类比思想解决化学问题.pdf

类比思想解决化学问题类比思想解决化学问题 类比思想是间接推理的科学研究方法 类比是提出新问题和获得新发现的一条重要途径 各种发明创造都与类比思想有直接联系 诸如 由鸟的飞翔和蜻蜓的飞行人们制成了飞机 由人的肢体活动人们创造了机器人 人的大脑有许多记忆功能 于是有了电脑储存各种大量 信息 古代有嫦娥奔月的传说 于是有了神舟 9 10 号载人宇宙飞船等 在科技史上 利用 形式类比 功能类比和幻想类比等实现的发明创造不胜枚举 正如著名数学家波利亚所说 类比是一个伟大的引路人 化学学习中离不开类比思想 化学教材中类比的事例比比皆 是 类比可以使一些化学问题简单化 也可以使化学学习思维更加广阔 类比思想是依据两个对象或两类事物间的已知相似性 把一个对象或一类事物的特定知 识转移到另一个对象或另一类事物上去 从而推理获得后一个对象或后一类事物的新知识 类比在解决化学问题过程中充当 中介 即通过借用熟悉问题的解决办法去解决新问题的 一种解决问题的策略 由于任何物质都有其差异性 类比思想在解决新问题时可能产生负迁 移的干扰作用 这是正常现象 任何事物都有其正反方面 有益的类比可以正确解决化学问 题 得出正确的结论 相反 有害的类比可以误导解决问题的思路 必须引起足够的重视 一 利用物质组成与分类特点进行类比一 利用物质组成与分类特点进行类比 化学物质种类繁多 尤其是元素化合物与有机物的知识 涉及千变万化的物质 给许多 学生学习化学及解决化学问题带来困难 化学教学过程中要始终借助类比思想让陌生物质变 得熟悉 以点带面 触类旁通 因此 必须根据组成物质的元素种类将物质进行分类 即从 化学的视角将组成或性质具有相似特征的物质进行合理分类 让分类后的物质具有相似性 解决化学问题就会有章可循 案例案例 1 1 学会用类比的方法来学习氢氧化铝和氧化铝的性质 学会用类比的方法来学习氢氧化铝和氧化铝的性质 氢氧化铝是两性氢氧化物 氧化铝是两性氧化物 它们既可与强酸反应 又可与强碱溶 液反应 教学过程中 为了增强对两性物质的理解 要注意引导学生利用物质组成与分类特 点进行类比 当与强酸反应时 氢氧化铝显碱性视为碱 并以氢氧化铁与盐酸发生酸碱中和反应生成 盐和水进行类比 Fe OH 3 3HCl FeCl3 3H2O Al OH 3 3HCl AlCl3 3H2O 当与强碱反应时 氢氧化铝显酸性视为酸 化学式可写为 H3AlO3 一元酸 并以硫酸与氢 氧化钠发生酸碱中和反应生成盐和水进行类比 H2SO4 2NaOH Na2SO4 2H2O H3AlO3 NaOH NaAlO2 2H2O 当氧化铝与强酸反应时 视为碱性氧化物 并以氧化铁与盐酸反应生成盐和水类比 Fe2O3 6HCl 2FeCl3 3H2O Al2O3 6HCl 2AlCl3 3H2O 当氧化铝与强碱反应时 视为酸性氧化物 并以二氧化碳与氢氧化钠反应生成盐和水类 比 CO2 2NaOH Na2CO3 H2O Al2O3 2NaOH 2NaAlO2 H2O 类比氢氧化铝 氧化铝与强酸或强碱溶液发生的反应 还可得知 Zn OH 2 Be OH 2等属 于两性氢氧化物 ZnO BeO 等属于两性氧化物 有关反应如下 Zn OH 2 2HCl ZnCl2 2H2O Zn OH 2 2NaOH Na2ZnO2 2H2O Be OH 2 2HCl BeCl2 2H2O Be OH 2 2NaOH Na2BeO2 2H2O ZnO 2HCl ZnCl2 H2O ZnO 2NaOH Na2ZnO2 H2O BeO 2HCl BeCl2 H2O BeO 2NaOH Na2BeO2 H2O 案例案例 2 2 学会用类比的方法来学习有机化合物的性质 学会用类比的方法来学习有机化合物的性质 学习有机物要抓住基本分类 如烷烃 烯烃 苯及其同系物 醇 醛 羧酸 酯等 学 懂弄通各类典型代表物的结构或官能团及性质 在掌握各代表物结构和性质的基础上 再类 比推理得到同系物的结构和性质 并注意个性 例例 1 1 2012 江苏高考 11 普伐他汀是一种调节血脂的药物 其结构如下图所示 未表示 出其空间构型 下列关系普伐他汀的性质描述正确的是 A 能与 FeCl3溶液发生显色反应 B 能使酸性 KMnO4溶液褪色 C 能发生加成 取代 消去反应 D 1mol 该物质最多可与 1molNaOH 反应 解析 解析 由普伐他汀的结构简式知 分子中无苯环 有碳碳双键 有醇羟基 羧基 酯基 等官能团 类比苯酚 由于羟基不在苯环上 普伐他汀不能与 FeCl3溶液发生显色反应显示酚 的性质 选项 A 错 类比乙烯的化学性质可知 能使酸性 KMnO4溶液褪色 能发生加成反应等 选项 B 对 类比乙醇 能发生取代 消去反应 类比乙酸乙酯 酯基水解也属于取代反应 选项 C 对 酯基水解后形成两个羧基 类比乙酸 故 1mol 该物质最多可与 2molNaOH 反应 选项 D 错 正确答案为 BC 现场体验 现场体验 1 1 双氧水 H2O2 和水都是极弱电解质 但 H2O2比 H2O 更显酸性 1 若把 H2O2看成是二元弱酸 请写出它在水中的电离方程式 2 鉴于 H2O2显弱酸性 它可以同强碱作用形成正盐 在一定条件下也可形成酸式盐 请 分别写出 H2O2与 Ba OH 2反应生成正盐 酸式盐的化学方程式 3 水电离生成 H3O 和 OH 叫做水的自偶电离 同水一样 H 2O2也有极微弱的自偶电离 其 自偶电离的方程式为 2 2 2012 全国高考 13 橙花醇具有玫瑰及苹果香气 可作为香料 其结构简式如下 下列关于橙花醇的叙述 错误的是 A 既能发生取代反应 也能发生加成反应 B 在浓硫酸催化下加热脱水 可以生成不止一种四烯烃 C 1mo1 橙花醇在氧气中充分燃烧 需消耗 470 4L 氧气 标准状况 D 1mo1 橙花醇在室温下与溴四氯化碳溶液反应 最多消耗 240g 溴 答案答案 1 1 1 H2O2HO2 H HO2 H O 2 2 2 H2O2 Ba OH 2 BaO2 2H2O 2H2O2 Ba OH 2 Ba HO2 2 2H2O 3 2H2O2HO2 H 3O2 2 D 专题强化训练 请注意类比时负迁移失误 专题强化训练 请注意类比时负迁移失误 1 1 2005 江苏高考 11 2002 年瑞典科学家发现 某些高温油炸食品中含有一定量的丙 烯酰胺 食品中过量的丙烯酰胺可能引起令人不安的食品安全问题 关 于丙烯酰胺有下列叙述 能使酸性 KMnO4溶液褪色 能发生加聚反应生成高分子化合物 只有 4 种同分异构体 能与氢气 发生加成反应 其中正确的是 A B C D 2 2 结构化学家鲍林 Pauling 曾提出判断无机含氧酸强弱的一条经验规律 含氧酸分子 结构中含非羟基氧原子数越多 该含氧酸的酸性越强 已知 无机含氧酸分子中都含有羟基 OH 比如 H2SO4分子中就有两个羟基 H2SO4可写 作 HO SO2 OH 它的羟基氢极活泼 很容易被金属置换 可电离显酸性 某些含氧酸的酸性如 下表 1 按此规则判断 三种酸 H3AsO4 H2SO4 HMnO4的酸性由强到弱的顺序是 2 亚磷酸 H3PO3和亚砷酸 H3AsO3分子式相似 但它们的酸性强弱差别很大 H3PO3是中强 酸 H3AsO3既有弱酸性又有弱碱性 由此可推出它们的结构式分别为 3 H3PO3和 H3AsO3与过量的 NaOH 溶液反应的化学方程式分别是 4 在 H3PO3和 H3AsO3中分别加入浓盐酸 分析反应情况 写出化学反应方程式 3 3 Fe3O4可写成 FeO Fe2O3 看作盐时又可写成 Fe FeO2 2 根据化合价规律和这种书写方 法 Pb3O4用氧化物的形式可写成 看成盐时可写成 等物质的量的 Fe3O4和 Pb3O4 分别在一定条件下跟浓盐酸反应时 消耗的 HCl 的物质的量之比是 上述两个反应的 化学方程式分别为 答案 答案 1 1 D 2 2 1 H3AsO4 H2SO4 HMnO4 2 3 H3PO3 2NaOH Na2HPO3 2H2O H3AsO3 3NaOH Na3AsO3 3H2O 4 H3PO3与盐酸不反应 H3AsO3与盐酸反应 As OH 3 3HCl AsCl3 3H2O 3 3 提示 Pb 元素常见化合价为 4 与 2 价 4 价的 PbO2具有强氧化性 2PbO PbO2Pb2 PbO4 1 1 Fe3O4 8HCl FeCl2 2FeCl3 4H2O Pb3O4 8HCl 3PbCl2 Cl2 4H2O 二 利用微观结构规律进行类比二 利用微观结构规律进行类比 物质的微观世界是极其奥妙的 走进微观世界去研究物质 在原子 分子层面上认识物 质的结构 可以加深理解原子结构的复杂性和物质结构的多样性 物质结构与性质的有关问 题都会涉及到微粒结构 重视应用微粒结构规律类比解决具体物质的化学问题 有其重要的 意义和奇妙的作用 案例案例 1 1 学会用类比的方法来判断微粒的空间构型和性质 学会用类比的方法来判断微粒的空间构型和性质 在 物质结构与性质 教学过程中 发现学生确定等电子体以及判断中心原子杂化类型 时失误较多 为解决这一知识难点 必须引导学生深入微观世界 采用类比思想来判断各种 不同分子或离子的空间构型和性质 由于等电子体原理是指两个或两个以上的分子 或离子 它们的原子数相同 分子 或离 子 中价电子数也相同 等电子体具有相似的电子结构 几何构型和性质 所以确定好等电子 体是解决此类问题的关键 教学过程中 要紧扣等电子体原理概念中 两相等 原子数相 等 价电子数相等 由常见熟悉的微粒类比陌生不熟悉的微粒 如常见等电子体有 二原子价电子数为 10 的等电子体判断 以核电荷数为 7 的氮原子形成的双原子分子 N2 为起点 借助同周期元素互换有 分子 CO 阴离子 CN C 2 2 阳离子 NO O 2 2 等 根据 N 2分 子的结构式推知 以上各微粒都具有共价叁键 且每种微粒中均含有 1 个 键 2 个 键 由 CN C 2 2 形成的 HCN C 2H2分子中碳原子均为 sp 1杂化 分子空间构型均为直线型 三原子价电子数为 16 的等电子体判断 以 CO2为起点 借助同周期元素互换有 分子 N2O 阴离子 BO2 N 3 OCN CNO CN 2 2 阳离子 NO 2 等 借助同主族元素互换有 分子 CS 2 COS 阴离子 SCN 等 借助价电子数转换有 分子 BeCl 2等 根据 CO2分子的结构式推知 以上各微 粒空间构型都是直线型 中心原子均采取 sp 1杂化 注意 SiO 2是原子晶体不能与 CO2分子类 比 MgCl2与 BeF2是离子化合物不能与共价化合物分子 BeCl2类比 四原子价电子数为 24 的等电子体判断 以 BF3为起点 借助同周期元素互换有 分子 O4 阴离子 NO3 CO 3 2 BO 3 3 等 借助同主族元素互换有 分子 BCl 3 BBr3 BI3 SO3 阴离子 PO3 SiO 3 2 等 根据 BF 3分子结构推知 以上各微粒空间构型都是平面三角型 中心原子均是 sp 2杂化 五原子价电子数为 32 的等电子体判断 以 CCl4为起点 借助周期表知识推理有 分子 CF4 CBr4 CI4 SiF4 SiCl4 SiBr4 SiI4 GeCl4 CF4 CBr4 CI4等 阴离子 SiO4 4 PO 4 3 SO4 2 ClO 4 BF 4 BCl 4 BeCl 4 2 等 阳离子 PCl 4 等 根据 CCl 4分子结构推知 以上各微粒 空间构型都是正四面体 中心原子均是 sp 3杂化 此外 还有许多不同类型的等电子体 如 有机苯 C6H6与无机苯 B3N3H6 原子晶体 金刚石 C2n 晶体硅 Si2n 金刚砂 SiC AlN AlP GaAs 等 石墨 C2n 与白石墨 BN n CH4 NH4 BH 4 PH 4 等 NCl 3 PCl3 NF3 PBr3等 案例案例 2 2 学会用类比的方法来分析原子晶体和分子晶体中化学键数目 学会用类比的方法来分析原子晶体和分子晶体中化学键数目 在 物质结构与性质 教学过程中 发现学生分析原子晶体和分子晶体中化学键数目错 误率极高 究其原因是没有很好地掌握晶体模型与分子结构 解决此类问题一定要类比已学 过的晶体模型和已掌握的物质结构式来分析键数 例例 1 1 高考组合题 NA为阿伏伽德罗常数 下列叙述正确的是 A 2012 广东理综 11 常温下 4gCH4含有 NA个 C H 共价键 B 2011 全国 II 卷 12 12g 金刚石含有的共价键数为 4NA C 2011 江苏高考 8 1mol 甲醇中含有 C H 键的数目为 4NA D 2012 江苏高考 21 1molCO2中含有的 键数目为 4NA 解析解析 CH4是正四面体结构 1 个 CH4分子中含有 4 个 C H 键 4g 0 25mol CH4含有 1mol 即 NA个 C H 键 选项 A 正确 金刚石是原子晶体 每个碳原子与 4 个碳原子形成 4 个 C C 键 由于 C C 键均连接 2 个碳原子 故每一个碳原子平均形成 2 个共价键 12g 1mol 金刚石含 有共价键数为 2NA 选项 B 错 CH3OH 虽含有 4 个 H 原子 但只有 3 个 C H 键 1 个 O H 键是 干扰因素 选项 C 错 1molCO2中含有 2mol 键和 2mol 键 选项 D 错 正确答案 A 小结 小结 常见物质的化学键数目如 1mol CH4中含有 4molC H 键 1mol P4中含有 6molP P 键 1molCO2中含有 2molC O 双键 1mol 金刚石 或晶体硅 中含有 2mol C C 键 或 2mol Si Si 键 1mol SiO2 或 SiC 中含有 4mol Si O 键 或 4mol Si C 键 1mol 石墨中含有 1 5mol C C 键 苯分子中不含 C C 单键和 C C 双键等 现场体验 现场体验 1 1 2012 江苏高考 21 节选 一项科学研究成果表明 铜锰氧化物 CuMn2O4 能在常温下 催化氧化空气中的一氧化碳和甲醛 HCHO 1 向一定物质的量浓度的 Cu NO3 2和 Mn NO3 2溶液中加入 Na2CO3溶液 所得沉淀经高温 灼烧 可制得 CuMn2O4 Mn 2 基态的电子排布式可表示为 NO3 的空间构型 用文字描述 2 在铜锰氧化物的催化下 CO 被氧化成 CO2 HCHO 被氧化成 CO2和 H2O 根据等电子原理 CO 分子的结构式为 H2O 分子中 O 原子轨道的杂化类型为 2 2 设 NA为阿伏加德罗常数 下列各选项中的说法均正确的是 A 4gCH4中含有 NA个 C H 键 31g 白磷分子中含有 NA个 P P 键 B 28g 晶体硅中含有 Si Si 键数为 4 NA 1mol SiO2晶体中含有 Si O 键数为 4NA C 1 mol 乙烷分子中含有 7 NA个共价键 1molC10H22分子中共价键总数一定为 31NA D 标准状况下 22 4 L N2含共用电子对数为 NA 32 g S8单质 如右图所示 中含有的 S S 键数为 NA 答案答案 1 1 1 1s 22s22p63s23p63d5 或 Ar 3d5 平面三角形 2 C O sp 3 2 2 C 专题强化训练 专题强化训练 1 1 根据等电子体原理回答下列问题 1 SiO3 2 SO 3 NO3 三种粒子是等电子体 三种粒子的几何构型为 其中 Si S N 三种基态原子的第一电离能大小关系为 2