運用數據分析方法 把握概念的內涵與外延

吳建龍

摘 要：文章以弱酸的電離平衡常數Ka為例，簡述如何運用數據分析方法，把握化學概念的內涵與外延，幫助學生理解概念本質，全面提升學生的科學素養，提高學生綜合應用概念的水平，提高學生計算能力，體現化學基本概念對元素化合物性質學習的指導作用。

關鍵詞：數據分析方法； 概念的內涵與外延 ；弱酸電離平衡常數Ka

概念的內涵就是反映在概念中的事物的本質屬性，這是概念的內容。概念的外延就是具有概念所反映的本質屬性的對象，這是概念的適用范圍。學生對于概念的掌握程度可以通過各種判斷題、選擇題的綜合檢測得到體現，概念的正確掌握能從根本上解決計算題、實驗題及綜合題等。只有學好的基本概念，深刻理解概念的內涵和外延，把握概念的本質屬性，才能扎實地掌握相關的知識內容，正確而有效地學好化學知識。

一、運用數據分析，把握化學概念的內涵

高中化學選修四《化學反應原理》一書中的一些化學基本概念比較抽象，教師應在教學中依據教材提供的數據材料或通過實驗所得數據及推理演算，引導學生在探索中得出相關概念，并進一步理解概念的本質。通過數據分析的教學，讓學生自己收集數據，應用數據分析，從而感受數據分析的實際價值，深刻理解概念的內涵。

例如，弱電解質電離平衡常數用Ki表示。弱電解質通常為弱酸或弱堿，所以在化學上，可以用Ka、Kb分別表示弱酸和弱堿的電離平衡常數。用HA表示弱酸，則其電離方程式為HA H++A-，則電離常數Ka=[H]*[A]/[HA]，電離平衡常數描述了一定溫度下弱電解質的電離能力。在相同溫度和濃度時，電離度的大小也可以表示弱電解質的相對強弱。用電離度比較幾種電解質的相對強弱時，應當注意所給條件，即濃度和溫度，如不注明溫度通常指25℃。

在教學過程中，我們發現這些概念抽象難以用啟發式教學法讓學生去學習，因為學生對于課本上弱酸的電離平衡常數的理解總是基于表面，沒能真正理解化學概念的內涵。

教師在教學中應充分利用課本中的數據，分析Ka與電離度α的關系，比較Ka與電離度α的相同點與不同點。電離常數K與電離度α的關系可近似地表示為K=cα2，其中c為弱電解質溶液的濃度。教師通過設計一組具體數據，讓學生從電離常數可以算出不同濃度、不同溫度時弱電解質的電離度，比較電離常數與電離度的區別，可看出Ka是常數而α不是常數。Ka隨溫度而變化，α隨Ka而變化，因此α也隨溫度而變化，Ka不因濃度改變而變化，但α卻隨濃度而變化，Ka不因溶液中其他電解質的存在而變化，但α卻因溶液中其他電解質離子的存在而變化。

例如，在醋酸溶液中加入醋酸鈉（CH3COONa），則因同離子效應而使平衡向左移動，α將減小。在室內溫度下，醋酸的電離常數是1.8×10-5，學生對這一數據并沒有什么印象，但通過計算可以得出它的電離度α=1.3%，學生得出每1000個醋酸分子室溫條件下只有13個醋酸分子發生電離，987個醋酸分子的形式存在溶液中。通過數據的分析轉換，學生容易理解弱電解質的電離程度的大小，有利于把握化學概念的內涵。

二、運用數據分析，準確化學概念的外延

化學課本中有許多數據，教學中并不要求具體記憶這些數值，但對這些數據的統計分析，既能幫助學生理解概念本質，形成學科觀念，又有利于培養學生嚴謹的科學態度，全面提升科學素養。對這些數據的統計分析，有利于學生建立準確的數據觀念，可以發展學生的數據意識，學生從中提取相關信息，從而充分體現化學基本概念對元素化合物性質學習的指導作用。例如，關于Ka概念外延的教學，我們應該清楚該概念的適用范圍。

（1）根據Ka判斷弱酸的酸性強弱。通過Ka的學習達到指導元素化合物性質的學習。相同條件下，Ka越大，酸性越強。通過比較Ka，我們可以得出常見弱酸的酸性：CH3COOH>H2CO3>

H2SiO3；H2CO3>HClO；H2CO3>Al（OH）3。這樣，學生就很容易理解醋酸溶液與碳酸鈣的反應，還有漂白粉放置在空氣中失效、水玻璃溶液中通入二氧化碳氣體、偏鋁酸鈉溶液中通入二氧化碳氣體等一系列反應，這些反應都是高一化學課本中的重要反應，都符合“酸性強的制取酸性弱”的基本原理。

（2）以Ka來判斷鹽類物質的水解相對大小。根據鹽類水解規律“越弱越水解”，我們可以判斷出相同條件下醋酸銨溶液、氯化銨溶液、次氯酸銨溶液水解的相對大小，從而判斷出溶液的酸堿性。分析利用醋酸Ka和氨水Kb數據的特殊性可知：醋酸銨溶液接近中性，進而可以探究Mg（OH）2沉淀溶于濃銨鹽的反應原理。

（3）根據Ka1、Ka2判斷酸式鹽溶液的酸堿性。在25℃時，碳酸的電離平衡常數分別為：碳酸Ka1=4.30×10-7，Ka2=5.61×10-11；亞硫酸的電離平衡常數Ka1=1.54×10-2 ，Ka2=1.02×10-7。對于酸式鹽NaHA的水溶液， NaHA 中 HA-既可電離：HA- H++A2-，也可水解：HA-+ H2O H2A + OH-。酸式鹽溶液由于NaHCO3溶液的Ka1Kh1而顯酸性。

（4）根據Ka1、Ka2的相對大小判斷物質的性質、理解離子反應的實質。碳酸Ka1=4.30×10-7 ，Ka2=5.61×10-11 ；苯酚C6H5OH ，Ka=1.0×10-10； 氫氧化鋁的酸式電離Ka= 6.3×10-13 。通過對這些數據的分析，我們容易得出酸性：H2CO3>HCO3->Al（OH）3-；H2CO3>

C6H5OH>HCO3-。這樣就容易理解以下四個反應：

A.往苯酚鈉水溶液中通入少量或足量CO2 ： C6H5O-+H2O+CO2 →C6H5OH+

HCO3-

B.往偏鋁酸鈉水溶液中通入少量CO2 ：AlO2-+H2O+CO2→Al（OH）3↓+CO32-

C.往偏鋁酸鈉水溶液中通入足量CO2：AlO2-+H2O+CO2→Al（OH）3↓+

HCO3-

D. 偏鋁酸鈉水溶液與碳酸氫鈉水溶液混合： AlO2-+HCO3-+H2O→

Al（OH）3↓+CO32-

三、運用數據分析，拓展提高學生綜合應用概念的水平

化學計算是中學化學教學的重要內容，也是中學生必須掌握的一個基本技能，學會數據分析是提高計算能力的關鍵。化學計算題中，往往題目數據多、綜合性強，但學生們因綜合分析能力差，不善于對知識準確遷移，因而覺得十分棘手。分析化學過程、融會貫通理解化學概念的內涵是正確解決化學計算題的基礎。

在學習《溶液中的離子反應》專題后，許多教師會引導學生對化學平衡常數K、酸堿電離平衡常數Ka、Kb、水的離子積Kw、難溶電解質的溶度積Ksp等一些概念進行比較歸納，分析他們的異同，但是若能進一步拓展到酸電離平衡常數Ka與鹽的水解常數Kh、與難溶電解質的溶度積Ksp、配合物的穩定系數Kw之間的聯系，就能進一步提高學生的綜合能力。

例如，在25℃下，于0.010mol·L-1

FeSO4溶液中通入H2S（g）， 使其成為飽和溶液 （C（H2S）= 0.10mol·L-1） 。

用HCl調節pH值，使C（HCl）= 0.30mol·L-1 ，試判斷能否有FeS生成。這樣一道計算題融合了Ksp與Ka的計算，體現了概念的外延，拓展了學生綜合應用概念的水平，既能幫助學生理解概念本質，形成學科觀念，又有利于培養學生的計算能力、解題能力，全面提升學生的科學素養。

總之，運用數據分析方法，把握化學概念的內涵與外延，有利于促進學生化學綜合素養的提升。本文僅從以上三個方面予以論述，以供參考。

（作者單位：福建省永春第一中學）