創(chuàng)建“半定量”模型表征物質(zhì)的溶解度

【摘? 要】滬教版初中化學(xué)教材中物質(zhì)的溶解度在教學(xué)過(guò)程中，容易使學(xué)生忽視其定量表征，根據(jù)實(shí)驗(yàn)輔助學(xué)生理解，卻易導(dǎo)致學(xué)生淺表層理解原理。本文創(chuàng)建“半定量”模型，嘗試對(duì)物質(zhì)的溶解度進(jìn)行表征，結(jié)合實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象加深對(duì)物質(zhì)溶解度定量表征的理解，使學(xué)生更好地認(rèn)識(shí)物質(zhì)溶解度的本質(zhì)特征。

【關(guān)鍵詞】半定量 ;模型 ;溶解度

一、探究物質(zhì)溶解度的本質(zhì)，剖析問(wèn)題

將滬教版初中化學(xué)“物質(zhì)的溶解性”拆分開(kāi)來(lái)看，主要分為兩個(gè)層面：第一，了解飽和溶液和不飽和溶液的區(qū)別，并能從定性角度判斷物質(zhì)溶解性的大小;第二，深入理解物質(zhì)溶解度的概念，并繪制相應(yīng)的溶解度曲線圖，選擇物質(zhì)的結(jié)晶方法或?qū)ξ镔|(zhì)進(jìn)行分離和提純。在具體的教學(xué)過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)以下問(wèn)題：

（1）學(xué)生混淆概念。在“物質(zhì)溶解度”教學(xué)過(guò)程中，教師精心設(shè)計(jì)教學(xué)環(huán)節(jié)，力圖將較復(fù)雜、抽象的概念直觀化，將問(wèn)題設(shè)置得更加具有階梯性，而溶解度定義具有多維化的特點(diǎn)，需要同時(shí)考慮“四個(gè)要素”，即“一定溫度” “100 g溶劑” “飽和狀態(tài)” “質(zhì)量”，學(xué)生難以同時(shí)考慮全面。課堂上也很難進(jìn)行直觀化的教學(xué)，學(xué)生不太容易進(jìn)入溶解度的“高階思維狀態(tài)”，即隨時(shí)能注意到這“四個(gè)要素”，導(dǎo)致學(xué)生對(duì)概念的理解較為淺顯，忽視其本質(zhì)屬性。例如，在比較不同物質(zhì)的溶解度時(shí)，學(xué)生易忽略“一定溫度”：認(rèn)為溫度越高，一定量的水里溶解的物質(zhì)越多、越快，往往會(huì)忽略氫氧化鈣等物質(zhì)的溶解度隨溫度升高而減小的特殊性;還有部分學(xué)生會(huì)認(rèn)為飽和溶液中不能再溶解物質(zhì)，容易忽略“該物質(zhì)”等。

（2）教學(xué)方法單一。溶解度概念較為抽象，理論性較強(qiáng)，傳統(tǒng)的課堂教學(xué)一般通過(guò)講授知識(shí)，學(xué)生對(duì)溶解度定義的建構(gòu)找不到知識(shí)的著力點(diǎn)，時(shí)間一長(zhǎng)易導(dǎo)致學(xué)生注意力分散、學(xué)習(xí)興趣下降。如通過(guò)實(shí)驗(yàn)教學(xué)探究溶解度的定義，學(xué)生可以觀察到明顯的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，但容易忽略溶解度定義的核心。我們需要充分考慮學(xué)生的認(rèn)知水平，從已掌握的知識(shí)——“物質(zhì)的溶解性”出發(fā)，建立模型，對(duì)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行拓展，讓學(xué)生學(xué)得輕松，掌握得扎實(shí)。

二、思考對(duì)策，解決問(wèn)題

物質(zhì)溶解度的著手點(diǎn)是一定溫度下，大多數(shù)物質(zhì)在一定量溶劑（一般指的是100 g水）中溶解的量是有一定限度的，如果直接建立模型，可讓多個(gè)注意要點(diǎn)的化學(xué)概念很容易一步形成，必須做到重難點(diǎn)突出，側(cè)重傳統(tǒng)教學(xué)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)相結(jié)合，以客觀事實(shí)的數(shù)據(jù)作為依據(jù)，將物質(zhì)溶解度的“四個(gè)要點(diǎn)”有效梳理，促進(jìn)學(xué)生有效建構(gòu)新概念。如講述物質(zhì)溶解度的突破口必須讓學(xué)生建構(gòu)“飽和溶液”的基本概念，學(xué)生容易認(rèn)為“飽和溶液”中不能再溶解物質(zhì)，須進(jìn)一步引導(dǎo)學(xué)生知道“飽和溶液”是在一定溫度、一定量水中不能再溶解這種物質(zhì)。這些引導(dǎo)通常會(huì)用講授法進(jìn)行表述，當(dāng)然也可以采用實(shí)驗(yàn)探究的方式，透過(guò)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象指明“飽和溶液”的概念有一定局限性，為了使學(xué)生更直觀地“看到”物質(zhì)形成“飽和溶液”的過(guò)程，筆者建構(gòu)了“半定量”的簡(jiǎn)化模型，集中反映溶液狀態(tài)變化的過(guò)程，借助模型將復(fù)雜的概念可視化、形象化，幫助學(xué)生構(gòu)建新的知識(shí)體系。

三、創(chuàng)建模型

（一）創(chuàng)建“半定量”模型

模型的建構(gòu)必須簡(jiǎn)單明了，學(xué)生一眼就能夠看明白，并且能夠包含物質(zhì)溶解度的四要素。于是筆者用“t ℃”（或具體溫度）表征“一定溫度”;用填充黑色邊框的“? ”表征“100 g水”（或一定量溶劑）溶解物質(zhì)的狀態(tài)，小方格如果被填充滿，表征該物質(zhì)在此溫度、在“100 g水” （或一定量溶劑）已達(dá)到“飽和狀態(tài)”，就不能繼續(xù)溶解該物質(zhì)了，如圖1左邊的模型所示;如果小方格未被填充滿，表征該物質(zhì)在 “t ℃”“100 g水”（或一定量溶劑）的狀態(tài)下未達(dá)到“飽和狀態(tài)”，該狀態(tài)下的該物質(zhì)還能在該溶液中繼續(xù)被溶解，如圖1中右邊的2個(gè)模型所示。這種模型的表征溶解度方式，筆者稱之為“半定量”模型。

（二）“半定量”模型教學(xué)

“半定量”模型的教學(xué)，要求學(xué)生能在教師的引導(dǎo)下，從多個(gè)角度利用已學(xué)知識(shí)對(duì)探究的問(wèn)題進(jìn)行思考、推理，在推理過(guò)程中學(xué)生會(huì)逐漸形成證據(jù)推理的意識(shí)和方法，對(duì)解決的問(wèn)題也會(huì)留下更深刻的印象，從而為后續(xù)學(xué)習(xí)化學(xué)奠定基礎(chǔ)。

由于“飽和溶液”的知識(shí)與物質(zhì)溶解度是緊密相連的，“半定量”模型的構(gòu)建可以較為明確地表征出物質(zhì)溶解的狀態(tài)，使這種較為抽象的概念有了清晰的直觀呈現(xiàn)，讓學(xué)生的思維進(jìn)入更高階的模式。通過(guò)“半定量”模型，學(xué)生容易直觀地理解溶解度四要素的實(shí)質(zhì)，在20 ℃時(shí)某物質(zhì)溶于100 g水中形成飽和溶液，通過(guò)添加溶劑100 g水，飽和溶液向不飽和溶液轉(zhuǎn)化（圖2），圖2中出現(xiàn)多個(gè)黑色邊框的“”，表征出溶劑的量發(fā)生了改變，由原來(lái)的100 g水，變成了200 g水，圖2中間的狀態(tài)及右邊的狀態(tài)也同樣能間接表征出溶液具有均一的特點(diǎn)。當(dāng)然大多數(shù)情況下也可以升高某物質(zhì)的飽和溶液的溫度，從而增大該物質(zhì)的溶解度，將該物質(zhì)飽和溶液轉(zhuǎn)化為不同溫度下的不飽和溶液（圖3）。

（三）學(xué)生構(gòu)建“半定量”模型

當(dāng)學(xué)生初步建構(gòu)了“半定量”模型后，對(duì)“飽和溶液”與“不飽和溶液”之間的轉(zhuǎn)化原理更加清楚、直觀。當(dāng)學(xué)生建構(gòu)完兩種由某物質(zhì)的飽和溶液轉(zhuǎn)為不飽和溶液表征方法后，可嘗試畫出“半定量”模型，表征出某物質(zhì)的不飽和溶液轉(zhuǎn)化成飽和溶液的過(guò)程。

圖4表征的是在溫度t ℃、100 g水中，向某物質(zhì)的“不飽和溶液”中不斷加入該溶質(zhì)，使其轉(zhuǎn)化為“飽和溶液”（忽略物質(zhì)溶解時(shí)溶液溫度的變化）。

圖5表征的是將某物質(zhì)的“不飽和溶液”通過(guò)降溫（通常情況下）降低其溶解度，從而實(shí)現(xiàn)由“不飽和溶液”向“飽和溶液”的轉(zhuǎn)變，并可以清楚地表征晶體析出的過(guò)程，非常直觀，還可以結(jié)合數(shù)據(jù)計(jì)算析出晶體的質(zhì)量。需要說(shuō)明的是，氫氧化鈣等物質(zhì)的溶解度是隨著溫度的升高而降低的，那么表征起來(lái)與圖5相反。

圖6表征的是在20 ℃時(shí)，某物質(zhì)的“不飽和溶液”通過(guò)恒溫蒸發(fā)水（一般指理論上）的方式，將水減少?gòu)亩鴮?shí)現(xiàn)“不飽和溶液”向 “飽和溶液”狀態(tài)的轉(zhuǎn)變，并可以表征晶體析出的過(guò)程，也可以結(jié)合數(shù)據(jù)計(jì)算析出晶體的質(zhì)量。

課堂上學(xué)生通過(guò)構(gòu)建“半定量”模型后獲得成就感，不僅通過(guò)教師的講解理解物質(zhì)溶解度的定義，也能通過(guò)明顯的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象了解溶液狀態(tài)的轉(zhuǎn)變過(guò)程，更能從“半定量”模型中“看出”溶液狀態(tài)相互轉(zhuǎn)化的實(shí)質(zhì)。由此學(xué)生能系統(tǒng)總結(jié)出溶液狀態(tài)之間相互轉(zhuǎn)化的方法、過(guò)程、實(shí)質(zhì)及溶液結(jié)晶的過(guò)程。

四、“半定量”模型解決問(wèn)題

在學(xué)生掌握了物質(zhì)溶解度的概念，能熟練構(gòu)建溶解度的“半定量”模型后，可以嘗試解決滬教版下冊(cè)教材24頁(yè)第8題：設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，從硝酸鉀和氯化鈉（少量）的混合物中分離出硝酸鉀。查閱相關(guān)資料： 10 ℃時(shí)，硝酸鉀和氯化鈉的溶解度分別是20.9 g，35.8 g;100 ℃時(shí)，硝酸鉀和氯化鈉的溶解度分別是246 g，39.8 g，硝酸鉀和氯化鈉的溶解度都隨溫度的升高而增大，硝酸鉀的溶解度曲線比較陡，而氯化鈉的溶解度曲線相對(duì)比較平緩。

通過(guò)分析可知，10 ℃時(shí)硝酸鉀的溶解度小于氯化鈉，而升溫后100 ℃時(shí)硝酸鉀的溶解度遠(yuǎn)大于氯化鈉。圖7所表征的是較少氯化鈉分別在10 ℃和100 ℃時(shí)，在100 g水中的溶解情況，圖8所表征的是較多硝酸鉀分別在10 ℃和100 ℃時(shí)，在100 g水中的溶解情況。

建構(gòu)完以上“半定量”模型后，教師引導(dǎo)學(xué)生思考：如何從硝酸鉀和氯化鈉（少量）的混合物中分離提純出硝酸鉀？

方法一：蒸發(fā)結(jié)晶。在較低溫度下將兩者混合物進(jìn)行溶解（考慮到蒸發(fā)時(shí)的能耗的話，所加的水不能太多）。加熱進(jìn)行蒸發(fā)，隨著水分的減少，固體會(huì)析出，由于兩物質(zhì)的質(zhì)量不確定，在硝酸鉀較多的情況下，蒸發(fā)結(jié)晶就無(wú)法判斷何時(shí)停止，也無(wú)法判斷隨著水的蒸發(fā)是否會(huì)有兩物質(zhì)同時(shí)析出的情況，而且高溫下硝酸鉀的溶解度很大，會(huì)有大量的硝酸鉀殘留在溶液中，并未完全析出，造成兩種物質(zhì)分離不完全。綜上所述，將“半定量”模型與溶解度的概念結(jié)合分析后，將硝酸鉀和氯化鈉（少量）的混合物中分離提純出硝酸鉀用蒸發(fā)結(jié)晶的方法不夠完善。

方法二：降溫結(jié)晶。硝酸鉀所占的比例比較大，而其溶解度在100 ℃時(shí)又達(dá)到246 g，在高溫下只需要少量的水就能將固體混合物完全溶解，所加的水的量必須能夠?qū)⑸倭康穆然c完全溶解。結(jié)合“半定量”模型分析，可在常溫下用少量的水將固體混合物進(jìn)行完全溶解，加熱濃縮溶液，迅速降溫至10 ℃進(jìn)行結(jié)晶，此時(shí)會(huì)有大量硝酸鉀析出，而氯化鈉由于溶解度隨溫度的變化并不大，析出的量很少。引導(dǎo)學(xué)生思考：此時(shí)得到的硝酸鉀已經(jīng)較為純凈，但是還含有極少量的氯化鈉，怎么辦呢？師生共同分析：可以再次降溫結(jié)晶，也就是重結(jié)晶，得到的固體再用冰水或者同溫下飽和硝酸鉀溶液進(jìn)行洗滌，可得到較為純凈的硝酸鉀。若此時(shí)氯化鈉所占比例已經(jīng)大大降低，可用飽和硝酸鉀溶液進(jìn)行洗滌，即可得到較純凈的硝酸鉀。

通過(guò)建構(gòu)硝酸鉀、氯化鈉的“半定量”模型，結(jié)合溶解度的知識(shí)分析蒸發(fā)結(jié)晶、降溫結(jié)晶可知，從硝酸鉀和氯化鈉（少量）的混合物中分離提純出硝酸鉀更適宜用降溫結(jié)晶的方法。

解決完教材上的問(wèn)題后，可以進(jìn)行變式練習(xí)：如何從氯化鈉和硝酸鉀（少量）的混合物中分離提純出氯化鈉？圖9所表征的是較多氯化鈉分別在10 ℃和100 ℃時(shí)，在100 g水中的溶解情況，圖10所表征的是較少硝酸鉀分別在10 ℃和100 ℃時(shí)，在100 g水中的溶解情況。在教師引導(dǎo)下，學(xué)生通過(guò)“半定量”模型分析后發(fā)現(xiàn)，如果是氯化鈉較多，而硝酸鉀較少的話，將混合物用水完全溶解后，加熱濃縮溶液至剩余少量溶液時(shí)，由于硝酸鉀在高溫時(shí)溶解度非常大而量又非常少，絕大多硝酸鉀還在溶液中，此時(shí)可以趁熱過(guò)濾，這樣析出的硝酸鉀較少或幾乎不會(huì)析出，并用飽和食鹽水進(jìn)行洗滌，這樣一方面可減少氯化鈉晶體的損失，另一方面可溶解所含的硝酸鉀雜質(zhì)，從而得到較純的氯化鈉。

通過(guò)這樣的“半定量”模型分析，學(xué)生更容易理解溶解度不同的物質(zhì)之間相互分離的實(shí)質(zhì)。在此過(guò)程中，筆者出于對(duì)初三學(xué)生認(rèn)知能力有限的考慮，剛開(kāi)始并未向?qū)W生分析氯化鉀、硝酸鈉存在的干擾，有失科學(xué)的嚴(yán)謹(jǐn)性，從知識(shí)的全面性考慮，可以對(duì)氯化鉀、硝酸鈉存在的干擾因素進(jìn)行分析。

五、結(jié)束語(yǔ)

從總體來(lái)說(shuō)，教師在教學(xué)中要立足于教材，對(duì)知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行深入研究，不斷改革創(chuàng)新，提升對(duì)教材的理解和整合能力，構(gòu)建更直觀、更具有說(shuō)服力的“模型”，培養(yǎng)學(xué)生的證據(jù)推理和模型認(rèn)知能力，提高他們的化學(xué)學(xué)科素養(yǎng)。