從“一顆結(jié)石的前世今生”看“沉淀溶解平衡”

吳瓊

摘要：沉淀溶解平衡既是水溶液中的離子平衡理論的進(jìn)一步延續(xù)，又是化學(xué)平衡理論的概括和整合。以“一顆結(jié)石的前世今生”作為故事主線，按照“結(jié)石是如何形成的”“結(jié)石體系是怎么樣的”“產(chǎn)生結(jié)石該怎么辦”“如何預(yù)防結(jié)石”四部曲，詳述了4個核心探究：沉淀的生成、建立、移動及Ksp的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：難溶電解質(zhì);沉淀溶解平衡;探究性教學(xué)

文章編號：1008-0546（2021）04-0058-03 中圖分類號：G632.41 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2021.04.015

一、背景介紹

“沉淀溶解平衡”是人教版選修4《化學(xué)反應(yīng)原理》第三章第四節(jié)的內(nèi)容[1]。在前概念上，學(xué)生初中學(xué)習(xí)了飽和溶液、溶解度等知識，高中從化學(xué)平衡的視角學(xué)習(xí)了弱電解質(zhì)的電離、水的電離、鹽類的水解等現(xiàn)象，這些為學(xué)生學(xué)習(xí)沉淀溶解平衡奠定了知識及方法層面的基礎(chǔ)。但筆者在教學(xué)中發(fā)現(xiàn)，學(xué)生對物質(zhì)的沉淀與溶解認(rèn)識有所缺陷。具體表現(xiàn)為：①認(rèn)為沉淀的生成是一個單向反應(yīng)，無法建立沉淀溶解平衡的可逆反應(yīng)模型。②認(rèn)為難溶等于不溶，忽視沉淀在水中的微量溶解[2]。③新課程雖然在化學(xué)平衡中引入化學(xué)平衡常數(shù)，但在此章節(jié)中很少涉及Ksp教學(xué)，學(xué)生無法從定量上精細(xì)構(gòu)建思維，縱觀2020年全國高考，Ⅰ卷T26開始沉淀和溶解pH、Ⅲ卷T27開始和沉淀完全時的pH均圍繞Ksp的考查。④難以真正將化學(xué)知識運(yùn)用于生活，并能用化學(xué)知識和思維方法解決問題。

本教學(xué)設(shè)計的核心探究屬于模型建構(gòu)和解釋型探究，旨在培養(yǎng)學(xué)生系統(tǒng)、整體、精細(xì)的思維，提高學(xué)生解決實際問題的能力。本節(jié)課的教學(xué)設(shè)計秉承“知識問題化、問題情境化、情境生活化”的設(shè)計理念，用“一顆結(jié)石的前世今生”的真實生活情境，將“難溶電解質(zhì)的溶解平衡的概念建構(gòu)及應(yīng)用”等核心探究有效串聯(lián)。在教學(xué)過程中，通過實驗探究和理論結(jié)合的方式，讓學(xué)生體會到化學(xué)知識的價值。

二、教學(xué)過程

環(huán)節(jié)一：結(jié)石是如何形成的？

【資料】已經(jīng)知道腎結(jié)石有32種成分，最常見的成分為草酸鈣（CaC2O4），占71%～84%，其他成分的結(jié)石如磷酸銨鎂、尿酸鹽、磷酸鈣以及朓胺酸（一種氨基酸）等。腎結(jié)石很少有單純一種晶體組成，大多有兩種或兩種以上，而以一種為主體。

【問題1】你如何設(shè)計一個實驗來模擬結(jié)石（CaC2O4）的形成過程？

【生1】利用可溶性的鈣鹽和草酸鹽反應(yīng)。

【實驗探究1】模擬結(jié)石（CaC2O4）的形成過程（表1）。

探究活動的功能價值：沉淀的生成環(huán)節(jié)，從化學(xué)的視角，走進(jìn)一顆結(jié)石的前世今生。選擇生活中的情境素材，激發(fā)學(xué)生強(qiáng)烈的探究欲望，引導(dǎo)學(xué)生在真實問題情境中感受化學(xué)與生活的密切關(guān)系，將知識與生活貫穿一體。此標(biāo)題也激發(fā)了學(xué)生強(qiáng)烈的好奇心和求知欲，使學(xué)生迅速進(jìn)入探究學(xué)習(xí)狀態(tài)。

環(huán)節(jié)二：結(jié)石體系是怎么樣的？

【問題1】在以上所得的結(jié)石體系（CaC2O4懸濁液）中，我們投入的是等濃度等體積的Ca2+和C2O42-，按化學(xué)計量數(shù)，它們應(yīng)恰好完全反應(yīng)。上層清液中是否還有Ca2+和C2O42-？如何設(shè)計簡單的實驗來證明？

學(xué)生活動：設(shè)計探究實驗，小組討論，小組代表發(fā)言。

【生1】利用C2O42-的還原性，可選用KMnO4溶液檢驗C2O42-;利用沉淀法，可選用Na2CO3溶液檢驗Ca2+。

【實驗探究2】結(jié)石體系上層清液中Ca2+和C2O42-檢驗（表2）。

【生2】方案1中酸性高錳酸鉀溶液褪色，證明上層清液中存在C2O42-，而方案2中無明顯現(xiàn)象，證明上層清液中一定不存在Ca2+。

【追問1】我們的結(jié)石體系投入的是等濃度等體積的Ca2+和C2O42-，從定量的角度，二者應(yīng)同時存在。

【生3】方案2中無明顯現(xiàn)象有可能是Ca2+濃度太小了，肉眼看不到沉淀。

【追問2】我給大家提供一種Ca2+的靈敏檢驗試劑——鈣試劑，無Ca2+時顯藍(lán)色，有Ca2+時顯酒紅色，請同學(xué)們利用鈣試劑完成上層清液的補(bǔ)充實驗。

實驗結(jié)果證明：結(jié)石（CaC2O4懸濁液）體系中上層清液存在Ca2+和C2O42-。

【問題2】上層清液中同時存在Ca2+和C2O42-，這說明了什么？這個過程是如何建立的？

【生1】說明Ca2+和C2O42-沒有完全轉(zhuǎn)化為沉淀，這個沉淀反應(yīng)不能進(jìn)行到底，也是一個可逆反應(yīng)。正向和逆向反應(yīng)同時進(jìn)行，正反應(yīng)是生成沉淀的反應(yīng)，逆反應(yīng)是沉淀溶解電離成離子的過程。

學(xué)生活動：請用v-t圖（v沉淀和v溶解隨時間的變化）和c-t圖（Ca2+和C2O42-濃度隨時間的變化）表示這個平衡的建立過程。

【動畫演示】CaC2O4的沉淀溶解微觀過程。

教師總結(jié)：對于結(jié)石體系，Ca2+、、C2O42-、CaC2O4共存，溶液中存在兩個過程，在水分子的作用下，少量Ca2+和C2O42-脫離CaC2O4表面溶入水中，另一方面，溶液中Ca2+和C2O42-受CaC2O4表面陰陽離子的吸引回到固體表面析出沉淀。當(dāng)沉淀和溶解的速率相等時，就建立了一個平衡，叫沉淀的溶解平衡。

【思考】如何表達(dá)沉淀的這種平衡關(guān)系？

用溶解平衡方程式：CaC2O4（s）Ca2+（aq）+C2O42-（aq）

【問題3】Ca2+和C2O42-濃度隨時間的變化圖象（圖1）能否更完善？

Q1：能不能定量表示？

Q2：哪些點可以定量標(biāo)注？

Q3：起點和終點濃度分別是多少？

Q4：終點Ca2+和C2O42-濃度大小由什么決定？

Q5：如何計算出Ca2+或O2O42-濃度？

【生1】起點離子濃度均為0.1mol/L ，終點有濃度但未知。

【生2】由于二者溶液混合導(dǎo)致體積變化，起點濃度應(yīng)是0.05mol/L。

【生3】定量上應(yīng)符合Ksp（CaC2O4）=c（Ca2+）·c（C2O42-），由此計算終點時Ca2+或C2O42-濃度。

教師總結(jié)：（1）CaC2O4難溶并非為不溶，當(dāng)沉淀速率等于溶解速率時，即為沉淀溶解平衡。

（2）沉淀溶解平衡也是化學(xué)平衡的一種，符合化學(xué)平衡的一切特征，因此我們可以從Ksp的視角，定量的判斷與沉淀的生成和溶解有關(guān)的問題。

探究活動的功能價值：沉淀溶解平衡的建立環(huán)節(jié)，突破以往以教師為主導(dǎo)的單一講定義、講特征，由真實情境提出探究性問題：如何檢驗沉淀完全，即檢驗上清中的Ca2+和O2O42-？兩種離子的檢驗搭載了復(fù)分解反應(yīng)和氧化還原反應(yīng)兩種常見思維。在學(xué)生實驗的過程中，通過猜想假設(shè)、分析論證、類比推理的方式主動構(gòu)建沉淀溶解平衡模型，實現(xiàn)了學(xué)生自主探究，教師輔助引導(dǎo)，將課堂真正還給學(xué)生。另一方面，通過對數(shù)據(jù)的分析與處理，使學(xué)生的認(rèn)知從定性上升到定量，培養(yǎng)了學(xué)生在陌生情境中解決問題的能力。

環(huán)節(jié)三：產(chǎn)生結(jié)石該怎么辦？

【問題1】我們已經(jīng)知道結(jié)石（CaC2O4）難溶于水，溶解度很小，但存在沉淀溶解平衡：CaC2O4（s）Ca2+（aq）+C2O42-（aq），那么，有哪些外界條件會影響這個平衡？已知：H2C2O4是一種弱酸。學(xué)生活動：設(shè)計實驗，提出方案，完成表格3。

【生1】通入HCl，平衡正移，c（C2O4-）減小，c（Ca2+）增大

【生2】加水，平衡正移，c（Ca2+）、c（C2O42-）均減小

【生3】加CaCl2，平衡逆移，c（Ca2+）增大，c（C2O42-）減小

【生4】加Na2C2O4，平衡逆移，c（C2O42-）增大，c（Ca2+）減小

【生5】加熱，平衡正移，c（Ca2+）、c（C2O42-）均增大

【討論】從平衡移動的角度，以上哪些條件改變有利于腎結(jié)石的治療？

【生6】多喝熱水！喝水時，c（Ca2+）、c（C2O42-）均減小，Qc

教師總結(jié)：結(jié)合平衡移動原理，改變溫度、濃度、壓強(qiáng)這三個條件之一，就能影響化學(xué)平衡。溶液體系不考慮壓強(qiáng)，大多數(shù)溶解為吸熱過程，再結(jié)合濃度的考慮，減小沉淀溶解平衡中相應(yīng)的離子濃度，沉淀就會溶解。

探究活動的功能價值：溶解平衡的移動環(huán)節(jié)，借助探究實驗提高了學(xué)生設(shè)計實驗的能力，通過培養(yǎng)學(xué)生發(fā)散、聯(lián)想、靈活的思維，促進(jìn)核心知識的應(yīng)用。

環(huán)節(jié)四：平時如何預(yù)防結(jié)石？

【問題1】預(yù)防結(jié)石的關(guān)鍵是什么？

【生】預(yù)防腎結(jié)石，關(guān)鍵是Qc

教師總結(jié)：飲食的建議：（1）多喝水！多喝水！多喝水！

（2）不要過度補(bǔ)鈣

（3）不要過量食用含草酸（鹽）的食物：一方面，與鈣結(jié)合形成草酸鈣，阻礙了鈣的吸收，導(dǎo)致缺鈣;另一方面，增加尿液中草酸的含量，易形成草酸鈣，導(dǎo)致結(jié)石。

探究活動的功能價值：溶度積常數(shù)的應(yīng)用環(huán)節(jié)，回歸生活真實情境，希望學(xué)生的思考、求證從課堂延續(xù)到生活。從教學(xué)意義上說，沉淀溶解平衡無論對于化學(xué)知識本體，還是化工生產(chǎn)及人們的生活實際都有重要意義。

三、總結(jié)與反思

1.雙線平行，讓學(xué)生成為課堂的主人

本節(jié)課通過知識問題化、問題情境化、情境生活化，實現(xiàn)了實驗探究、問題探究雙線平行，利用學(xué)生的認(rèn)知沖突，定性和定量相結(jié)合，實現(xiàn)核心知識到知識應(yīng)用的轉(zhuǎn)化，培養(yǎng)學(xué)生的精細(xì)思維，提升學(xué)生的思維品質(zhì)。

從化學(xué)的視角來研究結(jié)石問題，把“一顆結(jié)石的前世今生”主題研究的過程和涉及的化學(xué)知識聯(lián)系起來（表4）。

2.對于核心探究環(huán)節(jié)，應(yīng)精準(zhǔn)設(shè)置關(guān)健問題

在建構(gòu)沉淀溶解平衡概念時，從學(xué)生的知識生長點出發(fā)，提出問題：如何檢驗上層清液中是否還有Ca2+和C2O42-？該問題的提出非常關(guān)鍵，從宏觀現(xiàn)象到微觀離子，引導(dǎo)學(xué)生在實驗探究中建立起沉淀溶解平衡。在c-t圖中，能不能定量表示？哪些點可以定量標(biāo)注？如何標(biāo)注？層層遞進(jìn)，以促使學(xué)生進(jìn)行生成性和多輪次思考，促進(jìn)高級思維的發(fā)展。

3.知識、能力、觀念之間的邏輯關(guān)系

許多學(xué)生從畢業(yè)走人社會不一定從事化學(xué)有關(guān)的工作，但中學(xué)化學(xué)教育對他們?nèi)杂兄匾饬x。畢華林教授認(rèn)為：化學(xué)基本觀念的形成既不可能憑空產(chǎn)生，也不能通過大量記憶知識形成，需要學(xué)生在主動探究中不斷反思、概括、提煉而成[3]。因此，化學(xué)基本觀念的形成影響著學(xué)生處理實際問題的價值取向和行為方式，具有超越知識的持久價值和廣泛的遷移作用。

參考文獻(xiàn)

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[3]畢華林，盧巍.化學(xué)基本觀念的內(nèi)涵及教學(xué)價值[J].中學(xué)化學(xué)教學(xué)參考，2011（6）：3-6