金劍鋒
摘要: 以酸堿質子理論為基礎,運用化學平衡原理,討論溶液中離子反應的若干問題,幫助學生明晰電離平衡和水解平衡的本質,形成認識溶液中離子反應的基本思路。
關鍵詞: 酸堿質子理論; 離子反應; 電離平衡; 化學平衡常數(shù); 水解平衡
文章編號: 10056629(2020)10009404
中圖分類號: G633.8
文獻標識碼: B
1 問題的提出
無機化學反應大多數(shù)是在水溶液中進行的,參與反應的物質主要是酸、堿和鹽,它們都是電解質,在水溶液中能電離出離子。因此,酸、堿、鹽之間的反應實際上就是離子反應。離子反應可以分為酸堿反應、沉淀反應、配合反應和氧化還原反應四大類[1]。
現(xiàn)行高中化學教材在選修《化學反應原理》模塊中以“溶液中的離子反應”為專題,介紹了弱電解質的電離平衡、溶液的酸堿性、鹽類的水解和難溶電解質的沉淀溶解平衡四部分內(nèi)容[2]。教材中對酸堿的認識是基于1887年瑞典化學家阿倫尼烏斯(Arrhenius, 1859~1927)提出的酸堿電離理論,即凡在水溶液中電離產(chǎn)生的全部陽離子都是H+的物質叫做酸;電離產(chǎn)生的全部陰離子都是OH-的物質叫做堿;酸堿反應的實質就是H+和OH-結合生成水的反應[3]。這一理論是人們對酸、堿認識由現(xiàn)象到本質的一次巨大飛躍,在高中階段具有普遍的適用性。但是也存在一定的缺陷,如它無法解釋物質在非水溶液中的酸堿性問題,這對學生后續(xù)學習帶來一定的障礙;又如它也無法解釋中學階段的氣態(tài)NH3和HCl發(fā)生中和反應并無水生成,以及下文將討論的若干問題。授課時教師通常是按照教材順序逐一講解,對專題內(nèi)容的前后聯(lián)系認識不夠深入,缺乏對知識的系統(tǒng)性研究,從而導致學生掌握知識的片面化和碎片化,有時甚至出現(xiàn)理解上的誤區(qū)。
高中階段在“溶液中的離子反應”專題中選擇酸堿反應和沉淀反應為離子反應的研究對象,旨在引導學生運用前一專題所學的化學平衡原理,進一步認識水溶液體系中的電離平衡、水解平衡和沉淀溶解平衡,從而掌握離子反應進行的方向和限度,認識離子反應所遵循的基本原理,初步形成關于物質變化的科學觀念[4],以便能動地控制化學反應,從而服務于實際生產(chǎn)和生活。水溶液中的電離平衡和水解平衡屬于單相平衡,而沉淀溶解平衡是多相平衡[5]。本文重點以酸堿質子理論為基礎,討論單相平衡中電離平衡和水解平衡的若干問題,以便幫助學生進一步明晰電離平衡和水解平衡的本質和聯(lián)系,引導學生形成認識水溶液中離子反應的基本思路,回溯知識的本原,更好地建構學科知識體系,形成并發(fā)展學生“宏觀辨識與微觀探析”“變化觀念與平衡思想”和“證據(jù)推理與模型認知”等化學學科核心素養(yǎng),培養(yǎng)系統(tǒng)思維能力[6]。
2 理論的分析
2.1 酸堿質子理論
酸堿質子理論是丹麥化學家布朗斯泰德(Bronsted, 1879~1947)和英國化學家勞萊(Lowry, 1874~1936)于1923年提出。他們認為,凡能夠給出質子(H+)的物質都是酸;凡能夠接受質子的物質都是堿;某物質既能夠給出質子,又能夠接受質子,就既是酸又是堿,可稱為酸堿兩性物質[7]。
由此可以看出,單獨一對共軛酸堿本身是不能發(fā)生酸堿反應的,也可以把通式“酸堿+H+”稱為酸堿半反應。
3 問題的解決
3.1 運用酸堿質子理論修正電離平衡的表達方式
蘇教版教材在用“CH3COOH+H2OCH3COO-+H3O+表示醋酸分子與水分子作用并發(fā)生電離的過程示意”后,又表述“醋酸的電離方程式可表示為CH3COOHCH3COO-+H+”,并在腳注中指出“在水溶液中,分子或離子并不是單獨存在的,而是與一定數(shù)目的水分子結合在一起的。H+和H3O+都是水溶液中氫離子的簡略表示方式,通常更多地用H+表示”[8]。
通常學生接觸到的各種物質的電離方程式都是簡寫形式。長此以往,學生容易忽略簡寫形式的由來,往往誤認為CH3COOH分子可以自發(fā)電離成CH3COO-和H+,若寫成“CH3COOH+H2OCH3COO-+H3O+”形式,僅僅是因為“在水溶液中,H+不是單獨存在的,而是與一定數(shù)目的水分子結合在一起的,從而寫成H3O+”。
據(jù)了解,出現(xiàn)以上情況的學生還不在少數(shù),甚至是已經(jīng)高三年級的學生。顯然這是教學出了問題。由于教師沒有理解教材給出“CH3COOH+H2OCH3COO-+H3O+表示醋酸分子與水分子作用并發(fā)生電離的過程示意”的意圖,亦或是對于酸堿質子理論的認識膚淺或者缺失,導致對于水溶液中電離原理的理解不夠到位。
依據(jù)酸堿質子理論,可以非常清晰地認識到“CH3COOH+H2OCH3COO-+H3O+”才是CH3COOH發(fā)生電離的本質,而“CH3COOHCH3COO-+H+”僅僅是一個酸堿半反應,教師雖然習慣用它來表示CH3COOH發(fā)生電離的一種書寫形式,但切不要把簡寫的酸堿質子反應和酸堿半反應混為一談。為了避免學生出現(xiàn)上述認識上的誤區(qū),筆者認為教學中有必要強化規(guī)范的電離平衡表達式的內(nèi)涵釋義。
3.2 運用酸堿質子理論完善化學平衡常數(shù)的使用
電離常數(shù)、水的離子積常數(shù)、水解常數(shù)是各種化學平衡的平衡常數(shù)。運用這些常數(shù)來分析溶液的酸堿性相對強弱時會起到很好的輔助作用。例如,在一定的溫度下,當弱酸的濃度相同時,電離常數(shù)越大,弱酸的電離程度就越大,弱酸的酸性就越強。學生對于這條規(guī)則的運用也顯得得心應手。
建構主義認為,知識結構并不是線性結構或層次結構,而是圍繞關鍵概念而建構起來的網(wǎng)絡結構的知識。在學生學完了電離平衡和水解平衡后,有教師設計了“比較室溫下,相同濃度的HCN和NH4Cl溶液的酸堿性強弱”的問題,考查學生運用化學平衡常數(shù)在解決結構不良領域問題的遷移和運用能力,同時也保證了知識的高度概括性與具體性的結合,使知識富于靈活性,能夠適應變化的情境,增強了知識的遷移性和覆蓋面。在學生經(jīng)過一番思考后,有學生提出了以下分析思路:
其實,類似問題已經(jīng)引起不少教師和參加過高中化學競賽的學生的討論。明正球老師提出弱酸的酸式鹽溶液中離子濃度的大小,受弱酸本身電離常數(shù)的影響,也受溶液本身濃度大小的影響,嚴格來說還受水的離子積常數(shù)的影響,這樣的溶液體系中存在多個電離、水解平衡,直接考慮比較復雜,也容易片面,比較嚴謹?shù)姆椒ㄊ抢闷胶獬?shù)進行推導和計算[11]。李德慶老師指出,對NaHCO3溶液中離子濃度的認識產(chǎn)生誤差的原因在于僅考慮HCO-3的水解和電離,而忽略了在較高濃度時HCO-3質子自遞反應對粒子濃度造成的影響,他也提出涉及類似NaHCO3的兩性物質溶液中離子濃度的比較,必須在指明溶液濃度的情況下,通過計算進行推導[12]。
前文推算NaHC2O4溶液中微粒濃度的過程并未具體展開,主要原因在于在其他文獻中已經(jīng)出現(xiàn)過多次規(guī)范的解析過程,以免重復;更重要的原因是兩性物質水溶液的酸堿性的定量計算,已超出高中課程標準要求。這是大學分析化學的教學內(nèi)容,甚至在多個版本的大學無機化學教材中也明確指出,該定量計算比較復雜,有待后續(xù)課程討論[13]。
在NaHC2O4溶液中,存在HC2O-4的電離、HC2O-4的水解和H2O的電離,還有如李德慶老師提出的HC2O-4的質子自遞反應。通常HC2O-4的質子自遞反應不容易想到,這仍然是由于對電離和水解的本質理解不到位而導致。這里主要涉及兩種物質——HC2O-4和H2O,它們都屬于酸堿質子理論中的酸堿兩性物質,都是既能夠給出質子,又能夠接受質子。因此,兩種物質間必定存在四個質子轉移反應,具體表示如下:
以上運用酸堿質子理論解決水溶液中微粒濃度關系的方法,是源于對水溶液中的離子反應本質的深刻認識,也是基于認識水溶液中離子反應的基本思路,符合高中階段對學生的能力考查要求,有利于幫助學生更好地建構學科知識體系,培養(yǎng)系統(tǒng)思維能力。值得注意的是,當溶液的濃度過小時,定性分析會與定量計算發(fā)生結果的偏差,應以定量計算結果為準,但這已經(jīng)不是高中階段要考慮的問題了。
4 結語
隨著教育改革的不斷深化,教師應重視自我專業(yè)能力的發(fā)展與提升,切實理解和踐行終身學習的學習觀和對科學嚴謹認真的態(tài)度。在日常教學中,我們應努力做到全面把握學科知識體系,深入理解每個學科概念和原理的本原,充分挖掘學科知識蘊含的思想以及解決問題的基本思路,主動研讀與化學學科知識相關的科學史料,認識學科發(fā)展與人的發(fā)展、社會發(fā)展的關系,從而加深對學科教學的理解。只有以更專業(yè)精準的學科知識和理論體系來武裝我們的頭腦,才能更好地駕馭中學化學教學。
參考文獻:
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