基于“证据推理”素养培养的新高考背景下元素化合物教学策略

孙景芳

摘要：结合2021年北京等级考化学第1 8题的解析与思考，探讨了新高考背景下元素化合物知识备考策略，在实验探究活动的开展和化学反应原理的融合应用中，实现了知识结构化和思维的程序化，促进了证据推理与模型认知等核心素养的发展，提高了备考复习的实效性。

关键词：2021年北京等级考；
元素化合物；
证据推理；
实验探究；
化学反应原理

文章编号：1008-0546（2023）09-0054-05

中图分类号：G632.41

文献标识码：B

doi：
10.3969/j .issn.1008-0546.2023.09.010

元素化合物是中学化学的主干内容，也是学生学习化学基本概念、基础理论与化学实验的重要载体。《普通高中化学课程标准（2017年版）》要求“结合真实情境中的应用实例或通过实验探究，了解元素化合物主要性质”，这就决定了在元素化合物知识教学中需要充分基于“证据推理”展开教学，以实现其育人价值。笔者以2021年北京市等级考化学卷第18题为例，重点讨论元素化合物知识的考查方式、教学导向价值以及对教学的启示。

一、原题呈现

1．等级考原题

（2021年北京等级考化学第18题）铁黄是一种重要的化工产品。由生产钛白粉废渣制备铁黄的过程如下。

资料：①钛白粉废渣成分：主要为FeSO4．H2O，含少量TiOSO4和不溶物。

②TiOSO4+（x+1）H20==TiO2-xH2O↓+H2SO4

③0.1mol．L-I Fe2+生成Fe （OH）2，开始沉淀时pH=6.3，完全沉淀时pH=8.3。

0.1 mol.L-1 Fe3+生成FeOOH，开始沉淀时pH=1.5，完全沉淀时pH=2.8。

（1）纯化

①加入过量铁粉的目的是______。

②充分反应后，分离混合物的方法是_____。

（2）制备品种

为制备高品质铁黄产品，需先制备少量铁黄晶种。过程及现象是：向一定浓度FeSO4溶液中加入氨水，产生白色沉淀，并很快变成灰绿色。滴加氨水至pH为6.0时开始通空气并记录pH变化（如下图所示）。

①产生白色沉淀的离子方程式是

一。

②产生白色沉淀后的pH低于资料③中的6.3。原因是：沉淀生成后c （Fe2+）____ 0.1 mol．L-1（填“>"“="或“<"）。

③0-t1时段，pH几乎不变；
t1一t2时段，pH明显降低。结合方程式解释原因：______ 。

④pH～4时制得铁黄晶种。若继续通人空气，t3后pH几乎不变，此时溶液中e（Fe2+）仍降低，但c（ Fe3+）增加，且c（Fe2+）降低量大于c（Fe3+）增加量。结合总方程式说明原因：_____。

（3）产品纯度测定

铁黄纯度可以通过产品的耗酸量确定。

资料：Fe3++3C2O==Fe（C2O4）；
，Fe（C2O4）3不与稀碱液反应。

Na2C2O4过量，会使测定结果 _____ （填“偏大”“偏小”或“不受影响”）。

2．参考答案

（1）①消耗硫酸，促进TiOSO4水解平衡正向移动，有利于TiO2.xH2O析出；
防止Fe2+被氧化

②过滤

（2）①Fe2++2NH3.H2O==Fe（OH）2↓+2NH4

②>

③0-ti：4Fe （OH）2+O2==4FeOOH+2H20，c（H+）不变

t1-t2：4Fe2++O2+6H2O==4FeOOH↓+8H+，c（H+）增大

④12Fe2++3O2+2H2O==4FeOOH↓+8Fe3+，c（H+）不变，消耗的Fe2+多，产生的Fe3+少

（3）不受影响

二、试题解析

本题以生产钛白粉废渣制备化工产品铁黄为载体，综合考查了铁元素及其化合物间的相互转化、物质的分离与提纯、氧化还原反应方程式的書写、溶度积计算、酸碱中和滴定误差分析等知识。要顺利解答此题，需要学生灵活运用所学知识，从真实的生产情境和题给资料中寻找答题依据，凸显了对“证据推理与模型认知”化学学科核心素养的考查。表1为本题解答过程中的证据线索和证据类型（来源），具体解析如下。

（1）第①小题，根据资料，钛白粉废渣中的TiOSO4会发生水解反应，结合纯化目的是要制得精制FeSO4溶液，联系Fe2+易被氧化的性质，可得正确答案为：消耗H2S04，促使TiOS04的水解反应正向移动，有利于生成TiO2-xH2O↓，同时过量的Fe可以防止Fe2+被氧化。

第②小题，根据资料①，钛白粉废渣成分中含少量TiOSO4和不溶物，结合纯化过程中需要加入过量铁粉，可知充分反应后需要分离的是沉淀和溶液的混合物，因此应采用的分离方法为过滤。

（2）第①小题，根据已有知识，向一定浓度FeSO4溶液中加入氨水，Fe2+与氨水生成白色的Fe（OH）2沉淀，氨水为弱碱，写离子方程式时不可拆开。因此，此题答案为：Fe2++2NH3.H2O==Fe（OH）2↓+2NH4+。

第②小题，考查基于证据的推理过程。根据沉淀转化与Ksp的关系．c（Fe2+）与c2（OH一）的积达到Ksp[Fe（OH）2]即可产生沉淀，且c（ Fe2+）越大，形成沉淀所需的c（OH一）越小。根据资料，0.1 mol．L-1的Fe2+开始沉淀时pH为6.3，如果pH<6.3时也有沉淀，则溶液中的c （Fe2+）必大于0.1 mol.L-1。

第③小题，根据工艺流程，滴加氨水并通人空气的目的是制备产物FeOOH，此时体系中存在Fe（OH）2和Fe2+，二者分别被02氧化的方程式为：4Fe（OH）2+02—4FeOOH+2H2O禾口4Fe2++ O2+6H2O ==4FeOOH↓+8H+。根据图像信息，0 - t1时段，pH几乎不变，说明H+浓度不变，应该发生的反应是前者，而t1一t2时段，pH明显降低，说明H+浓度增大，发生的反应应该是后者。

第④小题，制得铁黄晶种后若繼续通人空气，依据溶液中c（Fe2+）降低，但c（Fe3+）增加，推出溶液中可能同时发生反应a：4Fe2++ O2+2H2O==4FeOOH+4H+和反应b：4Fe2++ O2+4H+==4Fe3++ 2H2O，然后再根据t3后pH几乎不变，可知反应a生成的H+与反应b消耗的H+恰好相互抵消，因此，将两反应叠加可得总反应：12Fe2++ 302+2H2O==4FeOOH+8Fe3+，可见，c（ Fe2+）降低量大于c（Fe3+）增加量。

第（3）题，根据实验流程可知测定铁黄的纯度的原理为：取Wg铁黄与已知且过量的H2S04反应，然后用NaOH滴定剩余的硫酸，通过铁黄样品的耗酸量来计算其纯度。但是为避免生成的Fe3+消耗NaOH，根据资料需要加入稍过量的Na2C2O4来掩蔽Fe3+，此时，还需要考生清楚Na2C2O4过量时必然会消耗H2SO4，但其产物H2C2O4或NaHC2O4仍会与NaOH反应，故对于计算过量的H2SO4是无影响的。因此，只要考生厘清了H2SO4、H2C2O4与HC2O与与NaOH反应的实质均为H+与OH一之间的反应，就可以根据消耗的NaOH总量计算出产品的耗酸量，进而计算出铁黄产品的纯度。综上所述，Na2C2O4过量，对测定结果是无影响的。

三、对教学的启示

基于真实的工业生产情景的化工流程题，凸显了元素化合物知识的社会价值与学科意义。2021年北京等级考化学第18题充分体现了“立德树人、服务选才、引导教学”的高考功能，又体现了“基础性、综合性、应用性、创新性”的考查要求。试题精心设计实验探究情境，巧妙融人化学反应原理的应用，在素材背景和呈现方式上力求突出学生的思维过程，通过多样化的信息和设问给学生搭设开放性的思维平台，要求考生能从宏观和微观、定性与定量结合以及物质反应变化的事实及不同特征寻找充分的证据，并解释证据与结论之间的关系，考查学生的逻辑推理、演绎、归纳、总结等高阶思维能力，对今后的化学教学具有良好的导向。

1．创设真实实验探究情境，培养证据意识，发展学生高阶思维

《普通高中化学课程标准（2017年版）》指出，证据推理是科学探究的思维核心，也是化学学科核心素养思维能力的体现。要求学生具有证据意识，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；
建立观点、结论和证据之间的逻辑关系。[1]同时指出，要充分认识化学实验的独特价值，精心设计实验探究活动。

因此，在高三元素化合物复习中要充分发挥化学实验的教学功能，重视创设适合的问题情境，精心设计实验探究活动，通过科学探究鼓励学生从问题出发，收集证据，并对其进行分析推理，得出实验结论。在整个过程中形成“问题一证据一结论”的推理意识，促进学生的知识建构，发展学生的高阶思维。例如，笔者在进行“二氧化硫的性质复习”教学时，通过创设问题情境，以问题链为驱动，利用实验探究的形式，以证据推理为抓手，启发诱导学生层层深入，在问题与实验相互交融的教学内容中，不仅提升学生大胆猜想、合理假设、缜密思维的水平，也提升了学生在解决实际问题中的学科应用能力，体现“教、学、评”的一致性。具体的教学流程如图1所示。要注重模块融合，渗透化学反应原理，有助于元素化合物知识与化学反应原理知识间的融会贯通、相互印证，从而提高复习效率。

例如：Fe3+与Fe2+的检验复习课教学实录（片段）：

问题l.FeC13和KI溶液能反应吗？说出你的判断依据。

【学生】因为Fe3+具有氧化性，I一具有还原性，所以二者可以发生氧化还原反应生成Fe2+和I2。所以方程式为：2Fe3++ 21==2Fe2++ 12（没有写出可逆符号）。

设计意图：重温分析物质性质的价类二维角度，应用已有的认识思路，引导学生建构分析问题的程序性方法，提升学生在新情境中解决实际问题的能力，诊断学生证据推理与模型认知核心素养。

【学生实验】向2 mL l mol/L KI溶液中滴入3滴0.1 mol/L FeC13溶液。

【追问】能否通过溶液颜色变化证明二者发生了反应？

【学生】不能，如果向蒸馏水中加入FeCl3溶液也会变为黄色。需要通过对照实验进一步证明。

问题2：试设计实验方案证明二者发生了反应？

【学生】可以用CC14或用淀粉检验I2的生成。

【追问】要证明反应的发生有哪些思考的角度？

【学生】讨论交流，从两个角度证明反应是否发生：一是检验生成物的生成，如可以检验Fe2+或I2；
二是检验反应物的减少或消失，如可以检验Fe3+或I一。

【学生】本实验中由于I一过量，所以检验溶液中是否还有I一是不合理的，检验溶液中是否还有Fe3+可以。

【学生】我认为检验溶液中是否还有Fe3+或I一来判断反应是否发生不合理，因为这是一个可逆反应，反应物不会完全转化。

【学生】我认为检验Fe3+或I一都可以，只不过检验生成物只需要定性检验Fe2+或I2有没有就可以了，而如果检验反应物则需要检验Fe3+或I一有没有减少，所以需要定量计算，比较麻烦。相比较来说检验I2的生成操作更简单。

设计意图：通过证明反应是否发生水到渠成引出Fe3+和Fe2+的检验问题，同时建立“证明反应是否发生”的思路模型；
培养学生证据意识，并能够基于证据进行分析推理，建立观点、结论和证据之间的逻辑关系，发展学生证据推理与模型认知核心素养。

问题3．如何证明该反应是可逆反应？讨论并设计实验方案加以证明。

【学生】要证明反应是不是可逆反应，需要证明反应能否转化完全。如果通过检验不过量的物质不存在了，说明不是可逆反应；
若不足量的物質还存在，就说明是可逆反应。

【学生实验】向2 mL l mol/LKI溶液中滴人3滴0.1 mol/L FeCl3溶液，然后滴加2滴KSCN溶液，溶液未变红色。

【学生】提出猜想：①KSCN溶液变质了；
②Fe3+反应完了；
③反应体系中c（Fe3+）太低。

【继续实验】①直接取0.1 mol/L FeCl3溶液滴加KSCN溶液，溶液变红。排除了猜想1。

②根据资料：Fe3+可与亚铁氰化钾K4[Fe（CN）6]反应生成蓝色沉淀，改用K4[Fe（CN）6]溶液检验Fe3+，结果产生了蓝色沉淀。排除了猜想2，证实了猜想3。

设计意图：通过证明反应是否可逆的环节巧妙地制造了认知冲突，基于认知冲突进一步进行实验探究，丰富了Fe3+检验的方法。让学生经历发现问题、提出假设、设计实验、解释证据、获得结论的探究过程，在探究中收集证据，外显了证据推理的过程，进一步提升了学生的证据推理素养。

选择性必修1“化学反应原理”、选择性必修2“物质结构与性质”模块中的基础理论，是深化“元素化合物性质应用”学科本质理解的重要依据。在元素化合物复习中，要尽量避免干瘪瘪地罗列物质性质，而是多应用“结构决定性质”学科思想，从中心元素价电子到成键方式，分析具体物质相应的结构，从物质结构上推导或解释其性质；
多融合“化学反应原理”创设综合情境，通过问题解决，深入揭示、理解物质转化规律与本质。[3]

总之，在元素化合物教学中，要重视以“证据推理”为思维方法，学会收集各种证据，基于证据进行分析推理，解释证据与结论之间的关系，确定形成科学结论所需要的证据和寻找证据的途径。要坚持从原理和结构层面加深对已有知识的理解，增加系统认识物质性质的角度，把握学科的本质和思想方法，为深入理解性质、反应服务，逐步形成观念的结构化，最终形成研究元素化合物转化的思维模型，发展学生“证据推理与模型认知”的化学学科核心素养。

参考文献

[1] 中华人民共和国教育部．普通高中化学课程标准（2017年版2020年修订）[S]．北京：人民教育出版社，2021：5．

[2] 叶炜华．基于认知冲突的元素化合物复习——以“S02的性质探究”为例[J]．中学化学教学参考，2022（2）：63-67．

[3] 曾文锋，引导建构、注重融合、贯穿评价的元素化合物复习教学[J]．学苑教育，2020（26）：61-62．

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