福建 洪茲田 陳志鵬

一、類比遷移概述

當(dāng)人們遇到一個新問題(靶問題)時，人們往往想起一個過去已經(jīng)解決的相似問題(源問題)，并運(yùn)用源問題的解決方法和程序去解決靶問題，這一問題解決策略稱為類比遷移。類比遷移是間接推理的科學(xué)研究方法，是提出問題和解決問題的一條重要途徑。類比遷移在解決化學(xué)問題過程中充當(dāng)“中介”，即通過借用熟悉問題的解決辦法去解決新問題。高考的信息遷移試題考查學(xué)生在分析題給情境的基礎(chǔ)上，利用已有知識進(jìn)行類比遷移的能力，并運(yùn)用具有化學(xué)學(xué)科特征的化學(xué)用語，以及文字、圖表等形式進(jìn)行準(zhǔn)確、科學(xué)的表達(dá)。

二、類比遷移解決新問題的一般程序和思維模型

1.一般程序

當(dāng)面對陌生的問題情景(新問題)時，首先對問題初始條件、目標(biāo)任務(wù)及構(gòu)成要素進(jìn)行覺察和理解(問題表征)。選擇過去已經(jīng)解決的相似問題(源問題)，回憶認(rèn)知結(jié)構(gòu)中的相關(guān)知識、情境等類似內(nèi)容，整理出解決“源問題”所用的一般程序、策略、基本原理(信息識別、抽象)。將識別、抽象出的信息應(yīng)用到“新問題”解決過程中去(信息匹配)，同時也要對應(yīng)用“源問題”解決“新問題”的合理性進(jìn)行驗(yàn)證(反饋驗(yàn)證)。

2.思維模型

三、類比遷移的考查類型——基于內(nèi)容相關(guān)性視角

根據(jù)化學(xué)學(xué)科知識內(nèi)容的相關(guān)性，可以把類比遷移分為概念類比遷移、物質(zhì)性質(zhì)類比遷移、有機(jī)物官能團(tuán)類比遷移、反應(yīng)原理類比遷移、反應(yīng)規(guī)律類比遷移、物質(zhì)結(jié)構(gòu)類比遷移、化學(xué)實(shí)驗(yàn)類比遷移、計(jì)算型類比遷移等。

1.概念類比遷移

例1(2017·廈門質(zhì)檢，35題節(jié)選)下圖為元素周期表的另一種畫法——塔式周期表。上面標(biāo)有部分族及部分元素。請根據(jù)周期表中所列的元素回答問題:

原子簇是由幾個到幾百個原子組成的相對獨(dú)立的物質(zhì)結(jié)構(gòu)單元，如鋁原子簇Al13、Al14。已知原子簇價電子總數(shù)為2，8，20，34，40，58……時，原子簇可穩(wěn)定存在。

(1)Al13的穩(wěn)定化合價為__________。

(2)Al14與周期表中所列元素__________(填元素符號)的性質(zhì)相似，其原因?yàn)開_________。

解析:原子簇的概念及其穩(wěn)定化合價學(xué)生不熟悉，可將其與原子團(tuán)的概念及化合價規(guī)律進(jìn)行類比遷移，從而將陌生問題轉(zhuǎn)化為熟悉問題。利用原子團(tuán)、最外層電子數(shù)與化合價的關(guān)系來討論有關(guān)原子簇及其穩(wěn)定化合價的問題。當(dāng)然，元素原子的最外層電子數(shù)>4，易得電子;元素原子的最外層電子數(shù)<4，易失電子。而原子簇價電子總數(shù)為2，8，20，34，40，58……時原子簇可穩(wěn)定存在。Al13的價電子總數(shù)為3×13=39，容易得到1個電子變成40個電子穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，從而顯示-1價。同理，Al14的價電子總數(shù)為3×14=42，容易失去2個電子變成40個電子穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，從而顯示+2價，故與周期表中所列的Mg元素性質(zhì)相似。

答案:(1)-1 (2)Mg Al14價電子為42,原子簇要達(dá)到穩(wěn)定結(jié)構(gòu)即價電子40,需要失去2個電子

2.物質(zhì)性質(zhì)類比遷移

Cr3+與Al3+的化學(xué)性質(zhì)相似，在Cr2(SO4)3溶液中逐滴加入NaOH溶液直至過量，可觀察到的現(xiàn)象是__________

__________。

答案:藍(lán)紫色溶液變淺，同時有灰藍(lán)色沉淀生成，然后沉淀逐漸溶解形成綠色溶液

3.有機(jī)物官能團(tuán)類比遷移

例3(2015·山東卷，9題)分枝酸可用于生化研究，其結(jié)構(gòu)簡式如圖。下列關(guān)于分枝酸的敘述正確的是( )

A.分子中含有2種官能團(tuán)

B.可與乙醇、乙酸反應(yīng)，且反應(yīng)類型相同

C.1 mol分枝酸最多可與3 mol NaOH發(fā)生中和反應(yīng)

D.可使溴的四氯化碳溶液、酸性高錳酸鉀溶液褪色，且原理相同

解析:分枝酸學(xué)生并未接觸過，其化學(xué)性質(zhì)學(xué)生更不熟悉，可將其化學(xué)性質(zhì)與所學(xué)具有相同官能團(tuán)的物質(zhì)的化學(xué)性質(zhì)進(jìn)行類比遷移，從而將陌生問題轉(zhuǎn)化為熟悉問題。根據(jù)結(jié)構(gòu)簡式可知分枝酸含碳碳雙鍵、羥基、羧基、醚鍵4種官能團(tuán)，應(yīng)具有與烯烴、醇、羧酸、醚等相似的化學(xué)性質(zhì)。根據(jù)乙烯能發(fā)生加成反應(yīng)，能使溴的四氯化碳溶液褪色，同時乙烯具有還原性，能被酸性高錳酸鉀溶液氧化，可推出含有碳碳雙鍵的分枝酸可使溴的四氯化碳溶液、酸性高錳酸鉀溶液褪色，二者褪色的原理不同。根據(jù)乙醇能與乙酸發(fā)生酯化反應(yīng)，可推出含有羥基和羰基的分枝酸可與乙酸和乙醇發(fā)生酯化反應(yīng)(取代反應(yīng))。根據(jù)乙酸能與NaOH發(fā)生中和反應(yīng)，1 mol分枝酸可與2 mol NaOH發(fā)生中和反應(yīng)。

答案:B

4.反應(yīng)原理類比遷移

例4(2016·全國卷Ⅱ，26題節(jié)選)聯(lián)氨(又稱肼，N2H4，無色液體)是一種應(yīng)用廣泛的化工原料，可用作火箭燃料，回答下列問題：

答案:8.7×10-7N2H6(HSO4)2

5.反應(yīng)規(guī)律類比遷移

例5(2015·浙江卷，27題節(jié)選)化合物甲和NaAlH4都是重要的還原劑。一定條件下金屬鈉和H2反應(yīng)生成甲。甲與水反應(yīng)可產(chǎn)生H2，甲與AlCl3反應(yīng)可得到NaAlH4。將4.80 g甲加熱至完全分解，得到金屬鈉和2.24 L(已折算成標(biāo)準(zhǔn)狀況)的H2。

請推測并回答：

(1)甲的化學(xué)式為________；

(2)寫出甲與AlCl3反應(yīng)得到NaAlH4的化學(xué)方程式：__________；

(3)寫出NaAlH4與水發(fā)生氧化還原反應(yīng)的化學(xué)方程式：__________；

(4)甲在無水條件下可作為某些鋼鐵制品的脫銹劑(鐵銹的成分表示為Fe2O3)，寫出脫銹過程發(fā)生反應(yīng)的化學(xué)方程式：__________。

答案:(1)NaH

6.物質(zhì)結(jié)構(gòu)類比遷移

例6(1)已知CN-與N2結(jié)構(gòu)相似，1 mol CN-中π鍵數(shù)目為________。

(2)氨硼烷是一種有效、安全的固體儲氫材料。氨硼烷的結(jié)構(gòu)和乙烷相似，如圖：

①氨硼烷分子中氮原子、硼原子的雜化軌道類型分別為________和________。

②氨硼烷________(填“能”或“不能”)溶于水，其原因是__________。

解析:CN-和氨硼烷的結(jié)構(gòu)學(xué)生不熟悉，可由N2和乙烷的結(jié)構(gòu)進(jìn)行類比遷移，從而將陌生問題轉(zhuǎn)化為熟悉問題。CN-可由原型N2結(jié)構(gòu)替換。由于N2結(jié)構(gòu)為N≡N，可推出CN-的結(jié)構(gòu)為[C≡N]-，進(jìn)而推出1 mol CN-中π鍵數(shù)目。氨硼烷可由原型乙烷的結(jié)構(gòu)替換。將乙烷中的兩個碳原子分別用B、N替換，即是氨硼烷的結(jié)構(gòu)。根據(jù)N、B原子均形成四個共價鍵，可判斷N、B的雜化類型均為sp3。原型乙烷不溶于水，但是，由氨硼烷結(jié)構(gòu)可知存在N—H強(qiáng)極性鍵，可以和水分子形成氫鍵N—H…O，故可溶于水。

答案:(1)2NA(2)①sp3sp3②能 氨硼烷與水分子間可形成氫鍵

7.化學(xué)實(shí)驗(yàn)類比遷移

例7(2017·全國卷Ⅲ，節(jié)選)綠礬是含有一定量結(jié)晶水的硫酸亞鐵，在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中具有重要的用途。某化學(xué)興趣小組對綠礬的一些性質(zhì)進(jìn)行探究?；卮鹣铝袉栴}：

為測定綠礬中結(jié)晶水含量，將石英玻璃管(帶兩端開關(guān)K1和K2)(設(shè)為裝置A)稱重，記為m1g。將樣品裝入石英玻璃管中，再次將裝置A稱重，記為m2g。按下圖連接好裝置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

(1)將下列實(shí)驗(yàn)操作步驟正確排序：________(填標(biāo)號)；重復(fù)上述操作步驟，直至A恒重，記為m3g。

a.點(diǎn)燃酒精燈，加熱

b.熄滅酒精燈

c.關(guān)閉K1和K2

d.打開K1和K2，緩緩?fù)ㄈ隢2

e.稱量A

f.冷卻至室溫

(2)根據(jù)實(shí)驗(yàn)記錄，計(jì)算綠礬化學(xué)式中結(jié)晶水?dāng)?shù)目x=__________(列式表示)。若實(shí)驗(yàn)時按a、d次序操作，則使x__________(填“偏大”“偏小”或“無影響”)。

8.計(jì)算型類比遷移

對于氣相反應(yīng)，用某組分(B)的平衡壓強(qiáng)p(B)代替物質(zhì)的量濃度c(B)也可表示平衡常數(shù)(記作Kp)，則該反應(yīng)的平衡常數(shù)的表達(dá)式Kp=________；如果p4=0.36 MPa，求a點(diǎn)的平衡常數(shù)Kp=________。(保留3位有效數(shù)字，用平衡分壓代替平衡濃度計(jì)算，分壓=總壓×物質(zhì)的量分?jǐn)?shù))

解析:壓力平衡常數(shù)Kp的概念及其計(jì)算學(xué)生并沒有學(xué)過，可將其與濃度平衡常數(shù)Kc的概念及其計(jì)算進(jìn)行類比遷移，從而將陌生問題轉(zhuǎn)化為熟悉問題。濃度平衡常數(shù)Kc涉及平衡濃度，而壓力平衡常數(shù)涉及平衡分壓，學(xué)生只需用平衡分壓代替濃度平衡常數(shù)表達(dá)式中相應(yīng)物質(zhì)的平衡濃度即可。關(guān)于分壓的計(jì)算學(xué)生未學(xué)過，題目以信息形式提供。分壓公式中，物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)概念可類比質(zhì)量分?jǐn)?shù)概念。

a點(diǎn)CH4的平衡轉(zhuǎn)化率為80%，總壓p4=0.36 MPa

c(起始)/(mol·L-1) 1.0 1.0 0 0

c(轉(zhuǎn)化)/(mol·L-1) 0.8 1.0×80% 1.6 1.6

c(平衡)/(mol·L-1) 0.2 0.2 1.6 1.6

四、應(yīng)用類比遷移解決新問題的注意事項(xiàng)

1.用已學(xué)過的知識進(jìn)行類比遷移時，應(yīng)先構(gòu)建舊知識和要解決問題之間的橋梁，所以選取的對象一定要準(zhǔn)確。

2.用試題中所給的新信息進(jìn)行類比時，一是會利用外顯信息正確模仿遷移，二是排除干擾信息，進(jìn)行整合篩選有效信息遷移，三是挖掘潛在信息，注重聯(lián)想類比遷移。