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：

[1][3][5][7][13]北京師范大學等. 無機化學（上冊）（第4版）[M]. 北京： 高等教育出版社， 2002： 310～331.

[2][8][9]王祖浩主編. 普通高中課程標準實驗教科書·化學反應原理（選修）[M]. 南京： 江蘇教育出版社， 2014： 61～85， 48.

[4][6]中華人民共和國教育部制定. 普通高中化學課程標準（2017年版）[S]. 北京： 人民教育出版社， 2018： 27， 34～35.

[10]華中師范大學等. 分析化學（第2版）[M]. 北京： 高等教育出版社， 1999： 206～209.

[11]明正球. 由碳酸氫鈉溶液中離子濃度的大小排序引起的思考[J]. 化學教與學， 2017， （3）： 75～76.

[12]李德慶， 李研. 碳酸氫鈉水溶液中粒子濃度的關系[J]. 化學教學， 2019， （9）： 87～89.