核心素養(yǎng)導(dǎo)向的離子平衡圖像試題特征及教學(xué)建議

石秀梅 黃都

【摘要】本文闡述離子平衡圖像試題的考查目標與測評價值，匯編2017—2021年高考化學(xué)全國卷離子平衡圖像試題并分析試題考查的知識規(guī)律，提出有針對性的教學(xué)建議與試題命制建議。

【關(guān)鍵詞】化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng) 離子平衡圖像 試題命制 教學(xué)建議

【中圖分類號】G63 【文獻標識碼】A

【文章編號】0450-9889（2022）20-0066-06

大規(guī)?？荚嚨脑囶}對教學(xué)具有指導(dǎo)作用。本文筆者以2017—2021年高考化學(xué)全國卷離子平衡圖像試題為研究對象，歸納總結(jié)該類試題考查的知識點特征發(fā)現(xiàn)，這些知識點均來源于教材，但能力要求幾乎都高于教材;這些知識點在教材中的呈現(xiàn)方式比較單一，但在試題中的呈現(xiàn)方式多樣又抽象，且情境與設(shè)問每年都有創(chuàng)新。也就是說，高考試題可以作為教材內(nèi)容的補充，促進學(xué)生學(xué)科核心素養(yǎng)的養(yǎng)成。

一、離子平衡圖像試題的考查目標及測評價值

《普通高中化學(xué)課程標準（2017年版2020年修訂）》（以下簡稱《新課標》）中關(guān)于“主題3：水溶液中的離子反應(yīng)與平衡”的教學(xué)提示及策略為：關(guān)注水溶液體系的特點，結(jié)合實驗現(xiàn)象、數(shù)據(jù)等證據(jù)素材，引導(dǎo)學(xué)生形成認識水溶液中離子反應(yīng)與平衡的基本思路;通過讓學(xué)生畫微觀圖示、解釋宏觀現(xiàn)象等具體任務(wù)探察學(xué)生對水溶液體系認識的障礙點，以進一步明確教學(xué)重點和難點;發(fā)展學(xué)生“宏觀辨識與微觀探析”“變化觀念與平衡思想”以及“證據(jù)推理與模型認知”等化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)，培養(yǎng)思維能力。修訂前后的課程標準在核心知識點方面的要求基本相同，但《新課標》更強調(diào)學(xué)生對核心知識模型建立過程的理解，更注重知識學(xué)習(xí)的逐階建構(gòu)和系統(tǒng)掌握過程。

從近五年離子平衡圖像試題來看，命題者似乎試圖從以下幾個方面考量以達到測評目標。

（一）化學(xué)觀的構(gòu)建：通過分析電離平衡、水解平衡、沉淀溶解平衡等的存在及平衡移動，形成并發(fā)展學(xué)生的微粒觀、平衡觀、守恒觀和變化觀。

（二）模型的建構(gòu)：水溶液中平衡常數(shù)的計算模型、pH的計算模型、水溶液中的平衡移動模型等。

（三）化學(xué)用語的熟練使用：電離方程式、水解方程式、平衡常數(shù)表達式。

（四）化學(xué)平衡中定量思想：提高定量分析問題的能力，掌握守恒法、各種平衡常數(shù)計算。

（五）信息的加工：提高用圖表獲取信息和加工信息的能力，能夠根據(jù)各種圖表分析物質(zhì)的變化過程和反應(yīng)原理。

筆者認為，離子平衡圖像試題主要考查的素養(yǎng)目標是“模型認知”，輔助考查的素養(yǎng)目標是“宏微結(jié)合”和“變平思想”。其測評模型如下頁圖1所示。

測評模型指向的關(guān)鍵能力主要有兩個方面：一是能說出模型與原型的關(guān)系;二是建立“微粒存在—實驗操作—變化過程—實驗數(shù)據(jù)—數(shù)據(jù)圖線—圖線解析—問題診斷—問題解決”的模型認知能力。具備此類素養(yǎng)的考生，可以通過圖線來認知化學(xué)實驗過程的微觀變化以及化學(xué)實驗創(chuàng)新的實際效果，為未來投身化學(xué)基礎(chǔ)研究、化學(xué)實踐應(yīng)用等工作奠定能力基礎(chǔ)。

二、離子平衡圖像試題結(jié)構(gòu)分析

（一）2017—2021年全國卷離子平衡圖像試題匯編

1.滴定曲線

（1）與pH、分布系數(shù)及體積相關(guān)的滴定曲線

“二縱一橫”坐標體系，橫坐標為滴加已知濃度的NaOH溶液的體積;左縱曲線①②為體系中酸分子或酸根離子的分布系數(shù)[]如δ（A2-）=[cA2-1cH2A+cHA-+cA2-1]變化趨勢圖，右縱曲線③為溶液pH變化趨勢圖。此類圖線以橫坐標V為自變量，因變量是δ和pH。δ和pH并不存在一一對應(yīng)關(guān)系，例如，當(dāng)δ（HA-）=δ（A2-）時，對應(yīng)的pH=2，而不是pH=4.8。

（2）與pH、對數(shù)相關(guān)的滴定曲線

以離子對的比值的對數(shù)值和溶液pH作為協(xié)變量，可以有效觀察滴定時pH變化過程中，各類粒子濃度的大小關(guān)系及變化趨勢。例如，圖3中溶液pH由4.4線性增大至5.4過程中，體系中c（H2X）逐漸減小，c（HX-）、c（X2-）逐漸增大;pH=4.4時，c（H2X）=c（HX-），pH=5.4時，c（HX-）=c（X2-）。導(dǎo)致pH、對數(shù)值變化的因素是溶液中c（H+）的不斷減少。各變量之間存在良好的線性關(guān)系，緣于特定溫度下Kw、Ka[1]、Ka[2]的恒定不變性。

（3）與導(dǎo)電能力相關(guān)的滴定曲線

相對導(dǎo)電能力由電導(dǎo)率、離子濃度換算而成，溶液中自由移動離子濃度越大，導(dǎo)電能力越強。圖4中，由a點到b點，是Na+和相應(yīng)的陰離子濃度協(xié)同增大且同時生成水的過程;由b點到c點，是反應(yīng)達到終點之后，繼續(xù)滴加NaOH，導(dǎo)致Na+和OH-同時增大且不生成水的過程。因此，ab段的導(dǎo)電能力增長率小于bc段。

（4）與沉淀相關(guān)的滴定曲線

下頁圖5為工業(yè)上利用Cu和Cu2+在一定條件下發(fā)生歸中反應(yīng)除去廢水中Cl-的反應(yīng)進程曲線。在體系中Cu足量的情況下，c（Cu+）隨著c（Cu2+）增大而增大，當(dāng)c（Cu+）達到10-2mol/L時，溶液中的Cl-的基本除凈。

下頁圖6為 AgNO3滴定的Cl-的反應(yīng)進程曲線。曲線上各點的溶液滿足關(guān)系式c（Ag+）·c（Cl-）=Ksp（AgCl），當(dāng)反應(yīng)進程達到化學(xué)計量點（恰好完全反應(yīng)）時，由于存在沉淀—溶解平衡，此時的c（Ag+）=

c（Cl-）=K[1/2sp]（AgCl）。所生成沉淀的溶解度越小，曲線的“拐點”越上移。

2.沉淀—溶解平衡曲線

圖7是沉淀—溶解平衡等溫線，圖8為同型難溶電解質(zhì)Ksp線，圖9為弱酸強堿難溶鹽的酸溶曲線。這些試題均考查了不同情形中的Ksp、Ka計算及其應(yīng)用。

3.分布系數(shù)曲線

分布系數(shù)描述了不同pH環(huán)境中的弱酸物料分布及其變化情況，建立了基于數(shù)據(jù)模型的離子濃度大小比較方法，為判斷特定體系狀態(tài)中的離子反應(yīng)方程式，計算弱酸平衡常數(shù)，判定反應(yīng)終點，判斷物料守恒、電荷守恒等提供支持性信息。

（二）學(xué)業(yè)水平要求及體現(xiàn)的化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)

離子平衡圖像的原型是人為操作下的微觀粒子數(shù)量關(guān)系及其變化情況，我們通過運用離子濃度、對數(shù)值、pH、分布系數(shù)、K等化學(xué)計量符號，對實驗數(shù)據(jù)或假定數(shù)據(jù)進行恰當(dāng)處理，發(fā)現(xiàn)數(shù)列之間的線性關(guān)系，進而繪制成平衡圖像中的曲線模型。曲線模型的背后是數(shù)學(xué)模型、操作模型和微粒及其變化的相像模型，解答離子平衡圖像試題要求學(xué)生具備較強的數(shù)學(xué)能力、化學(xué)實驗?zāi)芰突瘜W(xué)想象力。試題體現(xiàn)了測評的基礎(chǔ)性、綜合性和復(fù)雜性，難度較大，通常被設(shè)為壓軸題。

現(xiàn)以2021年全國甲卷第12題為例。

例1（2021年全國甲卷）12.已知相同溫度下，Ksp（BaSO4）

A.曲線①代表BaCO3的沉淀溶解曲線

B.該溫度下BaSO4的Ksp（BaSO4）值為1.0×10-10

C.加適量BaCl2固體可使溶液由a點變到b點

D. c（Ba2+）=10-5.1時兩溶液中[cSO2-4cCO2-3]=10y2-y1

從《新課標》的內(nèi)容要求、模塊主題學(xué)業(yè)要求、素養(yǎng)水平要求和學(xué)業(yè)質(zhì)量水平要求等四個視角，可以系統(tǒng)地解構(gòu)出該試題的知識傳授、能力訓(xùn)練和素養(yǎng)培育功能（如表1所示）。

A、B選項設(shè)問比較直接，均是基于Ksp模型的分析和推理。C選項，運用平衡移動模型，通過定性分析和定量計算來推導(dǎo)結(jié)論。定性分析部分：向溶液中加入Ba2+，導(dǎo)致Ba2+濃度增大、陰離子濃度減小，曲線由b向a變動。定量分析部分：體系維持K值不變。D選項，c（Ba2+）相同，根據(jù)兩者的Ksp大小比較，c（SO[2-4]）必然小于c（CO[2-3]），即兩者比值必然大于1，間接利用Ksp模型。

（三）考查的知識及調(diào)用知識的規(guī)律

1.考查的核心知識

Ka、Ksp的計算，離子濃度關(guān)系（大小關(guān)系、三大守恒關(guān)系），離子濃度變化規(guī)律。

2.調(diào)用知識的規(guī)律

有關(guān)離子濃度關(guān)系的內(nèi)容因為平時訓(xùn)練較多，加之形式比較單一，多數(shù)學(xué)生可以較好地掌握，但面對Ka、Ksp的計算或與常數(shù)表達式變式有關(guān)的內(nèi)容，學(xué)生經(jīng)常覺得無從下手。教師通過分析可以總結(jié)出一定的解題模型與規(guī)律，如在溫度一定的前提下，只要出現(xiàn)兩種離子濃度比，幾乎均與K的表達式有關(guān)，將0點數(shù)據(jù)或曲線交叉點數(shù)據(jù)與常數(shù)的表達式相關(guān)聯(lián)，即可突破。

如解答2017年全國I卷第13題（圖像如圖3所示），如何確定lg[cX2-cHX-]、lg[cHX-cH2X-]與曲線的關(guān)系？此處出現(xiàn)兩種微粒的濃度比，若在該濃度比的基礎(chǔ)上均乘以c（H+），就得到H2X二級、一級電離平衡常數(shù)的對數(shù)，因K只與溫度有關(guān)，可隨意選擇橫坐標的0點（對應(yīng)離子的濃度相等，可約掉）。經(jīng)觀察，兩曲線對應(yīng)的pH大小不一，pH小的點應(yīng)為一級電離對應(yīng)的點，即可知右下方直線為lg[cHX-cH2X-]。

常見試題的設(shè)問形式不盡相同，但考查的都是K表達式及其變式、K只與溫度有關(guān)等知識。筆者經(jīng)概括總結(jié)發(fā)現(xiàn)，0點、半反應(yīng)點、恰好反應(yīng)點、中性點、曲線交叉點，均有可能成為解答該類題型的突破口。

三、結(jié)論與建議

（一）基本結(jié)論

試題每年都在創(chuàng)新，情境和坐標不斷變化。但無論題目怎么變，不管圖像是以直線、曲線，還是以單線、雙線，或是以平行線、交叉線等方式呈現(xiàn)，設(shè)問均緊緊圍繞核心知識展開。核心知識需要在不同情境中調(diào)用，變式運用才有可能轉(zhuǎn)化為關(guān)鍵能力，基于學(xué)習(xí)反思、知識整合的關(guān)鍵能力訓(xùn)練，才有可能實現(xiàn)此類試題的化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)培育作用。

（二）教學(xué)建議

單旭峰認為，化學(xué)學(xué)科考試必須堅持引導(dǎo)教學(xué);通過提供新反應(yīng)、新裝置、新成果、新技術(shù)，考查學(xué)生提取、加工和整合信息的能力，使其形成自主學(xué)習(xí)、終身學(xué)習(xí)的意識和能力。此類圖像試題考查的就是學(xué)生提取、加工和整合信息的能力。教師在教學(xué)過程中，可以布置學(xué)生繪制數(shù)據(jù)曲線、微觀圖示，并用于解釋宏觀現(xiàn)象和反應(yīng)規(guī)律，以外顯學(xué)生的已有認識、認識障礙，啟發(fā)學(xué)生的思維，完成由感性認識向理性認識的飛躍。

為了引導(dǎo)學(xué)生開展證據(jù)與推理、模型與解釋、符號與表征等學(xué)習(xí)活動，教師在布置任務(wù)的過程中，需要注重問題設(shè)計的梯度、知識的循序漸進。

以2019年全國Ⅱ卷的第12題為例（試題圖像如圖6所示），筆者改編設(shè)問如下。

溫度T1時，以CdS（s）[]Cd2+（aq）+S2-（aq） ΔH>0為例，回答下列問題：

①溫度T1時，在圖13所示坐標系中，畫出難溶物CdS溶解達平衡后，溶液中c（Cd2+）與c（S2-）的變化曲線（提示：K=xy為反比例函數(shù)）。

②若上述溶液的溶質(zhì)只有CdS、c（Cd2+）與c（S2-）應(yīng)處于圖14曲線中的? ?點（填“a”“b”或“c”）。

③往上述溶液中加入少量Na2S固體后，c（Cd2+）、c（S2-）如何變化？兩者所處的位置由a移向何處？

④能否通過圖15中A、B、C所在的位置來判斷CdS在該條件下是否析出沉淀？理由是什么？

⑤在圖15的基礎(chǔ)上，畫出溫度升高到T2時，溶液中c（Cd2+）與c（S2-）的變化曲線。

⑥（2019年全國Ⅱ卷）絢麗多彩的無機顏料的應(yīng)用曾創(chuàng)造了古代繪畫和彩陶的輝煌。硫化鎘（CdS）是一種難溶于水的黃色顏料，其在水中的沉淀溶解平衡曲線如圖7所示。下列說法錯誤的是

A.圖中a和b分別為T1、T2溫度下CdS在水中的溶解度

B.圖中各點對應(yīng)的Ksp的關(guān)系為：Ksp（m）=Ksp（n）

C.向m點溶液中加入少量Na2S固體，溶液組成由m沿mpn線向p方向移動

D.溫度降低時，q點的飽和溶液的組成由q沿qp線向p方向移動

解決問題①至問題⑤的過程，既能體現(xiàn)學(xué)生的認識發(fā)展，又能讓學(xué)生將抽象的知識直觀化，還能發(fā)展學(xué)生的演繹推理、系統(tǒng)假設(shè)等思維能力。學(xué)生一旦建構(gòu)好了模型，遇到此類問題就能舉一反三，在不進行機械刷題的前提下提升解決問題的能力，輕而易舉突破難點。

接下來，教師還可以改變坐標，將曲線轉(zhuǎn)換成直線，將反比例函數(shù)轉(zhuǎn)變?yōu)榫€性函數(shù)，圖像表達形式多樣化，學(xué)生的思維也多樣化了。

在復(fù)習(xí)過程中，教師必須開展專項訓(xùn)練，讓學(xué)生掌握解決這類題的必備知識，如電離平衡、溶解平衡、電荷守恒、物料守恒、離子濃度大小關(guān)系、簡單計算等，從而掌握解讀圖像信息的方法、分析推理方法、解題步驟和方法等關(guān)鍵能力。

（三）命題建議

從近幾年已進入新高考的?。▍^(qū)、市）的學(xué)業(yè)水平試題來看，當(dāng)選擇題有2分和4分的兩種類型時，2分的試題為基礎(chǔ)題，4分的試題綜合性較強，這符合新高考基礎(chǔ)性、綜合性的要求，也有利于了解學(xué)生的基礎(chǔ)水平和綜合水平。當(dāng)前全國卷有關(guān)“離子平衡圖像”的試題綜合性較強，適合作為4分試題壓軸。若將各選項的考查點分解成幾道小題，形成單點結(jié)構(gòu)的試題，也可作為2分試題。這樣不但能使試題呈現(xiàn)出一定的梯度，還能讓教師觀察到學(xué)生的思維過程，充分體現(xiàn)了試題的評價價值。

例如2020年全國I卷第13題（試題圖像如圖10所示），教師可將該圖像分解為兩個圖像（如圖16所示）進行試題的命制。

試題命制的創(chuàng)新性，還可以通過坐標系的變化來體現(xiàn)。

例如2021年全國乙卷第13題（試題圖像如圖8所示），該試題所調(diào)用的知識并沒有改變，還是考查離子平衡的核心知識，但是試題圖示用一個與原平衡體系無直接關(guān)聯(lián)的c（H+）作橫坐標，增加了試題情境的新穎性。

教師掌握識圖技能，是勝任化學(xué)科研、生產(chǎn)實踐的重要素養(yǎng)，能夠為學(xué)生在科研、生產(chǎn)、實驗情境中進一步探察問題、解決問題奠定技能基礎(chǔ)。因此，教師有必要增強自身能力，以求更好地培育學(xué)生，發(fā)展學(xué)生的化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。

參考文獻

[1]單旭峰.基于高考評價體系的化學(xué)科考試內(nèi)容改革實施路徑[J].中國考試，2019（12）.

[2]房喻，徐端鈞.普通高中化學(xué)課程標準（2017年版）解讀[M].北京：高等教育出版社，2018（11）.

注：本文系廣西教育科學(xué)“十三五”規(guī)劃2019年度廣西考試招生研究專項課題“基于樣卷研發(fā)的等級性學(xué)考科目命題團隊建設(shè)實踐研究”（2019ZJY032）、廣西教育科學(xué)“十三五”規(guī)劃2020年度廣西考試招生研究專項課題“普通高中學(xué)業(yè)水平選擇性考試命題素材管理系統(tǒng)優(yōu)化研究”（2020ZJY190）、廣西教育科學(xué)“十三五”規(guī)劃2020年度考試招生研究專項課題“普通高中學(xué)業(yè)水平考試的審題程序、規(guī)范和技術(shù)研究”（2020ZJY221）的研究成果。

作者簡介：石秀梅（1977— ），廣西靈川人，高級教師，主要研究方向為中學(xué)化學(xué)教育教學(xué);黃都（1973— ），通訊作者，廣西都安人，博士，教授，主要研究方向為教學(xué)評整體設(shè)計。

（責(zé)編 劉小瑗）