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        創(chuàng)建“半定量”模型表征物質(zhì)的溶解度

        2022-05-30 12:16:18劉寧
        文理導(dǎo)航 2022年23期
        關(guān)鍵詞:溶解度模型

        【摘? 要】滬教版初中化學(xué)教材中物質(zhì)的溶解度在教學(xué)過程中,容易使學(xué)生忽視其定量表征,根據(jù)實驗輔助學(xué)生理解,卻易導(dǎo)致學(xué)生淺表層理解原理。本文創(chuàng)建“半定量”模型,嘗試對物質(zhì)的溶解度進(jìn)行表征,結(jié)合實驗現(xiàn)象加深對物質(zhì)溶解度定量表征的理解,使學(xué)生更好地認(rèn)識物質(zhì)溶解度的本質(zhì)特征。

        【關(guān)鍵詞】半定量 ;模型 ;溶解度

        一、探究物質(zhì)溶解度的本質(zhì),剖析問題

        將滬教版初中化學(xué)“物質(zhì)的溶解性”拆分開來看,主要分為兩個層面:第一,了解飽和溶液和不飽和溶液的區(qū)別,并能從定性角度判斷物質(zhì)溶解性的大小;第二,深入理解物質(zhì)溶解度的概念,并繪制相應(yīng)的溶解度曲線圖,選擇物質(zhì)的結(jié)晶方法或?qū)ξ镔|(zhì)進(jìn)行分離和提純。在具體的教學(xué)過程中會出現(xiàn)以下問題:

        (1)學(xué)生混淆概念。在“物質(zhì)溶解度”教學(xué)過程中,教師精心設(shè)計教學(xué)環(huán)節(jié),力圖將較復(fù)雜、抽象的概念直觀化,將問題設(shè)置得更加具有階梯性,而溶解度定義具有多維化的特點,需要同時考慮“四個要素”,即“一定溫度” “100 g溶劑” “飽和狀態(tài)” “質(zhì)量”,學(xué)生難以同時考慮全面。課堂上也很難進(jìn)行直觀化的教學(xué),學(xué)生不太容易進(jìn)入溶解度的“高階思維狀態(tài)”,即隨時能注意到這“四個要素”,導(dǎo)致學(xué)生對概念的理解較為淺顯,忽視其本質(zhì)屬性。例如,在比較不同物質(zhì)的溶解度時,學(xué)生易忽略“一定溫度”:認(rèn)為溫度越高,一定量的水里溶解的物質(zhì)越多、越快,往往會忽略氫氧化鈣等物質(zhì)的溶解度隨溫度升高而減小的特殊性;還有部分學(xué)生會認(rèn)為飽和溶液中不能再溶解物質(zhì),容易忽略“該物質(zhì)”等。

        (2)教學(xué)方法單一。溶解度概念較為抽象,理論性較強,傳統(tǒng)的課堂教學(xué)一般通過講授知識,學(xué)生對溶解度定義的建構(gòu)找不到知識的著力點,時間一長易導(dǎo)致學(xué)生注意力分散、學(xué)習(xí)興趣下降。如通過實驗教學(xué)探究溶解度的定義,學(xué)生可以觀察到明顯的實驗現(xiàn)象,但容易忽略溶解度定義的核心。我們需要充分考慮學(xué)生的認(rèn)知水平,從已掌握的知識——“物質(zhì)的溶解性”出發(fā),建立模型,對教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行拓展,讓學(xué)生學(xué)得輕松,掌握得扎實。

        二、思考對策,解決問題

        物質(zhì)溶解度的著手點是一定溫度下,大多數(shù)物質(zhì)在一定量溶劑(一般指的是100 g水)中溶解的量是有一定限度的,如果直接建立模型,可讓多個注意要點的化學(xué)概念很容易一步形成,必須做到重難點突出,側(cè)重傳統(tǒng)教學(xué)與實驗教學(xué)相結(jié)合,以客觀事實的數(shù)據(jù)作為依據(jù),將物質(zhì)溶解度的“四個要點”有效梳理,促進(jìn)學(xué)生有效建構(gòu)新概念。如講述物質(zhì)溶解度的突破口必須讓學(xué)生建構(gòu)“飽和溶液”的基本概念,學(xué)生容易認(rèn)為“飽和溶液”中不能再溶解物質(zhì),須進(jìn)一步引導(dǎo)學(xué)生知道“飽和溶液”是在一定溫度、一定量水中不能再溶解這種物質(zhì)。這些引導(dǎo)通常會用講授法進(jìn)行表述,當(dāng)然也可以采用實驗探究的方式,透過實驗現(xiàn)象指明“飽和溶液”的概念有一定局限性,為了使學(xué)生更直觀地“看到”物質(zhì)形成“飽和溶液”的過程,筆者建構(gòu)了“半定量”的簡化模型,集中反映溶液狀態(tài)變化的過程,借助模型將復(fù)雜的概念可視化、形象化,幫助學(xué)生構(gòu)建新的知識體系。

        三、創(chuàng)建模型

        (一)創(chuàng)建“半定量”模型

        模型的建構(gòu)必須簡單明了,學(xué)生一眼就能夠看明白,并且能夠包含物質(zhì)溶解度的四要素。于是筆者用“t ℃”(或具體溫度)表征“一定溫度”;用填充黑色邊框的“? ”表征“100 g水”(或一定量溶劑)溶解物質(zhì)的狀態(tài),小方格如果被填充滿,表征該物質(zhì)在此溫度、在“100 g水” (或一定量溶劑)已達(dá)到“飽和狀態(tài)”,就不能繼續(xù)溶解該物質(zhì)了,如圖1左邊的模型所示;如果小方格未被填充滿,表征該物質(zhì)在 “t ℃”“100 g水”(或一定量溶劑)的狀態(tài)下未達(dá)到“飽和狀態(tài)”,該狀態(tài)下的該物質(zhì)還能在該溶液中繼續(xù)被溶解,如圖1中右邊的2個模型所示。這種模型的表征溶解度方式,筆者稱之為“半定量”模型。

        (二)“半定量”模型教學(xué)

        “半定量”模型的教學(xué),要求學(xué)生能在教師的引導(dǎo)下,從多個角度利用已學(xué)知識對探究的問題進(jìn)行思考、推理,在推理過程中學(xué)生會逐漸形成證據(jù)推理的意識和方法,對解決的問題也會留下更深刻的印象,從而為后續(xù)學(xué)習(xí)化學(xué)奠定基礎(chǔ)。

        由于“飽和溶液”的知識與物質(zhì)溶解度是緊密相連的,“半定量”模型的構(gòu)建可以較為明確地表征出物質(zhì)溶解的狀態(tài),使這種較為抽象的概念有了清晰的直觀呈現(xiàn),讓學(xué)生的思維進(jìn)入更高階的模式。通過“半定量”模型,學(xué)生容易直觀地理解溶解度四要素的實質(zhì),在20 ℃時某物質(zhì)溶于100 g水中形成飽和溶液,通過添加溶劑100 g水,飽和溶液向不飽和溶液轉(zhuǎn)化(圖2),圖2中出現(xiàn)多個黑色邊框的“”,表征出溶劑的量發(fā)生了改變,由原來的100 g水,變成了200 g水,圖2中間的狀態(tài)及右邊的狀態(tài)也同樣能間接表征出溶液具有均一的特點。當(dāng)然大多數(shù)情況下也可以升高某物質(zhì)的飽和溶液的溫度,從而增大該物質(zhì)的溶解度,將該物質(zhì)飽和溶液轉(zhuǎn)化為不同溫度下的不飽和溶液(圖3)。

        (三)學(xué)生構(gòu)建“半定量”模型

        當(dāng)學(xué)生初步建構(gòu)了“半定量”模型后,對“飽和溶液”與“不飽和溶液”之間的轉(zhuǎn)化原理更加清楚、直觀。當(dāng)學(xué)生建構(gòu)完兩種由某物質(zhì)的飽和溶液轉(zhuǎn)為不飽和溶液表征方法后,可嘗試畫出“半定量”模型,表征出某物質(zhì)的不飽和溶液轉(zhuǎn)化成飽和溶液的過程。

        圖4表征的是在溫度t ℃、100 g水中,向某物質(zhì)的“不飽和溶液”中不斷加入該溶質(zhì),使其轉(zhuǎn)化為“飽和溶液”(忽略物質(zhì)溶解時溶液溫度的變化)。

        圖5表征的是將某物質(zhì)的“不飽和溶液”通過降溫(通常情況下)降低其溶解度,從而實現(xiàn)由“不飽和溶液”向“飽和溶液”的轉(zhuǎn)變,并可以清楚地表征晶體析出的過程,非常直觀,還可以結(jié)合數(shù)據(jù)計算析出晶體的質(zhì)量。需要說明的是,氫氧化鈣等物質(zhì)的溶解度是隨著溫度的升高而降低的,那么表征起來與圖5相反。

        圖6表征的是在20 ℃時,某物質(zhì)的“不飽和溶液”通過恒溫蒸發(fā)水(一般指理論上)的方式,將水減少從而實現(xiàn)“不飽和溶液”向 “飽和溶液”狀態(tài)的轉(zhuǎn)變,并可以表征晶體析出的過程,也可以結(jié)合數(shù)據(jù)計算析出晶體的質(zhì)量。

        課堂上學(xué)生通過構(gòu)建“半定量”模型后獲得成就感,不僅通過教師的講解理解物質(zhì)溶解度的定義,也能通過明顯的實驗現(xiàn)象了解溶液狀態(tài)的轉(zhuǎn)變過程,更能從“半定量”模型中“看出”溶液狀態(tài)相互轉(zhuǎn)化的實質(zhì)。由此學(xué)生能系統(tǒng)總結(jié)出溶液狀態(tài)之間相互轉(zhuǎn)化的方法、過程、實質(zhì)及溶液結(jié)晶的過程。

        四、“半定量”模型解決問題

        在學(xué)生掌握了物質(zhì)溶解度的概念,能熟練構(gòu)建溶解度的“半定量”模型后,可以嘗試解決滬教版下冊教材24頁第8題:設(shè)計實驗方案,從硝酸鉀和氯化鈉(少量)的混合物中分離出硝酸鉀。查閱相關(guān)資料: 10 ℃時,硝酸鉀和氯化鈉的溶解度分別是20.9 g,35.8 g;100 ℃時,硝酸鉀和氯化鈉的溶解度分別是246 g,39.8 g,硝酸鉀和氯化鈉的溶解度都隨溫度的升高而增大,硝酸鉀的溶解度曲線比較陡,而氯化鈉的溶解度曲線相對比較平緩。

        通過分析可知,10 ℃時硝酸鉀的溶解度小于氯化鈉,而升溫后100 ℃時硝酸鉀的溶解度遠(yuǎn)大于氯化鈉。圖7所表征的是較少氯化鈉分別在10 ℃和100 ℃時,在100 g水中的溶解情況,圖8所表征的是較多硝酸鉀分別在10 ℃和100 ℃時,在100 g水中的溶解情況。

        建構(gòu)完以上“半定量”模型后,教師引導(dǎo)學(xué)生思考:如何從硝酸鉀和氯化鈉(少量)的混合物中分離提純出硝酸鉀?

        方法一:蒸發(fā)結(jié)晶。在較低溫度下將兩者混合物進(jìn)行溶解(考慮到蒸發(fā)時的能耗的話,所加的水不能太多)。加熱進(jìn)行蒸發(fā),隨著水分的減少,固體會析出,由于兩物質(zhì)的質(zhì)量不確定,在硝酸鉀較多的情況下,蒸發(fā)結(jié)晶就無法判斷何時停止,也無法判斷隨著水的蒸發(fā)是否會有兩物質(zhì)同時析出的情況,而且高溫下硝酸鉀的溶解度很大,會有大量的硝酸鉀殘留在溶液中,并未完全析出,造成兩種物質(zhì)分離不完全。綜上所述,將“半定量”模型與溶解度的概念結(jié)合分析后,將硝酸鉀和氯化鈉(少量)的混合物中分離提純出硝酸鉀用蒸發(fā)結(jié)晶的方法不夠完善。

        方法二:降溫結(jié)晶。硝酸鉀所占的比例比較大,而其溶解度在100 ℃時又達(dá)到246 g,在高溫下只需要少量的水就能將固體混合物完全溶解,所加的水的量必須能夠?qū)⑸倭康穆然c完全溶解。結(jié)合“半定量”模型分析,可在常溫下用少量的水將固體混合物進(jìn)行完全溶解,加熱濃縮溶液,迅速降溫至10 ℃進(jìn)行結(jié)晶,此時會有大量硝酸鉀析出,而氯化鈉由于溶解度隨溫度的變化并不大,析出的量很少。引導(dǎo)學(xué)生思考:此時得到的硝酸鉀已經(jīng)較為純凈,但是還含有極少量的氯化鈉,怎么辦呢?師生共同分析:可以再次降溫結(jié)晶,也就是重結(jié)晶,得到的固體再用冰水或者同溫下飽和硝酸鉀溶液進(jìn)行洗滌,可得到較為純凈的硝酸鉀。若此時氯化鈉所占比例已經(jīng)大大降低,可用飽和硝酸鉀溶液進(jìn)行洗滌,即可得到較純凈的硝酸鉀。

        通過建構(gòu)硝酸鉀、氯化鈉的“半定量”模型,結(jié)合溶解度的知識分析蒸發(fā)結(jié)晶、降溫結(jié)晶可知,從硝酸鉀和氯化鈉(少量)的混合物中分離提純出硝酸鉀更適宜用降溫結(jié)晶的方法。

        解決完教材上的問題后,可以進(jìn)行變式練習(xí):如何從氯化鈉和硝酸鉀(少量)的混合物中分離提純出氯化鈉?圖9所表征的是較多氯化鈉分別在10 ℃和100 ℃時,在100 g水中的溶解情況,圖10所表征的是較少硝酸鉀分別在10 ℃和100 ℃時,在100 g水中的溶解情況。在教師引導(dǎo)下,學(xué)生通過“半定量”模型分析后發(fā)現(xiàn),如果是氯化鈉較多,而硝酸鉀較少的話,將混合物用水完全溶解后,加熱濃縮溶液至剩余少量溶液時,由于硝酸鉀在高溫時溶解度非常大而量又非常少,絕大多硝酸鉀還在溶液中,此時可以趁熱過濾,這樣析出的硝酸鉀較少或幾乎不會析出,并用飽和食鹽水進(jìn)行洗滌,這樣一方面可減少氯化鈉晶體的損失,另一方面可溶解所含的硝酸鉀雜質(zhì),從而得到較純的氯化鈉。

        通過這樣的“半定量”模型分析,學(xué)生更容易理解溶解度不同的物質(zhì)之間相互分離的實質(zhì)。在此過程中,筆者出于對初三學(xué)生認(rèn)知能力有限的考慮,剛開始并未向?qū)W生分析氯化鉀、硝酸鈉存在的干擾,有失科學(xué)的嚴(yán)謹(jǐn)性,從知識的全面性考慮,可以對氯化鉀、硝酸鈉存在的干擾因素進(jìn)行分析。

        五、結(jié)束語

        從總體來說,教師在教學(xué)中要立足于教材,對知識點進(jìn)行深入研究,不斷改革創(chuàng)新,提升對教材的理解和整合能力,構(gòu)建更直觀、更具有說服力的“模型”,培養(yǎng)學(xué)生的證據(jù)推理和模型認(rèn)知能力,提高他們的化學(xué)學(xué)科素養(yǎng)。

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