基于证据推理和模型认知的曲线变化归因

【摘 要】聚焦图像探究题中曲线走势前后不一致的情形，研究近几年高考化学试题中的案例，了解曲线变化的特点，分析其背后成因，并尝试从证据推理和模型认知的角度对此类问题的快速求解进行有益探索。基于证据推理与模型认知，对以反应时间为变量、以反应物用量或反应物浓度为变量、以反应温度为变量的曲线进行变化归因。

【关键词】图像探究 证据推理 模型认知

【中图分类号】G633.8    【文献标识码】A  【文章编号】1002-3275（2023）23-76-05

“归因”一词最初来源于心理学，是指人们对他人或自己行为的原因进行分析，推论出产生这些行为原因的过程。［1］用于自然科学中，归因指的是对事物变化的原因进行分析、推论和解释，这需要學生具备较强的证据推理能力。《普通高中化学课程标准（2017年版2020年修订）》（以下简称课程标准）中对此提出了明确要求，即学生要具有证据意识，能基于证据对物质组成、结构及其变化提出可能的假设，通过分析推理加以证实或证伪。自然科学中的证据是指能用于证明或推断某个事实或情况的各种信息、材料和数据。证据必须具备两个特性，一是真实性，确保客观真实，准确无误；二是关联性，它与要证明或推断的事实或情况之间有内在关联。就考试而言，源于教材、属于本学科的、无争议且有关联的知识、原理、规律等皆可作为证据，都可运用于分析和推理。具备证据推理能力能够确保归因流程的可行性，但要让整个分析、推理和解释过程变得清晰流畅，学生还需具备另一项核心素养，即模型认知能力。课程标准指出，学生要能建立观点、结论和证据之间的逻辑关系；要能通过分析、推理等方法认识研究对象的本质特征、构成要素及其相互关系，建立认知模型，并能运用模型解释化学现象，揭示现象的本质和规律。模型建构属于高阶思维的范畴，体现透过现象看本质的能力。它要求学生在系统掌握化学必备知识的基础上，通过信息提取、分类定位、证据查找、分析推理、凝练汇总，最后概括归纳出能表征事物构成要素、相互关系、本质特征的简洁且抽象的模型，实现对事物认知的质的飞跃。

在高考化学试卷中，图像类题目是不可或缺的存在，这些试题大多取材于日常生活、生产科研、环境治理、工程实践，旨在通过创设真实的问题情境以考查学生的必备知识、核心素养、关键能力。图像类题目涉及面广、综合性强，其解答过程需要学生具备扎实的化学“双基”，以良好的逻辑推理能力作为支撑，以灵活的迁移运用能力作为保障。部分题目构思精巧，以考查高阶思维能力为立意，具有一定难度，学生在解答此类题目时得分率普遍偏低。鉴于此，本文从证据推理与模型认知的角度，对近几年高考化学图像探究题中的一种常见考情，即曲线前后变化不一致的情形进行教学探讨。

一、近几年高考图像探究题案例呈现

图像探究题内容涉及面广，考查角度灵活多样，侧重点各有不同。其中要求对曲线前后走势不同的原因进行解释的考法颇令一线教师关注，本文对相关案例进行整理，包括试题题目情境、探索图像、问题三个部分。

案例1（2019年高考化学北京卷第27题节选）：

甲烷水蒸气催化重整是制高纯氢的方法之一。用CaO可以去除CO2，H2体积分数和CaO消耗率随时间变化关系如图1所示。

从t1时开始，H2体积分数显著降低，此时CaO消耗率约为35%，但已失效。结合化学方程式解释原因：________________。

案例2（2020年高考化学天津卷第13题节选）：

95℃时将Ni片浸在不同质量分数的硫酸中，经4小时腐蚀后的质量损失情况如图2所示。

当ω（H2SO4）大于63%时，Ni被腐蚀的速率逐渐降低的原因可能是________。

案例3（2020年高考化学江苏卷第20题节选）：

CO2/HCOOH循环在氢能的贮存/释放、燃料电池等方面具有重要应用。CO2催化加氢法：在密闭容器中，向含有催化剂的KHCO3溶液（CO2与KOH溶液反应制得）中通入H2生成HCOO-。其他条件不变，HCO[-3]转化为HCOO-的转化率随温度的变化如图3所示。

反应温度在40～80℃范围内，HCO[-3]催化加氢的转化率迅速上升，其主要原因是________。

案例4（2019年高考化学江苏卷第15题改编）：

在恒压、NO和O2起始浓度一定的条件下，催化反应相同时间，测得不同温度下NO转化为NO2的转化率如图4实线所示。图中虚线表示相同条件下NO的平衡转化率，实线与虚线重合点最低温度约330℃。

图中150～300℃区间，NO转化率先上升后下降的原因是________。

案例5（2021年高考化学江苏卷第18题节选）：

利用铜—铈氧化物（xCuO·yCeO2，Ce是活泼金属）催化氧化可除去H2中少量CO，催化氧化过程中Cu、Ce的化合价均发生变化。将n（CO）∶n（O2）∶n（H2）∶n（N2）=1∶1∶49∶49的混合气体以一定流速通过装有xCuO·yCeO2催化剂的反应器，CO的转化率随温度变化的曲线如图5所示。

当催化氧化温度超过150℃时，催化剂的催化活性下降，其可能原因是 ________。

案例6（2020年高考化学山东卷第18题节选）：

探究CH3OH合成反应化学平衡的影响因素，有利于提高CH3OH的产率。以CO2、H2为原料合成CH3OH涉及的主要反应如下：

不同压强下，按照n（CO2）∶n（H2）=1∶3投料，实验测定CO2的平衡转化率和CH3OH的平衡产率随温度的变化关系如图6所示。

图6中T1温度时，三条曲线几乎交于一点的原因是   。

案例7（2019年高考化学江苏卷第20题节选）：

CO2催化加氢合成二甲醚是一种CO2转化方法，其过程中主要发生下列反应：

在恒压、CO2和H2的起始量一定的条件下，CO2平衡转化率和平衡时CH3OCH3的选择性随温度的变化如图7所示。

温度高于300℃，CO2平衡转化率随温度升高而上升的原因是   。

案例8（2020年全国Ⅰ卷高考理综第28题节选）：

接触法制硫酸生产中的关键工序是SO2的催化氧化：SO2（g）+[12]O2（g）[钒催化剂]SO3（g） ΔH=?98 kJ·mol?1。研究表明，SO2催化氧化的反应速率方程为：v=k[αα′-10.8]（1?nα′）。式中：k为反应速率常数，随温度t升高而增大；α為SO2平衡转化率；α′为某时刻SO2转化率；n为常数。在α′=0.90时，将一系列温度下的k、α值代入上述速率方程，得到v～t曲线，如图8所示。

二、案例中的图像特点及其成因

此类图像中包含坐标，曲线走势特征明显。图中的自变量（横坐标）通常是时间、浓度、压强、温度等物理量，因变量（纵坐标）多为转化率、产率、物质的量分数、体积分数、反应速率等。图例的曲线走势都突出一个“变”字，即随着横坐标的增大，纵坐标曲线原本走势发生改变，前后不一致。这一新情况的出现会出乎学生预料，究其原因，主要是他们从教材中获得的知识原理具有简单、基础、理想化的特点，此外一些学生思考问题的角度通常比较单一，层次相对片面，因此可能会对这类题型感到困惑。但在真实的化工生产、环境治理、资源利用中，影响事物的因素很多，需考虑的问题也很多。事物是矛盾的组合体，各影响因素之间既有对立也有统一，彼此交错，相互制衡。当两个影响因素方向不一致的时候，则需要考虑矛盾的主与次，主要矛盾决定了事物的发展方向，但主要矛盾并非一成不变，在事物运动发展的过程中，矛盾的主次有可能会发生转换，从而改变事物原有的发展轨迹。了解了上述规律，再结合图像探究题的真实背景，曲线走势可能会出现前后不一致的现象就不足为奇了。考虑到现实中影响曲线走势的变量很多，它们之间的逻辑关系不能一概而论，需要区分对待，通过建立几种典型的自变量—因变量联动思维模型使之清晰明确化，然后融汇贯通，可将其灵活运用于解释各种曲线变化。

三、基于证据推理与模型认知的曲线变化归因

曲线变化只是表象，背后的真正原因是某种新情况的出现打破了事物原有的发展趋势。试题中的图像通常是由对一组实验进行连续不断的测定，或对多组平行实验进行横向对比测定所获得的数据绘制而成。而在进行对比实验时，需要控制单一变量，即在温度、浓度、压强、催化剂、反应时间、溶液pH值等诸多影响因素中，只能改变其中的一项，以此确保实验结果具有信服力。与此相对应的，在尝试建立自变量—因变量联动思维模型时，也需要按不同的自变量加以讨论。

（一）以反应时间为变量的曲线变化归因

以反应时间为横坐标时，这类图像的纵坐标通常探究产物的量或反应速率的变化情况，它们之间的内在关系及联动模式如图9所示。

1．以反应速率为研究对象

一是随着反应时间推移，反应物浓度下降会导致反应速率变慢。二是对于放热反应，体系温度升高会使反应速率加快。三是当某种产物能起催化作用的时候，反应速率会加快，例如加热KClO3与KMnO4混合物制O2时，反应速率先慢后快，草酸与KMnO4（H+）反应时，溶液褪色先慢后快。现实反应速率受上述因素共同制肘，并且当这些因素的影响方向一致时容易判断结果，但若影响不一致，则需考虑哪个影响因素占优。另外，矛盾的主次不是固定不变的，随着时间推移，矛盾主次可能会发生转换，导致反应速率由快转慢或由慢变快。此外，需关注反应过程中固体表面的变化，后续反应快慢将受到反应接触面大小的影响，本文中的案例1就是因固体表面生成CaCO3导致的固—气反应阻碍。

2．以产物的量为研究对象

随着反应时间推移，反应物的量不断减少，产物的量逐渐增加，当反应物和产物的量不再随时间推移而改变时，反应达到平衡状态。这些常规变化不会引起曲线走势异常，但如果某反应物过量，则可能会与产物发生后续反应，从而导致产物的量减少。例如Cl2通入淀粉-KI溶液中，因过量Cl2会与产物I2反应，实验中溶液颜色先由无色变蓝色，再变为无色。

（二）以反应物用量或反应物浓度为变量的曲线变化归因

量变引起质变的哲学观在化学学科中体现得淋漓尽致。增加某反应物的用量或浓度，可能使溶液的氧化性（或还原性）增强，还可能使反应物之间的不足与过量对比发生变化，从而导致前后发生的化学反应不一样。例如稀H2SO4与活泼金属反应生成H2，浓H2SO4与金属反应生成SO2，基于上述事实可以合理推断出一个硫酸与金属反应的普适情形，即增大对比实验中的硫酸浓度，生成气体种类会由一种变为两种，且二者比例随着硫酸浓度的增大而改变。类似的例子还有很多，常见增大反应物用量或反应物浓度导致的曲线变化归因如图10所示。

关于本文案例2的求解，首先学生需明确它是金属与浓H2SO4的反应，其次需要找关联证据，回忆、思考此类反应的个例与共性。课堂实验表明，铜与热浓H2SO4的反应中，铜片表面会先变黑（CuO），然后溶液中出现黑灰色悬浊物（CuO与CuSO4混合物），同时金属铁在冷的浓H2SO4中发生钝化，其原因是铁片表面生成的致密氧化物薄膜阻碍了反应的继续进行。基于这两个证据，可以合理推断并归纳出金属与浓硫酸反应的普适模型：第一步先氧化生成金属氧化物，第二步金属氧化物继续与酸反应。此外，金属氧化物薄膜的生成可能会对后续反应造成严重阻碍。学生一旦能在脑海中形成金属与浓H2SO4反应的清晰认知，这类题目的求解便水到渠成。

（三）以反应温度为变量的曲线变化归因

温度升高导致曲线变化是图像探究题考查最多的情形，原因是改变温度对反应体系的影响较大。首先，升温能增大催化剂活性，但超过最佳温度后再升温则催化剂活性下降。其次，升温能加快化学反应速率，但升温同时可能导致反应物分解、反应物挥发，或导致主反应改变、副反应发生，使得原反应速率减慢。再次，升温会导致化学平衡发生移动。最后，升高同样温度对多平衡共存体系中不同反应的影响程度是不一样的，低温段可能以某一反应为主，而高温段则可能转变为另一反应占优，这是矛盾主次论与运动发展观在化学学科中的具体表现。现实反应中升温对体系的影响是多方面的，研究对象通常被多个因素共同作用，要厘清这些作用的影响方向是一致还是相反。此外，还需留意不断升温可能出现矛盾主次转换的情形。常见以反应温度为变量的几种曲线变化归因如图11所示。

本文中的案例3和案例4图像的前半段曲线上升原因都是温度升高使反应速率加快，且催化剂活性增强，后半段曲线下降原因则是催化剂活性下降的影响大于温度上升的影响。案例3题干中并未提及平衡信息，不宜使用平衡移动原理来解释。案例4在给定温度范围内尚未达到化学平衡。案例5深究了催化剂失活的原因，结合催化反应机理，最合理的解释是“温度过高不利于气体在催化剂表面的吸附”。案例6中存在三个化学平衡，升温对三个反应的影响不尽相同，Ⅰ和Ⅱ平衡逆向移动，而Ⅲ平衡正向移动。当体系温度较低时，主要发生反应Ⅰ和Ⅱ，这两个反应等式两边的气体分子数不一样，改变压强对它们影响显著，当温度较高（T1）时，体系内的反应以Ⅲ为主，而反应Ⅲ左右两边气体分子数相等，压强改变对该平衡没有影响，所以T1温度下三条曲线交于一点。案例7中CO2平衡转化率是两个反应的转化率之和，因反应热效应不同，升温导致反应Ⅰ正向移动，而反应Ⅱ逆向移动，温度高于300℃后CO2平衡转化率随温度升高而上升，说明在此条件下两个竞争反应中反应Ⅰ转占为主导位置。案例8中复杂的函数表达式令部分学生望而生畏，但仔细观察，不难发现该函数表达式中的4个字母实际上只有两个是变量，如果能将复杂函数简化概括为v=k·f（α）模式，则学生可能会豁然开朗。相关变量关系可总结为：升温，k增大会使v增大，但α降低会使v减小；t＜tm时，k增大对v的提高幅度大于α引起的v减小幅度；t＞tm时，k增大对v的提高幅度小于α引起的v减小幅度。

图像探究题在高考中出现频率较高，多出现在化工生产、环境治理、资源利用等背景的综合题中，以真实情境为载体，以实际问题为任务，以化学知识作为解决问题的工具。解答此类题目要求较高，学生需掌握物质结构与性质、物质转化与应用、化学变化与规律等必备知识，具备宏观辨识与微观探析、证据推理与模型认知、变化观念与平衡思想等学科素养，以及理解与辨析、分析与推测、归纳与论证等关键能力，如此才能在现实生产、生活、科研的试题情境中快速提取信息、准确分类定位、厘清问题思路、查找理论支撑、合理分析推断，最终得出正确答案。以学科知识、原理和规律作为证据进行合理分析推测，进而建构自变量与研究对象之间的联动变化思维模型，对求解图像探究题中的曲线变化“异常”问题大有裨益。鉴于高一、高二阶段学生掌握的化学“双基”尚不完备，不宜过早强调建模，但这一教学导向能显著提升学生的思维品质，强化学生的核心素养，有助于他们快速高效解决问题，教师可在高三复习阶段后有意识地对学生加以训练和强化。

【参考文献】

［1］徐小健．基于证据推理的“情境探究图像归因分析”教学研究［J］．中学化学教学参考，2023（9）：64-68．

黄学民 / 广西南宁市第三十三中學，一级教师，从事中学化学教学（南宁 530000）