定量突破《難溶電解質(zhì)的溶解平衡》復(fù)習中的若干疑惑點

陜西 葛秋萍 李歆瑞

難溶電解質(zhì)的溶解平衡是化學平衡的延續(xù)，是用化學平衡理論來解釋化工生產(chǎn)過程中沉淀的生成、溶解或轉(zhuǎn)化等問題。從實際教學來看，學生從開始學習到高三復(fù)習，一些常見錯誤重復(fù)出現(xiàn)，難以糾正過來。究其原因，化工生產(chǎn)中的實際現(xiàn)象及結(jié)論與學生的“前概念”認知發(fā)生了較大的沖突，出現(xiàn)了知識負遷移，使學生難以從定性的角度思考和理解這些問題。為此，在高三復(fù)習時，教師不妨換一個角度來復(fù)習，引導(dǎo)學生從定量的角度探析《難溶電解質(zhì)的溶解平衡》這部分知識中的一些疑惑點，揭示實際現(xiàn)象或結(jié)論的本質(zhì)和規(guī)律，提高學生的認知能力，真正促使學生的“前概念”發(fā)生轉(zhuǎn)變。

一、沉淀的生成

【例1】在學習鹽酸的化學性質(zhì)時，小明和小芳兩位同學分別做了碳酸鈉溶液和稀鹽酸反應(yīng)的化學實驗(如圖)。

小明的實驗中有氣泡冒出，小芳的實驗中無氣泡冒出，對此現(xiàn)象，兩位同學進行了如下探究：

【提出問題】小芳的實驗中為什么沒有明顯現(xiàn)象？

②碳酸氫鈉與氯化鈣溶液混合不發(fā)生反應(yīng)；而碳酸鈉溶液與氯化鈣溶液反應(yīng)生成沉淀。

【設(shè)計實驗】證明小芳實驗的溶液中含有碳酸氫鈉。

實驗步驟實驗現(xiàn)象實驗結(jié)論①取上述溶液少量于試管中,加入足量(寫化學式)溶液產(chǎn)生白色沉淀②取步驟①所得上層清液少量,滴加小芳實驗的溶液中含有碳酸氫鈉

寫出步驟①反應(yīng)的化學方程式：_________________

【實驗反思】

(1)Na2CO3和鹽酸反應(yīng)的生成物受鹽酸量的影響，稀鹽酸________(填“過量”或“不足”)時才有氣泡冒出。

(2)由此可見，當反應(yīng)物的量不同時，產(chǎn)物可能不同，試另舉一例來說明：_________________

【拓展延伸】

(3)欲鑒定某敞口試劑瓶中氫氧化鈉溶液是否變質(zhì)，甲同學取5 mL該液體，滴加少量稀鹽酸，發(fā)現(xiàn)無氣泡冒出，由此得出氫氧化鈉溶液沒有變質(zhì)的結(jié)論。他的結(jié)論是否可靠？________(填“可靠”或“不可靠”)。

【查閱資料】氫氧化鈉溶液和氯化鈣溶液混合，會產(chǎn)生白色沉淀(濃度較大時)請你另選其他合適的試劑探究該氫氧化鈉溶液是否變質(zhì)？

實驗步驟實驗現(xiàn)象實驗結(jié)論

【問題1】CaCl2溶液與NaHCO3溶液混合，真的不會產(chǎn)生白色沉淀嗎？

(1)學生預(yù)測：學生無一例外地認為不會產(chǎn)生白色沉淀。

產(chǎn)生這樣的預(yù)測結(jié)果，是因為學生受前概念“Ca(HCO3)2為可溶性鹽”和“資料②”的影響，認為CaCl2溶液與NaHCO3溶液混合時不會發(fā)生反應(yīng)。

(2)實驗事實：向2 mL 0.1 mol/L CaCl2溶液中加入2 mL 0.1 mol/L NaHCO3溶液(pH=8.31)，結(jié)果產(chǎn)生了白色沉淀。

(3)提出問題：試通過定量計算說明產(chǎn)生沉淀的原因。[已知：常溫下，H2CO3的電離常數(shù)Ka1=4.5×10-7，Ka2=4.7×10-11，Ksp(CaCO3)=2.8×10-9。]

(4)定量計算：NaHCO3溶液中存在電離平衡：

因為Qc>Ksp(CaCO3)，所以有白色沉淀生成。

【問題2】向CaCl2溶液中通入CO2氣體，會產(chǎn)生白色沉淀嗎？

(1)學生預(yù)測：許多學生認為會產(chǎn)生白色沉淀。

產(chǎn)生這樣的預(yù)測結(jié)果，是因為學生的一些錯誤前概念非常頑固，盡管教師再三強調(diào)：“較強酸可制備較弱酸”，“向CaCl2溶液中通入二氧化碳氣體不會生成白色沉淀”，但許多學生并沒有真正實現(xiàn)概念的轉(zhuǎn)變，導(dǎo)致一段時間后，之前的錯誤前概念又出現(xiàn)了。

(2)實驗事實：向2 mL 0.1 mol/L CaCl2溶液中通入CO2氣體至飽和，卻未見沉淀。

(3)提出問題：試通過定量計算說明產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因。[已知：常溫常壓下，飽和CO2水溶液的pH=5.60，c(H2CO3)=1×10-5mol/L。H2CO3的電離常數(shù)Ka1=4.5×10-7，Ka2=4.7×10-11，Ksp(CaCO3)=2.8×10-9。]

(4)定量計算：碳酸溶液中存在電離平衡：

因為Qc

同理可知：向BaCl2溶液中通入CO2氣體，不會產(chǎn)生白色沉淀。

實驗反思：(1)過量 (2)碳充分燃燒生成二氧化碳，不充分燃燒生成一氧化碳；

拓展延伸：(3)不可靠；

實驗探究：取該溶液少許放入試管中，滴加2～3滴氯化鋇溶液 產(chǎn)生白色沉淀 該氫氧化鈉溶液變質(zhì)

【解析】由題目的信息可知，設(shè)計實驗中，①取上述溶液少量于試管中，加入足量CaCl2溶液，產(chǎn)生白色沉淀，除去試管中的碳酸鈉；②取步驟①所得上層清液少量，滴加足量的稀鹽酸，有氣泡冒出，小芳實驗的溶液中含有碳酸氫鈉。

實驗反思中，Na2CO3和鹽酸反應(yīng)的生成物受鹽酸量的影響，稀鹽酸過量時才有氣泡冒出；由此可見，當反應(yīng)物的量不同時，產(chǎn)物可能不同，試另舉一例來說明：碳充分燃燒生成二氧化碳，不充分燃燒生成一氧化碳。

拓展延伸中，欲鑒定某敞口試劑瓶中氫氧化鈉溶液是否變質(zhì)，甲同學取5 mL該液體，滴加少量稀鹽酸，發(fā)現(xiàn)無氣泡冒出，由此得出氫氧化鈉溶液沒有變質(zhì)的結(jié)論；他的結(jié)論不可靠，因為加入的鹽酸比較少，鹽酸先與氫氧化鈉反應(yīng)。

探究該氫氧化鈉溶液是否變質(zhì)：取該溶液少許放入試管中，滴加2～3滴氯化鋇溶液；產(chǎn)生白色沉淀，證明該氫氧化鈉溶液變質(zhì)。

【例2】下列實驗中，對應(yīng)的現(xiàn)象以及結(jié)論都正確且兩者具有因果關(guān)系的是

( )

【問題3】向CuSO4溶液中通入H2S氣體，會產(chǎn)生黑色沉淀嗎？

(1)學生預(yù)測：許多學生認為不會產(chǎn)生黑色沉淀。

產(chǎn)生這樣的預(yù)測結(jié)果，是因為學生受前概念“較強酸可制備較弱酸”的影響，認為CuSO4溶液不能與較弱的H2S發(fā)生反應(yīng)生成較強的H2SO4。

(2)實驗事實：向2 mL 0.1 mol/L CuSO4溶液中通入H2S氣體，立即出現(xiàn)黑色沉淀。

(3)提出問題：假設(shè)通入H2S氣體至飽和，試通過定量計算說明產(chǎn)生沉淀的原因。[已知：常溫下，飽和H2S的濃度為0.1 mol/L，H2S的電離常數(shù)Ka1=1.3×10-7，Ka2=7.1×10-15，Ksp(CuS)=6.3×10-36。]

(4)定量計算：0.1 mol/L CuSO4溶液與H2S氣體完全反應(yīng)后，溶液中c(H+)≈0.2 mol/L，c(Cu2+)=0.1 mol/L。飽和氫硫酸溶液中存在電離平衡：

Qc=c(Cu2+)×c(S2-)=0.1×2.3×10-21=2.3×10-22

因為Qc>Ksp(CuS)，所以有黑色沉淀生成。實現(xiàn)了“較弱酸制較強酸”，這就是矛盾普遍性和特殊性。同時，也有力地說明了CuS不溶于硫酸或鹽酸。

【答案】D

【解析】黑色沉淀為CuS，該反應(yīng)發(fā)生原因是CuS不溶于硫酸，不是強酸制弱酸，實際上H2S的酸性比H2SO4弱，故A錯誤；向蔗糖中加入濃硫酸，并不斷用玻璃棒攪拌，變黑，體積膨脹，放出刺激性氣體，反應(yīng)中生成碳、二氧化硫等，可說明濃硫酸具有脫水性和強氧化性，故B錯誤；FeCl3與SO2發(fā)生氧化還原反應(yīng)生成硫酸根離子和亞鐵離子，硫酸根離子與鋇離子反應(yīng)，生成白色沉淀BaSO4，故C錯誤；滴入NaOH溶液至過量，先生成氫氧化鋁沉淀，后生成偏鋁酸鈉，然后通入CO2氣體，又生成氫氧化鋁沉淀，則先出現(xiàn)白色沉淀，后沉淀消失，最后又出現(xiàn)白色沉淀，可知Al(OH)3是兩性氫氧化物，但不能溶解在某些弱酸中，故D正確。

通過對問題1、2、3的定量計算分析，引導(dǎo)學生抓住問題的實質(zhì)，構(gòu)建認知模型：當Qc>Ksp時，有沉淀生成；當Qc

二、沉淀的溶解

【例3】已知CuS不溶于醋酸、濃鹽酸、濃硫酸，但在濃硝酸中溶解，溶液變藍并有紅棕色刺激性氣體產(chǎn)生。下列結(jié)論及原因解釋正確的是

( )

A.CuS不溶于弱酸，能溶于強酸

B.CuS不溶于非氧化性酸，能溶于氧化性酸

C.CuS溶于硝酸，是因為硝酸氧化性強于硫酸，S2-被氧化，使沉淀溶解平衡往溶解方向移動

D.CuS溶于硝酸，是因為硝酸的酸性大于硫酸和鹽酸的酸性，S2-結(jié)合H+，放出H2S氣體，使沉淀溶解平衡往溶解方向移動

【問題4】CuS能溶于硝酸嗎？

(1)學生預(yù)測：許多學生認為CuS不溶于硝酸。

產(chǎn)生這樣的預(yù)測結(jié)果，是因為學生受前概念“CuS不溶于硫酸或鹽酸”的影響，認為CuS不與硝酸反應(yīng)。

(2)實驗事實：將0.1 mol CuS投入一定量的稀硝酸中，試管內(nèi)析出淡黃色沉淀，溶液變?yōu)樗{色，產(chǎn)生的無色氣體，該氣體在試管口變?yōu)榧t棕色。

(4)定量計算：CuS在水溶液中存在溶解平衡：

由計算結(jié)果可知，CuS能溶于硝酸，這是因為CuS與硝酸發(fā)生氧化還原反應(yīng)，c(S2-)減小，使Qc

【答案】C

【解析】濃硫酸是強酸，但CuS不溶于濃硫酸，故A錯誤；濃硫酸、硝酸均是強氧化性的酸，但硫化銅不溶于濃硫酸，故B錯誤；CuS溶于硝酸的過程是硫離子被硝酸氧化的過程，S2-被氧化，濃度減小，所以硫化銅的沉淀溶解平衡正移，使得硫化銅溶于硝酸中，故C正確；CuS溶于硝酸的過程是硫離子被硝酸氧化的過程，S2-被氧化，濃度減小，所以硫化銅的沉淀溶解平衡右移，使得硫化銅溶于硝酸中，故D錯誤。

【例4】化學學科中運用平衡理論研究的內(nèi)容主要包括：化學平衡、電離平衡、水解平衡和溶解平衡四種。請回答下列問題：

已知Mg(OH)2能溶于濃度均為3 mol·L-1的NH4Cl溶液和CH3COONH4溶液(中性)。

①請結(jié)合平衡原理和必要的文字解釋Mg(OH)2能溶于NH4C1溶液的原因_________________

②將等體積、等濃度的鹽酸和CH3COONH4溶液混合，所得溶液中離子濃度由大到小的順序為_________________

【問題5】Mg(OH)2能溶于CH3COONH4溶液嗎？

(1)學生預(yù)測：許多學生認為Mg(OH)2不能溶于CH3COONH4溶液。

產(chǎn)生這樣的預(yù)測結(jié)果，是因為學生受前概念“Mg(OH)2能溶于酸”的影響，認為Mg(OH)2不溶于CH3COONH4溶液。

(2)實驗事實：向Mg(OH)2中加入足量飽和CH3COONH4溶液，Mg(OH)2完全溶解。

(3)提出問題：試通過定量計算說明Mg(OH)2溶解的原因。[已知：常溫下，Kb(NH3·H2O)=1.75×10-5，Ksp[Mg(OH)2]=1.8×10-11；當K>10-7時，調(diào)節(jié)反應(yīng)物或生成物濃度可使反應(yīng)發(fā)生。]

(4)定量計算：由實驗事實可推知，Mg(OH)2溶于CH3COONH4溶液時，可能發(fā)生反應(yīng)：

由于K?1.0×10-7，所以Mg(OH)2能溶于飽和CH3COONH4溶液。

通過對問題4、5的定量計算分析，引導(dǎo)學生理清現(xiàn)象的本質(zhì)，構(gòu)建認知模型：通過調(diào)節(jié)反應(yīng)物或生成物濃度，使Qc

三、沉淀的轉(zhuǎn)化

【例5】如果在1.0 L Na2CO3溶液中將0.01 mol BaSO4全部轉(zhuǎn)化為BaCO3。試計算所需Na2CO3溶液的初始濃度。[已知：Ksp(BaSO4)=1.1×10-10，Ksp(BaCO3)=2.6×10-9。]

【問題6】BaSO4在Na2CO3溶液中能轉(zhuǎn)化為BaCO3嗎？

(1)學生預(yù)測：許多學生認為BaSO4不能轉(zhuǎn)化為BaCO3。

產(chǎn)生這樣的預(yù)測結(jié)果，是因為學生受前概念“溶解度小的沉淀轉(zhuǎn)化成溶解度更小的沉淀容易實現(xiàn)”的影響，認為BaSO4不能轉(zhuǎn)化為BaCO3。

(2)實驗事實：在分析化學中常常先將難溶強酸鹽轉(zhuǎn)化為難溶弱酸鹽，然后用酸溶解，使陽離子進入溶液。

(3)定量計算：體系中存在平衡：

平衡濃度(mol/L)x0.10

Na2CO3溶液的初始濃度為0.01+0.24=0.25 mol/L。

【答案】0.25 mol/L

飽和Na2CO3溶液的濃度為1.7 mol/L，所以一般用飽和碳酸鈉溶液浸泡BaSO4，經(jīng)過多次重復(fù)，可得到BaCO3，實現(xiàn)了從溶解度小的沉淀向溶解度大的沉淀轉(zhuǎn)化，這就是矛盾普遍性和特殊性。

【例6】已知Ksp(AgCl)=1.8×10-10，Ksp(AgI)=1.0×10-16。下列關(guān)于不溶物之間轉(zhuǎn)化的說法中錯誤的是

( )

A.向AgI中加一定濃度、一定體積的NaCl溶液，AgI可轉(zhuǎn)化為AgCl

C.AgI比AgCl更難溶于水，AgCl可以轉(zhuǎn)化為AgI

D.向c(Ag+)=1.8×10-4mol/L的溶液中加入等體積NaCl溶液，開始出現(xiàn)AgCl沉淀，則原NaCl溶液濃度應(yīng)大于4.0×10-6mol/L

【問題7】AgI在濃度足夠大的NaCl溶液中能轉(zhuǎn)化為AgCl嗎？

(1)學生預(yù)測：部分學生認為AgI能轉(zhuǎn)化為AgCl。

產(chǎn)生這樣的預(yù)測結(jié)果，是因為學生受前概念“BaSO4在飽和Na2CO3溶液中能轉(zhuǎn)化為BaCO3”的影響，認為AgI也能轉(zhuǎn)化為AgCl。

(2)實驗事實：向AgI中加入飽和NaCl溶液，未出現(xiàn)白色沉淀。

(3)提出問題：如果在1.0 L NaCl溶液中將0.01 mol AgI全部轉(zhuǎn)化為AgCl。試計算所需NaCl溶液的初始濃度。[已知：Ksp(AgI)=8.3×10-17，Ksp(AgCl)=1.8×10-10。]

(4)定量計算：體系中存在平衡：

平衡濃度(mol/L)x0.01

NaCl溶液的初始濃度為：0.01+2.17×104≈2.17×104mol/L

而飽和NaCl溶液的濃度為5.0 mol/L，所以AgI不可能在飽和NaCl溶液中轉(zhuǎn)化為AgCl。

【答案】A

通過對問題6、7的定量計算分析，引導(dǎo)學生從本質(zhì)上明確產(chǎn)生現(xiàn)象的原因，構(gòu)建認知模型：溶解度相差不大的沉淀雖然可以相互轉(zhuǎn)化，但從溶解度較小的沉淀向溶解度較大的沉淀轉(zhuǎn)化時，轉(zhuǎn)化溶液的濃度必須足夠大，才能轉(zhuǎn)化完全。如果兩種沉淀的溶解度相差很大，則溶解度小的沉淀實際上不可能完全轉(zhuǎn)化為溶解度較大的沉淀。

以上所有實驗事實都與學生的前概念產(chǎn)生了認知上的沖突，出現(xiàn)了知識負遷移。復(fù)習時，教師可引導(dǎo)學生通過微觀解釋和定量分析來獲取可靠的證據(jù)，構(gòu)建化學核心觀念和認知模型，讓學生明確沉淀的生成、溶解、轉(zhuǎn)化實質(zhì)上就是外界條件變化引起Qc變化，通過比較Qc與Ksp的大小，可得到正確的結(jié)論并做出合理的解釋。這樣的復(fù)習方式，不僅能及時轉(zhuǎn)變學生錯誤的“前概念”，還能有效培養(yǎng)學生的宏觀辨識與微觀探析、變化觀念與平衡思想、科學探究與創(chuàng)新意識、證據(jù)推理及嚴謹?shù)目茖W態(tài)度等化學核心素養(yǎng)，真正使化學核心素養(yǎng)落地生根。