堂檢測(cè)’試題設(shè)計(jì)研究”(立項(xiàng)課題編號(hào):B2020157)的階段性研究成果。