逻辑推理图示在高中化学分析计算题中的实践

张浩 包朝龙

摘要：逻辑推理能力是智力的重要组成成分。在分析计算题中，应用图示的手段，使抽象、隐藏的内容形象化、显现化，有助于提高学生的逻辑推理能力。

关键词：逻辑推理图示；分析计算题；实践

文章编号：1008-0546（2016）05-0008-03 中图分类号：G632.41 文献标识码：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2016.05.003

推理是指人在头脑中根据已有的判断，经过分析与综合的作用，引出新判断的过程，是思维的一种形式。它和其它思维形式一样，也有内容和形式两个方面，形式或结构正确的推理叫逻辑推理，形式或结构不正确的推理叫不合逻辑的推理，一般研究所指的推理能力即为逻辑推理能力。逻辑推理能力是个体智力的核心成分，美国心理学家L·M·推孟认为个体的智力与他的逻辑推理能力成正比[1]；法国心理学家A.比奈也把智力解释为“正确的判断，透彻的理解，适当的推理的能力”。

逻辑推理能力是智力的重要组成成分。研究者普遍认为抽象思维能力或逻辑推理能力是影响化学学业成就的关键。图示，可以清晰、直观、明了地将思维过程呈现出来，利于激发学生学习兴趣、突破教学难点[2]。本文以几个分析计算题为例，探索逻辑推理图示在高中化学教学中的实践。

例题1：化合物A由N、H两种元素组成，0.01mol A与足量CuO充分反应生成红色Cu的同时，生成了0.36g水和标准状况下的体积为0.224L的N2。则化合物A的化学式为 。

分析：由0.36g水可以推出0.01mol A中氢元素的物质的量；标准状况下0.224L的N2可以推出0.01mol A中氮元素的物质的量；又因为化合物A由N、H两种元素组成，综合可以推出A的化学式。其思维过程可用如右图示：

0.36g H2O？圯0.04mol H

标准状况下0.224L N2？圯0.02mol N ？圯A为N2H4

化合物A由N、H两种元素组成，0.01mol A

点评：本题采用元素守恒法解决问题，思路清晰，一目了然。

例题2：某兴趣小组的同学对化合物A进行组成分析，确定A中仅含有O、K、Fe三种元素。取3.96g化合物A的粉末溶于水，滴加足量的稀硫酸，向反应后的溶液中加入含有0.08mol KOH的溶液，恰好完全反应。过滤，将洗涤后的沉淀充分灼烧，得到红棕色固体粉末1.60g；将所得滤液在一定条件下蒸发可得到一种纯净的不含结晶水的盐10.44g。则化合物A的化学式为 。

分析：结合元素化合物的知识与题设（加入KOH溶液，过滤、洗净、灼烧），可知题设中红棕色固体粉末为Fe2O3，其质量为1.60g，据此可以推出3.96g化合物A中含有的铁元素的物质的量；结合元素化合物的知识与题设（滴加稀硫酸），可知题设中一种纯净的不含结晶水的盐为K2SO4，其质量为10.44g，据此可以推出总的钾元素的物质的量，减去加入的0.08mol K，推出3.96g化合物A中含有的钾元素的物质的量；又因为A中仅含有O、K、Fe三种元素，综上所述，可以推出3.96g化合物A中含有的氧元素的物质的量。最后，结合元素化合价及化学式书写规则，推出A的化学式。其思维过程可用如下图示：

点评：例题1关注两种元素，一步反应，未知化合物的物质的量已知，而例题2则关注三种元素，三步反应，未知化合物的物质的量不可确定。例题1、2的共同特点是均不必书写出相关化学方程式，只需根据元素守恒思想进行逻辑推理。

例题3：将含有Mg、Al、Fe的合金15.5g放入足量的NaOH溶液中，在标准状况下收集到3.36L气体；再将等质量的该合金加入到足量的稀H2SO4溶液中，在标准状况下收集到12.32L气体，继续在该溶液中加入足量的NaOH溶液并久置，理论上产生沉淀的质量为 。

分析：Mg、Al、Fe的合金中，只有Al和NaOH溶液反应放出H2，据此，可以根据标准状况下3.36L气体（H2）及Al与H2的计量关系，推出Al的物质的量；等质量的该合金加入到足量的稀H2SO4溶液中，Mg、Al、Fe都会和稀硫酸反应放出H2，据此，可以根据标准状况下12.32L气体（H2）及Mg、Al、Fe分别与H2的计量关系，推出一个包含Mg、Al、Fe的物质的量的方程；Mg、Al、Fe的合金质量为15.5g，还可以推出一个包含Mg、Al、Fe的物质的量的方程；综上所述，可推出Mg、Fe的物质的量，进一步推出最后的数据，即氢氧化镁与氢氧化铁的质量和。本题还需注意的是，“久置”二字推出的是铁元素对应的氢氧化物为氢氧化铁，而非氢氧化亚铁。其思维过程可用如下图示：

点评：本题的特点是涉及的反应都是学生熟悉的元素化合物知识。在众多化学方程式面前，要理清其定量关系，采用图示显然方便、快捷和准确。如此逻辑推理过程的呈现利于培养学生化学学科素养。

例题4：向27.2gCu、Cu2O和CuO的混合物中加入某浓度的稀硝酸0.5L，固体物质完全反应，生成NO和Cu（NO3）2。在所得溶液中加入1.0 mol·L-1 NaOH溶液1.0L，此时溶液呈中性，铜离子已完全沉淀，沉淀质量为39.2g。下列有关说法不正确的是（ ）

A.原混合物中，Cu和O的物质的量之比为4：1

B.稀硝酸的物质的量浓度为2.6 mol·L-1

C.产生的NO在标准状况下的体积为4.48L

D.Cu、Cu2O和CuO与硝酸反应后剩余HNO3为0.2mol

分析：根据Cu（OH）2的质量可以推出原混合物中铜元素的总的物质的量，结合原混合物的质量，可以推出原混合物中氧元素的总的物质的量；根据第一步求出的铜元素的总的物质的量，推出与铜离子反应的NaOH的物质的量，结合NaOH的总的物质的量，可以推出与HNO3反应的NaOH的物质的量，即Cu、Cu2O和CuO与硝酸反应后剩余HNO3的物质的量；根据第一步的结论，设原混合物中Cu、Cu2O和CuO的物质的量分别为a mol、b mol、c mol，根据铜元素、氧元素守恒列两个方程，约掉c，再结合得失电子守恒，推出产生的NO的物质的量；根据第三步求出的NO的物质的量，结合最后溶液中Na+与NO3-等物质的量，可以推出总的HNO3的物质的量，结合原稀硝酸的体积，最终推出原稀硝酸的物质的量浓度。其思维过程可用如下图示：

点评：本题图示分析过程主要目的是为了使学生在巩固元素化合物知识的同时，特别让学生加深对元素守恒、得失电子守恒等思想的理解，在教学过程中和学生一起分步、分台阶的感受逻辑推理的魅力。

例题5：某溶液中可能含有Cl-、SO42-、CO32-、NH4+、Fe3+、A13+、K+，进行如下实验：

（1）取该溶液100mL，加入过量NaOH溶液，加热，得到0.01mol气体，同时产生红褐色沉淀；过滤，将沉淀洗涤、灼烧，得到0.8g固体；

（2）向（1）的滤液中通入足量CO2，过滤，得到0.01mol沉淀；

（3）向（2）的滤液中加入足量用盐酸酸化的BaCl2溶液，得到2.33g沉淀。

由此可知原溶液中（ ）

A. 至少存在CO32-、Cl-中的一种

B. Cl-一定存在，K+可能存在

C. Cl-一定存在，且c（Cl-）≥0.6 mol·L-1

D. 溶液中至多存在4种离子

分析：结合元素化合物知识和题设，实验（1），推出0.01mol气体即为0.01mol NH3，推出原溶液中含有0.01mol NH4+；推出0.8g固体即为0.005mol Fe2O3，推出原溶液中含有0.01mol Fe3+，根据共存原则（CO32-与Fe3+会发生强烈的双水解），推出原溶液中不含有CO32-；实验（2），0.01mol沉淀即为0.01mol Al（OH）3，推出原溶液中含有0.01mol Al3+；实验（3），2.33g沉淀即为0.01mol BaSO4，推出原溶液中含有0.01mol SO42-；再结合溶液中的电荷守恒，原溶液中若不存在K+，则推出Cl-的物质的量为0.05mol，原溶液中若存在K+，则推出Cl-的物质的量大于0.05mol。其思维过程可用如下图示：

点评：区别于一般的离子共存习题，本题从定性和定量两个维度展开了逻辑推理。与本文的其他例题相比，本题凸显了溶液中的电荷守恒思想。

启示：笔者认为在高中化学分析计算题教学工作中，结合各例题的分析过程，逐步板书出相关思维过程的图示，刻意强调逻辑推理的重要性，有利于提升学生综合分析问题和解决问题的能力，而这些能力正是学生必须具备的。

参考文献

[1] 杨厚波.中学化学教学中逻辑思维能力培养的研究[D].南京：南京师范大学，2010，（5）

[2] 包朝龙.“突出推理”——07高考理综化学命题的一大亮点[J].高考，2007，（7、8）