聚焦思維模型的單元整體復(fù)習(xí)設(shè)計(jì)

“水溶液中的離子反應(yīng)與平衡”單元是人教版化學(xué)選擇性必修1第三章《化學(xué)反應(yīng)原理》的內(nèi)容，是化學(xué)平衡理論在水溶液中的應(yīng)用。本單元旨在引導(dǎo)學(xué)生從溶液中存在的粒子、粒子間發(fā)生的變化、粒子間建立的平衡等視角，探究水溶液中的離子反應(yīng)與平衡，樹立微粒觀、變化觀等核心化學(xué)觀念。復(fù)習(xí)階段，筆者以碳酸飲料與人體健康為情境素材，設(shè)計(jì)一系列問(wèn)題，引導(dǎo)學(xué)生通過(guò)初構(gòu)模型、鞏固模型、強(qiáng)化模型、完善模型四個(gè)環(huán)節(jié)的學(xué)習(xí)，形成解決水溶液中離子反應(yīng)與平衡問(wèn)題的一般思路，發(fā)展模型構(gòu)建能力，強(qiáng)化化學(xué)思維。

一、引入真實(shí)情境，初構(gòu)模型

復(fù)習(xí)伊始，筆者引入情境：“盡管每個(gè)人的口味偏好不同，碳酸飲料還是以其獨(dú)特魅力成為大眾公認(rèn)的‘快樂(lè)水’。有趣的是，我們不僅能享用它，還能親手創(chuàng)造它?！闭鎸?shí)的生活化問(wèn)題情境讓學(xué)生感受到化學(xué)就在身邊，從而產(chǎn)生自主探究的興趣。筆者順勢(shì)引導(dǎo)學(xué)生用純凈水、檸檬汁和小蘇打等制作碳酸飲料，并仔細(xì)觀察制作過(guò)程中這些材料發(fā)生反應(yīng)的現(xiàn)象，進(jìn)而分析物質(zhì)反應(yīng)的本質(zhì)，從認(rèn)識(shí)物質(zhì)的宏觀性質(zhì)過(guò)渡到探析微觀粒子的行為。筆者先讓學(xué)生思考純凈水中存在哪些微粒。學(xué)生回答：水會(huì)發(fā)生電離，H2O、OH-、H+共存于水中。然后，筆者引導(dǎo)學(xué)生把小蘇打（碳酸氫鈉）加入純凈水中，探討此時(shí)微粒的種類如何變化，以及這些變化帶來(lái)哪些新的化學(xué)平衡。學(xué)生通過(guò)分析碳酸氫鈉在水溶液中的電離，發(fā)現(xiàn)微粒種類增加了，即多了Na+和HCO3-，HCO3-的增加使溶液中的主要平衡為碳酸根的水解平衡。最后，筆者引導(dǎo)學(xué)生把檸檬汁加入小蘇打溶液中，分析這一變化會(huì)對(duì)原有平衡產(chǎn)生怎樣的影響，以及這些影響會(huì)引起什么宏觀現(xiàn)象。通過(guò)操作、觀察和討論，學(xué)生發(fā)現(xiàn)加入檸檬汁后，溶液中氫離子濃度增大，碳酸氫根離子的水解平衡正向移動(dòng)，生成碳酸，碳酸因不穩(wěn)定而分解，產(chǎn)生氣泡。通過(guò)以上問(wèn)題的逐步解決，學(xué)生提煉出如圖1所示的思維模型，這個(gè)模型可用于分析水溶液中離子平衡問(wèn)題。

真實(shí)問(wèn)題的解決過(guò)程將零散、孤立的知識(shí)重整為系統(tǒng)、整體的知識(shí)，幫助學(xué)生從微粒觀、平衡觀的視角形成解決問(wèn)題的思維模型，進(jìn)而發(fā)展了宏觀辨識(shí)與微觀探析的化學(xué)核心素養(yǎng)。

二、創(chuàng)設(shè)問(wèn)題情境，鞏固模型

我們往往都經(jīng)歷過(guò)這樣的情形：飲一大口冰鎮(zhèn)的碳酸飲料，不久后會(huì)不由自主地打嗝。為了讓學(xué)生更直觀地感受這個(gè)有趣的過(guò)程，筆者在課堂上先播放一段關(guān)于人們喝碳酸飲料后打嗝的視頻，并給出如下信息：①碳酸飲料是在一定條件下充入CO2的飲料；②20℃時(shí)碳酸飲料溶解CO2的體積倍數(shù)不低于2.0倍；③胃液pH為0.9～1.5，碳酸飲料pH為2～5。然后，筆者提問(wèn)：“為什么喝碳酸飲料容易打嗝呢？”學(xué)生嘗試?yán)蒙鲜鏊季S模型分析打嗝原因，提出如下設(shè)想：碳酸飲料的溶質(zhì)主要是H2CO3，其中主要存在H2CO3的電離平衡，碳酸飲料進(jìn)入胃液后，由于胃液中的H+濃度遠(yuǎn)高于碳酸飲料，這種外界條件的改變促使H2CO3的電離平衡發(fā)生逆向移動(dòng)，原本電離出的H+和HCO3- 重新結(jié)合，形成H2CO3，而H2CO3是一種不穩(wěn)定的酸，容易分解為CO2和H2O，CO2通過(guò)食道排出，形成打嗝現(xiàn)象。

學(xué)生不僅利用思維模型分析、解決了現(xiàn)實(shí)問(wèn)題，完成了水溶液知識(shí)體系的結(jié)構(gòu)化及其認(rèn)識(shí)思路的系統(tǒng)化，還驗(yàn)證了模型的準(zhǔn)確性和適用性。

三、呈現(xiàn)復(fù)雜情境，強(qiáng)化模型

本環(huán)節(jié)，筆者引導(dǎo)學(xué)生分析、解決更加復(fù)雜的混合溶液?jiǎn)栴}，經(jīng)歷從宏觀表征到微觀表征再到符號(hào)表征的學(xué)習(xí)過(guò)程，強(qiáng)化模型認(rèn)知。

課堂上，筆者出示如下材料，把學(xué)生引入復(fù)雜的問(wèn)題情境中。

26歲的小曹是一名快遞員，他每天喝碳酸飲料解渴?！皾M頭大汗的時(shí)候來(lái)一瓶‘快樂(lè)水’，別提多爽了！”小曹說(shuō)，他每天喝大約2升碳酸飲料。這個(gè)習(xí)慣讓身高170厘米的他，體重飆升至近200斤。半個(gè)月前，小曹突然出現(xiàn)口渴乏力、多飲多尿的癥狀。越口渴他就越想喝碳酸飲料，這導(dǎo)致他的病情加重。小曹無(wú)奈之下來(lái)到醫(yī)院就診，醫(yī)生確診他的病因是大量飲用碳酸飲料導(dǎo)致的酸中毒。

學(xué)生閱讀材料后，筆者提問(wèn)：我們平時(shí)也喝可樂(lè)等酸性的碳酸飲料，為什么沒(méi)有引發(fā)酸中毒呢？同時(shí)，筆者給出相關(guān)信息：血液是一種特殊的溶液，它能幫助人體抵抗外來(lái)少量酸性或堿性物質(zhì)，加上肺和腎臟的調(diào)節(jié)，血液pH能維持在7.35～7.45范圍內(nèi)，這在醫(yī)學(xué)上被稱為血液的酸堿平衡；人體血液中存在H2CO3-NaHCO3等體系，它通過(guò)平衡的移動(dòng)穩(wěn)定血液pH。為解決上述問(wèn)題，學(xué)生小組合作探究，發(fā)現(xiàn)我們平時(shí)喝碳酸飲料一般不是連續(xù)大量飲用，這相當(dāng)于給身體外加少量酸，因此血液的pH能夠保持穩(wěn)定。筆者引導(dǎo)學(xué)生以血液中的H2CO3-NaHCO3體系為例做具體說(shuō)明。學(xué)生嘗試?yán)盟季S模型分析血液中的多平衡體系，發(fā)現(xiàn)該體系中存在的主要微粒是H2CO3和NaHCO3，存在的主要平衡是碳酸的電離平衡和碳酸氫根離子的水解平衡，當(dāng)外加少量酸時(shí)，血液中H+濃度增加，碳酸根離子的水解平衡正向移動(dòng)，從而減緩H+濃度的進(jìn)一步增加，助力人體維持pH穩(wěn)定，而？當(dāng)外加少量堿時(shí)，血液中OH-濃度增加，碳酸的電離平衡正向移動(dòng)，從而減緩OH-濃度的進(jìn)一步增加，助力人體維持pH穩(wěn)定。

接下來(lái)，筆者做演示實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證H2CO3-NaHCO3體系維持血液pH穩(wěn)定的原理。筆者先向60mL人工合成的模擬血液中逐滴加入可樂(lè)，用pH計(jì)測(cè)量模擬血液的pH變化情況，并將數(shù)據(jù)傳入電腦，繪制出圖像（如圖2）。

經(jīng)過(guò)觀察和思考，學(xué)生發(fā)現(xiàn)：在前1分鐘，模擬血液的pH從7.09變?yōu)?.97，在后1分鐘，模擬血液的pH從6.97變?yōu)?.61，可見后1分鐘pH的下降幅度更大，這表明隨著可樂(lè)加入量的增加，模擬血液中的緩沖物質(zhì)逐漸被消耗，酸堿平衡調(diào)節(jié)機(jī)制逐漸失去作用。筆者點(diǎn)撥：雖然血液能在一定程度上維持pH的穩(wěn)定，但隨著碳酸飲料的過(guò)量攝入，這種平衡就會(huì)被打破，導(dǎo)致血液pH顯著下降，進(jìn)而引發(fā)酸中毒。最后，筆者出示如下問(wèn)題，引導(dǎo)學(xué)生通過(guò)計(jì)算驗(yàn)證上述結(jié)論的正確性。

某緩沖溶液由0.10mol·L-1 的H2CO3和0.10mol·L-1的NaHCO3組成。試計(jì)算：①該緩沖溶液的pH；②在1000mL該緩沖溶液中加入10mL1.0mol·L-1的HCl溶液后，該緩沖溶液的pH。提示：碳酸Kal=4.4×10-7，－lgKal=6.36；lg（0.09/0.11）=－0.09。

學(xué)生先找到主要平衡即碳酸的第一步電離平衡，接著利用電離平衡常數(shù)Kal計(jì)算出該緩沖溶液的pH為6.36。然后，學(xué)生分析：加入少量鹽酸后，HCO3-會(huì)與H+反應(yīng)生成H2CO3，因此加入鹽酸后H2CO3物質(zhì)的量為0.11mol，HCO3-物質(zhì)的量為0.09mol。最后，學(xué)生利用Kal得出加入鹽酸后溶液的pH為6.27。

通過(guò)傳感器定量測(cè)定溶液pH變化的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證模型的合理性，是實(shí)證與理論相結(jié)合的表現(xiàn)。在此過(guò)程中，學(xué)生從定量視角推理，建構(gòu)了多維視角分析模型。同時(shí)，傳感器的利用使水溶液中離子平衡的微觀本質(zhì)外顯化，讓學(xué)生更加直觀地感受到血液中的酸堿緩沖對(duì)能在一定范圍內(nèi)維持血液pH穩(wěn)定。

四、提供拓展情境，完善模型

本環(huán)節(jié)，筆者通過(guò)引入沉淀溶解平衡，為水溶液中離子問(wèn)題思維模型增添新的維度，使其更加完善和全面，以便學(xué)生在模型指導(dǎo)下靈活運(yùn)用所學(xué)知識(shí)解決更加復(fù)雜的問(wèn)題，形成系統(tǒng)思維。課堂上，筆者出示如下新聞。

據(jù)媒體報(bào)道，在浙江寧波，14歲的曉俊因牙齒疼痛到醫(yī)院就診。醫(yī)生檢查后發(fā)現(xiàn)，他滿口齲齒，好幾顆牙已被徹底“蛀空”。醫(yī)生問(wèn)診得知，他每天上學(xué)后一口水都不喝，卻要連喝三瓶碳酸飲料。

在學(xué)生被這則新聞所震驚時(shí)，筆者拋出“碳酸飲料真的毀壞牙齒嗎？”的問(wèn)題，并提示：牙齒表面有一層薄薄的起保護(hù)作用的釉質(zhì)；牙釉質(zhì)的主要成分是難溶的羥基磷灰石［Ca5（PO4）3OH］，其飽和溶液中存在沉淀溶解平衡——Ca5（PO4）3OH（s） ？ 5Ca2+（aq）+3PO43-（aq）+OH-（aq）。學(xué)生結(jié)合上述信息小組合作探究得出：碳酸飲料進(jìn)入口腔后釋放H+，這種外界條件的改變使牙齒表面的羥基磷灰石沉淀溶解平衡正向移動(dòng)，其原本穩(wěn)定的沉淀狀態(tài)開始趨向于溶解狀態(tài)，因此長(zhǎng)期飲用碳酸飲料會(huì)導(dǎo)致牙齒表面的羥基磷灰石持續(xù)溶解，進(jìn)而形成牙齒酸蝕癥。最后，筆者播放視頻，展示牙齒放入碳酸飲料中一年期間的變化，讓學(xué)生更加直觀地感受碳酸飲料對(duì)牙齒的損害。

為幫助學(xué)生強(qiáng)化知識(shí)結(jié)構(gòu)，感受化學(xué)平衡的調(diào)控對(duì)生產(chǎn)、生活的重要意義，筆者引導(dǎo)學(xué)生回憶學(xué)習(xí)路徑，進(jìn)一步總結(jié)水溶液中離子平衡問(wèn)題的思維模型，即先分析溶液中的主要微粒，然后找到主要存在的平衡，最后分析外界條件改變所引起的主要微粒數(shù)目、種類等的改變，以及這些改變所帶來(lái)的平衡移動(dòng)。

此外，筆者提出課后拓展探究問(wèn)題“試根據(jù)本節(jié)課所學(xué)內(nèi)容，解釋全球變暖加速珊瑚減少的原因”，引導(dǎo)學(xué)生體會(huì)我國(guó)提出“碳達(dá)峰”“碳中和”目標(biāo)所體現(xiàn)的擔(dān)當(dāng)精神。

（作者單位：利川市第一中學(xué)）