SOLO 分类理论下“价—类”二维图在高三一轮氮元素及其化合物复习中的应用策略

金敖然

(广西南宁市第三中学)

元素及其化合物的复习是高三化学一轮复习中的重要模块,在高考化学试题中占有相当大的比重,经常出现在STSE 问题、离子方程式的正误判断、元素化合物性质、化学实验基础、陌生方程式书写、工艺流程、综合实验等试题中.然而,这部分知识比较零散,记忆性内容较多,仅凭机械性的记忆,容易造成各知识点没有产生联系而相对孤立,学生学得不扎实,因此不能综合应用,时间一长所学知识又容易产生混淆甚至遗忘.针对上述问题,学生可以尝试在SOLO(Structure of t he Observed Learning Outcome,可观察的学习结果的结构)分类理论基础上,应用“价—类”二维图将氮元素及其化合物知识进行优化整合,构建单元复习进阶模型,形成以核心概念为主轴,从现象到本质,从记忆知识到理解、综合应用,从低到高的进阶式学习,进而培养学生面对复杂情境,分析问题、解决问题的学科素养和关键能力.

1 SOLO 分类理论与“价—类”二维图

SOL O 分类理论是比格斯在皮亚杰等学者的研究基础上提出的.SOLO 理论将思维发展水平分为5个递进的层次.1)前结构水平.思维处于低水平认知,对化学知识认知模糊、易混淆,不能解决化学问题.2)单点结构水平.仅能掌握一个知识或信息,缺乏知识间的联系,解决的化学问题相对片面,没有整体观.3)多点结构水平.能够结合多个知识、信息解决化学问题,但知识与信息之间没有进行整合,未能形成知识网络.4)关联结构水平.该思维水平能够将化学知识或信息有机地整合起来,可以解决复杂的问题.5)拓展抽象水平.能够融合多学科知识解决化学问题,体现出更高的钻研精神、探究思维及创新能力.SOLO分类理论分类明确、目标鲜明,能引导学生确立学习目标,发展自身的思维结构水平,操作性很强.

“价—类”二维图是研究物质化学性质和转化的重要工具.其以元素为核心内容,结合化合价进行物质分类,内涵是物质之间的转化.以“价—类”二维图为工具对氮元素及其化合物进行复习,能够有效整合该模块知识,形成系统的知识网络,帮助学生思维建模,解决实际问题,提升复习效果,落实化学学科核心素养和关键能力.

2 “氮元素及其化合物”相关内容的分类进阶

本文针对氮元素及其化合物的主要内容同时结合物质结构相关知识,以SOLO 分类理论设定进阶目标,如表1所示.

表1

3 SOLO 分类理论下“价—类”二维图在复习中的应用策略

在SOLO 分类理论下,建立氮元素及其化合物的“价—类”二维图(如图1),通过化合价认识不同的含氮化合物及其转化关系,形成知识网络,渗透“变化观”.结合物质结构知识、物质分类知识、氧化还原理论,分析并掌握物质的化学性质.能对不同特征的含氮化合物进行分析论证,渗透“证据推理与模型认知”的学科素养.对于复杂的化学问题,要融合反应原理、物质结构、化学实验以及多学科知识构建思维模型,解决实际问题.

图1 氮元素及其化合物的“价—类”二维图

3.1 从物质分类观建立知识结构实现多点结构水平

物质分类是我们认识物质的前提.通过对氮及其化合物进行分类学习,了解氨水是一种包含三分子(NH3、NH3•H2O、H2O)、三离子的混合物.在纯净物的分类中,以单质(N2)、氧化物(NO、NO2)、氢 化 物(NH3、N2H4)、酸(HNO2、HNO3)、碱(NH3•H2O)、盐[NH4Cl、NH4NO3、(NH4)2CO3]等对氮及其化合物的性质进行统一的认识.结合化合价知识,以N 元素为＋2价的物质(NO)为中心,N 元素化合价降低可以被还原成0价的N2,N2与H2反应,N 元素化合价进一步降低为－3 价(NH3).N 元素化合价也可以升高被氧化成＋4 价(NO2),NO2遇H2O 发生歧化反应生成NO 和HNO3(氮元素为＋5 价).稀HNO3的还原产物为NO,浓HNO3的还原产物为NO2.这样把氮元素及其化合物的性质知识串联起来,构建知识框架,实现从单点结构水平到多点结构水平的发展.

例1(2023年北京卷4)下列事实能用平衡移动原理解释的是( ).

A.H2O2溶液中加入少量Mn O2固体,促进H2O2分解

B.密闭烧瓶内的NO2和N2O4的混合气体,受热后颜色加深

C.铁钉放入浓HNO3中,待不再变化后,加热能产生大量红棕色气体

D.锌片与稀H2SO4反应过程中,加入少量Cu SO4固体,促进H2的产生

催化剂影响化学反应速率而不影响平衡移动,选项A 不符合题意.密闭烧瓶内NO2和N2O4的混合气体存在平衡:2 NO2⇌N2O4ΔH＜0,升温后平衡逆向移动,混合气体颜色加深,选项B 符合题意.常温下Fe遇浓HNO3发生钝化,无明显现象,加热后表面氧化膜溶解,Fe与浓硝酸反应生成红棕色气体NO2,与化学平衡无关,选项C不符合题意.锌片与稀H2SO4反应过程中,加入少量CuSO4固体,铁置换铜形成无数个微小的原电池,加快反应速率,与化学平衡无关,选项D 不符合题意.答案为B.

3.2 融合物质结构知识认识物质的性质实现关联结构水平

物质结构决定性质.N2分子结构中氮氮三键的键能高,故N2稳定.NH3的中心原子采用sp3杂化,分子构型为三角锥形,是极性分子,H2O 是极性溶剂.另外,NH3的中心原子存在一个孤电子对,使NH3成为常见的配体,如可以和 Cu2＋生成深蓝色的配离子,用于Cu2＋的检验.

例2(2023年全国新课标卷12)“肼合成酶”以其中的Fe2＋配合物为催化中心,可将NH2OH 与NH3转化为肼(NH2NH2),其反应历程如图2所示.下列说法错误的是( ).

图2

A.NH2OH、NH3和H2O 均为极性分子

B.反应涉及N—H、N—O 键断裂和N—N 键生成

C.催化中心的Fe2＋被氧化为Fe3＋,后又被还原为Fe2＋

D.将 NH2OH替换为ND2OD,反应可得ND2ND2

NH2OH 的中心原子采用sp3杂化,3 个杂化轨道分别连接2个H 原子和1个羟基,形成三角锥形,NH3也为三角锥形,H2O 为V 形,3种分子都是极性分子,选项A 说法正确.通过观察反应历程图发现,反应涉及N—H、N—O 键断裂和N—N键生成,选项B 说法正确.过程中第二步存在铁失去电子被氧化成Fe3＋,第四步中Fe3＋得到电子成为Fe2＋,选项C说法正确.根据历程图知,将NH2OH 替换为ND2OD 可以得到ND2NH2,选项D 说法错误.答案为D.

3.3 融合多学科知识建立物质的转化观达到拓展抽象水平

以N2→NH3→NO→N2O3→NO2→N2O5→HNO3为主线形成物质变化观.在复习N2合成NH3的工业流程时,融合化学物质结构、反应原理、化学实验、化工生产设计、生产成本、环境保护、社会因素等多模块、多学科知识.探究合成氨反应原理,合成氨工艺最佳条件,以及合成氨化工生产设计的评价与改进等开放性问题,提升学生拓展抽象水平.

例3(2023年6月浙江卷17,节选)氮的化合物种类繁多,应用广泛.与碳氢化合物类似,N、H 两元素之间也可以形成氮烷、氮烯.

①下列说法不正确的是_________.

A.能量最低的激发态N 原子的电子排布式:1s22s12p33s1

B.化学键中离子键成分的百分数:Ca3N2＞Mg3N2

C.最简单的氮烯分子式:N2H2

D.氮烷中N 原子的杂化方式都是sp3

②氮和氢形成的无环氨多烯,设分子中氮原子数为n,双键数为m,其分子式通式为_________.

①能量最低的激发态N 原子应该是2p 能级上的1个电子跃迁到3s能级,其电子排布式:1s22s22p13s1,选项A 说法错误.电负性Ca＜Mg,Ca3N2中离子键成分更高,选项B说法正确.最简单的氮烯结构简式为NH==NH,分子式为N2H2,选项C说法正确.氮烷中N 原子的杂化方式都是sp3,选项D正确.②融合数学知识首先分析氮烷的分子式,以NH3为例,每个N 原子连接3个H 原子,氮烷中每增加1个N 原子,减少2个H 原子.故n个N 原子结合3n－2(n－1)个H,即氮烷分子式为NnHn＋2,每形成1个双键少2个H,故分子式通式为NnHn＋2－2m(m≤,m为正整数).

4 结束语

SOLO 分类理论下,建立“价—类”二维图,设置进阶目标.从化合价和物质的分类角度认识物质,同时融合其他知识模块、其他学科知识,使氮及其化合物这部分知识系统化、结构化.在此基础上引导学生独立思考,促进学生学习方式的改变,整体提升一轮复习的效果.

(完)