“類(lèi)比推理”思維在化學(xué)學(xué)習(xí)中的應(yīng)用

江輝輝 鐘偉

１ 問(wèn)題的提出

“素養(yǎng)為本”的化學(xué)教學(xué)要提高學(xué)生學(xué)習(xí)化學(xué)的能力，因此教師應(yīng)重視對(duì)學(xué)生化學(xué)思維能力的培養(yǎng)，而類(lèi)比推理思維是一種重要形式．類(lèi)比思維，就是根據(jù)兩個(gè)或者兩類(lèi)特殊對(duì)象之間存在某些屬性方面的相同或者相似，推理出它們的其他屬性也可能相同或者相似的邏輯推理方法．在高中化學(xué)教學(xué)過(guò)程中，適當(dāng)?shù)剡\(yùn)用類(lèi)比推理可以有效降低教學(xué)難度，提高教學(xué)效率，培養(yǎng)學(xué)生分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力．

２ “類(lèi)比推理”思維的具體應(yīng)用

２.１ 在元素與結(jié)構(gòu)教學(xué)中的應(yīng)用

“性構(gòu)相依”是元素化學(xué)教學(xué)的核心思想．通過(guò)引導(dǎo)學(xué)生分析不同物質(zhì)的結(jié)構(gòu)，可以推測(cè)物質(zhì)的宏觀性質(zhì)．硝酸、硫酸和磷酸是高中化學(xué)３種重要的含氧酸，其結(jié)構(gòu)如圖１所示．對(duì)其結(jié)構(gòu)的考查一直受到高考命題者的青睞，如果題目中出現(xiàn)與這３種酸結(jié)構(gòu)相似的物質(zhì)，我們就可以根據(jù)其結(jié)構(gòu)結(jié)合類(lèi)比推理的思維分析出陌生物質(zhì)的性質(zhì)．

例１ （２０２１ 年６ 月浙江卷）關(guān)于化合物ClONO２ 的性質(zhì)，下列推測(cè)不合理的是（）．

A．具有強(qiáng)氧化性

B．與NaOH 溶液反應(yīng)可生成兩種鈉鹽

C．與鹽酸作用能產(chǎn)生氯氣

D．水解生成鹽酸和硝酸

本題以陌生物質(zhì)為載體，看似無(wú)從下手，實(shí)際上考查學(xué)生對(duì)硝酸結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的類(lèi)比推理能力．化合物ClONO２ 可看成氯原子取代了HONO２ 中的氫原子（如圖２）．硝酸中的H 為＋１價(jià)，可推知陌生物質(zhì)中的Cl也為＋１價(jià)，N 為＋５價(jià)，所以該化合物具有強(qiáng)氧化性，選項(xiàng)A 正確．根據(jù)“結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)”的化學(xué)學(xué)科思想，通過(guò)類(lèi)比可知化合物ClONO２ 是氯原子取代了HONO２ 中的氫原子，在水解過(guò)程中ClONO２ 就會(huì)變回HONO２，而氯原子則會(huì)生成HClO（如圖２），所以選項(xiàng)D 錯(cuò)誤．選項(xiàng)B中，可以理解為水解得到的HONO２ 與HClO 在NaOH 溶液中生成了硝酸鈉和次氯酸鈉兩種鹽，所以選項(xiàng)B正確．而選項(xiàng)C可以理解成化合物ClONO２ 中＋１價(jià)的氯與鹽酸中－１價(jià)的氯在酸性條件下發(fā)生歸中反應(yīng)生成氯氣，所以選項(xiàng)C也正確．答案為D．

變式 關(guān)于化合物HOSO２Cl的性質(zhì)，下列推測(cè)不合理的是（）．

A．具有強(qiáng)氧化性

B．與足量NaOH 溶液反應(yīng)可生成兩種鈉鹽

C．與鹽酸作用能產(chǎn)生氯氣

D．水解生成鹽酸和硫酸

根據(jù)類(lèi)比思維，化合物HOSO２Cl可看成Cl取代了硫酸分子結(jié)構(gòu)中的OH，所以化合物HOSO２Cl中氯為－１價(jià)（和例１不同），在水解過(guò)程中應(yīng)該生成鹽酸和硫酸，與足量NaOH 溶液反應(yīng)可生成氯化鈉和硫酸鈉兩種鈉鹽，選項(xiàng)B、D正確．類(lèi)比硫酸，化合物HOSO２Cl中S為＋６價(jià)，具有強(qiáng)氧化性，選項(xiàng)A 正確．化合物HOSO２Cl中氯為－１價(jià)，不會(huì)與鹽酸作用生成氯氣，選項(xiàng)C不正確．答案為C．

２.２ 在有機(jī)化學(xué)中的應(yīng)用

有機(jī)化學(xué)是高考必考內(nèi)容，主要以流程圖的形式考查學(xué)生靈活運(yùn)用所學(xué)知識(shí)分析、解決問(wèn)題的能力．而在考查的流程線(xiàn)路中，有的合成是熟悉的已學(xué)知識(shí)，而有的則是陌生的反應(yīng)．在陌生反應(yīng)的處理中，我們可以關(guān)注題目信息，采用類(lèi)比推理的方法解決問(wèn)題．例２ 化合物A 經(jīng)Cope重排得到B，也可以從它的同分異構(gòu)體A′經(jīng)Cope重排得到（如圖３）．寫(xiě)出A′的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)式．

類(lèi)比已知信息（１），首先對(duì)物質(zhì)A 進(jìn)行標(biāo)號(hào)，然后類(lèi)比反應(yīng)的過(guò)程，１和２以及１′和２′碳原子之間的雙鍵分別移到２和３以及２′和３′碳原子，１和１′碳原子之間形成鍵，３和３′碳原子之間斷開(kāi)鍵（如圖４），再將其畫(huà)成平面結(jié)構(gòu)b，由于烯醇不穩(wěn)定，類(lèi)比已知信息（２），可異構(gòu)為結(jié)構(gòu)c，也就是化合物B的結(jié)構(gòu)．要推出A′的結(jié)構(gòu)，首先應(yīng)該聯(lián)想到物質(zhì)c除b外的另一種烯醇結(jié)構(gòu)d，然后同樣類(lèi)比已知信息（１），可以推理分析出A′的結(jié)構(gòu)e．

２.３ 在化學(xué)實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用

化學(xué)是一門(mén)以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的學(xué)科，化學(xué)實(shí)驗(yàn)是化學(xué)學(xué)科的魅力所在，同時(shí)實(shí)驗(yàn)也是高考必考題，分值大、難度高、靈活性強(qiáng)，是學(xué)生較難拿到分?jǐn)?shù)的題型之一．針對(duì)上述情況，我們?cè)趯?shí)驗(yàn)教學(xué)中不妨采用類(lèi)比推理的方式，有效地幫助學(xué)生提高實(shí)驗(yàn)思維的能力．例３ （２０１７年１０月浙江卷）由氯化鋁溶液制備AlCl３６H２O 的裝置如圖５所示．

通入HCl的作用是抑制AlCl３ 水解和．本小題是浙江省選考實(shí)驗(yàn)題的一個(gè)空，得分率相當(dāng)?shù)停饕蚴菍W(xué)生對(duì)于化學(xué)實(shí)驗(yàn)的理解深度不夠．如果能夠從題目中提取“通入HCl后，AlCl３６H２O 就可以從氯化鋁溶液中析出”這樣的信息，我們就可以類(lèi)比課本中肥皂制作實(shí)驗(yàn)，通過(guò)加入氯化鈉增加c（Na＋ ）使肥皂（硬脂酸鈉）析出，所以通入HCl就是增加c（Cl－ ），促使AlCl３６H２O 析出，也就是借助“同離子效應(yīng)”從溶液中析出固體．

例４ 根據(jù)溶解度曲線(xiàn)（如圖６），選擇合適操作從K２Cr２O７ 和K２SO４（等物質(zhì)的量）混合溶液中制備K２Cr２O７： ．

a．蒸發(fā)至出現(xiàn)大量晶體，停止加熱;

b．冷卻至室溫;

c．洗滌;

d．蒸發(fā)至溶液出現(xiàn)晶膜，停止加熱;

e．趁熱過(guò)濾;

f．抽濾．

看到K２Cr２O７ 和K２SO４ 的溶解度曲線(xiàn)，聯(lián)想到KNO３ 晶體的制備，結(jié)合類(lèi)比思維就可以設(shè)計(jì)出制備K２Cr２O７ 的方法，即將溶液蒸發(fā)至出現(xiàn)大量晶體（K２SO４），停止加熱，趁熱過(guò)濾，將濾液冷卻至室溫得到K２Cr２O７．所以正確的順序是：aebfc．

２.４ 在化學(xué)競(jìng)賽中的應(yīng)用

化學(xué)競(jìng)賽作為部分有特長(zhǎng)學(xué)生的輔助學(xué)習(xí)方式，其教學(xué)內(nèi)容相比于高考范圍更廣、難度更大．因?yàn)槭禽o助學(xué)習(xí)，教師在教學(xué)過(guò)程中不可能對(duì)每個(gè)知識(shí)點(diǎn)都進(jìn)行全面的教學(xué)．筆者結(jié)合自己的輔導(dǎo)經(jīng)歷認(rèn)為，對(duì)競(jìng)賽生進(jìn)行“類(lèi)比推理”思維的培養(yǎng)可提高備考效率．

例５ （第２５屆中國(guó)化學(xué)奧林匹克競(jìng)賽初賽）畫(huà)出Al２（nＧC４H９）４H２ 的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)式．

本題看似復(fù)雜，實(shí)際上考查的是元素化學(xué)、等電子體原理、Lewis結(jié)構(gòu)式等知識(shí)，我們可以采用類(lèi)比推理的方法解題．根據(jù)廣義的等電子體原理，正丁基負(fù)離子只有１對(duì)孤對(duì)電子，可以類(lèi)比于氫負(fù)離子，因此Al２（nＧC４H９）４H２ 相當(dāng)于“Al２H６”，或者更進(jìn)一步可以類(lèi)比于乙硼烷（B２H６）．根據(jù)這樣的思路，就可以畫(huà)出Al２（nＧC４H９）４H２ 的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)式，具體類(lèi)比推理過(guò)程如圖７所示．

例６ 鋰、鋁和硅三元化合物中，鋁原子做ccp型堆積（面心立方密堆積），硅原子與鋁原子之間都以共價(jià)鍵連接，鋰原子占據(jù)鋁原子圍成的所有八面體空隙．試畫(huà)出該三元化合物晶體的晶胞圖．

鋰、鋁和硅三元化合物是陌生的物質(zhì)，要畫(huà)出其晶體的晶胞圖感覺(jué)沒(méi)有思路，如果能夠想到SiAl－ 與SiC是一對(duì)等電子體，只要畫(huà)出SiC的晶胞圖，然后采用類(lèi)比推理的方法就能解決本題．根據(jù)題目鋁原子做ccp型堆積，我們可以畫(huà)出其堆積圖（圖８Ｇ甲）．要畫(huà)出SiC的晶胞圖，我們可以聯(lián)想到我們熟悉的金剛石的晶胞結(jié)構(gòu)（圖８Ｇ乙），將其位于晶胞圖四面體空隙中的碳原子替換成硅原子即可（圖８Ｇ丙），結(jié)合類(lèi)比思維SiAl－ 的晶胞圖就是鋁原子位于晶胞頂點(diǎn)，硅原子位于一半的四面體空隙．題目中已知鋰原子占據(jù)鋁原子圍成的所有八面體空隙，也就是在晶胞的棱心、體心加上鋰原子即可（圖８Ｇ丁）．

３ “類(lèi)比推理”思維應(yīng)用的注意事項(xiàng)

在類(lèi)比推理的過(guò)程中，有時(shí)會(huì)遇到以下情況：雖然類(lèi)比的雙方具有若干個(gè)相同或相似的屬性，但類(lèi)比推理出來(lái)的其他屬性可能就是雙方的差異點(diǎn)，從而導(dǎo)致推理的結(jié)論出現(xiàn)偏差．比如，類(lèi)比NaClO 溶液與CO２ 反應(yīng)生成NaHCO３ 和HClO，NaClO 溶液與SO２ 反應(yīng)生成NaHSO３ 和HClO．在這個(gè)例子中，類(lèi)比推理看似都利用了H２CO３ 和H２SO３ 的酸性強(qiáng)于HClO，使得上述制備成立，但是在類(lèi)比過(guò)程中我們忽略了HSO－ ３ 的還原性和HClO 具有強(qiáng)氧化性，兩者混合會(huì)發(fā)生氧化還原反應(yīng)，從而使得類(lèi)比推理的結(jié)果出現(xiàn)錯(cuò)誤．

因此在采用類(lèi)比推理、求同思維進(jìn)行研究時(shí)，我們一定還要注意求異思維，既要善于發(fā)現(xiàn)和揭示不同對(duì)象之間可能存在的各種聯(lián)系，又要充分注意和識(shí)別某種差異對(duì)類(lèi)比結(jié)果產(chǎn)生的影響，從而確保思維過(guò)程的嚴(yán)密性和科學(xué)性．雖然類(lèi)比推理不是萬(wàn)能的，在分析過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)偏差，但是只要我們正確、全面地看待和應(yīng)用類(lèi)比推理，它將是我們學(xué)習(xí)知識(shí)的一種重要思維形式，也是促進(jìn)學(xué)生化學(xué)核心素養(yǎng)形成和發(fā)展的有效途徑．