运用类比的思想解决化学问题.docx

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运用类比的思想解决化学问题

            运用类比的思想解决化学问题

   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

   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1：

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+3H2OAl（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+2H2OH3AlO3+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+3H2OAl2O3+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+H2OAl2O3+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2：

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：

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：

   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，H2O2也有极微弱的自偶电离，其自偶电离的方程式为：

______________________。

   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：

1．

（1）H2O2

HO2－+H+    HO2－

H++O22－

（2）H2O2+Ba（OH）2==BaO2+2H2O   2H2O2+Ba（OH）2==Ba（HO2）2+2H2O

（3）2H2O2 

HO2－+H3O2+

2．D

   【专题强化训练】请注意类比时负迁移失误。

   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：

①能使酸性KMnO4溶液褪色，②能发生加聚反应生成高分子化合物，③只有4种同分异构体，④能与氢气

发生加成反应。

其中正确的是（）

   A．①②③　　B．②③④　　C．①③④　D．①②④

   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：

①         ；②              。

   （3）H3PO3和H3AsO3与过量的NaOH溶液反应的化学方程式分别是：

   ①                          ；②                            。

   （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．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：

1．D

   2．

（1）H3AsO4﹤H2SO4﹤HMnO4 

（2）①

  ②

   （3）①H3PO3+2NaOH==Na2HPO3+2H2O

   ②H3AsO3+3NaOH==Na3AsO3+3H2O

   （4）H3PO3与盐酸不反应，H3AsO3与盐酸反应：

As（OH）3+3HCl==AsCl3+3H2O

   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·PbO2    Pb2[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

   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1：

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－、C22－，阳离子NO+、O22+等，根据N2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σ键，2个π键。

由CN－、C22－形成的HCN、C2H2分子中碳原子均为sp1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－、N3－、OCN－、CNO－、CN22－，阳离子NO2+等；借助同主族元素互换有：

分子CS2、COS，阴离子SCN－等；借助价电子数转换有：

分子BeCl2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sp1杂化。

注意：

SiO2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－、CO32－、BO33－等；借助同主族元素互换有：

分子BCl3、BBr3、BI3、SO3，阴离子PO3－、SiO32－等。

根据BF3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sp2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SiO44－、PO43－、SO42－、ClO4－、BF4－、BCl4－、BeCl42－等，阳离子PCl4+等。

根据CCl4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sp3杂化。

   此外，还有许多不同类型的等电子体，如：

①有机苯C6H6与无机苯B3N3H6；②原子晶体：

金刚石C2n、晶体硅Si2n、金刚砂SiC、AlN、AlP、GaAs等；③石墨C2n与白石墨（BN）n；④CH4、NH4+、BH4－、PH4+等；⑤NCl3、PCl3、NF3、PBr3等。

   案例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。

   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σ键数目为4NA

   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2molπ键，选项D错。

正确答案A。

   小结：

常见物质的化学键数目如1molCH4中含有4molC－H键、1molP4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2molC－C键（或2molSi－Si键）、1molSiO2（或SiC）中含有4molSi－O键（或4molSi－C键）、1mol石墨中含有1.5molC－C键，苯分子中不含C－C单键和C=C双键等。

   现场体验：

   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。

   ①Mn2+基态的电子排布式可表示为。

   ②NO3－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。

   ①根据等电子原理，CO分子的结构式为。

   ②H2O分子中O原子轨道的杂化类型为。

   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4NA；1molSiO2晶体中含有Si－O键数为4NA。

     C．1mol乙烷分子中含有7NA个共价键；1molC10H22分子中共价键总数一定为31NA。

   D．标准状况下22.4LN2含共用电子对数为NA；   

32gS8单质（如右图所示）中含有的S－S键数为NA。

 答案：

1．

（1）①1s22s22p63s23p63d5（或[Ar]3d5）   ②平面三角形

（2）①C≡O  ②sp3   2．C

   【专题强化训练】

   1．根据等电子体原理回答下列问题：

（1）SiO32－、SO3、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）C2O42－和是等电子体，C2O42－离子具有较强的还原性，它能使酸性KMnO4溶液褪色，Mn原子在元素同期表中的位置是_____，外围电子构型为_______。

   （3）二原子14电子的等电子体共同特点是物质中都具有共价叁键，请举出相应的3个例子_____、____、___（分子或离子）。

每个分子或离子中含_____个σ键，______个π键。

   2．科学家预言超级原子的发现将会重建周期表，2005年1月美国科学家在

《Science》上发表论文，宣布发现铝的超原子结构A113和A114，并在质谱仪检测到稳定的A113－、Al142+等。

A113、A114的性质很像现行周期表中的某些主族元素，已知这类超原子当具有40个最外层电子时最稳定。

下列说法不正确的是（   ）

   A．A113与氯原子性质类似，A113－性质不活泼

   B．A114与盐酸反应可生成H2

   C．A113超原子中Al原子间是通过离子键结合的

   D．A114与Ca、Mg元素性质相似，容易失去2个电子而形成稳定的A1142+

   3．厦门大学郑兰荪院士合成了C50Cl10富勒烯足球状分子，如下图，50个碳原子组成若干个正六边形和正五边形，碳均为4价。

则有关C50Cl10的说法中不正确的是（  ）

   A．C50Cl10的相对分子质量为955               

   B．C50Cl10分子中共用电子对数目为105个  

   C．C50Cl10与C60互为同素异形体          

   D．C50Cl10分子中含有55个碳碳单键

   答案：

1．

（1）平面正三角形N＞S＞Si

（2）N2O4、B2F4（任选1个）第四周期ⅦB3d54s2

   （3）N2、CO、C22－、CN－、NO+、O22+（4个中任选3个）12

   2．C

   3．C

三、利用化学反应规律进行类比

    规范准确表达各类化学方程式并不难，只要结合题设化学信息，正确理解化学反应的意义，找准相应的反应规律（如四类基本反应、离子反应、氧化还原反应、水解反应、电解反应、原电池反应等各类反应规律），通过科学类比、规范准确地书写新教材中未出现过的化学方程式或离子方程式。

   案例1：

学会用氧化还原反应规律类比学习其他氧化还原反应。

   学习研究不同价态硫元素间的转化时，SO2的还原性可表现在被氯水等众多的氧化剂氧化生成硫酸，如SO2+Cl2+2H2O==H2SO4+2HCl，借此氧化还原反应规律可让学生类比掌握：

   SO2+Br2+2H2O==H2SO4+2HBr

   SO2+I2+2H2O==H2SO4+2HI（注意：

F2例外）

   2SO2+O2+2H2O==2H2SO4

   SO2+2Fe3++2H2O==2H++SO42－+2Fe2+

   5SO2+2MnO4－+2H2O==4H++5SO42－+2Mn2+

   3SO2+2HNO3+2H2O==3H2SO4+2NO

   SO2+NO2+H2O==H2SO4+NO

   SO2+H2O2==H2SO4

   SO2+2HClO3==H2SO4+2ClO2等。

   又如学习2H2S+SO2==3S↓+2H2O归中反应的规律后，可以让学生类比掌握：

   2H2S+H2SO3==3S↓+3H2O

   2Na2S+Na2SO3+3H2SO4（稀）==3S↓+3Na2SO4+3H2O

   H2S+3H2SO4（浓）==4SO2+4H2O    

   S+2H2SO4（浓）3SO2↑+2H2O

   KClO3+6HCl（浓）==KCl+3Cl2↑+3H2O

   KClO+2HCl（浓）==KCl+Cl2↑+H2O

   Ca（ClO）2+4HCl（浓）==2Cl2↑+CaCl2+2H2O

   KClO4+8HCl（浓）KCl+4Cl2↑+4H2O

   5NaBr+NaBrO3+3H2SO4==3Br2+3Na2SO4+3H2O

   5NaBr+NaBrO3+3CO2==3Br2+3Na2CO3

   NH4Cl+NaNO2==NaCl+N2↑+2H2O

   6NO+4NH3==5N2+6H2O      

   6NO2+8NH3==7N2+12H2O等。

   案例2：

学会用水解反应规律类比学习其他水解反应。

   高中化学中涉及水解反应的知识甚多，其水解的本质是反应物中正电性原子或原子团、负电性原子或原子团分别与水中OH－、H+（或水分子中羟基原子团、氢原子）等价交换的反应。

一般可用通式表示为：

X－Y+H－OH→HY+XOH。

借此水解规律可全面类比掌握各类物质水解反应。

如：

   盐的水解：

AlCl3+3H2O

Al（OH）3+3HCl

   Na2CO3+H2O

NaHCO3+NaOH

   FeCl3+3H2O

Fe（OH）3（胶体）+3HCl

   SnCl2+H2O==Sn（OH）Cl↓+HCl

   MgCl2·6H2O

MgO+2HCl↑+5H2O↑

   非金属氯化物水解：

BCl3+3H2O==H3BO3↓+3HCl

   SiCl4+3H2O==H2SiO3↓+4HCl↑（注意：

SiHCl3水解例外）

   PCl3+3H2O==H3PO3+3HCl（注意：

NCl3水解例外）

   PCl5+4H2O==H3PO4+5HCl

   金属氮化物水解：

Mg3N2+6H2O==3Mg（OH）2+2NH3↑

   AlN+3H2O+OH－==[Al（OH）4]－+NH3↑

   金属碳化物水解：

CaC2+2H2O==Ca（OH）2+C2H2↑

   Al4C3+12H2O==4Al（OH）3+3CH4↑

   Mg2C3+12H2O==2Mg（OH）2+C3H4↑

   金属氢化物水解：

NaH+H2O==NaOH+H2↑

   CaH2+2H2O==Ca（OH）2+2H2↑

   卤素、卤素互化物、拟卤素水解：

Cl2+H2O==HCl+HClO

   ICl+H2O==HIO+HCl

   IBr+H2O==HIO+HBr

   ICl3+3H2O==H3IO3+3HCl；

   IF5+3H2O==HIO5+5HF

   （CN）2+H2O==HCN+HCNO

   （SCN）2+H2O==HSCN+HSCNO

   其他物质水解：

SOCl2+H2O==SO2↑+2HCl↑

   B2H6+6H2O==2H3BO3+6H2

   卤代烃水解：

CH3CH2Br+H2O

CH3CH2OH+HBr

   酯类水解：

CH3COOCH2CH3+H2O

CH3COOH+CH3CH2OH

   现场体验：

写出以下反应的有关化学方程式：

   ①将少量二氧化硫气体通入漂白粉溶液中，会生成沉淀。

写出反应的化学方程式。

   ②已知H2CO3电离常数：

K1=4.30×l0－7，K2=5.61×10－11；HCN电离常数：

K=4.9×10－10。

向NaCN溶液中通入少量CO2气体，写出所发生反应的化学方程式。

   ③已知NCl3遇水可生成一种具有漂白性的化合物，试写出反应的化学方程式。

   ④SiHCl3和SiCl4一样，遇水可发生剧烈水解，已知SiHCl3水解会生成两种气态产物，试写出其水解的化学方程式。

   解析：

①此反应容易类比CO2气体通入漂白粉溶液中生成CaCO3沉淀而失误：

Ca（ClO）2+SO2+H2O==CaSO3↓+2HClO；失误原因：

ClO－离子具有强氧化性可将还原性气体SO2氧化生成CaSO4。

因此，必须按氧化还原反应规律类比书写：

Ca（ClO）2+SO2+