高中化学解题中建模思想的有效运用研究

摘 要：建模思想作为一种重要的解决问题的思维方式，在高中化学解题中具有广泛的应用潜力.建模思想可以帮助学生将问题抽象为一个数学模型，通过分析模型，得出问题的解答.这种思维方式可以培养学生的逻辑思维能力、创造性思维能力和问题解决能力.该研究旨在探究高中化学解题中建模思想的有效运用，从理论和实证两个层面进行研究.通过对建模思想的理论基础进行分析，以及对高中化学解题中建模思想应用的实证研究，希望能够揭示建模思想在高中化学解题中的作用和价值，为高中化学教学提供有效的教学方法和策略.

关键词：解题；建模；高中化学

中图分类号：G632 文献标识码：A 文章编号：1008-0333（2024）04-0140-03

模型是对实际问题的抽象和简化，每个模型都有自己的适用范围和条件[1].化学是一门抽象的学科，化学问题的复杂性和抽象性使学生往往难以直观地理解和掌握，因此，模型认知在化学学习中的应用是非常重要的.模型认知思维可以帮助学生将抽象的化学概念转化为具体的形象，从而更好地理解和应用化学知识，高中化学中，模型认知是学生必须培养的核心素养[2].

1 建模思想在高中化学中的有效运用

化学模型对于解题具有十分重要的作用，下面选取两个模型，结合理论和实证进行分析.

1.1 “工业生产和流程综合推断”模型运用研究

以工业生产为背景考查知识点，具有信息量多、综合度高的特征，对考生的提取信息能力、分析信息能力以及归纳能力和问题解决能力提出了更高的要求.该类题多以流程图或文字表述的形式呈现，核心的问题是“物质的转化” 与 “物质的分离”，考查的知识点多涉及物质间转化、物质与能量的转化、对物质转化的控制、物质的分离方法以及一些定量問题.对该类题搭建模型，可以帮助学生理顺思路，其具体模型如图1所示.

例1 高纯六水氯化锶晶体可作有机合成的催化剂.工业上用难溶于水的碳酸锶粉末为原料（含少量碳酸钡、氧化亚铁、二氧化硅等杂质）制备高纯六水氯化锶晶体，其过程如图2所示.

已知

Ⅰ.温度为25 ℃时，氢氧化铁的Ksp［Fe（OH）3］=1.0×10-38，氢氧化亚铁的Ksp［Fe（OH）2］=1.0×10-16.

Ⅱ．在温度为61 ℃时，高纯六水氯化锶晶体会逐渐开始失去结晶水.

请回答以下问题：

（1）以SrSO4为主要成分的天青石，在经过多个步骤的反应之后，才能制备得到工业碳酸锶.该过程的第一步是天青石和过量的焦炭反应被还原为硫化锶，反应条件为隔绝空气并微波加热，请写出该反应的化学方程式.

（2）在图2的制备流程图中，①步骤是工业碳酸锶的粉碎步骤，并且将粉碎之后的工业碳酸锶加水配置为浆液，小明认为该步骤是为了加快反应步骤的进行，理由是.

（3）在工业碳酸锶的浆液中加入了工业盐酸，并且得到了锶元素的浸出率和温度以及时间的关系，具体信息如图3所示.

根据图3，可以得出合适的工业生产条件为.

（4）步骤③中所得的滤渣主要成分，除氢氧化铁之外，还有（请填写物质的化学式）；当温度为 25℃，若要使Fe3+沉淀完全，则需要将溶液的pH调整为（当某一离子的浓度降至1.0×10-5mol/L时，则可认为该离子已经沉淀完全）.

（5）下列以下说法， 是正确的.

A．步骤⑤在对SrCl2·6H2O晶体进行干燥时，可以采用减压干燥的方法

B．在步骤④中，当进行冷却结晶时，应通入HCl气体

（6）如果需要获得无水氯化锶产品，则必须对高纯六水氯化锶晶体（SrCl2·6H2O）（M=267 g·mol-1）进行脱水处理.脱水过程首先需要在170 ℃温度下进行预脱水处理，此时高纯六水氯化锶晶体的失重达到33.7%，则经过预脱水后，产物的化学式应为.

解析 根据模型，先对题意进行分析.生产的目的是制备高纯六水氯化锶晶体.原料是天青石，经过五个流程可以制备得到产物高纯六水氯化锶晶体.（1）问是考查第一个流程步骤，可以知道硫酸锶与碳在高温下反应生成硫化锶和一氧化碳，问题是考查反应化学方程式的书写，结合已知知识，可以得出具体的反应化学方程式为：SrSO4+4C加热SrS+4CO↑.（2）问仍考查流程①，对影响反应速率的因素进行了考查.对于一个化学反应，当增大反应物的接触面积、将温度进行一定的提升、增大酸的浓度以及在反应时进行充分搅拌等方式，反应速率都会有所提升.当将工业碳酸锶粉碎制成浆液之所以能加快反应速率，是因为增大了反应物的接触面积.（3）问是对步骤②原料进行的考查，考查对②原料的预处理.需要结合图3锶的浸出率和时间以及温度的关系进行分析.根据图3的折线图可以看出，当温度为40 ℃，处理的时间为60 min的时候，浸出率是最高的.所以，最适宜的生产条件应该为温度达到40 ℃，处理时间为60 min.（4）考查步骤③过滤除滤渣.结合原料以及①②步骤，根据可以生成沉淀物质的知识点，可以推断出滤渣除了Fe（OH））3外，还会有SiO2固体和BaSO4沉淀.第二问考查完全沉淀的知识点，25 ℃，Ksp［Fe（OH）3］=1.0×10-38，Ksp［Fe（OH）2］=1.0×10-16，若要使Fe3+完全沉淀，则有c3（OH-）=Ksp［Fe（OH）3］÷1.0×10-5=1.0×10-38÷1.0×10-5=1.0×10-33，故c（OH-）=1.0×10-11mol/L，c（H+）=1.0×10-3，即pH=3.（5）对步骤④和⑤进行考查.A选项，若在干燥过程中采取了减压干燥的方法，则可以最大限度地减少SrCl2·6H2O晶体失水的现象，故A正确.B选项，通入HCl气体的作用是为了抑制水解现象.而Sr具有很强的金属性，其对应的二价离子并不会在水中发生水解，故不需要通入HCl气体，B错误.（6）设烘干法在温度为170 ℃下脱去x个结晶水，则有18x÷267×100%=33.7%，x≈5， 所以SrCl2·6H2O高温脱水会失去五个结晶水，则此时获得的产物化学式为：SrCl2·H2O.

小结 对于一个完整的无机化工生产，其通常具有的流程如图4所示.在进行该类题型的求解时，要结合模型，对五大步骤进行分析，从大量的信息中梳理出来相关的信息.而后运用已学知识进行求解.

1.2 “盖斯定律”模型运用研究

运用“盖斯定律”进行相关运算的模型如图5所示.

根据题意找到要现实性的“目录”反应式

对已知的热化学方程式进行变化，加减“消元”得到目标式

建立ΔH的计算式进行计算

解析 根据模型进行分析.目标反应式为a，然后对其他反应式进行变换消元，可以得出a=b+c-e=c-d.根据盖斯定律则有ΔH1=ΔH2+ΔH3-ΔH5=ΔH3-ΔH4.

小结 对于该类题型，要结合模型流程进行分析.首先要确定需要研究的反应，确定其中反应物和生成物的状态和化学计量数关系；然后再进行“消元加减”处理.

2 结束语

建模思维对高中学习至关重要，模型的运用可以将做题步骤流程化，降低题目的分析难度.然而，在化学学习的启蒙阶段，学生对于抽象概念的理解能力有限，模型认知思维的培养难度较大.因此，教师需要根据学生的认知水平和学习能力，采用适当的教学方法和策略，激发学生的兴趣和好奇心，培养他们的模型认知思维能力.教师可以通过引导学生观察、实验、探索和讨论，帮助他们建立起化学模型.同时，教师还应该将宏观和微观结合起来，引导学生从宏观现象中推导出微观模型，从而加深对化学知识的理解.

参考文献：

［1］ 张婷婷.培养高中生化学思维模型建构能力的实践研究[J].数理化解题研究，2023（6）：125-127.

［2］ 李宇风，余方喜.高中化学模型认知素养测评的实践研究[J].化学教学，2023（5）：9-13，90.

［责任编辑：季春阳］

收稿日期：2023-11-05

作者简介：沈宝华（1984.10-），女，福建省福鼎人，本科，中学一级教师，从事高中化学教学研究.