徐惠

摘要：以“弱電解質(zhì)的電離平衡”教學(xué)為例，創(chuàng)設(shè)分析某未知酸的實(shí)際情境，設(shè)計(jì)層層深入的“證據(jù)一推理一結(jié)論”探究環(huán)節(jié)，引導(dǎo)學(xué)生在分析證據(jù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行推理，體會“宏觀實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、實(shí)驗(yàn)圖線、理論證據(jù)以及文獻(xiàn)資料等多重證據(jù)與結(jié)論之間的關(guān)系，形成基于證據(jù)進(jìn)行推理的理性思維。在實(shí)踐教學(xué)中取得理想教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞：弱電解質(zhì);電離平衡;證據(jù)推理

文章編號：1008-0546（2020）08-0056-04

中圖分類號：C632.41

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

doi： 10.3969/j .issn.1008-0546.2020.08.016

“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”是《高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》所規(guī)定的5個化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)之一，旨在培養(yǎng)學(xué)生的“證據(jù)意識，建立觀點(diǎn)、結(jié)論和證據(jù)之間的邏輯關(guān)系”，“揭示現(xiàn)象的本質(zhì)和規(guī)律”的能力[1]。一線課堂教學(xué)中教師常在元素化合物等容易進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究的教學(xué)內(nèi)容中進(jìn)行基于“證據(jù)推理”的教學(xué)，而在化學(xué)原理的教學(xué)內(nèi)容中，這種基于證據(jù)推理的教學(xué)卻常有缺失。諸如“化學(xué)平衡”“電離平衡”等原理較為抽象，學(xué)生的理解常有困難，如何在原理的教學(xué)中設(shè)計(jì)出基于“證據(jù)一推理一結(jié)論”的教學(xué)值得一線教師不斷嘗試，本文介紹筆者在“弱電解質(zhì)電離平衡”教學(xué)中的一些嘗試。

一、復(fù)習(xí)舊知，創(chuàng)設(shè)問題情境

【引入】教師直接提出該節(jié)課研究電解質(zhì)，提問什么是電解質(zhì)？電解質(zhì)主要包含哪些物質(zhì)？學(xué)生回憶高一所學(xué)知識“電解質(zhì)是熔融狀態(tài)或水溶液狀態(tài)下能導(dǎo)電的化合物”“常見電解質(zhì)包括酸、堿、鹽等”。教師提出酸堿鹽都是電解質(zhì)，桌上有兩瓶酸，一瓶是0.1mol/L的鹽酸，一瓶是0.1mol/L的未知酸HX，它們會有怎樣的差異呢？

【活動】組織學(xué)生進(jìn)行第一項(xiàng)體驗(yàn)活動：“分別取10mL 0.1mol/L鹽酸溶液，0.1mol/L未知酸HX溶液，同時(shí)往其中加入過量打磨過的鎂條觀察現(xiàn)象。”引導(dǎo)學(xué)生觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，思考現(xiàn)象背后可能的原因。學(xué)生觀察出鹽酸與鎂條反應(yīng)快，放出氣泡多，HX反應(yīng)慢。實(shí)驗(yàn)活動使得學(xué)生通過宏觀實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象初步感受電解質(zhì)不同種類的差異。

【過渡】教師進(jìn)而引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)宏觀現(xiàn)象進(jìn)行分析思考推理，該反應(yīng)速率和微觀哪種離子濃度有關(guān)？學(xué)生提出現(xiàn)象不同與H+濃度不同有關(guān)，教師追問為什么H+濃度會不同？教師進(jìn)而分析H+濃度差異體現(xiàn)出兩種酸電離出H+能力差異，引導(dǎo)學(xué)生接受根據(jù)電離出離子濃度不同可將電解質(zhì)分為強(qiáng)弱電解質(zhì)。在以上分析基礎(chǔ)上提出問題：上述實(shí)驗(yàn)中兩種酸電離出H+濃度差異究竟有多大？強(qiáng)弱電解質(zhì)的本質(zhì)差異究竟是什么？創(chuàng)設(shè)研究弱電解質(zhì)的問題情境。

設(shè)計(jì)意圖：從宏觀實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行推理分析，從宏觀到微觀的視角，著力于學(xué)生宏微結(jié)合思想的養(yǎng)成。

二、數(shù)據(jù)探究，理解電離平衡

【講解】教師提問溶液中H+濃度沒法直接測定，可如何間接測量？在學(xué)生回答基礎(chǔ)上指出表征溶液酸堿性最直接的可測量數(shù)據(jù)為pH，并補(bǔ)充pH計(jì)算公式為pH=-1gc（ H+）。

【實(shí)驗(yàn)】引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究活動：利用便攜式pH計(jì)分別測量1mol/L、0.1mol/L鹽酸溶液和1mol/L、0.1mol/L未知酸HX溶液，同時(shí)計(jì)算機(jī)程序快速計(jì)算出兩溶液中H+濃度，如下表所示：

【分析】基于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)證據(jù)，引導(dǎo)學(xué)生思考這些數(shù)據(jù)說明了什么？學(xué)生通過分析可以看出鹽酸中H+濃度與鹽酸濃度相同，HCl幾乎百分百完全電離，未知酸HX電離出的H+濃度很小，其電離程度很小。教師適時(shí)引入電離度（a）的概念，為“已電離的電解質(zhì)的濃度/電解質(zhì)的初始濃度”，進(jìn)而講述根據(jù)電離是否完全可將電解質(zhì)分為強(qiáng)弱電解質(zhì)，電離程度的差異是強(qiáng)弱電解質(zhì)的本質(zhì)差異。

【追問】既然弱電解質(zhì)的電離程度是小于100%的，那么應(yīng)該如何用化學(xué)語言表征強(qiáng)弱電解質(zhì)的電離？分別以鹽酸和未知弱酸HX為例。學(xué)生基于上述分析結(jié)果可以寫出HCl與HX的電離方程式分別為HCl = H++Cl-、HX=H++X-。強(qiáng)調(diào)=代表HX電離過程是同時(shí)具有電離過程和分子化過程。并結(jié)合HX的電離討論HX的電離過程中速率圖線如圖1：

【小結(jié)】分析兩種酸電離程度的差異也不難發(fā)現(xiàn)，在強(qiáng)弱電解質(zhì)中存在的粒子種類也存在著差異。教師板書總結(jié)如下：

【追問】在弱酸HX的溶液里因?yàn)殡婋x平衡的存在，同時(shí)存在電解質(zhì)的分子和離子，對不同濃度的弱酸HX的溶液進(jìn)行測量，有表2所示數(shù)據(jù)： 分析上述數(shù)據(jù)，還可以發(fā)現(xiàn)什么？ 【分析】在教師引導(dǎo)下逐步分析，發(fā)現(xiàn)上述不同濃度HX溶液中c（HT）=c（X-），c（X-）+c（HX）=c（初始），教師肯定學(xué)生的發(fā)現(xiàn)，指出c（X-）+c（HX）=c（初始）為弱電解質(zhì)體系中的物料守恒，并引導(dǎo)學(xué)生深入發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)背后更深層次的定量關(guān)系。最終師生共同挖掘發(fā)現(xiàn)，在上述三種濃度的溶液里 （?）數(shù)據(jù)相等都

約為1.8x10^-5，進(jìn)而引出平衡常數(shù)K的概念，指出弱電解質(zhì)的電離存在限度。在分析K的表達(dá)式的基礎(chǔ)上，學(xué)生同時(shí)可以得出結(jié)論，K數(shù)值越大，弱電解質(zhì)的電離能力越大，K數(shù)值可以幫助判斷弱電解質(zhì)的相對強(qiáng)弱，也可以幫助判斷弱電解質(zhì)的具體的類別。

教師同時(shí)呈現(xiàn)出教材中幾種常見弱酸的電離常數(shù)，學(xué)生可以發(fā)現(xiàn)，之前所研究的弱酸HX實(shí)際為醋酸。

設(shè)計(jì)意圖：此部分內(nèi)容的教學(xué)，通過數(shù)據(jù)證據(jù)的充分發(fā)掘，層層遞進(jìn)地推演弱電解質(zhì)電離平衡的存在，使得學(xué)生對弱電解質(zhì)的電離特點(diǎn)有著定量化的理解。

三、深入探究，分析平衡移動

【過渡】弱電解質(zhì)電離到達(dá)平衡時(shí)是平衡到達(dá)了一定限度，這種限度能否被打破呢？或者電離平衡能否發(fā)生移動？哪些因素可以影響電離的平衡？

【分析】學(xué)生結(jié)合化學(xué)平衡的影響因素，可以分析出僅“濃度”和“溫度”兩因素可以影響弱電解質(zhì)的電離平衡，那么哪些濃度可以影響弱電解質(zhì)的電離平衡？以醋酸的電離為例：

CH3COOH F=CH3COO-+H+，從醋酸的電離方程不難發(fā)現(xiàn)，醋酸濃度可以影響醋酸的電離的電離平衡，那如何分析得知醋酸濃度增大如何影響該電離平衡？教師再次呈現(xiàn)出表1的數(shù)據(jù)，CH3COOH濃度從0.1mol/L到Imol/L，學(xué)生通過數(shù)據(jù)分析比較可以得出如下結(jié)論，醋酸平衡體系中，加入醋酸，平衡向右移動，醋酸電離度減小，溶液中c（CH3COO-）、c（H+）濃度均減小。

設(shè)計(jì)意圖：此處依舊是數(shù)據(jù)證據(jù)呈現(xiàn)，但卻可以給醋酸電離平衡移動以最直接的體現(xiàn)，且該數(shù)據(jù)來自于本節(jié)課真實(shí)的實(shí)驗(yàn)，令人信服，多重角度分析實(shí)驗(yàn)證據(jù)，進(jìn)行全面的解讀也是對證據(jù)最大的尊重。

【過渡】從電離方程來看，改變氫離子的濃度也可以對醋酸的電離平衡產(chǎn)生影響，如何通過實(shí)驗(yàn)證明？介紹指示劑一般為有機(jī)酸或者有機(jī)堿，如溴甲酚綠是一種有機(jī)弱酸（HIn）型酸堿指示劑，其電離方程如下：

HIn=H++ In-

（黃色） （藍(lán)色）

【演示實(shí)驗(yàn)】往呈藍(lán)綠色的溴甲酚綠溶液中，滴加鹽酸，溶液變?yōu)辄S色，再往呈黃色的溶液中滴加NaOH，溶液又呈現(xiàn)藍(lán)色。

【師生共同分析】溶液中c（H+）增加平衡左移，主要為分子化的過程，溶液中c（OH-）增大，平衡右移，弱電解質(zhì)電離更為顯著。

設(shè)計(jì)意圖：利用鮮明的可視化實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象將微觀過程呈現(xiàn)，通過清晰的實(shí)驗(yàn)證據(jù)，推理結(jié)論，強(qiáng)化學(xué)生的認(rèn)識。

【追問】還有哪些方式可以改變醋酸體系中的c（H+）？

【學(xué)生討論】還可以在醋酸體系中加入活潑金屬或能與醋酸反應(yīng)的弱酸鹽。

【回顧】一開始我們做過酸與金屬鎂的反應(yīng)，回到最初的那個實(shí)驗(yàn)，再次觀察看看有哪些發(fā)現(xiàn)？

【學(xué)生觀察】鹽酸與鎂條反應(yīng)體系，反應(yīng)幾乎停止;醋酸體系中鎂條仍然在與醋酸作用，但兩反應(yīng)的氣球大小已經(jīng)漸漸接近。

【分析】弱電解質(zhì)電離平衡可以不斷移動，并最終將弱電解質(zhì)不斷消耗完畢。

【提問】能否根據(jù)預(yù)測在一張圖上橫坐標(biāo)為時(shí)間，縱坐標(biāo)為氣體體積畫出O.lmol/L HCl和O.lmol/LCH3COOH分別和過量鎂條反應(yīng)放出氫氣的情況。

【教師展示】實(shí)際情況難以測定氣體體積，我們在同體積密閉容器中測定了同濃度鹽酸和醋酸分別與金屬鎂反應(yīng)時(shí)體系內(nèi)壓強(qiáng)變化如圖2。

設(shè)計(jì)意圖：從宏觀現(xiàn)象進(jìn)行推理，并再通過數(shù)字實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，不僅強(qiáng)化了學(xué)生對于強(qiáng)弱電解質(zhì)在反應(yīng)中的表現(xiàn)差異，理解電離平衡移動的結(jié)果，也更從思想上重視證據(jù)呈現(xiàn)的多重表征形式。

【教師】改變體系中的濃度，還可以稀釋溶液，稀釋的過程電離平衡又該如何移動？分析的方法不僅可以是實(shí)驗(yàn)的還可以是理論的。

【學(xué)生分析】可以通過計(jì)算稀釋瞬間Q。與K的相對大小來判斷

【教師】利用表2數(shù)據(jù)結(jié)合理論進(jìn)一步強(qiáng)化學(xué)生分析結(jié)果，指出理論分析一樣是獲得證據(jù)進(jìn)行推理的重要途徑。

設(shè)計(jì)意圖：實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)都屬于直接的證據(jù)，而應(yīng)用理論證據(jù)進(jìn)行推理在科學(xué)論證時(shí)也同樣重要，在教學(xué)中有意彰顯這一點(diǎn)也是有利的。

【教師追問】如何證明c（CH3COO-）濃度對醋酸電離平衡的影響？

【學(xué)生】往醋酸體系加入醋酸鈉

【教師】引導(dǎo)學(xué)生思考醋酸鈉是堿性的，應(yīng)選用醋酸銨，同時(shí)利用數(shù)字化學(xué)實(shí)驗(yàn)儀器演示往醋酸體系中加入醋酸銨溶液pH的圖像變化。

【學(xué)生分析】通過圖像可以看出，醋酸銨加入醋酸電離平衡逆向移動，溶液pH升高。

設(shè)計(jì)意圖：離子濃度對于醋酸電離平衡移動的影響，前面已經(jīng)通過C（CH3COOH）、c（H+）等角度進(jìn)行了分析，從結(jié)論得出角度，學(xué)生可以運(yùn)用勒夏特列原理直接推理，但運(yùn)用數(shù)字化學(xué)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行進(jìn)一步的展示，可以拓展學(xué)生獲得證據(jù)的手段和方法，也可以進(jìn)一步佐證理論分析的正確，可以進(jìn)一步強(qiáng)化學(xué)生證據(jù)獲得意識。

【過渡】研究了濃度對化學(xué)平衡的影響，我們還可以討論一下溫度對化學(xué)平衡的影響。引導(dǎo)學(xué)生思考電離平衡可能的熱效應(yīng)，并呈現(xiàn)教師自己的演示實(shí)驗(yàn)結(jié)果——加熱醋酸，溶液pH變化圖。

【學(xué)生】根據(jù)圖像可以分析醋酸的電離是吸熱過程，所以推知醋酸的電離常數(shù)隨溫度升高而增大，得出溫度對弱電解質(zhì)電離影響的一般結(jié)論一溫度越高越有利于電離。

【教師】呈現(xiàn)圖5所示文獻(xiàn)[2]研究中的醋酸電離常數(shù)隨溫度變化圖線

【討論】文獻(xiàn)中資料表明，醋酸的電離并不是一個簡單的變化，具體的情況要結(jié)合多種證據(jù)綜合分析。

設(shè)計(jì)意圖：通過從實(shí)驗(yàn)結(jié)論與文獻(xiàn)資料的不同制造思維沖突，強(qiáng)調(diào)了實(shí)驗(yàn)證據(jù)的有效性也強(qiáng)調(diào)實(shí)驗(yàn)證據(jù)的條件重要性，并凸顯文獻(xiàn)資料證據(jù)的輔助作用，使得學(xué)生不僅具有從個別推及一般的歸納推理思維，同時(shí)也能重視物質(zhì)個體差異，在實(shí)際運(yùn)用證據(jù)推理時(shí)應(yīng)保持基本的審慎。

【板書歸納呈現(xiàn)】

四、知識運(yùn)用，鞏固證據(jù)推理思想

【過渡】通過一些列的實(shí)驗(yàn)以及數(shù)據(jù)推理，對電離平衡的存在以及影響因素有了深入的認(rèn)識，這些知識可以幫助我們解決實(shí)際的問題

【問題解決l】除水壺里的水垢用等濃度的鹽酸好，還是醋酸好？H2CO3的Ka1=4.3x10^-7

【問題解決2】蚊子叮咬人后之所以皮膚紅腫、瘙癢是因?yàn)橄蛉梭w內(nèi)注射了甲酸，要快速止癢你覺得應(yīng)該涂抹什么呢？（HCOOH：Ka=1.7x0^-4;H2C03：Ka1=4.3x10^-7

A.NaCl

B.食醋

C.小蘇打

設(shè)計(jì)意圖：通過問題解決鞏固學(xué)生對于強(qiáng)弱電解質(zhì)差異的理解，理解電離常數(shù)的實(shí)際意義，提升對弱電解質(zhì)知識有用性的理解。

五、教學(xué)反思

理論教學(xué)原本是枯燥的，但理論的現(xiàn)實(shí)表達(dá)形式卻是豐富的，本節(jié)關(guān)于弱電解質(zhì)電離平衡的教學(xué)是立足于“利用證據(jù)還原理論的內(nèi)在意義”，基本是基于實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析從而進(jìn)行推理論證進(jìn)而對電離平衡建立以及移動的層層剖析，而“理論模型證據(jù)”“實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)證據(jù)”“實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象證據(jù)”“文獻(xiàn)資料證據(jù)”等多重證據(jù)的依次推進(jìn)，使得理論得以更加澄明。在教學(xué)中教師注意挖掘各種證據(jù)，并努力將各類證據(jù)用于教學(xué)是進(jìn)行提升學(xué)生證據(jù)推理能力的關(guān)鍵。以“證據(jù)推理”為抓手，關(guān)注學(xué)生的認(rèn)識發(fā)展過程，以此提高學(xué)生的科學(xué)探究能力，不斷提升學(xué)生的學(xué)科核心素養(yǎng)是化學(xué)課不斷追求的目標(biāo)。

參考文獻(xiàn)

[1] 中華人民共和國教育部·普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）[M].北京：人民教育出版社，2018

[2]韋明新，等.醋酸電離平衡的溫度影響及其熱力學(xué)分析[J].九江師專學(xué)報(bào)，1987（2）：36-39

本文系江蘇省教育規(guī)劃課題《基于真實(shí)問題的化學(xué)素養(yǎng)評價(jià)研究》研究成果（課題編號：D/2016/02/24）。