溶液中離子濃度圖像題的教學(xué)思考

江蘇 郭高峰

(作者單位：江蘇省蘇州實驗中學(xué))

水溶液中的離子平衡是化學(xué)平衡在溶液中行為的擴展應(yīng)用，涉及電離平衡、水解平衡及沉淀溶解平衡等，是每年高考化學(xué)卷中考查考生變化觀念與平衡思想核心素養(yǎng)必不可少的一道題?！镀胀ǜ咧谢瘜W(xué)課程標準(2017年版2020年修訂)》對水溶液中的離子反應(yīng)與平衡的要求為：“認識弱電解質(zhì)在水溶液中存在電離平衡，了解電離平衡常數(shù)的含義。認識水的電離，了解水的離子積常數(shù)，認識溶液的酸堿性及pH，掌握檢測溶液pH的方法?！苯陙?，以圖像為載體考查電解質(zhì)溶液中離子濃度的關(guān)系在高考中高頻出現(xiàn)，主要涉及溶液中的相關(guān)微粒濃度或其變形形式隨pH的變化，從宏觀層面利用圖像、平衡常數(shù)等信息進行推理判斷，從微觀層面理解微粒電離、水解、沉淀等行為，體現(xiàn)了“宏觀辨識與微觀探析”“證據(jù)推理與模型認知”的化學(xué)核心素養(yǎng)。

1.試題呈現(xiàn)

【例1】(2020·山東卷·15)25℃時，某混合溶液中c(CH3COOH)+c(CH3COO-)=0.1 mol·L-1，lgc(CH3COOH)、lgc(CH3COO-)、lgc(H+)和lgc(OH-)隨pH變化的關(guān)系如圖1所示。Ka為CH3COOH的電離常數(shù)，下列說法正確的是

圖1

( )

A.O點時，c(CH3COOH)=c(CH3COO-)

B.N點時，pH=-lgKa

D.pH由7到14的變化過程中，CH3COO-的水解程度始終增大

【參考答案】BC

2.試題立意

2.1 命題意圖分析

試題以醋酸溶液中l(wèi)gc(CH3COOH)、lgc(CH3COO-)、lgc(H+)和lgc(OH-)隨pH變化圖像為載體考查圖像的辨識和推理、電離平衡常數(shù)的計算、水解程度的變化等知識，試題呈現(xiàn)方式新穎，著重考查學(xué)生對溶液中離子濃度關(guān)系的理解，很好地體現(xiàn)了化學(xué)與數(shù)學(xué)的跨學(xué)科整合，對學(xué)生的綜合能力要求較高。

2.2 試題選項分析

2.3 圖像繪制分析

假設(shè)濃度為cmol·L-1的一元弱酸CH3COOH溶液，常溫下電離平衡常數(shù)為Ka，在水溶液中以CH3COOH和CH3COO-兩種形式存在，對應(yīng)的平衡濃度分別為c(CH3COOH) 和c(CH3COO-)，即c(CH3COOH)+c(CH3COO-)=cmol·L-1。

根據(jù)pH的定義pH=-lgc(H+)可知，lgc(H+)=-pH，lgc(H+)與pH的關(guān)系是一條斜率為-1，截距為0的直線。

該圖像理解的難點是lgc(CH3COOH)隨pH的升高先幾乎不變后減小，而lgc(CH3COO-)隨pH的升高先增大后幾乎不變的原因。

當數(shù)值上c(H+)≥10Ka即pH≤pKa-1時，此時c(CH3COOH)≥10c(CH3COO-)，c(CH3COOH)≈c，即lgc(CH3COOH)=lgc，lgc(CH3COOH)與pH的關(guān)系是一條斜率為0，截距為lgc，與pH軸平行的直線。

同理不難得出lgc(CH3COO-)隨pH的升高的變化曲線是增大后幾乎不變。

基于以上分析不難看出，O點時pH=7。當c(CH3COOH)+c(CH3COO-)=0.1 mol·L-1時，N點時lgc(CH3COOH)與lgc(CH3COO-)數(shù)值上相等，橫坐標pH=-lgKa，縱坐標為-1.3。當pH=0時，lgc(CH3COOH)=lgc-pH-lg[Ka+c(H+)]=lg0.1-0-lg1=-1。

2.4 變式圖像分析

2.4.1 分布分數(shù)-pH圖

圖2 CH3COOH溶液中各微粒的δi-pH曲線

由圖2可知，δ(CH3COOH)值隨pH的增大而減小，δ(CH3COO-) 值隨pH增大而增大。

2.4.2 微粒濃度比值的對數(shù)-pH圖

圖3

2.5 拓展延伸

已知H2SO3是一種二元弱酸，常溫下Ka1(H2SO3)=1.54×10-2，pKa1=1.81；Ka2(H2SO3)=1.02×10-7，pKa1=6.99。

2.5.1 分布分數(shù)-pH圖

根據(jù)分布分數(shù)的定義：

圖4

2.5.2 微粒濃度對數(shù)-pH圖

圖5

2.4.3 微粒濃度比值的對數(shù)-pH圖

圖6

這與2017年全國卷Ⅰ第13題信息的呈現(xiàn)方式一致，二者的差異僅為高考題橫坐標是微粒濃度比值的對數(shù)，縱坐標是pH，但問題的分析思路高度一致。

3.思考與啟示

3.1 掌握圖像試題解題策略

溶液中離子濃度圖像多以坐標圖的形式呈現(xiàn)，坐標圖是用來描述某一變量(因變量)隨著另一變量(自變量)的變化行為，其優(yōu)點是不但顯示了可測量的數(shù)據(jù)，還可用來預(yù)測實驗中沒有測量或無法測量的數(shù)值。溶液中離子濃度關(guān)系隨pH的變化圖像可以是直線、曲線，也可以是對稱圖形，解決此類問題一般從“標、點、線”三方面分析：一看坐標，橫、縱坐標的意義；二看點，起點、終點、拐點、交點等特殊點；三看線，線的變化的趨勢，如升高、降低、漸變、突變等，聯(lián)想相關(guān)規(guī)律做輔助線。了解圖像題解題策略，有利于培養(yǎng)學(xué)生結(jié)合所學(xué)知識解讀文字和圖像信息，解決新情境中問題的能力。

3.2 重視圖像類試題的研究與教學(xué)

近幾年來圖像類試題的考頻逐年遞增，這類試題難度不降反升，像2021年山東省等級考試考查了賴氨酸溶液(三元有機酸)分布系數(shù)隨pH變化的圖像。從知識角度看，電解質(zhì)在水溶液中的行為是高中化學(xué)最基礎(chǔ)、最核心的教學(xué)內(nèi)容之一，復(fù)習(xí)授課時教師需引導(dǎo)學(xué)生構(gòu)建完善電解質(zhì)溶液知識體系，對高考題的命題背景、圖像考查角度進行分析歸納，明確高考考什么，怎么考，如何變，做到心中有數(shù)。從能力角度看，考前復(fù)習(xí)需要教師引導(dǎo)學(xué)生建構(gòu)解題模型，深入研究典型圖像，加強與數(shù)學(xué)學(xué)科之間的融合，嘗試從不同角度進行變換，不斷提高學(xué)生的圖像分析、理解和應(yīng)用能力，進一步提升學(xué)生思維的嚴謹性、靈活性和深刻性。

3.3 培養(yǎng)信息素養(yǎng)提升學(xué)科理解是關(guān)鍵

教育部印發(fā)的《關(guān)于做好2022年普通高校招生工作的通知》中對2022年高考命題有明確要求：“依據(jù)高校人才選拔要求和國家課程標準，加強對關(guān)鍵能力和學(xué)科素養(yǎng)的考查，引導(dǎo)減少死記硬背和‘機械刷題’現(xiàn)象?！边@預(yù)示新情境試題、信息素養(yǎng)是高考命題所追求的方向，但不變的依然是化學(xué)基礎(chǔ)知識和基本原理。鄭長龍教授曾說過，深刻的學(xué)科理解是高水平教師的重要特征，是高質(zhì)量教學(xué)的重要保證。因此加強學(xué)科理解、強化學(xué)科深度教研是提高教學(xué)質(zhì)量的必由之路。