基于“證據(jù)推理”建構沉淀溶解平衡的深度認識路徑

王玲 邢東陽 曾仲獻 李金燕

摘要：從廣東學業(yè)水平選擇性考試（化學）題目涉及的問題切入，針對人教版“沉淀溶解平衡”單元教材編排內(nèi)容的預留空間，借助數(shù)字化電導率傳感器實驗平臺建構沉淀溶解平衡的存在及影響因素的直觀證據(jù)，通過驅(qū)動性問題的設計與證據(jù)推理，幫助學生發(fā)現(xiàn)沉淀溶解平衡的特殊性并建構沉淀溶解平衡移動的思維模型，展示難溶鹽溶解度的測定方法。通過實驗探究，將具體知識的學習、觀念的建構和問題的解決有機結合起來，深度發(fā)展學生的微粒觀、平衡觀、定量觀和證據(jù)推理等核心素養(yǎng)。

關鍵詞：電導率傳感器;沉淀溶解平衡;難溶鹽溶解度的測定

文章編號：1008-0546（2022）07-0073-04中圖分類號：G632.41文獻標識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2022.07.018

一、問題的提出

2021年廣東學業(yè)水平選擇性考試（化學）17題考查通過測定一定溫度下飽和 AgCl 溶液的電導率，探究溫度對AgCl溶解度的影響。試題以信息的形式給出：“電導率是表征電解質(zhì)溶液導電能力的物理量。溫度一定時，強電解質(zhì)稀溶液的電導率隨溶液中離子濃度的增大而增大;離子濃度一定時，稀溶液電導率隨溫度的升高而增大?！笨疾閷W生在陌生情境中基于控制變量的實驗設計能力、信息領悟能力、利用信息與實驗現(xiàn)象合理推理關聯(lián)，探究目的與探究結論之間的邏輯關系能力等。該試題屬于原創(chuàng)性試題，它巧妙地將大學物理化學中的難溶鹽溶解度的測定方法融入試題，但試題設問點考查的內(nèi)容完全符合高中化學學業(yè)水平選擇性考試要求;但本題中涉及一個相對陌生的物理量“電導率”，還涉及溫度對AgCl 溶解度的影響，其實質(zhì)就是對 AgCl 沉淀溶解平衡的影響，現(xiàn)階段高中教材“沉淀溶解平衡”單元內(nèi)容對難溶物的溶解度的介紹僅停留在“很小”層面，雖然教材77頁表3-3中直接列出幾種難溶電解質(zhì)20℃時的溶解度來體現(xiàn)“很小”，但教材中沒有介紹難溶物的溶解度是如何測出來的，也沒有直觀的實驗素材佐證“很小”的存在;另外該單元的教材中沒有直接提到沉淀溶解平衡的外界影響因素，這樣的內(nèi)容編排給教學實施過程留下了很大的思考與探索空間。沉淀溶解平衡是對平衡理論的豐富與完善，但沉淀溶解平衡的移動與溶液中的其他平衡又有不同之處，不能完全依靠“勒夏特列原理模型”進行分析。該試題的出現(xiàn)為一線教師的教學思考和研究方向提供了重要的指引，基于此，本文將利用數(shù)字化電導率傳感實驗平臺，顯性建構沉淀溶解平衡的存在及特殊性的認識素材，半定量反映沉淀溶解平衡的外界影響因素，展示難溶物溶解度的測定方法;通過實驗探究，將具體知識的學習、觀念的建構和問題的解決有機結合起來，深度探討沉淀溶解平衡理論，發(fā)展學生的微粒觀、平衡觀、定量觀和證據(jù)推理能力等核心素養(yǎng)。

二、實驗探究與證據(jù)推理

1.基于電導率傳感器建構沉淀溶解平衡認知過程

難溶物的溶解量“很小”，在教學中如果沒有直觀的實驗素材佐證，學生的認知觀念僅能停留在機械的記憶層面，也不利于微粒觀的建構。在教學中借助數(shù)字化電導率傳感器實驗平臺，設計如下實驗1，證明難溶物少量溶解的存在，同時證明溶解平衡的存在及溶解平衡移動的特殊性。

實驗1：在常溫下，測定100 mL 蒸餾水的電導率，然后向其中加入少量AgCl 固體;觀察電導率的變化，當電導率不變時，再向其中加入10 mL蒸餾水，觀察電導率的變化;繼續(xù)向其中加入10 mL蒸餾水，再次觀察電導率的變化。實驗裝置及實驗結果如圖1、圖2所示。

在教學中根據(jù)圖2實驗結果我們可以帶領學生討論以下問題。

①將AgCl溶于水后，溶液電導率增大，說明什么？

②一段時間后，電導率為什么保持不變？

③在 c 點加入10 mL蒸餾水，電導率為什么先減小后增大？一段時間后，為什么又保持不變？電導率保持不變時，AgCl 的溶解停止了嗎？

④在 e 點再加入10 mL蒸餾水，為什么會重復出現(xiàn)上述現(xiàn)象？

⑤認真觀察c點、e點、g點的電導率值是否相等，為什么？

在實驗與解決這些問題的過程中，學生的認知是根據(jù)真實的實驗現(xiàn)象，進行合理的推理，感受到微觀粒子在溶液中的運動變化而建構出沉淀溶解平衡的基本原理，發(fā)展并完善學生對平衡理論的認知結構，提升學生的微粒觀與邏輯推理能力。學生觀察到 c 點、e 點、g 點的電導率值基本相等，說明此時溶液中 AgCl 的濃度相等，這一現(xiàn)象表明在溫度一定時，加水稀釋沉淀溶解平衡向沉淀溶解的方向移動，而且只要有固體存在，最終AgCl 的平衡濃度將等于起始平衡濃度，這一結論與“勒夏特列原理”中的“減弱但不能消除”有矛盾之處，這正是沉淀溶解平衡的特殊性——沉淀溶解平衡一定是指定條件下的飽和溶液，也就是說沉淀溶解平衡移動的方向一定是向著建立飽和溶液的方向。本質(zhì)因素是沉淀溶解平衡屬于異相平衡，固體的量不影響平衡。

2.基于電導率傳感器建構沉淀溶解平衡的影響因素

溶液中的平衡體系，一般探究溫度和濃度兩個因素對平衡的影響。但對于沉淀溶解平衡來說，學生受最初接觸難溶物認知概念的影響，習慣提出“哪些沉淀能溶于酸，哪些沉淀不能溶于酸？”這樣的問題。顯然學生的認識水平是淺層次的記憶而不是通過分析沉淀溶解平衡移動的因素把握沉淀“溶”與“不溶”本質(zhì)規(guī)律的深度學習?；诖?，本文研究了溫度、酸度、濃度（同離子效應）三個因素對沉淀溶解平衡的影響。

根據(jù)試題已知25℃，Ksp （AgCl）=1.8×10-10，則飽和溶液中 c（Ag+） =c（Cl-） ≈1.34×10-5mol/L，純水中 c（ H+） =c（OH-） ≈1.0×10-7mol/L，因此溶劑水的電離對難溶鹽電導率的影響不能忽略，用電導率傳感器可以測出 AgCl 飽和溶液的電導率κ值，AgCl 溶液實際的κ（AgCl）=κ（AgCl 溶液）-κ（H2O）[1]。

（1）實驗內(nèi)容

實驗2：AgCl 固體的制取

分別取20 mL 0.1 mol/L NaCl 和 AgNO3溶液將其混合，生成 AgCl 白色沉淀，充分攪拌后采用傾瀉法過濾，用蒸餾水洗滌、過濾直至洗出液用0.1 mol/L AgNO3溶液檢測不出 Cl-為止，將 AgCl 固體浸泡在少量蒸餾水中待用。

實驗3：探究溫度對AgCl溶解度的影響

分別取40 mL蒸餾水和AgCl濁液于兩個50 mL燒杯中，用圖1實驗裝置雙通道同時分別測定不同溫度下蒸餾水和AgCl濁液的電導率，溫度范圍為25-84℃ （溫度高于84℃時，因液體接近沸騰，氣泡的產(chǎn)生會干擾傳感器的靈敏度）。實驗結果如圖3所示。

在教學中根據(jù)圖3我們可以帶領學生討論以下問題：

①溫度對AgCl 的沉淀溶解平衡有無影響？如果有，是如何影響的？說明理由。

②溫度為什么會影響沉淀溶解平衡？

溫度影響沉淀溶解平衡，其本質(zhì)原因是溫度升高，微觀粒子的熱運動加劇，導致溶質(zhì)分子（或離子）間間隙變大，相當于降低了溶質(zhì)分子（或離子）的有效濃度，沉淀溶解平衡向沉淀溶解的方向移動，固體溶解度變大。

實驗4：探究酸度對AgCl溶解度的影響

在50 mL 燒杯中加入40 mL 濃度分別為 3.2×10-5 mol/L、1.6×10-4 mol/L、8.0×10-4 mol/L、4.0×10-3 mol/L、2.0×10-2 mol/L 的 HNO3，然后用移液槍分別滴入1 mL AgCl濁液，控制溫度30℃，按照圖1實驗裝置進行實驗。實驗結果記錄于表1 中。

在教學中根據(jù)表1實驗結果我們可以帶領學生討論以下問題。

①硝酸對AgCl 的溶解度有影響嗎？如果有，是如何影響的？

②為什么硝酸會影響AgCl溶解度？硝酸與AgCl 能反應嗎？

硝酸與AgCl不發(fā)生化學反應，就中學的知識范疇來講，應該不影響AgCl 的沉淀溶解平衡，但實驗結果與學生的認識發(fā)生沖突，這是為什么呢？《無機化學》上冊難溶電解質(zhì)理論介紹向AgCl飽和溶液中加入易溶強電解質(zhì)后，溶液中各種離子的總濃度增大，增強了離子間的靜電作用，在Ag+的周圍有更多的陰離子（主要是 NO3（-）），形成了所謂的“離子氛”;在 Cl-的周圍有更多的陽離子（主要是 K+），也形成了“離子氛”，使 Ag+和 Cl-受到較強的牽制作用，降低了它們的有效濃度，因而在單位時間內(nèi)與沉淀表面碰撞次數(shù)減少，沉淀過程變慢，難溶電解質(zhì)的溶解過程暫時超過了沉淀過程，平衡向沉淀溶解的方向移動;當建立起新的平衡時，難溶電解質(zhì)的溶解度就增大了[2]，這就是鹽效應的作用機理。當然AgCl在硝酸中的溶解度增大也可能是硝酸氧化了Cl-，減小了溶液中Cl-的濃度，導致溶解平衡向溶解的方向移動。

實驗5：探究不同濃度NaCl溶液對AgCl溶解度的影響

在50 mL 燒杯中加入40 mL 濃度分別為 3.2×10-5 mol/L、1.6×10-4 mol/L、8.0×10-4 mol/L、4.0×10-3 mol/L、2.0×10-2 mol/L、0.1 mol/L 的 NaCl 溶液，然后用移液槍分別滴入1 mL AgCl濁液，控制溫度30℃，按照圖1實驗裝置進行實驗。實驗結果記錄于表2中。

在教學中根據(jù)表2實驗結果我們可以帶領學生討論以下問題。

①NaCl 對 AgCl 的溶解度有影響嗎？如果有，是如何影響的？

②為什么AgCl 的溶解度隨NaCl溶液濃度增大出現(xiàn)先減小后略增大的現(xiàn)象？

溫度一定時，向 AgCl 濁液中加入 NaCl 溶液，因增大溶液中 Cl-的濃度，相對于溶質(zhì)AgCl來說，c（Cl-） 的值大于飽和濃度，沉淀溶解平衡向析出沉淀的方向移動，即同離子效應;但根據(jù)實驗4 的探究結論， NaCl 屬于易溶強電解質(zhì)，對 AgCl 的溶解平衡也存在鹽效應，會使 AgCl 的溶解度增大;除此之外當溶液中 Cl-的濃度增大到一定程度時會發(fā)生配位反應[2]： AgCl（s）+Cl-（aq）AgCl2（-）（aq），增大AgCl 的溶解度;根據(jù)實驗結果可以推出，當NaCl溶液的濃度較小時，同離子效應起決定作用，AgCl 的溶解度隨 NaCl 溶液的濃度的增大而減小;但隨著 NaCl 溶液的濃度的增大，鹽效應和配位溶解效應也逐漸體現(xiàn)出來，當 NaCl 溶液的濃度達到0.02 mol/L 以后，AgCl 濁液的導電率反而增大，表明AgCl 的溶解度增大，證明配位溶解效應起了決定作用;一般說來，在難溶電解質(zhì)的溶度積很小時，鹽效應的影響很小，可以忽略不計。

通過對沉淀溶解平衡影響因素的實驗探究與問題分析，建構學生對沉淀溶解平衡影響因素的認知思維模型如圖4。

三、研究反思

1.重視開展“素養(yǎng)為本”的教學，是《普通高中化學課程標準（2017年版2020年修訂）》的基本理念。本研究借助數(shù)字化實驗，從定性與定量兩個角度對難溶物溶解平衡的存在、溶解平衡的特殊性以及溶解平衡的影響因素進行探究，通過設置驅(qū)動性問題與問題解決，實現(xiàn)對實驗現(xiàn)象的證據(jù)收集與推理，從而建立觀點、結論和證據(jù)之間的邏輯關系，促使深度學習的生成，讓素養(yǎng)教學落地生根，該研究可為“沉淀溶解平衡”單元教學設計提供參考。

2.高考評價體系將“引領教學”納入核心功能，實現(xiàn)“以考促教、以考促學”的目的，促進立德樹人根本任務的落實。高考對教學有很大的引領作用。本試題通過大學教材才出現(xiàn)的“電導率”為因變量，探究熟悉物質(zhì)AgCl 的陌生性質(zhì)——溫度對AgCl溶解度的影響，開闊了教師的視野，同時也激發(fā)教師的研究欲望：為什么選擇難溶物AgCl 為溶解度隨溫度變化的研究對象？為什么選擇“電導率”為因變量？易溶鹽的溶解度測定一線教師較為熟悉，是通過結晶法，而難溶鹽溶解度因為“很小”，用常量結晶法是難以測出溶解度隨溫度的變化情況，更不用說測其溶解度的具體值，因此需要靈敏度更高的實驗平臺才達到實驗目的。本研究可以拓展教師的認知水平，增進教師對“沉淀溶解平衡”單元知識的認識與理解，促進教師專業(yè)成長，推動教學的演化進步。

參考文獻

[1] 周勇，李章文，李偉.電導法測定碘化鉛的溶度積[J]. 化學教育，2013，34（12）：74-75，80.

[2] 孟長功.無機化學（第6版）[M]. 北京：高等教育出版社，2018.