基于證據(jù)探究的“沉淀溶解平衡”教學(xué)研究

丁浩

摘要：沉淀溶解平衡是難溶電解質(zhì)在水中的一種表現(xiàn)行為，教學(xué)過程中基于實(shí)驗(yàn)事實(shí)的定性判斷和基于溶度積常數(shù)的定量計(jì)算，從宏觀的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象出發(fā)思考微觀粒子的表現(xiàn)，進(jìn)而在微觀層次上認(rèn)識(shí)難溶物的溶解性，進(jìn)一步幫助學(xué)生建構(gòu)微粒觀和平衡觀。同時(shí)結(jié)合溶度積常數(shù)定量計(jì)算相關(guān)離子濃度，并從影響改變相關(guān)微粒濃度的角度判斷沉淀溶解平衡移動(dòng)的方向，為學(xué)生的化學(xué)學(xué)習(xí)提供證據(jù)收集及分析的范式。

關(guān)鍵詞：難溶電解質(zhì);溶解平衡;溶度積常數(shù);證據(jù)探究

文章編號(hào)：1008-0546（2020）02-0028-04 中圖分類號(hào)：G632.41 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2020.02.009

“沉淀溶解平衡”是《化學(xué)反應(yīng)原理》教材中繼化學(xué)平衡、電離平衡和水解平衡之后的又一平衡，本單元中涉及三部分內(nèi)容：認(rèn)識(shí)溶解平衡和溶度積常數(shù)，平衡的移動(dòng)（溶解和沉淀）以及沉淀的相互轉(zhuǎn)化。由于“沉淀”溶解的量很少，所以“沉淀溶解平衡”體系中的離子濃度均很小，如何定量地描述相應(yīng)的離子？“沉淀”的溶解過程和沉淀過程是如何建立平衡？這些問題都比較抽象，需要有看得見的事實(shí)或準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)作為證據(jù)支撐，幫助學(xué)生理解和接受沉淀溶解平衡。

“沉淀溶解平衡”的學(xué)習(xí)可以進(jìn)一步幫助學(xué)生建構(gòu)和完善平衡觀和微粒觀等化學(xué)觀念，學(xué)生通過本節(jié)內(nèi)容的學(xué)習(xí)充分認(rèn)識(shí)到“沉淀”在水中既溶解又沉淀的行為同樣滿足“化學(xué)平衡移動(dòng)原理”，從而基于微粒觀和平衡觀將“四大平衡”貫通整合，將前后化學(xué)知識(shí)串聯(lián)起來形成知識(shí)鏈。筆者在課堂上通過有趣的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行定性判斷以及豐富的數(shù)據(jù)進(jìn)行定量計(jì)算，從這兩個(gè)角度分析“沉淀溶解平衡”中沉淀的生成、溶解和轉(zhuǎn)化等問題，通過充分的證據(jù)幫助學(xué)生掌握和運(yùn)用沉淀溶解平衡的知識(shí)。

一、落實(shí)化學(xué)核心素養(yǎng)，基于課程標(biāo)準(zhǔn)厘清課時(shí)學(xué)習(xí)目標(biāo)

沉淀溶解平衡集中體現(xiàn)了平衡觀和微粒觀這兩種核心觀念。沉淀溶解平衡的建立、移動(dòng)可以圍繞和運(yùn)用化學(xué)平衡的相關(guān)知識(shí)進(jìn)行教學(xué)，沉淀溶解平衡與其他平衡相比較，其特征是相關(guān)離子濃度很小，需要結(jié)合實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象定性分析，基于“宏觀辨識(shí)”進(jìn)而“微觀探析”，所以教學(xué)過程中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究就顯得尤為重要。

依據(jù)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017版），本單元重點(diǎn)要結(jié)合微粒觀和平衡觀培養(yǎng)學(xué)生的平衡思想和證據(jù)意識(shí)，學(xué)習(xí)過程中主要結(jié)合實(shí)驗(yàn)證據(jù)、數(shù)據(jù)推理培養(yǎng)學(xué)生解決問題的學(xué)科能力和踏實(shí)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)淖鋈似犯瘛＞唧w而言，本節(jié)課擬定如下五個(gè)學(xué)習(xí)目標(biāo)。

1.探究鎂與水反應(yīng)得到溶液的酸堿性，從微粒角度分析溶液呈堿性的緣由，引發(fā)學(xué)生對(duì)難溶物溶解性再思考。

2.熟悉溶度積常數(shù)的表達(dá)式，運(yùn)用溶度積常數(shù)定量計(jì)算達(dá)到平衡時(shí)相關(guān)離子濃度，以及判斷未達(dá)到平衡時(shí)的移動(dòng)方向。

3.運(yùn)用Ksp定量計(jì)算金屬離子開始沉淀和沉淀完全時(shí)的pH值，明了不同金屬離子生成氫氧化物的pH值是不同的和pH值的大小直接影響金屬離子濃度大小。

4.以除去銅鹽溶液中的Fe³⁺和Fe²⁺為例，運(yùn)用“加入NaOH”和“某些含銅化合物”兩種方法調(diào)節(jié)pH值的方法來除去雜質(zhì)離子。

5.運(yùn)用沉淀溶解平衡分析“含氟牙膏”“鋇餐”的安全性，培養(yǎng)學(xué)生化學(xué)品使用的安全意識(shí)，對(duì)社會(huì)熱點(diǎn)問題進(jìn)行理性判斷的能力。

二、設(shè)計(jì)系列實(shí)驗(yàn)，基于實(shí)驗(yàn)證據(jù)佐證定性分析

化學(xué)實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蛱峁┳钪苯拥淖C據(jù)，通過實(shí)驗(yàn)?zāi)軌虬押暧^現(xiàn)象和微觀粒子的行為結(jié)合起來，本節(jié)課結(jié)合學(xué)習(xí)內(nèi)容和目標(biāo)設(shè)計(jì)了三個(gè)探究性實(shí)驗(yàn)，用于佐證溶解平衡的存在和移動(dòng)。

1.尋找沉淀溶解平衡存在的證據(jù)，辯證看待難溶的相對(duì)性

【探究實(shí)驗(yàn)1】向滴有酚酞的蒸餾水中加入鎂條（表面用砂皮除去氧化物），觀察現(xiàn)象。

實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：一開始沒有明顯現(xiàn)象;溶液逐漸變紅，同時(shí)有少量無色氣泡產(chǎn)生。

蘇教版“化學(xué)反應(yīng)原理”87頁上中運(yùn)用向難溶物質(zhì)Pbl2加入水中得到的上層清液中滴加AgNO3溶液，得到黃色沉淀（AgI），說明難溶物質(zhì)存在一定量的溶解。由于沒有經(jīng)過過濾，學(xué)生難免會(huì)存在“是不是得到的上層清液中有少量的Pbl2（即PbI2沒有完全沉降下來）”的疑問，筆者教學(xué)中運(yùn)用鎂與水這個(gè)熟悉的反應(yīng)，滴有酚酞的蒸餾水慢慢變紅色，證明了溶液呈堿性，而堿性是由Mg（OH）2部分溶解引出沉淀溶解平衡，為學(xué)生提供了直觀的證據(jù)，學(xué)生更容易認(rèn)同和接受，便于學(xué)生理解和掌握沉淀溶解平衡概念。

2.對(duì)教材沉淀轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)的變式探究，準(zhǔn)確理解難溶物轉(zhuǎn)化的原因

【探究實(shí)驗(yàn)2】蘇教版“化學(xué)反應(yīng)原理”90頁運(yùn)用沉淀“AgCI→AgI→Ag2S”轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)。筆者將藥品加入順序改為向AgN03溶液中滴加NaCl溶液，再先后滴加KI溶液和Na2S溶液，同樣觀察到“白色沉淀一黃色沉淀一黑色沉淀”，然后引導(dǎo)學(xué)生思考能不能說明沉淀發(fā)生了轉(zhuǎn)化？

教材實(shí)驗(yàn)“向NaCl溶液中滴加AgNO3溶液，再先后滴加KI溶液和Na2S溶液”，通過實(shí)驗(yàn)說明Ksp較大的沉淀可以轉(zhuǎn)化為ksp較小的沉淀。探究實(shí)驗(yàn)2是教材實(shí)驗(yàn)的變式，由于AgNO3過量，使得后續(xù)滴加試劑過程中還有大量的AgNO3存在，后續(xù)出現(xiàn)的黃色沉淀和黑色沉淀也可以是過量的Ag+與后續(xù)加入的I-和S2-發(fā)生反應(yīng)生成的沉淀。此舉增加了學(xué)生辨識(shí)能力和加深了對(duì)沉淀轉(zhuǎn)化實(shí)質(zhì)是沉淀溶解平衡中產(chǎn)生的少量離子發(fā)生進(jìn)一步反應(yīng)而導(dǎo)致的。通過實(shí)驗(yàn)和問題的變式訓(xùn)練，讓學(xué)生能夠真正認(rèn)識(shí)科學(xué)的嚴(yán)謹(jǐn)性，從學(xué)知識(shí)——做學(xué)問——學(xué)做人的遞進(jìn)，凸顯化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的育人功能。

3.從難溶物的溶解實(shí)驗(yàn)出發(fā)，定量分析沉淀溶解的原因

【實(shí)驗(yàn)探究3】

（1）向MgCl2溶液中滴加少量的稀氨水，產(chǎn)生白色沉淀;

（2）向得到的Mg（OH）2懸濁液中滴加濃NH4C1溶液，發(fā)現(xiàn)沉淀逐漸溶解。

分析實(shí)驗(yàn)（2）原因：Mg（OH）：溶解可能途徑有兩個(gè)：一是加入的NH4Cl電離產(chǎn)生的NH4⁺與OH-結(jié)合，使得溶液中OH-減少，促使平衡正向移動(dòng)（即沉淀不斷溶解）;二是NH4⁺水解產(chǎn)生的H⁺與Mg（OH）2電離產(chǎn)生的OH-結(jié)合，使平衡正向移動(dòng)（即沉淀不斷溶解）。粗略估算如下：

根據(jù)25℃時(shí)，一水合氨的電離常數(shù)為1.8x10^-5，得到兩途徑的平衡常數(shù)，可以發(fā)現(xiàn)途徑一進(jìn)行的程度遠(yuǎn)大于途徑二，可以認(rèn)為Mg（OH）2溶解是由于NH4Cl電離產(chǎn)生的NH4⁺與OH-結(jié)合生成弱電解質(zhì)NH3·H2O，使得溶液中OH^-減少，促使Mg（OH）2的溶解。

三、充分利用溶度積常數(shù)，通過計(jì)算提供定量證據(jù)

沉淀溶解平衡的移動(dòng)涉及定性的問題，其實(shí)質(zhì)是定量問題，因?yàn)槿芏确e常數(shù)描述了平衡狀態(tài)下離子濃度的大小關(guān)系，故可以根據(jù)溶度積和離子積的大小比較判斷平衡移動(dòng)的方向，定量數(shù)據(jù)是最直接的證據(jù)，與定性判斷互相印證。

（2）通過計(jì)算判斷Fe³⁺和CU²⁺完全沉淀的pH？

（3）加NaOH固體調(diào)節(jié)溶液pH值使Fe³⁺完全沉淀而Cu²⁺不沉淀，應(yīng)控制的pH范圍？

（4）能否加入其它堿，調(diào)節(jié)pH值，除去Fe3～而不引入新的雜質(zhì)離子？

該問題組的四個(gè)小問題是層層遞進(jìn)，（1）～（3）是從單一金屬離子開始沉淀、完全沉淀的pH的控制到多讓某種金屬離子完全沉淀，而另一種金屬離子不受影響的pH的控制，解決任務(wù)的難度逐步加大。

具體來說，（1）、（2）讓學(xué)生熟練運(yùn)用溶度積常數(shù)進(jìn)行離子濃度的計(jì)算。學(xué)生在（1）中了解到金屬陽離子沉淀是與溶液中的OH-濃度（即溶液的pH值）有關(guān)，不同金屬陽離子的開始沉淀有先后順序的;在（2）中了解到金屬陽離子沉淀完全所需要的溶液的pH值也是不一樣的，不同金屬陽離子完全沉淀也有先后順序。

問題（3）是在（1）、（2）基礎(chǔ)上，用NaOH調(diào)節(jié)pH值除雜。之所以加入NaOH固體，一是為了區(qū)別于后續(xù)的含Cu²⁺溶液（混有Fe³⁺）中通過加入cu（OH）2（或其它含銅化合物）除去Fe³⁺;另外加入固體，對(duì)溶液的體積影響可以忽略，減小了計(jì)算難度。

問題（4）區(qū)別于（3），通過加入NaOH的方法可以使Fe³⁺生成Fe（OH）3而除去，但是有兩個(gè)缺點(diǎn)：一是NaOH堿性較強(qiáng)，過量容易導(dǎo)致Cu²⁺生成cu（OH）2沉淀而損失部分目標(biāo)產(chǎn)物;二是引入了新的雜質(zhì)Na+。加入Cu（OH）2，可以與溶液中的H⁺反應(yīng)，Cu（OH）²⁺2H⁺=Cu²⁺+2H2O，使得溶液pH值增大，使Fe³⁺生成Fe（OH），而除去，同時(shí)不引入新的雜質(zhì)，過量的Cu（OH）²可以和Fe（OH）3一起通過過濾而除去（流程見圖1）。同樣的能夠與H⁺反應(yīng)的銅的化合物如CuO、Cu2（OH）2CO3、CuCO，也有同樣的作用。

【問題解決2】已知Fe（OH）3、cu（OH）2、Fe（OH）2完全沉淀的pH值分別為：3.2、6.7和9.7，試討論除去CuClz溶液中混有Fe²⁺的方法。

根據(jù)提供的三種氫氧化物完全沉淀的pH值，發(fā)現(xiàn)直接加入NaOH調(diào)節(jié)pH值，在pH=6.7時(shí)Cu²⁺已經(jīng)完全沉淀而Fe²⁺未完全沉淀。引導(dǎo)學(xué)生思考Cu²⁺中混有Fe³⁺和Fe²⁺時(shí)為什么直接加入堿調(diào)節(jié)pH的效果不一樣？從而得出可以先把Fe²⁺氧化為Fe³⁺再調(diào)節(jié)溶液pH值除去雜質(zhì)（流程見圖2）。

通過變式訓(xùn)練，讓學(xué)生了解不同離子完全沉淀的pH值不同，同時(shí)根據(jù)不同離子的性質(zhì)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)化，并且引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注除雜過程中不能引入新的雜質(zhì)離子的原則。

本題中定量計(jì)算主要在兩個(gè)部分：一是Cu²⁺（Fe³⁺）除雜，通過計(jì)算得到兩種離子開始沉淀和完全沉淀的pH值，得到只要控制pH值就可以使得Fe3+完全沉淀而Cu2+不沉淀;變式一是Cu2+（Fe²⁺）除雜，由于氫氧化亞鐵和氫氧化銅的沉淀的pH值有交叉，所以不能直接用調(diào)節(jié)pH值的方法，應(yīng)先將Fe²⁺氧化為Fe³⁺，再調(diào)節(jié)pH值生成Fe（OH）3而除去;變式二是采用含銅化合物（區(qū)別于氫氧化鈉）與H⁺反應(yīng)調(diào)節(jié)pH值而將Fe³⁺除去的方法。

【問題解決3】通過計(jì)算說明可以由Ksp較小的沉淀轉(zhuǎn)化為ksp較大的沉淀，BaSO4+CO3^2-=BaCO3+SO4^2-，列出平衡常數(shù)的表達(dá)式，得到可以用兩種沉淀的溶度積相比得到濃度關(guān)系。[Ksp（BaSO4）=1×10^-10，Ksp（BaCO3）=2.5x10^-9]

學(xué)生對(duì)硫酸鋇和碳酸鋇的相互轉(zhuǎn)化問題，由于碳酸鋇溶度積比硫酸鋇大，由碳酸鋇轉(zhuǎn)化為硫酸鋇比較容易理解;而硫酸鋇轉(zhuǎn)化為碳酸鋇就比較難理解，結(jié)合溶度積常數(shù)，列出平衡BaSO4+CO3^2-=BaCO3+sO4^2-平衡常數(shù)表達(dá)式：

從上述沉淀轉(zhuǎn)化中，讓學(xué)生明確當(dāng)兩種難溶物的溶度積相差不大時(shí)，也可以實(shí)現(xiàn)溶度積小的難溶物轉(zhuǎn)化為溶度積大的另一種難溶物。在教學(xué)中，對(duì)于化學(xué)基礎(chǔ)比較好的同學(xué)可以請(qǐng)同學(xué)通過計(jì)算判斷“向AgBr飽和溶液中滴加Nacl溶液，能不能將AgBr轉(zhuǎn)化為AgCl？”

四、緊密結(jié)合生活，培養(yǎng)學(xué)生基于證據(jù)的理性分析能力

學(xué)習(xí)過程中從生活中的例子出發(fā)，再將習(xí)得的知識(shí)運(yùn)用到生活中，不僅能夠激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，同時(shí)又鞏固了知識(shí)，更能夠讓學(xué)生感到知識(shí)的價(jià)值和學(xué)習(xí)的樂趣。教學(xué)實(shí)踐中運(yùn)用沉淀溶解平衡理解“含氟牙膏”和“鋇餐”的原理，引導(dǎo)學(xué)生將理論聯(lián)系實(shí)際，學(xué)以致用。

沉淀溶解平衡是化學(xué)平衡理論的具體運(yùn)用，又是平衡觀念、微粒觀念集中表現(xiàn)，在本節(jié)課教學(xué)中從實(shí)驗(yàn)出發(fā)尋找證據(jù)，再結(jié)合溶度積常數(shù)計(jì)算相關(guān)離子濃度，通過定性和定量兩個(gè)方面理解沉淀溶解平衡，幫助學(xué)生從微觀視角理解沉淀溶解平衡的移動(dòng)，同時(shí)，也有助于學(xué)生加深對(duì)本專題其它平衡概念的理解，提升學(xué)生學(xué)習(xí)化學(xué)的證據(jù)意識(shí)和證據(jù)探究的能力。