認(rèn)知沖突螺旋上升

施小萍

[摘 要] 溶液中的平衡是相互影響的，從電離平衡和水解平衡的角度再認(rèn)識碳酸氫鈉溶液，得到三個與原有認(rèn)知沖突的結(jié)論，并通過設(shè)置認(rèn)知沖突，展開課堂教學(xué)，消除二輪復(fù)習(xí)中的盲點(diǎn)和疑點(diǎn)。

[關(guān)鍵詞] 電離平衡；水解平衡；碳酸氫鈉溶液；認(rèn)知沖突；課堂教學(xué)

“等濃度的NaHCO3溶液pH大于等濃度的CH3COONa溶液”這一觀點(diǎn)在中學(xué)化學(xué)中似乎已經(jīng)成為定論，但我們在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)并非如此。我們經(jīng)探究得出了三個有悖于原有認(rèn)知的結(jié)論：①等濃度的NaHCO3溶液pH小于等濃度的 CH3COONa溶液②NaHCO3溶液中CO32-、OH-離子濃度大小關(guān)系：c（CO32-）>c（OH-）③常溫下0.1mol/LNaHCO3溶液與等體積等濃度的BaCl2溶液混合會生成BaCO3沉淀。我們通過設(shè)置有關(guān)這三個結(jié)論的認(rèn)知沖突，展開課堂教學(xué)，消除學(xué)習(xí)過程中的盲點(diǎn)，構(gòu)建新的認(rèn)知。

一、等濃度的NaHCO3溶液和CH3COONa溶液pH大小問題

（一）問題發(fā)現(xiàn)

2015年浙江某地區(qū)高三二?？荚囍谐尸F(xiàn)了如下這組數(shù)據(jù)：已知在常溫下測得如下6種0.1mol/L溶液的PH（見下表）這組數(shù)據(jù)可謂是一石激起千層浪。而有關(guān)等濃度的NaHCO3溶液和CH3COONa溶液pH比較的問題，在各地模擬考以及高考試題中均有涉及。我們懷著尊重科學(xué)，尊重客觀事實(shí)的態(tài)度對這一問題進(jìn)行了深入研究。

（二）質(zhì)疑階段

帶著疑問我們查閱了很多資料，結(jié)果發(fā)現(xiàn)高中階段的教輔資料，像學(xué)生常用的《5年高考3年模擬》《步步高》等資料中顯示的都是等濃度的NaHCO3溶液pH大于等濃度的CH3COONa溶液，更有資料中將上述表格中8.3和8.8兩個數(shù)據(jù)交換了位置，顯然認(rèn)為上表中的數(shù)據(jù)是錯誤的。而檢索中國知網(wǎng)發(fā)現(xiàn)中學(xué)化學(xué)的常見核心期刊《化學(xué)教學(xué)》《中學(xué)化學(xué)教學(xué)參考》，有論文認(rèn)為等濃度的NaHCO3溶液pH小于等濃度的 CH3COONa溶液[1]?？傊f法不一而同。

（三）實(shí)驗(yàn)探究

事實(shí)是檢驗(yàn)真理的唯一的標(biāo)準(zhǔn)，而化學(xué)實(shí)驗(yàn)的現(xiàn)象便是化學(xué)學(xué)科獨(dú)有的事實(shí)，我們決定發(fā)揮化學(xué)實(shí)驗(yàn)的強(qiáng)大功能，展開科學(xué)探究，用數(shù)據(jù)說話。我們用pH計(jì)分別測定0.1mol/LNaHCO3溶液、0.1mol/LCH3COONa溶液的PH值，經(jīng)多次測量顯示0.1mol/LNaHCO3溶液pH=8.28，0.1mol/LCH3COONa溶液pH=8.96。由此可見眾多中學(xué)教輔資料上的數(shù)據(jù)是錯誤的。

（四）理論分析

碳酸氫鈉溶液中存在的平衡：

H2O ? H+ +OH-K①=1.0×10-14

HCO3- ? H+ +CO32- K②=5.6×10-11

HCO3- +H2O ? OH- +H2CO3 K③=2.3×10-8

原先認(rèn)為等濃度的NaHCO3溶液pH大于等濃度的CH3COONa溶液，是做這樣的分析而得出：CH3COOH的酸性強(qiáng)于H2CO3，所以CH3COONa的水解程度小于NaHCO3的水解程度，等濃度的鹽溶液水解程度大的，溶液堿性越強(qiáng)。而實(shí)際上受HCO3-電離的影響，電離產(chǎn)生的H+中和了水解產(chǎn)生的OH-，使OH-離子濃度減小，pH減弱，因此等濃度的NaHCO3溶液pH小于等濃度的CH3COONa溶液。由此可見HCO3-的電離和水解是相互影響，相互促進(jìn)的，只考慮電離或者水解都是不夠全面、不夠嚴(yán)謹(jǐn)?shù)摹?/p>

二、NaHCO3溶液中離子濃度大小問題

在中學(xué)化學(xué)常見的碳酸氫鈉溶液中離子濃度大小關(guān)系排序是：c（Na+）>c（HCO3-）>c（OH-）>c（H+）>c（CO32-）。這種結(jié)論出現(xiàn)的原因還是認(rèn)為NaHCO3溶液中HCO3-水解是最主要的平衡，水解產(chǎn)生的c（OH-）相對較大，而忽略了HCO3-電離帶來的影響。實(shí)際上電離產(chǎn)生的H+中和了水解產(chǎn)生的OH-，使平衡②、③平衡正向移動，HCO3-的電離和水解程度都增大。用方程疊加的方法處理方程①②③可得下列新方程，并經(jīng)計(jì)算得出方程④的平衡常數(shù)：

HCO3-+HCO3-? CO32-+ H2CO3 K④=K②.K③/K①=1.3×10-4

從平衡常數(shù)可以看出④式HCO3-的自偶電離是碳酸氫鈉溶液中進(jìn)行程度最大的反應(yīng)，根據(jù)濃度相等時，進(jìn)行程度越大，所得離子濃度越大的原則，推導(dǎo)得出結(jié)論，碳酸氫鈉溶液中離子濃度大小關(guān)系是：c（Na+）>c（HCO3-）>c（CO32-）>c（OH-）>c（H+）

關(guān)于NaHCO3溶液中c（CO32-）>c（OH-）這一新的結(jié)論，我們也用數(shù)據(jù)計(jì)算的方法得到了證實(shí)。下圖是碳酸氫鈉在不同pH環(huán)境下它們不同形態(tài)的粒子的組成百分率圖像：

由圖可知，Ka2=c（CO32-）×c（H+）/c（HCO3-）=10-10.25，當(dāng)pH=8.25時溶液中 c（HCO3-）/ c（CO32-）=100。0.1mol/LNaHCO3溶液中，c（HCO3-）≈0.1mol/L，則 c（CO32-）=10-3 mol/L， c（OH-）=10-5.75 mol/L，從數(shù)據(jù)計(jì)算的角度再一次說明NaHCO3溶液中的確是c（CO32-）>c（OH-）。

三、0.1mol/LNaHCO3溶液中滴加等濃度BaCl2溶液能否產(chǎn)生沉淀問題

經(jīng)上述計(jì)算得出：0.1mol/LNaHCO3溶液中，c（CO32-）=10-3mol/L，這相當(dāng)于濃度稍微小一點(diǎn)的碳酸鈉溶液中的CO32-的濃度，那么往0.1mol/LNaHCO3溶液滴加BaCl2溶液，能否生成沉淀呢？我們做了如下實(shí)驗(yàn)：0.1mol·L-1BaCl2溶液與0.1mol·L-1NaHCO3溶液等體積混合，先有少量白色沉淀，無氣泡，久置沉淀量變多，并有少量氣泡產(chǎn)生。0.1mol/LNaHCO3溶液中c（CO32-）=10-3 mol/L，加入等體積等濃度BaCl2溶液，Qc= c（CO32-）×c（Ba2+）=0.5×10-3×0.05=2.5×10-5， ksp（BaCO3）=2.58×10-9 ，Qc大于ksp（BaCO3），能產(chǎn)生沉淀。由于CO32-、Ba2+的濃度都較小，所以一開始沉淀的量也較少。隨著CO32-濃度的減小，自偶電離平衡正向移動，不斷生成沉淀，溶液中H2CO3濃度增大，最終能觀察到少量氣泡。反應(yīng)的離子方程式為：Ba2++2 HCO3-= BaCO3↓+ H2CO3。經(jīng)計(jì)算可得該離子反應(yīng)的平衡常數(shù)：

由此可見的確存在產(chǎn)生沉淀的可能性。

四、有關(guān)碳酸氫鈉溶液研究結(jié)果在課堂教學(xué)中的應(yīng)用

教學(xué)研究最終是為實(shí)際的課堂教學(xué)服務(wù)的，應(yīng)該對課堂教學(xué)有裨益。這三個結(jié)論也是學(xué)生在長期的學(xué)習(xí)過程中形成的思維定勢，我們以此為切入點(diǎn)，通過設(shè)計(jì)符合學(xué)生認(rèn)知規(guī)律的教學(xué)環(huán)節(jié)，將這一研究成果應(yīng)用于課堂教學(xué)，并在2016年市級高考化學(xué)復(fù)習(xí)研討會活動中做了公開展示，在高三二輪復(fù)習(xí)中如何消除學(xué)生的思維定勢，突破教學(xué)中的盲點(diǎn)和疑點(diǎn)等方面起了示范引領(lǐng)的作用?，F(xiàn)將課堂教學(xué)過程摘要如下：

環(huán)節(jié)一：神奇功效的“蘇打水”

【情境創(chuàng)設(shè)】投影蘇打水、蘇打片的商標(biāo)，顯示成分為碳酸氫鈉

【設(shè)計(jì)說明】從生活實(shí)際引入話題：從平衡角度再認(rèn)識碳酸氫鈉溶液。蘇打的成分是碳酸鈉，為什么商標(biāo)顯示的是碳酸氫鈉，這究竟是生活中的習(xí)慣性錯誤，還是另有玄機(jī)，利用第一次認(rèn)知沖突激起學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

環(huán)節(jié)二：知識重現(xiàn) 碳酸氫鈉溶液有關(guān)知識的判斷

【提供素材】

1.已知Ka（CH3COOH）=1.8×10-5 Ka1（H2CO3）=4.3×10-7 Ka2（H2CO3）=5.6×10-11

2.問題一：

常溫下，濃度均為0.1mol/L的NaHCO3與CH3COONa溶液pH誰大？請說明判斷理由。

常溫下，0.1mol/LNaHCO3溶液中離子濃度大小順序，請說明判斷理由。

判斷常溫下0.1mol/LNaHCO3溶液與等體積等濃度的BaCl2溶液混合會不會生成BaCO3沉淀？若不能說明理由，若能請寫出離子方程式。

3.演示實(shí)驗(yàn)：用pH計(jì)測定0.1mol/LNaHCO3溶液、CH3COONa溶液的pH

【活動設(shè)計(jì)】

【設(shè)計(jì)說明】有關(guān)碳酸氫鈉溶液性質(zhì)的這三個問題對學(xué)生來講是輕車熟路的，很快得出結(jié)論，當(dāng)然學(xué)生的結(jié)論幾乎全軍覆沒。pH值測量數(shù)據(jù)和學(xué)生原有認(rèn)知產(chǎn)生第二次沖突，在這種“認(rèn)知失衡”中，學(xué)生會有保持認(rèn)知平衡的傾向，主動分析出可能是忽略了HCO3-的電離問題，找到問題的關(guān)鍵所在。實(shí)驗(yàn)的設(shè)置方面由于pH計(jì)測量溶液的pH值時，數(shù)據(jù)穩(wěn)定需要比較長的時間，不利于課堂演示，因此事先錄制成視頻，課堂內(nèi)播放。

環(huán)節(jié)三：知識疑惑與矛盾 根據(jù)平衡發(fā)生程度比較碳酸氫鈉溶液中離子濃度

【提供素材】1.碳酸氫鈉溶液中存在的平衡：

①H2O ? H+ +OH- K①=1.0×10-14

②HCO3- ? H+ +CO32- K②=5.6×10-11

③ HCO3- +H2O ? OH- +H2CO3 K③=2.3×10-8

2.實(shí)驗(yàn)演示：25℃ 0.1mol·L-1BaCl2溶液與0.1mol·L-1NaHCO3溶液等體積混合，產(chǎn)生白色渾濁。

【活動設(shè)計(jì)】

【設(shè)計(jì)說明】有了環(huán)節(jié)二中等濃度的碳酸氫鈉溶液pH小于醋酸鈉溶液的原因分析，只要稍加引導(dǎo)，學(xué)生便能自行得出HCO3- + HCO3- ? CO32-+ H2CO3 K④= 1.3×10-4 ，從而明確碳酸氫鈉溶液中離子濃度大小問題，這是和學(xué)生原有認(rèn)知的第三次沖突。第三次認(rèn)知沖突的解決也是水到渠成的事情，符合學(xué)生的螺旋式上升的認(rèn)知規(guī)律。既然平衡的相互影響促使CO32-的增大，那么有沒有可能和氯化鋇溶液反應(yīng)產(chǎn)生沉淀也是自然會有的聯(lián)想。實(shí)驗(yàn)的結(jié)果和學(xué)生原有的認(rèn)識產(chǎn)生第四次沖突。這一認(rèn)知沖突在問題情境3的平衡常數(shù)的計(jì)算時得到理論上的解釋。學(xué)生呈現(xiàn)的錯誤的離子方程有：

①CO32-+Ba2+ =BaCO3↓

②2HCO3- +Ba2+ =BaCO3+H2O+CO2↑

③HCO3- +Ba2+ =BaCO3+H+

這充分暴露了學(xué)生的思維上存在的遺漏：①沒有考慮溶液中實(shí)際大量存在的離子參加反應(yīng)②實(shí)驗(yàn)過程中沒有看到明顯的氣泡③強(qiáng)酸制備弱酸的基本原則。問題情境3很好地鞏固了離子方程式書寫的基本原則，落實(shí)了基礎(chǔ)知識。

環(huán)節(jié)四：學(xué)以致用 利用圖像練習(xí)題總結(jié)本節(jié)課的三個問題。

【提供素材】碳酸氫鈉溶液中不同pH環(huán)境下，不同粒子組成百分率圖像

【活動設(shè)計(jì)】

【設(shè)計(jì)說明】利用圖像練習(xí)題總結(jié)本節(jié)課的三個問題，落實(shí)平衡常數(shù)的計(jì)算等基礎(chǔ)知識，同時從計(jì)算所得數(shù)據(jù)上直觀認(rèn)識碳酸氫鈉溶液中離子濃度大小關(guān)系，強(qiáng)化了本節(jié)課得出的三個新的結(jié)論：

環(huán)節(jié)五：本節(jié)課的疑惑和收獲

【設(shè)計(jì)說明】由于這節(jié)課所得的結(jié)論和學(xué)生原有的認(rèn)知是完全相反的，學(xué)生不免有這樣的疑慮：考試怎么辦？我們的原則是：實(shí)事求是，尊重科學(xué)，尊重客觀事實(shí)，相信高考題也是不會有科學(xué)性問題的。給學(xué)生一顆定心丸，解除學(xué)生的疑慮。

五、總結(jié)與反思

（一）研究過程

我們經(jīng)歷了：發(fā)現(xiàn)問題→問題質(zhì)疑→查閱資料→實(shí)驗(yàn)測定→理論分析→數(shù)據(jù)分析→得到結(jié)論等一系列過程，以實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象為依據(jù)，以理論分析為推手，將問題層層深入，符合科學(xué)探究的一般過程。

在研究過程中，我們的最初設(shè)想是通過實(shí)驗(yàn)的方法直接測定碳酸氫鈉溶液中碳酸根離子的濃度，但是由于現(xiàn)有設(shè)備的限制，沒有直接用于測定碳酸根離子濃度的傳感器等手持技術(shù)，因此未能直接測得數(shù)據(jù)，而是間接采用數(shù)據(jù)計(jì)算理論推導(dǎo)的方式來解決論題。

我們研究過程中所用溶液均采用0.1mol/L，主要是考慮課堂演示實(shí)驗(yàn)有比較明顯的現(xiàn)象。而實(shí)際上由于NaHCO3溶液本身是緩沖溶液，隨著溶液濃度的變化，溶液pH變化幅度NaHCO3溶液要小于CH3COONa溶液，這一問題我們未展開更深入的研究[2]。

（二）教學(xué)過程

本節(jié)課課堂教學(xué)設(shè)計(jì)緊緊圍繞學(xué)生原有三個錯誤認(rèn)知展開，通過五個環(huán)節(jié)的活動，兩個實(shí)驗(yàn)的探究，六個問題的解決，理論聯(lián)系實(shí)際，消除學(xué)生的思維定勢。同時讓學(xué)生體驗(yàn)了科學(xué)探究的過程，學(xué)習(xí)了科學(xué)研究的基本方法，加深了對科學(xué)本質(zhì)的認(rèn)識，有利于學(xué)生形成科學(xué)的自然觀和嚴(yán)謹(jǐn)求實(shí)的科學(xué)態(tài)度。

在這三個問題上學(xué)生幾乎無一例外地出現(xiàn)了錯誤，這和長期的作業(yè)的鞏固訓(xùn)練形成慣性思維定勢有很大關(guān)系。相信在新課剛剛接觸溶液中的平衡時，學(xué)生對這樣的問題是會有各種想法、心存疑慮的，但是到了高三二輪復(fù)習(xí)的時候卻眾口一詞了。因此教師在教學(xué)過程中既要讓學(xué)生學(xué)會思考問題的基本方法，但是又不能扼殺了學(xué)生的靈感，澆滅學(xué)生智慧的火花，要防止學(xué)生思維的僵化，這兩者之間的平衡是教師需要斟酌和把握的，也是教學(xué)過程中的難點(diǎn)所在。

（三）疑慮之處

研究過程發(fā)現(xiàn)各種弱酸溶液中不同pH環(huán)境下，不同粒子組成百分率圖像都是沒有顯示酸的濃度的，可見粒子組成百分率和溶液濃度沒有大的聯(lián)系。這是因?yàn)橐话愕暮跛嵊袣滏I的影響，還是像碳酸氫鈉這樣溶液本身能形成緩沖體系有關(guān)，我們還沒得到證實(shí)。

六、結(jié)束語

從平衡角度再一次認(rèn)識碳酸氫鈉溶液，無論是教師的研究過程、教學(xué)過程，還是學(xué)生的學(xué)習(xí)過程，對這樣心存疑慮的問題，通過實(shí)驗(yàn)探究、理論分析去解決問題的方法，是值得我們?nèi)プ龈嗟膰L試的，嘗試的過程便是學(xué)習(xí)的過程，是科學(xué)研究的過程，是享受化學(xué)帶來愉悅的過程。

[參 考 文 獻(xiàn)]

[1]吳正帥，任志斌.等濃度的NaHCO3溶液和CH3COONa溶液pH比較[J].中學(xué)化學(xué)，2014（6）.

[2]謝雕，唐婭.等濃度的NaHCO3溶液和CH3COONa溶液pH比較研究[J].化學(xué)教與學(xué)，2016（2）.

（責(zé)任編輯：張華偉）