基于證據(jù)推理的“弱電解質的電離平衡”教學

徐惠

摘要：以“弱電解質的電離平衡”教學為例，創(chuàng)設分析某未知酸的實際情境，設計層層深入的“證據(jù)一推理一結論”探究環(huán)節(jié)，引導學生在分析證據(jù)的基礎上進行推理，體會“宏觀實驗現(xiàn)象、實驗數(shù)據(jù)、實驗圖線、理論證據(jù)以及文獻資料等多重證據(jù)與結論之間的關系，形成基于證據(jù)進行推理的理性思維。在實踐教學中取得理想教學效果。

關鍵詞：弱電解質;電離平衡;證據(jù)推理

文章編號：1008-0546（2020）08-0056-04

中圖分類號：C632.41

文獻標識碼：B

doi： 10.3969/j .issn.1008-0546.2020.08.016

“證據(jù)推理與模型認知”是《高中化學課程標準（2017年版）》所規(guī)定的5個化學學科核心素養(yǎng)之一，旨在培養(yǎng)學生的“證據(jù)意識，建立觀點、結論和證據(jù)之間的邏輯關系”，“揭示現(xiàn)象的本質和規(guī)律”的能力[1]。一線課堂教學中教師常在元素化合物等容易進行實驗探究的教學內容中進行基于“證據(jù)推理”的教學，而在化學原理的教學內容中，這種基于證據(jù)推理的教學卻常有缺失。諸如“化學平衡”“電離平衡”等原理較為抽象，學生的理解常有困難，如何在原理的教學中設計出基于“證據(jù)一推理一結論”的教學值得一線教師不斷嘗試，本文介紹筆者在“弱電解質電離平衡”教學中的一些嘗試。

一、復習舊知，創(chuàng)設問題情境

【引入】教師直接提出該節(jié)課研究電解質，提問什么是電解質？電解質主要包含哪些物質？學生回憶高一所學知識“電解質是熔融狀態(tài)或水溶液狀態(tài)下能導電的化合物”“常見電解質包括酸、堿、鹽等”。教師提出酸堿鹽都是電解質，桌上有兩瓶酸，一瓶是0.1mol/L的鹽酸，一瓶是0.1mol/L的未知酸HX，它們會有怎樣的差異呢？

【活動】組織學生進行第一項體驗活動：“分別取10mL 0.1mol/L鹽酸溶液，0.1mol/L未知酸HX溶液，同時往其中加入過量打磨過的鎂條觀察現(xiàn)象?！币龑W生觀察實驗現(xiàn)象，思考現(xiàn)象背后可能的原因。學生觀察出鹽酸與鎂條反應快，放出氣泡多，HX反應慢。實驗活動使得學生通過宏觀實驗現(xiàn)象初步感受電解質不同種類的差異。

【過渡】教師進而引導學生根據(jù)宏觀現(xiàn)象進行分析思考推理，該反應速率和微觀哪種離子濃度有關？學生提出現(xiàn)象不同與H+濃度不同有關，教師追問為什么H+濃度會不同？教師進而分析H+濃度差異體現(xiàn)出兩種酸電離出H+能力差異，引導學生接受根據(jù)電離出離子濃度不同可將電解質分為強弱電解質。在以上分析基礎上提出問題：上述實驗中兩種酸電離出H+濃度差異究竟有多大？強弱電解質的本質差異究竟是什么？創(chuàng)設研究弱電解質的問題情境。

設計意圖：從宏觀實驗現(xiàn)象進行推理分析，從宏觀到微觀的視角，著力于學生宏微結合思想的養(yǎng)成。

二、數(shù)據(jù)探究，理解電離平衡

【講解】教師提問溶液中H+濃度沒法直接測定，可如何間接測量？在學生回答基礎上指出表征溶液酸堿性最直接的可測量數(shù)據(jù)為pH，并補充pH計算公式為pH=-1gc（ H+）。

【實驗】引導學生進行實驗探究活動：利用便攜式pH計分別測量1mol/L、0.1mol/L鹽酸溶液和1mol/L、0.1mol/L未知酸HX溶液，同時計算機程序快速計算出兩溶液中H+濃度，如下表所示：

【分析】基于實驗數(shù)據(jù)證據(jù)，引導學生思考這些數(shù)據(jù)說明了什么？學生通過分析可以看出鹽酸中H+濃度與鹽酸濃度相同，HCl幾乎百分百完全電離，未知酸HX電離出的H+濃度很小，其電離程度很小。教師適時引入電離度（a）的概念，為“已電離的電解質的濃度/電解質的初始濃度”，進而講述根據(jù)電離是否完全可將電解質分為強弱電解質，電離程度的差異是強弱電解質的本質差異。

【追問】既然弱電解質的電離程度是小于100%的，那么應該如何用化學語言表征強弱電解質的電離？分別以鹽酸和未知弱酸HX為例。學生基于上述分析結果可以寫出HCl與HX的電離方程式分別為HCl = H++Cl-、HX=H++X-。強調=代表HX電離過程是同時具有電離過程和分子化過程。并結合HX的電離討論HX的電離過程中速率圖線如圖1：

【小結】分析兩種酸電離程度的差異也不難發(fā)現(xiàn)，在強弱電解質中存在的粒子種類也存在著差異。教師板書總結如下：

【追問】在弱酸HX的溶液里因為電離平衡的存在，同時存在電解質的分子和離子，對不同濃度的弱酸HX的溶液進行測量，有表2所示數(shù)據(jù)： 分析上述數(shù)據(jù)，還可以發(fā)現(xiàn)什么？ 【分析】在教師引導下逐步分析，發(fā)現(xiàn)上述不同濃度HX溶液中c（HT）=c（X-），c（X-）+c（HX）=c（初始），教師肯定學生的發(fā)現(xiàn)，指出c（X-）+c（HX）=c（初始）為弱電解質體系中的物料守恒，并引導學生深入發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)背后更深層次的定量關系。最終師生共同挖掘發(fā)現(xiàn)，在上述三種濃度的溶液里 （?）數(shù)據(jù)相等都

約為1.8x10^-5，進而引出平衡常數(shù)K的概念，指出弱電解質的電離存在限度。在分析K的表達式的基礎上，學生同時可以得出結論，K數(shù)值越大，弱電解質的電離能力越大，K數(shù)值可以幫助判斷弱電解質的相對強弱，也可以幫助判斷弱電解質的具體的類別。

教師同時呈現(xiàn)出教材中幾種常見弱酸的電離常數(shù)，學生可以發(fā)現(xiàn)，之前所研究的弱酸HX實際為醋酸。

設計意圖：此部分內容的教學，通過數(shù)據(jù)證據(jù)的充分發(fā)掘，層層遞進地推演弱電解質電離平衡的存在，使得學生對弱電解質的電離特點有著定量化的理解。

三、深入探究，分析平衡移動

【過渡】弱電解質電離到達平衡時是平衡到達了一定限度，這種限度能否被打破呢？或者電離平衡能否發(fā)生移動？哪些因素可以影響電離的平衡？

【分析】學生結合化學平衡的影響因素，可以分析出僅“濃度”和“溫度”兩因素可以影響弱電解質的電離平衡，那么哪些濃度可以影響弱電解質的電離平衡？以醋酸的電離為例：

CH3COOH F=CH3COO-+H+，從醋酸的電離方程不難發(fā)現(xiàn)，醋酸濃度可以影響醋酸的電離的電離平衡，那如何分析得知醋酸濃度增大如何影響該電離平衡？教師再次呈現(xiàn)出表1的數(shù)據(jù)，CH3COOH濃度從0.1mol/L到Imol/L，學生通過數(shù)據(jù)分析比較可以得出如下結論，醋酸平衡體系中，加入醋酸，平衡向右移動，醋酸電離度減小，溶液中c（CH3COO-）、c（H+）濃度均減小。

設計意圖：此處依舊是數(shù)據(jù)證據(jù)呈現(xiàn)，但卻可以給醋酸電離平衡移動以最直接的體現(xiàn)，且該數(shù)據(jù)來自于本節(jié)課真實的實驗，令人信服，多重角度分析實驗證據(jù)，進行全面的解讀也是對證據(jù)最大的尊重。

【過渡】從電離方程來看，改變氫離子的濃度也可以對醋酸的電離平衡產(chǎn)生影響，如何通過實驗證明？介紹指示劑一般為有機酸或者有機堿，如溴甲酚綠是一種有機弱酸（HIn）型酸堿指示劑，其電離方程如下：

HIn=H++ In-

（黃色） （藍色）

【演示實驗】往呈藍綠色的溴甲酚綠溶液中，滴加鹽酸，溶液變?yōu)辄S色，再往呈黃色的溶液中滴加NaOH，溶液又呈現(xiàn)藍色。

【師生共同分析】溶液中c（H+）增加平衡左移，主要為分子化的過程，溶液中c（OH-）增大，平衡右移，弱電解質電離更為顯著。

設計意圖：利用鮮明的可視化實驗現(xiàn)象將微觀過程呈現(xiàn)，通過清晰的實驗證據(jù)，推理結論，強化學生的認識。

【追問】還有哪些方式可以改變醋酸體系中的c（H+）？

【學生討論】還可以在醋酸體系中加入活潑金屬或能與醋酸反應的弱酸鹽。

【回顧】一開始我們做過酸與金屬鎂的反應，回到最初的那個實驗，再次觀察看看有哪些發(fā)現(xiàn)？

【學生觀察】鹽酸與鎂條反應體系，反應幾乎停止;醋酸體系中鎂條仍然在與醋酸作用，但兩反應的氣球大小已經(jīng)漸漸接近。

【分析】弱電解質電離平衡可以不斷移動，并最終將弱電解質不斷消耗完畢。

【提問】能否根據(jù)預測在一張圖上橫坐標為時間，縱坐標為氣體體積畫出O.lmol/L HCl和O.lmol/LCH3COOH分別和過量鎂條反應放出氫氣的情況。

【教師展示】實際情況難以測定氣體體積，我們在同體積密閉容器中測定了同濃度鹽酸和醋酸分別與金屬鎂反應時體系內壓強變化如圖2。

設計意圖：從宏觀現(xiàn)象進行推理，并再通過數(shù)字實驗進行驗證，不僅強化了學生對于強弱電解質在反應中的表現(xiàn)差異，理解電離平衡移動的結果，也更從思想上重視證據(jù)呈現(xiàn)的多重表征形式。

【教師】改變體系中的濃度，還可以稀釋溶液，稀釋的過程電離平衡又該如何移動？分析的方法不僅可以是實驗的還可以是理論的。

【學生分析】可以通過計算稀釋瞬間Q。與K的相對大小來判斷

【教師】利用表2數(shù)據(jù)結合理論進一步強化學生分析結果，指出理論分析一樣是獲得證據(jù)進行推理的重要途徑。

設計意圖：實驗現(xiàn)象和實驗數(shù)據(jù)都屬于直接的證據(jù)，而應用理論證據(jù)進行推理在科學論證時也同樣重要，在教學中有意彰顯這一點也是有利的。

【教師追問】如何證明c（CH3COO-）濃度對醋酸電離平衡的影響？

【學生】往醋酸體系加入醋酸鈉

【教師】引導學生思考醋酸鈉是堿性的，應選用醋酸銨，同時利用數(shù)字化學實驗儀器演示往醋酸體系中加入醋酸銨溶液pH的圖像變化。

【學生分析】通過圖像可以看出，醋酸銨加入醋酸電離平衡逆向移動，溶液pH升高。

設計意圖：離子濃度對于醋酸電離平衡移動的影響，前面已經(jīng)通過C（CH3COOH）、c（H+）等角度進行了分析，從結論得出角度，學生可以運用勒夏特列原理直接推理，但運用數(shù)字化學實驗進行進一步的展示，可以拓展學生獲得證據(jù)的手段和方法，也可以進一步佐證理論分析的正確，可以進一步強化學生證據(jù)獲得意識。

【過渡】研究了濃度對化學平衡的影響，我們還可以討論一下溫度對化學平衡的影響。引導學生思考電離平衡可能的熱效應，并呈現(xiàn)教師自己的演示實驗結果——加熱醋酸，溶液pH變化圖。

【學生】根據(jù)圖像可以分析醋酸的電離是吸熱過程，所以推知醋酸的電離常數(shù)隨溫度升高而增大，得出溫度對弱電解質電離影響的一般結論一溫度越高越有利于電離。

【教師】呈現(xiàn)圖5所示文獻[2]研究中的醋酸電離常數(shù)隨溫度變化圖線

【討論】文獻中資料表明，醋酸的電離并不是一個簡單的變化，具體的情況要結合多種證據(jù)綜合分析。

設計意圖：通過從實驗結論與文獻資料的不同制造思維沖突，強調了實驗證據(jù)的有效性也強調實驗證據(jù)的條件重要性，并凸顯文獻資料證據(jù)的輔助作用，使得學生不僅具有從個別推及一般的歸納推理思維，同時也能重視物質個體差異，在實際運用證據(jù)推理時應保持基本的審慎。

【板書歸納呈現(xiàn)】

四、知識運用，鞏固證據(jù)推理思想

【過渡】通過一些列的實驗以及數(shù)據(jù)推理，對電離平衡的存在以及影響因素有了深入的認識，這些知識可以幫助我們解決實際的問題

【問題解決l】除水壺里的水垢用等濃度的鹽酸好，還是醋酸好？H2CO3的Ka1=4.3x10^-7

【問題解決2】蚊子叮咬人后之所以皮膚紅腫、瘙癢是因為向人體內注射了甲酸，要快速止癢你覺得應該涂抹什么呢？（HCOOH：Ka=1.7x0^-4;H2C03：Ka1=4.3x10^-7

A.NaCl

B.食醋

C.小蘇打

設計意圖：通過問題解決鞏固學生對于強弱電解質差異的理解，理解電離常數(shù)的實際意義，提升對弱電解質知識有用性的理解。

五、教學反思

理論教學原本是枯燥的，但理論的現(xiàn)實表達形式卻是豐富的，本節(jié)關于弱電解質電離平衡的教學是立足于“利用證據(jù)還原理論的內在意義”，基本是基于實驗現(xiàn)象與實驗數(shù)據(jù)的分析從而進行推理論證進而對電離平衡建立以及移動的層層剖析，而“理論模型證據(jù)”“實驗數(shù)據(jù)證據(jù)”“實驗現(xiàn)象證據(jù)”“文獻資料證據(jù)”等多重證據(jù)的依次推進，使得理論得以更加澄明。在教學中教師注意挖掘各種證據(jù)，并努力將各類證據(jù)用于教學是進行提升學生證據(jù)推理能力的關鍵。以“證據(jù)推理”為抓手，關注學生的認識發(fā)展過程，以此提高學生的科學探究能力，不斷提升學生的學科核心素養(yǎng)是化學課不斷追求的目標。

參考文獻

[1] 中華人民共和國教育部·普通高中化學課程標準（2017年版）[M].北京：人民教育出版社，2018

[2]韋明新，等.醋酸電離平衡的溫度影響及其熱力學分析[J].九江師專學報，1987（2）：36-39

本文系江蘇省教育規(guī)劃課題《基于真實問題的化學素養(yǎng)評價研究》研究成果（課題編號：D/2016/02/24）。