逆向推理破解高考题中水溶液复杂体系反应

沈金龙 李 娜 王 丽

(1.山东省博兴第一中学 2.山东省博兴县第三中学)

水溶液中复杂体系的离子反应方程式书写是高考的一个必考点,由于同时存在弱电解质的电离、盐类的水解、沉淀溶解等多个平衡,导致许多考生不能快速并精确地确定到底哪些是主反应.笔者研究近年关于水溶液中复杂反应方程式的书写,归纳总结出了逆向推理思维的解题方法.逆向推理又称“倒推法”或者“目标驱动推理”,其最大特点在于目的性强,由已知的结果出发,将目标问题分解成问题解决的子目标,再寻找各个子目标与给定条件的关联,运用所学知识和基本原理找到解释验证子目标正确性的说法,从果溯因,追本求源,做到有理有据地解决水溶液中复杂反应方程式的书写.

1 水溶液中复杂体系反应类试题分析

笔者整理近年部分高考试题,对于水溶液中复杂反应方程式的书写统计如表1所示.

表1

水溶液中复杂体系的离子反应类试题,重在考查获取、分析和解读题目信息,调动和应用化学核心知识、基本原理以及符号表征等综合能力.其复杂性源于组分多、相互作用多、平衡体系多且平衡之间存在相互影响、平衡主次的划分等.但这类试题都具有很强的因果关系,所以分析问题的切入点为作用结果(作用结果指的是根据题目信息可推测出的因平衡作用产生的部分生成物),首先要根据作用结果中微粒的种类、数量、宏观现象逆向推理,运用溶液中粒子的行为找到直接原因,确定终反应;再对比终反应粒子与原料,建立关系,找到间接反应.这样分析问题,学生的思路清晰,能有效地判断主次反应,进而有理有据地作答.

2 逆向推理解题过程分析

2.1 逆向思维下的模型构建

例1(2020年山东卷,节选)用软锰矿(主要成分为MnO2,含少量Fe3O4、Al2O3)和BaS制备高纯MnCO3的工艺流程如图1所示.

图1

碳化过程中发生反应的离子方程式为________.

分析1)基于作用结果,逆向推理微粒作用.

碳化过程生成了MnCO3,逆向推理微粒作用的实质是Mn2＋与结合生成的MnCO3,电离生成和H＋,由于体系中存在氨水,这样氨水电离出的OH－能与H＋结合生成水.

2)基于微粒作用,厘清微粒间主反应.

根据溶液的组成,结合微粒的相互作用,确定体系中的主反应如图2所示.

图2 溶液体系内微粒之间相互作用

3)基于主反应,有理有据作答.

厘清溶液体系内的主反应,分析微粒的相互作用、平衡之间的相互影响,得到体系内发生的反应:

2.2 逆向思维下的模型应用

例2(2019年全国Ⅰ卷,节选)硼酸(H3BO3)是一种重要的化工原料,广泛应用于玻璃、医药、肥料等工业.一种以硼镁矿(含Mg2B2O5•H2O、SiO2及少量Fe2O3、Al2O3)为原料生产硼酸及轻质氧化镁的工艺流程如图3所示.

图3

在“沉镁”中生成Mg(OH)2•MgCO3沉淀的离子方程式为________.

1)基于作用结果,逆向推理微粒作用.

分析沉镁过程中生成了Mg(OH)2•MgCO3,微粒作用的实质是Mg2＋与、OH－结合生成目标产物,水电离生成OH－和H＋,由于体系中存在,这样与H＋结合生成或者H2O和CO2.

2)基于微粒作用,厘清微粒间主反应.

根据溶液的组成,结合微粒的相互作用,确定体系中的主反应如下:

思路1:碳酸铵足量时,主反应过程如图4所示.

图4 碳酸铵足量分析过程

图5 碳酸铵不足分析过程

3)基于主反应,有理有据作答.

碳酸铵足量时离子方程式为2Mg2＋＋＋2H2O＝Mg(OH)2•MgCO3↓＋.

碳酸铵少量时离子方程式为2Mg2＋＋＋H2O＝Mg(OH)2•MgCO3↓＋CO2↑.

3 复习备考策略

3.1 基于核心知识,发展平衡观念的进阶

认识水溶液知识的进阶包括:1)离子水平:对溶液组成、性质和变化的认识.2)单平衡水平:溶质的行为和溶剂的行为,建立溶液的平衡观.3)多平衡水平:溶质和溶剂相互作用以及难溶物的行为.4)系统水平:离子反应.在复习备考中,需要建立体系组成溶质、溶剂以及体系中微粒之间的相互作用,要关注核心知识、核心概念的关联性,建立多平衡体系的关联性,不能只关注单一的体系或者单一的平衡体系.多平衡并不是简单孤立地分析几个平衡,而是看到平衡之间的相互影响,概括多平衡体系问题解决的角度和思路,形成对多平衡溶液体系的认识以及应用核心知识解决实际问题的能力,发展化学学科核心素养.

3.2 关注微项目,优化思维,形成有效的思维模型

备考复习时,需要深度挖掘教材中的微项目.微项目并不是知识的简单应用,而是把实际问题转化成化学知识并加以解决的能力,提升聚焦核心问题、分析问题的能力,基于信息的问题转化能力.结合溶液的组成、微粒与微粒之间的相互作用,把复杂问题简单化,结合信息进行必要的化学推理,形成系统认识复杂溶液体系的角度和视角.

3.3 研读高考题,构建思维模型,发展学科核心素养

笔者通过分析近年的高考题,发现题目都有似曾相识的感觉,通过加入碳酸氢铵或者碳酸铵实现沉锰、沉铁、沉铈、沉镁的过程,其实考查的都是相同的核心知识、相同的原理、相同的反应类型、相同的设问方式.虽然题目非常相似,但每年都有创新,所以复习过程中学生要分析高考题,用好高考题,将同种类型的高考题放在一起分析和研究,总结归纳解决问题的思路和方法,以不变应万变.

笔者运用逆向推理,从微观上分析水溶液中复杂的平衡关系,厘清反应的主次,旨在帮助学生形成清晰的解题思路,快速准确地书写水溶液中复杂体系的反应方程式.

(完)