高中化學解題中圖形法的應用

劉添壽

(福建師范大學附屬中學,福建 福州 350007)

圖形法顧名思義就是利用圖形進行解題的一種方法,因其能夠簡便、直觀、形象地展示題目中條件之間的關系而廣泛適用于數學、物理、化學等學科解題訓練之中,從本質視角來看,就是對數形結合思想中“以形助數”的使用[1].在高中化學解題訓練中,圖形法是一種相當重要的解題方法,借助數形結合的特點可以復雜化、抽象化的問題變得簡單化與具體化,且可以形象、直觀地反映出已知量與未知量的關系,學生通過運用可達到巧妙解題的效果.

1 應用能量圖解答高中化學試題

在高中化學解題訓練中,不少題目中都涉及到一定的化學反應,在化學反應過程中,假如反應物的總能量比生成物的總能量高,就表明這是一個放熱反應,反之則是一個吸熱反應.針對同一物質的能量關系來說,氣態小于液態小于固態,即為E(s)

例1已知在同壓、同溫條件下,下列幾種吸熱反應的熱化學方程式中反應熱數值最小的為( ).

解析對于本題四個選項中的反應物與生成物能量來說,教師可以指導學生畫出如圖1所示的能量圖展開描述,然后只需對圖形進行認真觀察就能夠得到相應的結論,利用這一圖形他們能夠快速、直觀地發現在這四個吸熱反應的熱化學方程式中,反應熱數值最小的是B選項.這樣不僅能夠確保學生做題的準確度,還可以加快他們的解題速度,整體解題效果十分顯著.

圖1 反應物與生成物能量圖

2 運用函數圖解答高中化學試題

在學習高中化學知識過程中,一些試題涉及到化學溶液互滴、相互反應等相關知識,像鹽酸溶液和碳酸鈉溶液相互滴加的順序不一樣,兩者發生反應以后出現的現象也不盡相同,而且反應所產生的氣體量同樣有所差異[2].這是高中化學教學中的難點之一,學生理解起來難度相對較大,當遇到此類題目時,教師可指引學生運用函數圖這一圖形法,使其跟題目中給出的信息與條件畫出相應函數圖像,讓他們結合函數知識輕松解答試題,增強解題自信.

例2把含量是1 mol 的碳酸鈉溶液加入到足量的鹽酸里面,發生的化學反應是:

1 mol 2 mol 1 mol

把該反應圖像標記成①.

把足量的鹽酸加入到含量是1 mol的碳酸鈉溶液里面,發生的化學反應是:

1 mol 1 mol 1 mol

1 mol 1 mol 1 mol

把該反應圖像標記成②.

請比較這兩個反應的不同之處.

解析學生可根據題意把這兩種情況的反應圖像在同一個平面直角坐標系中表示出來,如圖2所示,通過對該函數圖像的觀察,能夠清晰知道碳酸鈉溶液和鹽酸相互滴加的不同,深刻理解與掌握互滴反應的具體結論,他們根據對兩者函數圖像的觀察能夠得出以下結論:往足量的鹽酸中滴入碳酸鈉溶液時會馬上產生二氧化碳氣泡,而反過來相互滴加時,開始并沒有氣泡產生,過一段時間以后才會有二氧化碳氣泡產生;假如是在鹽酸足量的情況下,無論使用哪種滴加方式,產生的二氧化碳氣體量是一樣的,假如鹽酸的量有限,則往鹽酸中滴入碳酸鈉溶液所產生的二氧化碳氣體量較多一些.

圖2 碳酸鈉溶液與鹽酸反應圖像

3 采用數軸圖解答高中化學試題

數軸是高中生在初中時期就接觸到的一種數學圖形,雖然是一維圖形,但是數軸上面具有原點、正方向與單位長度,包含的元素較多,是他們用來解題的一個有力工具[3].在高中化學解題教學中,有一類試題是同反應物A與B之間量的變化而產生不同反應現象與產物量,要求把兩者反應的化學方程式寫出來,面對這類題目,教師可指導學生采用數軸圖形法進行解決,使他們根據題意畫出與之對應的數軸,準確理解題目中的反應過程,提高做題的正確率.

例3往含有amol的溴化亞鐵溶液中緩緩通入氯氣,那么實際反應過程是什么情況?

解析從理論層面來看,根據通入氯氣量的不同,相應的反應現象、過程與化學方程式也有所不同,不過總的表現為兩種情況,即為:

(1)通入的氯氣含量剛好與溴化亞鐵溶液中的亞鐵離子含量完全反應,相應的離子方程式是:

將所獲得的全部數據通過SPSS17.0軟件處理完成后,使用±s表示所有的計量資料,采用t檢驗;所有計數資料采用χ2檢驗。差異具有統計學中的意義使用P<0.05表示。

①

(2)溴化亞鐵溶液中所含有的亞鐵離子與溴離子均反應完畢之前的化學方程式是:

②

圖3 溴化亞鐵與氯氣反應數軸圖

4 利用流程圖解答高中化學試題

在高中化學解題訓練中,涉及到的題目類型多種多樣,除純粹的化學反應類題型以外,還有不少題目涉及到現實生活與工業生產中的一些特殊工藝,往往包含著多個化學反應,這類試題往往比較復雜,解題難度較大,對學生的思維能力與解題水平均有著較高的要求,如果僅僅依靠文字性描述,他們很難明確了解具體的化學反應過程.這時高中化學教師可以引領學生利用工藝流程圖,使其更好地了解化學生成過程,便于他們分析與評價相關反應[4].

例4已知以硫化亞鐵為原料制備六水三氯化鐵,請將具體制作過程描述出來加以解疑.

解析學生可以結合所學化學知識及查閱資料將以硫化亞鐵為原料制備六水三氯化鐵的工藝流程圖畫出來,如圖4所示,具體工藝流程如下:(1)將硫鐵礦在空氣中焙燒釋放出二氧化硫氣體,剩余的固體是氧化鐵;(2)往氧化鐵中加入濃度是30%的鹽酸進行鹽溶處理,生成氯化鐵與水;(3)過濾后得到濾渣;(4)往濾渣中通入氯氣進行處理,最終得到六水三氯化鐵晶體.結合工藝流程圖,學生能夠清晰看到利用硫化亞鐵制取六水三氯化鐵所需的原料與產品,使其更好地了解產品同原料之間的關系,知道整個生產過程中涉及到的化學反應,增強他們的分析能力與邏輯思維能力.

圖4 六水三氯化鐵制備工藝流程圖

5 使用簡化圖解答高中化學試題

在高中化學解題實踐中應用圖形法,主要目的就是把復雜問題變得簡單,抽象問題變得具體,從根本上降低解題難度,提高學生做題的正確率,使其在較短的時間內就能夠求出準確答案,為他們應試能力的訓練與提升做準備[5].不少高中化學試題都涉及到大量的化學反應與元素,如果僅僅依靠對題目中文字性內容的閱讀學生很難精準理解題意,而使用圖形法把簡化圖畫出來,可以將復雜的題目信息以簡單圖形呈現出來,以便他們分析與解答試題.

例5分別用不同物質的量的鋁、鎂、鈉與等物質的量的鹽酸進行反應,如果鹽酸中有1 mol的氯化氫,生成的氣體情況主要有以下幾種(括號中物質代表和鹽酸反應產生氫氣的金屬):(1)V(鋁)=V(鎂)=V(鈉);(2)V(鋁)=V(鎂)>V(鈉);(3)V(鋁)>V(鎂)>V(鈉),請分析金屬鋁、鎂、鈉的物質的量的取值范圍.

圖5 氫氣生成與鹽酸消耗圖

6 借助反應圖解答高中化學試題

幾乎在所有的高中化學題目中或多或少都涉及化學反應,有的是一個,有的是兩個、三個,甚至是多個,有的反應過程比較復雜,學生讀完題目內容以后很難準確理解題意,影響他們對試題的解答.當遇到一些含有特殊化學反應類的試題時,高中化學教師可以引導學生充分借助圖形法的優勢,使其根據題目內容合理利用化學反應原理,結合反應過程化學相關圖形,清晰、直觀地展現題目現象,讓他們找到解題的關鍵點,從而迅速解答試題[6].

例6利用固體氧氣與固體氫氣化合生成固體水,在這一過程中能量變化圖如圖6所示,那么以下說法正確的為( ).

圖6 固體水生成中能量變化圖

A.斷裂非極性鍵吸收的能量和形成極性鍵釋放的能量一樣

B.Ⅱ中形成的O—H鍵比Ⅲ中形成的O—H鍵更為牢固

ΔH=+QkJ/mol(Q>0)

ΔH=-QkJ/mol(Q>0)

解析根據圖中信息可知在該反應中,反應物的總能量是大于生成物的,屬于放熱反應,那么斷裂H—H鍵與O—O鍵吸收的能領比形成O—H鍵放出的能量要多,故A選項錯誤;Ⅱ中形成的O—H鍵以原子團OH形式存在,Ⅲ中形成的O—H鍵以水分子形式存在,所以Ⅱ的O—H鍵比Ⅲ中容易斷裂,B選項也錯誤;根據圖形可知C選項中反應是吸熱過程,故正確;D選項中的反應是圖中的逆過程,同樣是吸熱反應,所以不正確.