“类比推理”思维在化学学习中的应用

江辉辉 钟伟

１ 问题的提出

“素养为本”的化学教学要提高学生学习化学的能力，因此教师应重视对学生化学思维能力的培养，而类比推理思维是一种重要形式．类比思维，就是根据两个或者两类特殊对象之间存在某些属性方面的相同或者相似，推理出它们的其他属性也可能相同或者相似的逻辑推理方法．在高中化学教学过程中，适当地运用类比推理可以有效降低教学难度，提高教学效率，培养学生分析问题和解决问题的能力．

２ “类比推理”思维的具体应用

２.１ 在元素与结构教学中的应用

“性构相依”是元素化学教学的核心思想．通过引导学生分析不同物质的结构，可以推测物质的宏观性质．硝酸、硫酸和磷酸是高中化学３种重要的含氧酸，其结构如图１所示．对其结构的考查一直受到高考命题者的青睐，如果题目中出现与这３种酸结构相似的物质，我们就可以根据其结构结合类比推理的思维分析出陌生物质的性质．

例１ （２０２１ 年６ 月浙江卷）关于化合物ClONO２ 的性质，下列推测不合理的是（）．

A．具有强氧化性

B．与NaOH 溶液反应可生成两种钠盐

C．与盐酸作用能产生氯气

D．水解生成盐酸和硝酸

本题以陌生物质为载体，看似无从下手，实际上考查学生对硝酸结构和性质的类比推理能力．化合物ClONO２ 可看成氯原子取代了HONO２ 中的氢原子（如图２）．硝酸中的H 为＋１价，可推知陌生物质中的Cl也为＋１价，N 为＋５价，所以该化合物具有强氧化性，选项A 正确．根据“结构决定性质”的化学学科思想，通过类比可知化合物ClONO２ 是氯原子取代了HONO２ 中的氢原子，在水解过程中ClONO２ 就会变回HONO２，而氯原子则会生成HClO（如图２），所以选项D 错误．选项B中，可以理解为水解得到的HONO２ 与HClO 在NaOH 溶液中生成了硝酸钠和次氯酸钠两种盐，所以选项B正确．而选项C可以理解成化合物ClONO２ 中＋１价的氯与盐酸中－１价的氯在酸性条件下发生归中反应生成氯气，所以选项C也正确．答案为D．

变式 关于化合物HOSO２Cl的性质，下列推测不合理的是（）．

A．具有强氧化性

B．与足量NaOH 溶液反应可生成两种钠盐

C．与盐酸作用能产生氯气

D．水解生成鹽酸和硫酸

根据类比思维，化合物HOSO２Cl可看成Cl取代了硫酸分子结构中的OH，所以化合物HOSO２Cl中氯为－１价（和例１不同），在水解过程中应该生成盐酸和硫酸，与足量NaOH 溶液反应可生成氯化钠和硫酸钠两种钠盐，选项B、D正确．类比硫酸，化合物HOSO２Cl中S为＋６价，具有强氧化性，选项A 正确．化合物HOSO２Cl中氯为－１价，不会与盐酸作用生成氯气，选项C不正确．答案为C．

２.２ 在有机化学中的应用

有机化学是高考必考内容，主要以流程图的形式考查学生灵活运用所学知识分析、解决问题的能力．而在考查的流程线路中，有的合成是熟悉的已学知识，而有的则是陌生的反应．在陌生反应的处理中，我们可以关注题目信息，采用类比推理的方法解决问题．例２ 化合物A 经Cope重排得到B，也可以从它的同分异构体A′经Cope重排得到（如图３）．写出A′的结构简式．

类比已知信息（１），首先对物质A 进行标号，然后类比反应的过程，１和２以及１′和２′碳原子之间的双键分别移到２和３以及２′和３′碳原子，１和１′碳原子之间形成键，３和３′碳原子之间断开键（如图４），再将其画成平面结构b，由于烯醇不稳定，类比已知信息（２），可异构为结构c，也就是化合物B的结构．要推出A′的结构，首先应该联想到物质c除b外的另一种烯醇结构d，然后同样类比已知信息（１），可以推理分析出A′的结构e．

２.３ 在化学实验中的应用

化学是一门以实验为基础的学科，化学实验是化学学科的魅力所在，同时实验也是高考必考题，分值大、难度高、灵活性强，是学生较难拿到分数的题型之一．针对上述情况，我们在实验教学中不妨采用类比推理的方式，有效地帮助学生提高实验思维的能力．例３ （２０１７年１０月浙江卷）由氯化铝溶液制备AlCl３６H２O 的装置如图５所示．

通入HCl的作用是抑制AlCl３ 水解和．本小题是浙江省选考实验题的一个空，得分率相当低，主要原因是学生对于化学实验的理解深度不够．如果能够从题目中提取“通入HCl后，AlCl３６H２O 就可以从氯化铝溶液中析出”这样的信息，我们就可以类比课本中肥皂制作实验，通过加入氯化钠增加c（Na＋ ）使肥皂（硬脂酸钠）析出，所以通入HCl就是增加c（Cl－ ），促使AlCl３６H２O 析出，也就是借助“同离子效应”从溶液中析出固体．

例４ 根据溶解度曲线（如图６），选择合适操作从K２Cr２O７ 和K２SO４（等物质的量）混合溶液中制备K２Cr２O７： ．

a．蒸发至出现大量晶体，停止加热;

b．冷却至室温;

c．洗涤;

d．蒸发至溶液出现晶膜，停止加热;

e．趁热过滤;

f．抽滤．

看到K２Cr２O７ 和K２SO４ 的溶解度曲线，联想到KNO３ 晶体的制备，结合类比思维就可以设计出制备K２Cr２O７ 的方法，即将溶液蒸发至出现大量晶体（K２SO４），停止加热，趁热过滤，将滤液冷却至室温得到K２Cr２O７．所以正确的顺序是：aebfc．

２.４ 在化学竞赛中的应用

化学竞赛作为部分有特长学生的辅助学习方式，其教学内容相比于高考范围更广、难度更大．因为是辅助学习，教师在教学过程中不可能对每个知识点都进行全面的教学．笔者结合自己的辅导经历认为，对竞赛生进行“类比推理”思维的培养可提高备考效率．

例５ （第２５届中国化学奥林匹克竞赛初赛）画出Al２（nＧC４H９）４H２ 的结构简式．

本题看似复杂，实际上考查的是元素化学、等电子体原理、Lewis结构式等知识，我们可以采用类比推理的方法解题．根据广义的等电子体原理，正丁基负离子只有１对孤对电子，可以类比于氢负离子，因此Al２（nＧC４H９）４H２ 相当于“Al２H６”，或者更进一步可以类比于乙硼烷（B２H６）．根据这样的思路，就可以画出Al２（nＧC４H９）４H２ 的结构简式，具体类比推理过程如图７所示．

例６ 锂、铝和硅三元化合物中，铝原子做ccp型堆积（面心立方密堆积），硅原子与铝原子之间都以共价键连接，锂原子占据铝原子围成的所有八面体空隙．试画出该三元化合物晶体的晶胞图．

锂、铝和硅三元化合物是陌生的物质，要画出其晶体的晶胞图感觉没有思路，如果能够想到SiAl－ 与SiC是一对等电子体，只要画出SiC的晶胞图，然后采用类比推理的方法就能解决本题．根据题目铝原子做ccp型堆积，我们可以画出其堆積图（图８Ｇ甲）．要画出SiC的晶胞图，我们可以联想到我们熟悉的金刚石的晶胞结构（图８Ｇ乙），将其位于晶胞图四面体空隙中的碳原子替换成硅原子即可（图８Ｇ丙），结合类比思维SiAl－ 的晶胞图就是铝原子位于晶胞顶点，硅原子位于一半的四面体空隙．题目中已知锂原子占据铝原子围成的所有八面体空隙，也就是在晶胞的棱心、体心加上锂原子即可（图８Ｇ丁）．

３ “类比推理”思维应用的注意事项

在类比推理的过程中，有时会遇到以下情况：虽然类比的双方具有若干个相同或相似的属性，但类比推理出来的其他属性可能就是双方的差异点，从而导致推理的结论出现偏差．比如，类比NaClO 溶液与CO２ 反应生成NaHCO３ 和HClO，NaClO 溶液与SO２ 反应生成NaHSO３ 和HClO．在这个例子中，类比推理看似都利用了H２CO３ 和H２SO３ 的酸性强于HClO，使得上述制备成立，但是在类比过程中我们忽略了HSO－ ３ 的还原性和HClO 具有强氧化性，两者混合会发生氧化还原反应，从而使得类比推理的结果出现错误．

因此在采用类比推理、求同思维进行研究时，我们一定还要注意求异思维，既要善于发现和揭示不同对象之间可能存在的各种联系，又要充分注意和识别某种差异对类比结果产生的影响，从而确保思维过程的严密性和科学性．虽然类比推理不是万能的，在分析过程中会出现偏差，但是只要我们正确、全面地看待和应用类比推理，它将是我们学习知识的一种重要思维形式，也是促进学生化学核心素养形成和发展的有效途径．