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类比迁移在高三化学学习中的应用

范文

洪兹田陈女婷

一、类比迁移的概念及考查情况概述

类比迁移是一种回忆熟悉的并已解决的问题（源问题），通过梳理原先解决该问题使用的方法、解决问题的步骤程序，尝试应用识别、抽象出思维模型来解决新问题（靶问题）的一种问题解决策略。应用类比迁移解决新问题，可降低学生的“认知负荷”，提升学生的问题解决能力。近年来的高考试题的考查往往是学生学过的知识、经验、原理的迁移，多数试题都能在教材和习题中找到原型。考查学生分析、整合题给信息，利用已有知识、能力、方法进行类比迁移，并做出科学、准确的表达。

二、类比迁移解决新问题的步骤程序和思维模型

1. 步骤程序。

进行类比迁移解决新问题时，至少需要经历以下5个步骤。具体如下：

（1）问题表征。

对问题初始条件、目标任务及构成要素进行觉察和理解。

（2）选择源问题。

选择并调用原先已成功解决的类似问题。

（3）信息识别、抽象。

尝试回顾原先认知结构中的相关内容特点和问题情境，梳理出源问题解决所应用的基本原理、解决策略和步骤程序。

（4）信息匹配。

将梳理出的解决问题的基本原理、策略和步骤程序重新匹配，以此来解决新问题。

（5）反馈验证。

为了防止“负迁移”，同时要对应用源问题解决新问题进行反馈验证。即这种类比迁移是否具备科学性、合理性，迁移的范围如何，是否有存在其他特殊情况等。如果反馈验证发现存在问题时，则返回上述步骤进行论证。

2. 思维模型。

类比迁移解决新问题的思维模型如图1所示。

三、类比迁移解决新问题的常见类型

根据类比的对象和方式不同，类比迁移有不同的分类方法。以“化学学科知识内容的相关性”为例，可将类比迁移分为：概念类比迁移、物质性质（含无机物性质和有机物官能团）类比迁移、反应原理（或规律）类比迁移、物质结构类比迁移、化学实验类比迁移等类型。

1. 概念类比迁移。

概念迁移时应比较“新概念”与“原概念”在内涵和外源的相似点和不同点，抓住本质特征属性的异同点，实现由“源问题”向“新问题”的准确迁移。

【例1】（2019·全国Ⅱ卷，节选）环戊二烯（■）是重要的有机化工原料，广泛用于农药、橡胶、塑料等生产。回答下列问题：

（1）已知： ■（g）=■（g） + H2（g）

ΔH1=100.3 kJ·mol-1 ①

H2（g）+I2（g）=2HI（g）

ΔH2=-11.0 kJ·mol-1 ②

对于反应：■（g）+ I2（g）=■（g） + 2HI（g）

ΔH3=_____kJ·mol-1 ③

（2）某溫度下，等物质的量的碘和环戊烯（■）在刚性容器内发生反应③，起始总压为105Pa，平衡时总压增加了20%，环戊烯的转化率为____，该反应的平衡常数Kp=___Pa。

解析：（1）根据盖斯定律，ΔH3=ΔH1+ΔH2=[100.3+

（-11.0）]kJ·mol-1=89.3kJ·mol-1。

（2）压力平衡常数Kp是大学化学涉及的概念，从表面上看本题考查Kp的计算似乎有“超纲”之嫌，实则不然。学生虽未真正学过Kp的概念及计算，但他们学过浓度平衡常数Kc概念及计算。因此，本题考查学生能否将Kp概念与Kc概念进行类比迁移，从而进行Kp的计算。这两个概念的本质区别在于Kc涉及到平衡浓度，而Kp涉及到平衡分压。学生只需将Kc表达式中相应物质的平衡浓度用平衡分压代替即可。由于Kc=■，因此可推出Kp=■。计算过程中涉及“三段式”的相关计算，可用P（起始）、P（转化）、P（平衡）代替c（起始）、c（转化）、c（平衡）进行类比迁移。另外，平衡分压=平衡时的总压×平衡时物质的量分数。该公式学生虽未学过，但只需类比“溶质的质量=溶液质量×溶质的质量分数”公式即可理解。

起始时，总压为105Pa，n（I2）=n（环戊烯），则I2、环戊烯的起始分压为：105Pa×■=0.5×105pa。

平衡时，总压增加了20%，即Δp（平衡）=105Pa×20%=0.2×105pa

■（g） + I2（g）=■（g） + 2HI（g） ??Δp=1

P（起始）/ pa 0.5×105 0.5×1050 ????0

P（转化）/ pa 0.2×105 0.2×105 0.2×105 0.4×105 0.2×105

P（平衡）/ pa 0.3×105 0.3×105 0.2×105 0.4×105

α（环戊烯）=■×100%=40%

平衡常数Kp=■=

■=3.56×104pa

答案：（1）89.3。（2）40%，3.56×104。

2. 物质性质类比迁移。

（1）无机物性质类比迁移。

①利用物质组成及分类特点，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。

②利用元素周期表（律），同一主族元素性质的相似性可类比周期表中不熟悉的元素及其化合物的性质。但类比过程中，必须注意同一主族元素性质的递变性造成性质上的差异。

【例2】锡（Sn）是IVA族元素。锡的性质较活泼，在酸性溶液中有Sn2+、Sn4+两种存在形式。Sn2+、Sn4+的化学性质分别与Fe2+、Al3+相似。图2为一种镀锡铜板表面锡的褪除及回收制备α-锡酸[Sn（OH）4]的工艺流程。回答以下问题（问题略）。

解析：学生对于Sn及其化合物性质不熟悉，对工艺流程图的新情景的理解存在困难。若将题给陌生信息转化为熟悉问题，势必可以大大缓解学生入题时的畏难情绪。锡的化学性质像铁又像铝：Sn2+化学性质可类比Fe2+，而Sn4+化学性质可类比Al3+。通过信息识别、抽象及信息匹配、反馈校验，可推测出如下Sn及其化合物可能具备的化学性质：（1）Sn溶于酸得到Sn2+，Sn2+极易水解，Sn4+更容易发生水解;（2）Sn2+有较强的还原性，容易被常见的氧化剂（如Cl2、H2O2、Fe3+）氧化为Sn4+;（3）Sn、SnO2、Sn（OH）4在一定条件下可以与强碱反应得到锡酸盐（SnO32-）。有Sn及其化合物的化学性质作为铺垫，对于整个工艺流程图的分析大有裨益。

（2）有機物官能团性质类比迁移

【例3】（2019·全国Ⅰ卷）关于化合物2-苯基丙烯（■），下列说法正确的是（ ??）

A. 不能使稀高锰酸钾溶液褪色

B. 可以发生加成聚合反应

C. 分子中所有原子共平面

D. 易溶于水及甲苯

解析：题中所给化合物2-苯基丙烯（■）学生并未接触过，其化学性质学生更不熟悉。可将其化学性质与中学阶段中具有相同有机官能团的物质的化学性质进行类比迁移，从而将陌生问题转化为熟悉问题。分析2-苯基丙烯的官能团有碳碳双键，应具有与烯烃相似的化学性质。因此，可推出2-苯基丙烯能使稀KMnO4溶液褪色，可发生加成聚合（简称“加聚”），故A错误，B正确。由CH4的饱和碳结构（四面体结构）中所有原子不可能共平面进行类比迁移，可推出含饱和碳原子的2-苯基丙烯分子中不可能所有原子共平面，故C错误。乙醇、乙醛、乙酸分别含—OH、—CHO、—COOH等亲水性基团，结合相似相溶原理，可推出它们易溶于水和难溶于甲苯。2-苯基丙烯不含—OH、—CHO、—COOH等亲水性基团，故其难溶于水和易溶于甲苯，故D错误。

答案：B。

3. 反应原理（或规律）类比迁移。

熟悉常见的化学反应规律原型（如四类基本反应、氧化还原反应、离子反应、水解反应、原电池反应、电解反应等）或化学反应原理。通过整合信息、找准原型、科学类比、迁移应用、反馈验证等环节即可轻松突破。

【例4】（2014·全国Ⅰ卷，改编）间接水合法生成乙醇的步骤如下：（1）先将乙烯与浓硫酸反应生成硫酸氢乙酯（C2H5OSO3H）;（2）硫酸氢乙酯水解生成乙醇。根据上面信息写出步骤（1）（2）相关反应的化学方程式：（1）_____________，（2）_____________。

解析：乙烯与硫酸的反应、硫酸氢乙酯的水解，这两个反应均不是中学阶段出现过的反应。可将步骤（1）的反应与乙烯的加成反应进行类比迁移，而步骤（2）的反应可与乙酸乙酯的水解反应进行类比迁移。当然，乙烯与水的加成和乙酸乙酯的水解，这两个反应学生较为熟悉，形式也较为简单。但是乙烯与水的加成反应时，将H2O视为H—OH参与加成反应，而硫酸参与加成反应时，硫酸应视为哪两部分基团;乙酸乙酯的的水解反应，乙酸乙酯为羧酸酯，而硫酸氢乙酯为无机含氧酸酯。应找准加成反应和水解反应的规律，认清反应本质，采用正逆向思维相结合及等效替换的思想，结合题目所给物质结构简式，方能突破这两个陌生反应。根据乙烯与水的加成：CH2=CH2+H2O→CH3CH2OH（即：CH2=CH2+H2O→C2H5OH），乙酸乙酯的水解：CH3COOC2H5+H2O→CH3COOH+C2H5OH。乙烯与硫酸的加成反应，可将H2SO4视为HO—SO3H（类比H2O视为HO—H），故可得反应（1）：CH2=CH2+H2SO4→C2H5OSO3H。C2H5OSO3H的水解，可将C2H5OSO3H视为C2H5O—SO3H，故可得反应（2）：C2H5OSO3H+H2O→C2H5OH+ H2SO4。

答案：（1）CH2=CH2+H2SO4→C2H5OSO3H，（2）C2H5OSO3H+H2O→C2H5OH+ H2SO4。

4. 物质结构类比迁移。

结构决定性质。物质结构与性质的有关问题都会涉及到微粒结构，应重视应用熟悉的微粒结构规律类比解决陌生物质的化学问题。

【例5】（1）已知气态氯化铝分子以双聚形式（Al2Cl6）存在。图3为Al2Cl6结构简式的一部分（尚不完整），“Cl→Al”表示Cl原子提供1对电子与Al原子形成的配位键，请在图3中把另一个“Cl→Al”配位键标出来。

（2）一般来说，含氧酸的元数等于羟基氢的个数。硼酸（■）为白色固体，虽然其分子结构中含3个羟基，但它却是溶于水显弱酸性的一元酸。以下电离平衡表达式能解释“硼酸为一元酸”的异常现象。试结合对（1）中知识的理解，将其补充完整：■+H2O？葑_____+_____。

解析：（1）Al的最外层电子数为3。结合图3所给的“Cl→Al”配位键可知，1个Al连接3个Cl原子形成的AlCl3为缺电子体系，还需要1个Cl原子提供1对电子与之形成配位键。据此原理，同时考虑Al、Cl满足8电子，另外1个“Cl→Al”配位键便能正确标注。（2）学生对B及其化合物性质不熟悉，但B和Al同为ⅢA元素，其化学性质可由Al类比迁移。1个Al连接3个Cl原子形成的中心原子Al为缺电子体系，可再接受OH-单方面的1对电子形成配位键，因此容易发生反应Al（OH）3+OH-=[Al（OH）4]-，进而推出Al（OH）3的酸式电离：Al（OH）3+H2O=[Al（OH）4]-+H+。同理1个B连接3个 -OH形成的B（OH）3其中心原子B也为缺电子体系，可再接受OH-单方面提供的1对电子，也容易发生反应：B（OH）3 +OH- = [B（OH）4]-。硼酸为一元弱酸，显然不是3个羟基氢引起的。由Al（OH）3的酸式电离原理，容易类比迁移推出硼酸在水溶液中的电离 ■+H2O？葑[B（OH）4]-+H+（硼酸的电离原理可类比盐类的水解原理，但成键本质为配位键的形成;[B（OH）4]- 可类比[Al（OH）4]-）。

答案：

（1）■（2）H4BO4-或[B（OH）4]- ?H+

5. 化学实验类比迁移。

高考考查的实验多数是课本实验或所学知识的改造和升级。遇到陌生实验仪器、原理、方法、操作等问题，应尽可能与所掌握的实验必备知识与关键能力进行类比迁移[2]。只有读懂实验相关原理，方能突破陌生实验题的解题瓶颈。

【例6】（2014·全国Ⅰ卷，改编）蜜蜂信息素质中含有乙酸异戊酯。实验室制备乙酸异戊酯的反应装置示意圖和有关数据如图4：

实验步骤：在A中加入4.4 g的异戊醇，6.0 g的乙酸、数滴浓H2SO4和2～3片碎瓷片，开始缓慢加热A，回流50min，反应液冷至室温后，倒入分液漏斗中，分别用少量水，饱和NaHCO3溶液和水洗涤，分出的产物加入少量无水MgSO4固体，静置片刻，过滤除去MgSO4固体，进行蒸馏纯化，收集140℃～143℃馏分，得乙酸异戊酯 3.9 g。回答下列问题：

（1）在洗涤操作中两次水洗的目的分别是：第一次____，第二次______。

（2）实验中加入过量乙酸和加入少量无水MgSO4的目的分别是________，________。

评析：实验室制备乙酸异戊酯的反应原理和实验操作学生未曾接触过。可将其与实验室制备乙酸乙酯的反应原理和实验操作（乙酸乙酯的制备在《必修2》和《实验化学》中均有介绍）进行类比迁移，从而将陌生问题转化为熟悉问题。（1）洗涤的作用一般都是为了除去上一步骤中的混有的杂质，据此原理容易推出第一次水洗是除去作催化剂的硫酸和过量的乙酸，然后用饱和NaHCO3溶液进一步除去少量乙酸，第二次水洗是为了除去过量饱和NaHCO3溶液。（2）加入过量乙酸的目的可类比乙酸乙酯的制备实验中，加入过量乙醇的目的。故可推出加入过量乙酸的目的是提高异戊醇的转化率和提高乙酸异戊酯的产率。但是，乙酸乙酯的制备实验中由于乙醇比乙酸易挥发，所以加入过量乙醇。乙酸异戊酯的制备实验由于乙酸比异戊醇易挥发，所以加入过量乙醇。（3）无水MgSO4（s）作用可由无水CaCl2（s）的作用进行类比迁移。故无水MgSO4（s）能除去有机层中的少量水，起到干燥作用。

答案：（1）洗掉大部分H2SO4和乙酸;洗掉NaHCO3。（2）提高异戊醇的转化率;除去水分。

四、类比迁移应用化学学习的注意事项

1. 认清实质、抓住本质，确保类比迁移的科学性。

类比迁移的层次决定了解决问题的能力。应用类比迁移进行化学学习时，要认清实质、抓住本质，从形式迁移走向本质迁移。防止在思路、物质、方法方面出现负迁移。例如，对CH4、SiH4中C、Si的化合价判断常会出现如下问题：由CH4中C的化合价为-4，进行形式迁移，进而错误地推出SiH4中Si的化合价也为-4。出现上述负迁移的根源在于没有正确认识化合价的本质及其与元素电负性的关系。电负性大小顺序：C>H>Si，故在CH4、SiH4中C、Si分别显示负价、正价。

2. 既要求同、又要求异，确保类比迁移的准确性。

求同思维是进行类比的基础，求异思维是准确类比的保证。例如，学生容易根据已学过的反应：2Na2O2+2CO2=2Na2CO3+O2，抓住共性进行类比迁移，得出2Na2O2+2SO2=2Na2SO3+O2这一错误反应。该错误的产生从本质上说是只抓住了共性——CO2和SO2都是酸性氧化物，但忽略了特殊性——CO2没有还原性，SO2具有还原性所致。如果具备求异思维，则容易得出正确的反应应为2Na2O2+2SO2=2Na2SO4。

3. 反馈验证、循环表征，确保类比迁移的合理性。

类比迁移是化学学习常用方法之一，但不是万能的。类比迁移是否合理，迁移的范围如何，是否有存在其他特殊情况等，需要不断反馈验证。当发现存在问题时，则要果断放弃，接受新发现和新结论，切忌为了迁移而迁移。例如，铁与CuSO4溶液发生置换反应生成FeSO4和铜;但是，作为初学者，学生容易进行类比迁移推出钠与CuSO4溶液也是发生置换反应？通过实验探究对上述假设进行反馈验证，得出学生的迁移不合理。进而结合实验观察到的现象及钠与水反应的事实，反馈验证得出“钠与CuSO4溶液”反应的实质应该是钠先与水反应生成NaOH与H2，继而NaOH再继续与CuSO4溶液发生反应。

责任编辑 ??李平安

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