劉德忠

(昆明市第一中學(xué)，云南 昆明 650031)

深度學(xué)習(xí)是學(xué)生對(duì)核心課程知識(shí)的深度理解，以及在真實(shí)的問(wèn)題和情境中應(yīng)用這種理解的能力。比格斯和柯利斯基于皮亞杰的認(rèn)知發(fā)展理論，把學(xué)生對(duì)于某個(gè)問(wèn)題的學(xué)習(xí)程度劃分為五級(jí)水平：前結(jié)構(gòu)層次、單點(diǎn)結(jié)構(gòu)層次、多點(diǎn)結(jié)構(gòu)層次、關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)層次和拓展抽象結(jié)構(gòu)層次，并認(rèn)為后三級(jí)水平是深度學(xué)習(xí)的結(jié)果[1]。整合教材內(nèi)容，融會(huì)貫通前后知識(shí)，重新歸類和組合，使零散的知識(shí)變得有序，實(shí)現(xiàn)知識(shí)的系統(tǒng)性、綜合性和應(yīng)用性，即從學(xué)習(xí)結(jié)果看，實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)結(jié)構(gòu)層次、關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)層次和拓展抽象結(jié)構(gòu)層次。本文以“相似相溶”規(guī)律的復(fù)習(xí)為例，說(shuō)明如何“整合教材內(nèi)容，聯(lián)系高考試題，促進(jìn)深度學(xué)習(xí)”。

1 人教版教材中與溶解性相關(guān)內(nèi)容

利用表格，梳理人教版九年級(jí)初中化學(xué)、高中化學(xué)必修和選擇性必修教材中與溶解性相關(guān)的內(nèi)容，如表1所示。

表1 人教版教材中與溶解性相關(guān)內(nèi)容

2 回歸教材，深度學(xué)習(xí)物質(zhì)溶解于水的微觀解釋

“必修1”解釋電解質(zhì)的電離，依據(jù)“異種電荷相互吸引”，從微觀的角度也解釋了NaCl固體溶解于水的過(guò)程。將NaCl固體加入水中時(shí)，水分子中帶部分負(fù)電荷的氧原子一端吸引Na+，帶部分正電荷的氫原子一端吸引Cl-，在水分子的作用下，Na+和Cl-脫離NaCl固體的表面，進(jìn)入水中，形成能夠自由移動(dòng)的水合鈉離子和水合氯離子，如圖1所示。

圖1 NaCl固體在水中的溶解和形成水合離子示意圖

與NaCl固體溶解于水的過(guò)程相類似，任何物質(zhì)的溶解必定伴隨著溶劑化，即溶質(zhì)分子或離子通過(guò)靜電作用、氫鍵、范德華引力，甚至配位鍵，與溶劑分子作用產(chǎn)生溶劑化的粒子，促進(jìn)溶解過(guò)程[2]。例如，白色固體CuSO4溶解于水，溶液呈藍(lán)色，是因?yàn)镃u2+被水溶劑化生成了水合離子[Cu(H2O)4]2+；CuCl2溶于水呈藍(lán)綠色，是因?yàn)槿軇┗^(guò)程生成了[Cu(H2O)4]2+(藍(lán)色)和[CuCl4]2-(黃色)。

3 整理“相似相溶”規(guī)律的五大應(yīng)用，促進(jìn)深度學(xué)習(xí)

3.1 判斷常見物質(zhì)的溶解性

3.1.1 根據(jù)分子的極性判斷

H2、N2、O2、CH4、C2H4、C2H6、CCl4、苯等是非極性分子，水是極性溶劑，根據(jù)“相似相溶”，它們都難溶于水。

HF、HCl、HBr、HI等是極性分子，水是極性溶劑，根據(jù)“相似相溶”，它們都極易溶于水。

已知白磷和硫是非極性分子，由此可推知二者都難溶于水，易溶于CS2。在實(shí)際工作中，常用CS2溶解白磷和硫。

已知NaCl、NaOH、KNO3等離子化合物有強(qiáng)極性，由此可推知它們易溶于水，不易溶于苯等有機(jī)溶劑。

3.1.2 根據(jù)分子結(jié)構(gòu)的相似性判斷

C2H5OH與H—OH任意比互溶，可理解為一個(gè)“C2H5—”取代水中的一個(gè)“H”，都含有“—OH”，結(jié)構(gòu)相似，所以相溶。類似物質(zhì)還有CH3OH和CH2OHCHOHCH2OH等。同時(shí)，因?yàn)椤癈2H5—”的存在，所以乙醇能溶解有機(jī)物。

苯酚與溴水反應(yīng)生成白色沉淀，取適量的苯酚稀溶液，滴入過(guò)量的濃溴水。原因是若苯酚過(guò)量，根據(jù)“相似相溶”的規(guī)律，產(chǎn)物2，4，6—三溴苯酚將溶于苯酚中而不會(huì)出現(xiàn)明顯的沉淀，不利于觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。

3.1.3 因溶質(zhì)與水發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，溶解性增強(qiáng)

1)CO2、Cl2是非極性分子，但它們都能溶于水，原因是它們與水發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，可增大溶解度。例如，Cl2溶于水，溶劑化作用使部分Cl—Cl斷裂，帶部分負(fù)電荷的Clδ-結(jié)合H2O中帶部分正電荷的Hδ+，形成 H—Cl，帶部分正電荷的Clδ+結(jié)合H2O中帶部分負(fù)電荷的HOδ-形成H—O—Cl。由于新生成的O—Cl不容易斷裂，溶劑化作用則演變成化學(xué)反應(yīng)[3]。

2)SO2是極性分子，且SO2能與水反應(yīng)，所以SO2易溶于水。

3.1.4 溶質(zhì)分子與水分子之間形成氫鍵，溶解性增強(qiáng)

NH3是極性分子，NH3能與水反應(yīng)，且NH3與H2O分子間能形成氫鍵，所以NH3極易溶于水。

3.1.5 疏水基團(tuán)和親水基團(tuán)共同影響有機(jī)物的溶解性

醇羥基、醛基、羧基和磺酸基等為親水基團(tuán)，而烴基、碳鹵鍵、硝基和酯基等為疏水基團(tuán)。

1)甲醇、甲酸、乙酸、乙醛、丙酮、乙二醇和丙三醇等以親水基團(tuán)影響為主，它們易溶于水；由于都為有機(jī)物，它們又易溶于乙醇。

2)在烴的含氧衍生物中，烴基中碳原子數(shù)越多，烴基的疏水性影響越大，含氧衍生物的溶解度越小。例如，醇在水中的溶解度一般隨分子中碳原子數(shù)的增加而降低；又如，一元羧酸在水中的溶解度一般隨分子中碳原子數(shù)的增加而迅速減小，甚至不溶于水。

3)烷基磺酸鈉、十八酸鈉和十八烯酸鈉等表面活性劑，它們都同時(shí)含有親水基團(tuán)和疏水基團(tuán)，親水基團(tuán)溶于水，而疏水基團(tuán)包裹油漬，在搓洗下，油漬轉(zhuǎn)移到水中而去污。

當(dāng)然“相似相溶”僅為經(jīng)驗(yàn)規(guī)律，不能解決所有的溶解問(wèn)題。例如，溴乙烷、溴苯、硝基苯、乙酸乙酯等雖為極性分子，但溴乙烷和溴苯不溶于水，硝基苯幾乎不溶于水，乙酸乙酯微溶于水；又如，NH4VO3為銨鹽，卻微溶于冷水，NaBiO3為鈉鹽，卻不溶于冷水。

3.2 依據(jù)“相似相溶”規(guī)律，增大物質(zhì)的溶解度

3.2.1 改變?nèi)軇?，增大溶解?/p>

1)因?yàn)榉犹獛缀醪蝗苡谒?，而溶于乙醇，所以常用酚酞溶液的配制為：先?1 g 酚酞溶于 60 mL 乙醇中，再用水稀釋至 100 mL。

2)溶解鈉、鋁和金等金屬，可選用汞做溶劑(廣義的“相似相溶”)。

毛刷實(shí)驗(yàn)：把鋁放入Hg(NO3)2溶液中，Hg(NO3)2可穿透致密氧化鋁保護(hù)膜，與鋁發(fā)生置換反應(yīng)，生成液態(tài)金屬汞。鋁與汞形成“鋁汞齊”(鋁汞齊就是鋁和汞形成的溶液)。由于鋁汞齊的存在使鋁片表面不易形成致密的氧化膜，生成的“白毛”(氧化鋁)越來(lái)越多。

3.2.2 通過(guò)化學(xué)反應(yīng)，改變?nèi)苜|(zhì)，增大溶解度

1)2019年全國(guó)Ⅲ卷第28題：實(shí)驗(yàn)室通過(guò)水楊酸進(jìn)行乙?；苽浒⑺酒チ?，實(shí)驗(yàn)過(guò)程將所得乙酰水楊酸結(jié)晶粗品加入到飽和碳酸氫鈉溶液中，其目的是生成可溶的乙酰水楊酸鈉，以便過(guò)濾除去難溶雜質(zhì)。

2)2020年全國(guó)II卷第27題：實(shí)驗(yàn)室可通過(guò)甲苯氧化制苯甲酸，當(dāng)回流液不再出現(xiàn)油珠即可判斷反應(yīng)已完成，理由是不溶于水的甲苯已經(jīng)完全被氧化。

3)分離苯酚和苯的混合物。苯酚和苯兩種物質(zhì)互溶而形成混合物。二者的分離不能用濃溴水，因?yàn)?，4，6—三溴苯酚也溶于苯。二者的分離可用燒堿溶液。苯酚與燒堿溶液反應(yīng)生成苯酚鈉，苯酚鈉溶于水，且苯不與燒堿反應(yīng)，也不溶于水，則兩者分層。由于苯的密度比水小，在溶液的上層，分液，上層液體即得苯，下層液體即苯酚鈉溶液，向其中通入足量二氧化碳?xì)怏w，生成苯酚。

3.2.3 I2難溶于水，如何增大碘水溶液的濃度

1)因?yàn)榈庖兹苡谝掖?，乙醇與水互溶，所以可將碘溶于乙醇，再加水稀釋，制得濃度較大的碘水。

3.3 依據(jù)“不相似不相溶”規(guī)律，減小物質(zhì)溶解度

3.3.1 鹽析

根據(jù)“相似相溶”的規(guī)律：無(wú)機(jī)鹽溶解增加了水溶液的極性，使溶液中大部分自由水轉(zhuǎn)變?yōu)殡x子化水，使有機(jī)物與水分子作用降低，故降低了有機(jī)物在水相中的溶解度，從而使有機(jī)物從溶液中析出。常見實(shí)驗(yàn)有：

1)使用飽和Na2CO3溶液接收乙酸乙酯制備實(shí)驗(yàn)中的有機(jī)蒸發(fā)液，其作用是吸收乙酸，溶解乙醇，降低乙酸乙酯在水中的溶解度，利于乙酸乙酯分層析出。

2)向蛋白質(zhì)溶液中加入某些濃的無(wú)機(jī)鹽[如(NH4)2SO4、Na2SO4等]溶液后，可以使蛋白質(zhì)凝聚而從溶液中析出。

3.3.2 晶體的洗滌

“不相似不相溶”的規(guī)律還被廣泛應(yīng)用于過(guò)濾后晶體的洗滌。如2021年全國(guó)甲卷第27題：某小組用工業(yè)廢銅制備膽礬。由于濾出的CuSO4·5H2O晶體易溶于水，難溶于乙醇，故必須使用乙醇洗滌除去雜質(zhì)，既減少晶體的溶解損耗，又利于晶體快速干燥。

3.4 “相似相溶”規(guī)律的重要應(yīng)用——萃取

萃取是利用待分離組分在兩種不互溶的溶劑中的溶解性不同，將其從一種溶劑轉(zhuǎn)移到另一種溶劑的過(guò)程。萃取能夠發(fā)生的原因是溶質(zhì)在萃取劑中的溶解度比在原溶劑中大，且萃取劑與原溶劑互不相溶。中學(xué)階段萃取的常見類型如表2。

表2 常見萃取劑及其應(yīng)用范圍[4]

3.4.1 萃取有機(jī)物

有機(jī)物在有機(jī)溶劑中的溶解度，一般比在水中的溶解度大，所以可用有機(jī)萃取劑將它們從水溶液中萃取出來(lái)。從表2可看出，也存在用無(wú)機(jī)試劑從有機(jī)混合物中萃取分離出目標(biāo)有機(jī)物的情況。

3.4.2 萃取金屬離子

金屬離子亦可被萃取至有機(jī)相，已知磷酸三丁酯能將Ce3+從水溶液中萃取出來(lái)(2013年安徽卷)，8-羥基喹啉被廣泛用作金屬離子的絡(luò)合劑和萃取劑(2018年北京卷)。

3.4.3 萃取H2O2

2016年全國(guó)Ⅱ卷第36題：常采用蒽醌法生產(chǎn)雙氧水。

①蒽醌法制備H2O2配制工作液時(shí)采用有機(jī)溶劑而不采用水的原因是乙基蒽醌(乙基氫蒽醌)不溶于水，易溶于有機(jī)溶劑。

②萃取塔中的萃取劑是水，選擇其作萃取劑的原因是H2O2溶于水被水萃取，乙基蒽醌不溶于水。

另外還應(yīng)特別關(guān)注兩個(gè)問(wèn)題：

第一，萃取時(shí)正確判斷水相和有機(jī)相是十分重要的。當(dāng)萃取分層難以判斷時(shí)，為了弄清楚哪一層是水溶液，可任取其中一層的少量液體置于試管中，并滴加少量水，若分為兩層，說(shuō)明該液體為有機(jī)相。若加水后不分層，則是水溶液。

第二，深度思考反萃取原理。反萃取是將溶質(zhì)從有機(jī)相轉(zhuǎn)入水相的過(guò)程。反萃取一般與平衡移動(dòng)有關(guān)。舉例如下：

①萃取過(guò)程亦可發(fā)生相關(guān)化學(xué)反應(yīng)。

②調(diào)節(jié)溶液酸堿性，平衡移動(dòng)，發(fā)生反萃取。如以低品位含釩金屬共生礦制備V2O5的工藝流程，見圖3，該礦中含有V2O3、VO2、SiO2、FeS2、Al2O3。

圖3 以低品位含釩金屬共生礦制備V2O5的工藝流程

3.5 “相似相溶”規(guī)律與自制肥皂

教材中自制肥皂的實(shí)驗(yàn)，能多角度幫助學(xué)生理解并應(yīng)用“相似相溶”規(guī)律，高三復(fù)習(xí)，有必要再學(xué)習(xí)。①反應(yīng)物中加入乙醇的原因：NaOH溶液溶于乙醇，且植物油也溶于乙醇，則植物油與NaOH溶液融為均一的液體，提高油脂的皂化反應(yīng)速率。②皂化反應(yīng)是否完全的判斷方法：用玻璃棒蘸取水解溶液，點(diǎn)在水面上，若沒(méi)有漂浮的油花，則皂化反應(yīng)完全。③向皂化液中加入飽和食鹽水的原因：溶液的極性增強(qiáng)，高級(jí)脂肪酸鈉的溶解度減小，發(fā)生鹽析效應(yīng)，所以會(huì)析出大量固體。

4 繪制“相似相溶”規(guī)律應(yīng)用的思維導(dǎo)圖，促進(jìn)深度學(xué)習(xí)

“相似相溶”規(guī)律應(yīng)用的思維導(dǎo)圖見圖4。

圖4 “相似相溶”規(guī)律應(yīng)用的思維導(dǎo)圖

5 結(jié)語(yǔ)

物質(zhì)的溶解性與溶劑的種類有關(guān)，與是否形成氫鍵有關(guān)，還與是否發(fā)生反應(yīng)等有關(guān)。“相似相溶”是一個(gè)經(jīng)驗(yàn)規(guī)律，“極性相似”和“結(jié)構(gòu)相似”是由經(jīng)驗(yàn)形成的流行語(yǔ)。物質(zhì)的溶解性繁瑣零碎，充滿“個(gè)性”，但“相似相溶”規(guī)律能幫助理解大量溶解性的問(wèn)題。筆者認(rèn)為，深度學(xué)習(xí)就是基于理解的學(xué)習(xí)，基于整合的學(xué)習(xí)，基于情境的學(xué)習(xí)。深度學(xué)習(xí)就是理解了“相似相溶”，幫助我們解決與溶解性相關(guān)的一系列實(shí)驗(yàn)問(wèn)題的學(xué)習(xí)。有意義的學(xué)習(xí)需要整合新舊知識(shí)，形成系統(tǒng)的知識(shí)體系。單個(gè)知識(shí)點(diǎn)，學(xué)生容易忘記，且難以理解。只有將知識(shí)點(diǎn)置于情境中，整合于體系中，學(xué)生才容易接受，觸發(fā)深度學(xué)習(xí)。本文復(fù)習(xí)模型簡(jiǎn)化為：分析教材→整合教材→應(yīng)用拓展→繪制思維導(dǎo)圖。