河北

沉淀作為一種溶解現(xiàn)象是學生在義務教育階段建立的一個化學基本概念，它生動直觀，能體現(xiàn)化學變化，彰顯學科特色，給學生留下了深刻的印象。高中人教版《必修1》中，又以離子反應的角度，結(jié)合微粒觀和電性觀重申“生成沉淀”的意義和作用?！哆x修4》中，將難溶電解質(zhì)重新定位，從變化觀念與平衡思想出發(fā)，研究它在水中的“變化”，糾正了學生的一些認識偏差，如“沉淀是靜止不變的”、“沉淀不溶于水”等等，特別是Ksp的出現(xiàn)，增強了理論內(nèi)涵。但是，Ksp這一內(nèi)容在教材中過于后置，師生習慣將其局限在含義的理解、判斷及簡單計算，很少開發(fā)它作為一種常數(shù)，將它具有的工具功能整合融入到先期學習內(nèi)容中，提高問題分析的維度。

為此，教師有必要專門針對一些真實的任務情景，通過分析、求證及數(shù)據(jù)處理，增強學生對Ksp的應用意識，凸顯其概念的定性分析、定量分析及證據(jù)推理作用，進而強化學生對化學反應原理應用模型建構(gòu)過程的理解。

一、為什么常用調(diào)節(jié)溶液pH法除去雜質(zhì)離子Fe3+、Al3+？

【例1】(2019·全國卷Ⅲ·26節(jié)選)高純硫酸錳作為合成鎳鈷錳三元正極材料的原料，工業(yè)上可由天然二氧化錳粉與硫化錳礦(還含F(xiàn)e、Al、Mg、Zn、Ni、Si等元素)制備，工藝如圖所示?；卮鹣铝袉栴}：

相關金屬離子[c0(Mn+)=0.1 mol·L-1]形成氫氧化物沉淀的pH范圍如下：

金屬離子Mn2+Fe2+Fe3+Al3+Mg2+Zn2+Ni2+開始沉淀的pH8.16.31.53.48.96.26.9沉淀完全的pH10.18.32.84.710.98.28.9

(2)“氧化”中添加適量的MnO2的作用是___________________。

(3)“調(diào)pH”除鐵和鋁，溶液的pH范圍應調(diào)節(jié)為________～6之間。

(4)“除雜1”的目的是除去Zn2+和Ni2+，“濾渣3”的主要成分是________。

【答案】(2)將Fe2+氧化為Fe3+

(3)4.7

(4)NiS和ZnS

本例題以高純硫酸錳的制備工藝為背景，考查了調(diào)節(jié)溶液pH法、沉淀法除去雜質(zhì)離子的化學原理。筆者針對本例題向準高三學生進行問卷調(diào)查，其中認為“表格中形成氫氧化物沉淀的pH可由Ksp計算得到”的占24%，“除去Fe2+需將其氧化為Fe3+再調(diào)節(jié)溶液pH”的占25%，“本例題中除去Zn2+和Ni2+不宜采用調(diào)節(jié)溶液pH法”的占27%……結(jié)果表明學生習慣敘述性知識的記憶，缺乏對化學原理的深層理解，處于面對新問題不會應用的窘境。

因為Zn2+和Ni2+完全形成氫氧化物沉淀時溶液的pH分別為8.2和8.9，需保留的Mn2+也開始沉淀，因而不能實現(xiàn)有效地分離。由于多數(shù)金屬硫化物是最難溶的物質(zhì)，工業(yè)上常使用H2S或Na2S沉淀金屬離子。當使用Na2S沉淀Zn2+和Ni2+時是否會產(chǎn)生MnS的共沉淀，如何控制？當學生提出了這樣的問題時，可以說明他們基于Ksp的應用能力已經(jīng)有了較大的進步。

二、MnS可溶于鹽酸，但為什么CuS不溶于鹽酸呢？

【例2】(2016·天津卷·3改編)“在同濃度的鹽酸中，MnS可溶而CuS不溶，說明CuS的溶解度比MnS的小”是否正確？

【答案】正確。

上述推理過程，重視理論計算，凸顯了多重平衡規(guī)則及應用，有利于提升學生的化學反應原理的分析水平。相反，若教學時僅靠定性陳述和結(jié)論，講不通時干脆讓學生死記硬背，缺少必要的推理思維和數(shù)據(jù)分析，遷移應用能力的形成以及可持續(xù)發(fā)展就無從談起。

三、食鹽精制過程中，需要幾次過濾？

【例3】實驗室常用MnO2與濃鹽酸反應制備Cl2。制備反應會因鹽酸濃度下降而停止。為測定反應殘余液中鹽酸的濃度，探究小組同學提出下列實驗方案：與已知量CaCO3(過量)反應，稱量剩余固體的質(zhì)量。判斷該方案的實驗結(jié)果__________(填“偏大”“偏小”或“準確”)。[已知：Ksp(CaCO3)=2.8×10-9、Ksp(MnCO3)=2.3×10-11]

【答案】偏小

四、教材附錄“部分酸、堿和鹽的溶解性表(室溫)”中Fe2+與為何是“不”而非“—”呢？

【例4】(2019·全國卷Ⅲ·26節(jié)選)(題干見例1)寫出“沉錳”的離子方程式：____________________。

五、Mg(OH)2不溶于水，但為什么使酚酞變色？

在義務教育階段學生形成了Mg(OH)2不溶于水的事實性認知，基于此，在高中人教版《必修1》食鹽精制實驗時，雜質(zhì)離子Mg2+就是加入NaOH使其完全形成Mg(OH)2沉淀而分離出去的。在《必修2》探究元素金屬性時，將鎂帶加入到滴入酚酞的水中，加熱至水沸騰，發(fā)現(xiàn)鎂帶上有大量氣泡、溶液變淺紅色。很多學生心生疑竇：明明Mg(OH)2不溶于水，但為什么它又能使酚酞變紅呢？

【例5】室溫下，F(xiàn)e(OH)3懸濁液的pH約為________(已知：室溫時，F(xiàn)e(OH)3的Ksp為4.0×10-38、Kw=1×10-14)。

【答案】7

六、使用AgNO3標準溶液滴定溶液中的Cl-時，為什么可用K2CrO4作指示劑？

【答案】2.0×10-55.0×10-3

本例題以沉淀滴定為主題，考查共沉淀平衡體系中的離子濃度基于Ksp的簡單計算，表面看似是一種數(shù)字游戲，實則不然，計算的背后隱含著沉淀滴定原理和指示劑的選擇要求。教學時教師可搭建問題支架，誘思探究：待測離子和指示劑離子是同時形成沉淀嗎？指示劑是否需要限量？能否使用KI、KBr作指示劑？

若使用KI作指示劑時，由于AgI與AgCl結(jié)構(gòu)相似，且AgI的Ksp遠遠小于AgCl的Ksp，在相同的濃度條件下進行滴定，被測離子和指示劑離子沉淀先后順序錯位而使滴定失敗。至此，沉淀滴定原理在上述分析的過程中就體現(xiàn)完全了。

綜上案例分析，Ksp是反映難溶電解質(zhì)在水中的溶解能力的重要標尺，它在判斷難溶電解質(zhì)的溶解平衡的移動方向，深化理解沉淀的形成、溶解與轉(zhuǎn)化等方面具有廣泛的應用價值。但由于課本的設置和學生的思維，當前的教學現(xiàn)狀是先具體物質(zhì)性質(zhì)，后Ksp概念及相關理論，呈現(xiàn)明顯的脫節(jié)和割裂。因此，強化Ksp概念與相關化合物性質(zhì)之間的內(nèi)在聯(lián)系，彌補高一階段被動接受定性結(jié)論的教學缺陷，構(gòu)建難溶電解質(zhì)的離子反應系統(tǒng)觀是高三復習教學的必然要求。第一，師生樹立一種“Ksp是難溶電解質(zhì)溶解性的定量表達”的基本觀念。Ksp的應用是用數(shù)據(jù)說話，是證據(jù)推理，有化晦澀為淺顯、化復雜為簡單的教學效果。第二，創(chuàng)設情景，強化運用，整合教學。如復習“復分解反應的條件”時，教師可引導學生思考為什么離子之間生成沉淀就能發(fā)生反應呢？這與沉淀的Ksp有關系嗎？學生在老師的啟發(fā)下計算離子反應的平衡常數(shù)，發(fā)現(xiàn)沉淀反應的K是沉淀的Ksp的倒數(shù)，由于沉淀的Ksp很小，所以K就很大，離子反應就容易發(fā)生，學生們就會恍然大悟，原來早已熟知的結(jié)論可以這樣理解，在應用中感受了理論的魅力。第三，學會建構(gòu)運用Ksp計算推理的思維模型。Ksp的數(shù)學表達式是出發(fā)點，里面包含著溶解平衡中各離子濃度之間的數(shù)量關系，涉及難溶電解質(zhì)的化學反應，它自發(fā)進行的方向和限度可用平衡常數(shù)來描述，平衡常數(shù)中“埋伏”著難溶電解質(zhì)的Ksp等常數(shù)，遂使問題得以定量分析。第四，加強總結(jié)歸納。如：注意不同沉淀的陰陽離子個數(shù)比，把握沉淀的先后順序或轉(zhuǎn)化方向，掌握計算復雜離子反應平衡常數(shù)時的“整體代換”技巧，區(qū)分完全沉淀和開始沉淀等。

涉及難溶性電解質(zhì)的問題很多，Ksp的介入和計算推理是分析和解決它們的一個途徑，但并非每個問題都需要Ksp的“較真”，具體問題具體分析才是王道。