善用另类思维破解化学计算

扶云松

(河南省郑州市第一中学 450000)

化学计算能力是高中学生必备的关键能力之一，它与化学基本概念、基本理论、元素化合物知识及有机物分子式相关知识都有着密切的联系，是基本概念和基本理论、元素化合物等知识的量化和提升.学科思维又是智力结构的核心，它具有广阔性、灵活性和敏捷性，同时又有求异性、发散性和独创性，它是学生将知识转化为素养的必然途径.学科思维通常包括常规思维和另类思维，所谓化学常规思维是根据化学基本概念、基本理论及化学解题的基本思路来解决问题的思维方法.而另类思维则是以我们所学的基本原理、基本知识为载体，突破认知盲区，另辟解题路径，从而解决复杂问题的思维方法.在化学计算中应用另类思维可以达到化繁为简、快速解题的效果.

1 运用另类思维，将定量问题定性化

化学定量问题的计算重在培养学生的逻辑思维能力和分析推理能力，常规解题方法是根据化学基本原理，利用数学思想方法，步步推理，最终求解答案，但是这种方法，耗时费力，不能速战速决.如果运用另类思维，将定量问题定性化，能够达到事半功倍、神速破解的效果.

例1 常温下，H3PO4在水中各级电离的过程如下图所示.已知:pK=-lgK.

则下列相关说法正确的是( ).

B.用NaOH溶液滴定NaH2PO4溶液时宜选用甲基橙指示剂

C.在Na2HPO4溶液中有：

D.H3PO4是难挥发性三元弱酸

解析此题A选项是计算型化学选择题，常规思维：列出H3PO4在水中各级电离的化学方程式：

此选项用常规思维解题，计算繁琐、耗时较长.

如果用另类思维将迎刃而解：此反应原理是多元弱酸与其正盐反应生成酸式盐.反应非常彻底，K≫0，pK≪0，所以A选项错误.

此题的B、C、D三个选项是正常的定性试题，在这里无需费解，正确答案是D.

2 运用另类思维，将计算问题图像化

化学计算往往在运用化学知识上比较简单，入口容易，但在运用数学公式计算时相对繁杂.若常规思维，许多学生往往因数学计算基本功薄弱而不得不放弃.而有些化学计算如果用另类思维，将计算问题图像化，能达到豁然开朗、茅塞顿开的效果.

另类思维：做出如图1所示的磷酸各粒子随pH变化的分布分数图：

图1

3 运用另类思维，将平衡问题守恒化

变化观念与平衡思想是化学五大核心素养之一，化学平衡计算是高中化学计算的重要组成部分，是教与学的重点和难点.解决平衡计算的常规方法是利用三段式计算，虽然此方法规律性强，但是多元方程的求解令学生望而生畏.如果利用另类思维，将平衡问题守恒化，在快速解题上起到立竿见影的效果.

例3 中科院大连化物所团队直接利用CO2与H2合成甲醇为我国力争2030年前实现碳达峰、2060年前实现碳中和做出了贡献.主要涉及以下反应：

恒温恒压条件下，向密闭容器中充入1mol CO2、3mol H2，500℃时达到平衡，此时CO2的平衡转化率为60%，体系中CH3OH的物质的量为amol，H2O的物质的量为bmol，则此时H2的平衡转化率是多少？

解析本题是经典化学平衡计算题，常规思维是设未知数、列三段式，求解方程，在数学运算时繁琐，容易出错.

设生成CO消耗CO2xmol，生成CH3OH消耗CO2ymol，生成CH3OCH3消耗CO2zmol，则

依题意，列方程组：

所以，H2的转化率为：(x+3y+3z)/3=(2a+4b-1.8)/3.

另类思维：共4种产物：CO、CH3OH、CH3OCH3、H2O，设CH3OCH3的物质的量为xmol，因CO2的转化率为60%，则四种产物中碳原子共0.6 mol,氧原子共1.2 mol,所以CO、CH3OH、CH3OCH3、H2O四种分子共1.2 mol(氧元素守恒)，其中H2Obmol，则CO、CH3OH、CH3OCH3三种分子共(1.2-b)mol，又因CH3OCH3分子中有2个碳原子，所以CH3OCH3的物质的量为0.6-(1.2-b)=(b-0.6)mol，因此，四种产物CO、CH3OH、CH3OCH3、H2O中氢原子共[4a+6(b-0.6)+2b]=(4a+8b-3.6)mol.所以，H2转化的物质的量为(2a+4b-1.8)mol，从而得出，H2的转化率为：(x+3y+3z)/3=(2a+4b-1.8)/3.

由此可见，运用另类思维，将平衡问题守恒化能大大简化计算过程，在快速解题上起到立竿见影的效果.不仅提高了思维能力，也给学生节省了宝贵的学习时间.

4 运用另类思维，将范围问题假设化

化学计算题类型很多，常规的思维方法主要有：守恒法、平均值法、关系式法、差量法等等，这些常规的思维方法确实在化学计算中起到了重要的基础作用.当遇到有关范围问题的计算时，学生往往束手无策，如果运用另类思维，将范围问题假设化，这样可以大大简化过程，缩短计算时间.

例4 现有Cu和Mg两种单质组成的混合物共4.8g，完全溶于足量的浓硝酸中，在标准状况下，只产生4.48L的NO2气体和0.336L的N2O4气体，反应完成后，在溶液中，加入足量的氢氧化钠溶液，生成沉淀的质量为( ).

A．7.04 g B．7.35 g C． 8.71 g D．11.6 g

另类思维：假设4.8g此金属全部是Cu，其物质的量为0.075mol，则生成的Cu(OH)2的质量为0.075mol×98g/mol=7.35g；假设4.8g此金属全部是Mg，其物质的量为0.2mol，则生成的Mg (OH)2的质量为0.2mol×58g/mol=11.6g；因是Cu和Mg两种单质组成的混合物，生成沉淀的质量应介于在7.35g与11.6g之间.答案选C.

5 运用另类思维，将整体问题分解化

化学计算是将化学问题转化为数学问题而得到解决的，化学计算不仅有代数计算，也有几何计算.空间想象能力往往是学生学习的短板，学习晶体结构时，晶胞中配位数的计算、晶胞密度的计算成为难点，利用常规思维很难突破.如果运用另类思维，将整体问题分解为若干个子问题，结合几何思想，能够化险为夷、柳暗花明.

例5 由La、Sb、Fe构成的合金，其晶胞类型为体心立方晶胞,La和Fe的位置如图2所示，Fe原子填入Sb原子形成的正八面体空隙；沿x、y、z轴的投影图中Sb的位置相同,如图2所示.问：

图2

①La原子周围距离最近的Sb原子数目为多少？

②若晶胞参数为apm,阿伏加德罗常数的值为NA,计算该晶体密度(用含a、NA的代数式表示).

解析本题是晶体结构有关计算题，常规思维是把投影图复原到三维晶胞中，然后根据原子间的相对位置，找出各种原子间的关系，从而进行计算.但是，对于这道题来说，二维投影图非常复杂，Sb原子数目非常多，很难复原到三维晶胞图中去.所以从常规思维角度来分析此题是很难得出正确答案的.

另类思维：抓住Fe原子填入Sb原子形成的正八面体空隙这一关键信息，将该晶胞沿z轴方向分成层，上下底面、1/4和3/4层、1/2层的Sb原子位置如图3所示：

图3

由图3可知，每个底面上有4个Sb原子，分摊后算2个，则6个面共12个Sb原子；1/4层及3/4层晶胞内部各有4个Sb原子，1/2层晶胞内部也有4个Sb原子，所以该晶胞中Sb原子数目为：12+4+4+4=24.同样，由图看出，体心La周围配位的Sb的数目为：4+4+4=12.

该晶体的密度为：

化学计算题是高中学生在学习化学过程中比较头痛的一类题目，也是学生在测验和考试中最难得分的一类题目.这类试题分数的得失，主要取决于思维方法的运用，常规思维方法的灵活运用，可以有效地解决基础计算题，但是遇到综合计算题时，利用常规思维就难以驾驭，如果能够娴熟运用另类思维，化难为易，不仅能够快速解决各类化学计算题，还能培养学生的科学思想方法，从而提高学生的核心素养和关键能力.