“盒子模型”在高中化學(xué)電離、水解平衡中的應(yīng)用

王瓊

摘 要：基于“核心素養(yǎng)”中“模型認(rèn)知”的要求，在電離、水解平衡教學(xué)中，以“盒子模型”作為教學(xué)輔助手段，幫助學(xué)生分析和解決問題，了解模型在化學(xué)教學(xué)中存在的意義和重要性。

關(guān)鍵詞：核心素養(yǎng);模型認(rèn)知;電離平衡;水解平衡;盒子模型

一、研究背景

高中化學(xué)教學(xué)過程中，經(jīng)常會碰到一些抽象的概念和理論以及一些看不見、摸不著的電子、離子、原子、分子等微粒。而這些都需要教師通過各種教學(xué)方法和手段展現(xiàn)在學(xué)生面前，讓學(xué)生一點(diǎn)一點(diǎn)地認(rèn)識、理解、掌握。其中有一些方法和手段已經(jīng)非常成熟并發(fā)展成為日常教學(xué)中不可或缺的教具，如球棍模型、比例模型就能很好地幫助學(xué)生理解分子的組成情況、成鍵方式和空間構(gòu)型，比起教師復(fù)雜的語言描述要顯得更加直觀、更有說服力。如果在教學(xué)過程中找到更多具體、直觀的模型來幫助學(xué)生對所學(xué)知識進(jìn)行分析和理解，必定能使學(xué)生更快速、更有效、更輕松地掌握相關(guān)內(nèi)容。2016年9月，“中國學(xué)生發(fā)展核心素養(yǎng)”正式發(fā)布。其中“模型認(rèn)知”一詞的提出，不僅肯定了模型教學(xué)在化學(xué)教學(xué)中存在的意義，同時也是在向?qū)W生傳達(dá)模型學(xué)習(xí)的重要性，更是對我們一線教師在教學(xué)過程中對模型的運(yùn)用提出了更高的要求。同時，模型認(rèn)知本就源自科學(xué)研究，是學(xué)習(xí)的重要工具，也是人們認(rèn)識事物的重要方法。如果能將模型認(rèn)知與教學(xué)有效地結(jié)合起來，必將更有利于學(xué)生化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的形成。

二、研究意義

筆者在教學(xué)過程中發(fā)現(xiàn)，學(xué)生在學(xué)習(xí)弱電解質(zhì)電離平衡及鹽類水解平衡時，對電離或水解程度不同的溶液中各種微粒的濃度大小、pH、與金屬反應(yīng)時產(chǎn)生氫氣的速率、產(chǎn)生氫氣的總量、中和酸或堿的能力等問題，理解起來比較困難。筆者以前常選用語言描述加方程式輔助的方法進(jìn)行解釋，因?qū)W生理解能力不同，理解起來效果好壞不定，也試過用列表的形式逐一進(jìn)行分析，但又比較費(fèi)時，也有部分教師選擇用K值或電離度代入進(jìn)行計(jì)算，最終用數(shù)字來說明問題。這當(dāng)然是有效的方法之一，但平衡常數(shù)、電離度的計(jì)算，相對繁瑣，容易讓學(xué)生產(chǎn)生畏難情緒。因此，筆者自創(chuàng)了一種“盒子模型”，建立模型比較快捷，在教學(xué)過程中運(yùn)用，能將抽象的問題展現(xiàn)在具體的圖形中，更直觀，能讓學(xué)生一目了然。

三、模型建立及應(yīng)用

“盒子模型”可分為“電離盒子”和“水解盒子”兩種，雖然兩種模型中各部分代表的含義不同，但本質(zhì)上還是相互關(guān)聯(lián)、相輔相成的，模型一旦建立，即可融會貫通。

1.“電離盒子”模型建立

強(qiáng)弱電解質(zhì)電離盒子模型建立：以鹽酸和醋酸為例

模型A為物質(zhì)的量濃度相同的鹽酸和醋酸，其中“盒子整體”部分代表總酸濃度;“斜杠”部分代表已電離的部分，可以代表氫離子濃度，因?yàn)閮烧呔鶠橐辉幔部梢源黻庪x子濃度。因鹽酸完全電離，則氫離子濃度即為酸的濃度，“斜杠”部分與“盒子整體”重合。“橫線”部分代表未電離的部分，醋酸溶液中“橫線”部分代表未電離的醋酸分子濃度。醋酸溶液部分電離，且電離是少數(shù)的，因此大致表示出“斜杠”部分小于“橫線”部分即可。模型B為pH相同的鹽酸和醋酸溶液，各部分含義不變。當(dāng)題目中信息出現(xiàn)等體積時，兩類模型中各部分還可以代表相應(yīng)微粒的物質(zhì)的量。

2.“電離盒子”模型應(yīng)用

應(yīng)用1：分析強(qiáng)弱電解質(zhì)中的離子濃度關(guān)系。

【例1】現(xiàn)有①鹽酸②醋酸溶液，請根據(jù)要求填空

（1）濃度相同的鹽酸和醋酸，其pH的關(guān)系為____，稀釋10倍后，pH關(guān)系為_____;

（2）pH相同的鹽酸和醋酸，物質(zhì)的量濃度關(guān)系為____，稀釋10倍后，pH關(guān)系為___。

【解析】（1）由模型A可得，酸的濃度相同時，鹽酸“斜杠”部分大于醋酸的“斜杠”部分，則溶液中c（H+）：①>②，則pH：①<②;稀釋過程中，兩溶液中氫離子濃度均減小，但醋酸電離度增大，即醋酸模型中隔板右移，但遵循可逆反應(yīng)的特點(diǎn)，醋酸溶液中仍存在醋酸分子，則醋酸模型的“斜杠”部分只能無限接近鹽酸中氫離子的“斜杠”部分，稀釋10倍后，溶液中c（H+）：①>②，pH：①<②，但兩者的差距在縮小。（2）由模型B可得，兩溶液pH相同時，醋酸的“盒子整體”大于鹽酸的“盒子整體”，即酸的濃度：①<②;一旦開始稀釋，醋酸電離度增大，即醋酸模型中隔板右移，兩溶液中氫離子濃度減小的同時，醋酸中的氫離子濃度將超越鹽酸中氫離子濃度，因此，稀釋10倍后，pH關(guān)系為：①>②。

應(yīng)用2：“電離盒子”不僅可用于強(qiáng)弱電解質(zhì)間的分析，也可用于弱電解質(zhì)之間的分析。

【例2】根據(jù)《化學(xué)反應(yīng)原理》課本P67表格3-4中所給Ka數(shù)據(jù)，按要求填空：

（1）同體積同濃度的上述酸溶液，pH大小_______，溶液導(dǎo)電能力大小_________，與足量金屬鎂反應(yīng)，開始時反應(yīng)速率_________，產(chǎn)生氫氣的標(biāo)況下體積大小_________，與氫氧化鈉溶液中和時，消耗氫氧化鈉的物質(zhì)的量______________。

（2）同pH同體積的上述酸溶液，酸的濃度大小____，溶液導(dǎo)電能力大小_________，與足量金屬鎂反應(yīng)，開始時反應(yīng)速率_________，產(chǎn)生氫氣的標(biāo)況下體積大小_________，與氫氧化鈉溶液中和時，消耗氫氧化鈉的物質(zhì)的量______________。

【解析】根據(jù)表格中Ka數(shù)據(jù)，粗略建立模型，各部分含義不變：（1）A組模型由“斜杠”部分可得：酸的濃度相同時，溶液中c（H+）關(guān)系為：①>②>③>④，則pH①<②<③<④，溶液導(dǎo)電能力，與足量金屬鎂反應(yīng)，開始時反應(yīng)速率均為：①>②>③>④;體積相同，模型還可以表示物質(zhì)的量的關(guān)系，在與金屬鎂及氫氧化鈉溶液反應(yīng)時，隨著氫離子的消耗，各酸電離程度增大，即模型中隔板右移，直至酸全部消耗，與金屬鎂反應(yīng)產(chǎn)生氫氣的體積以及中和時消耗氫氧化鈉的物質(zhì)的量均可以用“盒子整體”部分表示，即①=②=③=④。（2）B組模型中由“盒子整體”部分可得：pH相同時，酸的濃度關(guān)系為：①<②<③<④，由“斜杠”部分可得溶液中氫離子濃度相同，則導(dǎo)電能力、與金屬鎂反應(yīng)，開始時反應(yīng)速率也相同;體積相同，由“盒子整體”部分可得，產(chǎn)生氫氣體積及消耗氫氧化鈉的物質(zhì)的量關(guān)系為：①<②<③<④。

應(yīng)用3：在遇到二元強(qiáng)酸，如硫酸時，可以將“電離盒子”稍作變形，只需用加粗方框表示硫酸濃度，其余含義不變，即可得到硫酸的電離盒子。

【例3】現(xiàn)有相同體積的三種溶液：①硫酸溶液②鹽酸③醋酸溶液，請根據(jù)要求填空：

（1）濃度相同時，pH大小____，與足量金屬鎂反應(yīng)，產(chǎn)生氫氣的物質(zhì)的量大小_____。

（2）pH相同時，酸的濃度大小____，中和時消耗氫氧化鈉的物質(zhì)的量大小______。

【解析】

該組酸溶液在建模時應(yīng)注意，硫酸電離的氫離子濃度應(yīng)為硫酸濃度的兩倍。（1）當(dāng)酸溶液濃度相同時，由“斜杠”部分可得，溶液中氫離子濃度大小為①>②>③，pH關(guān)系為①<②<③，與足量金屬鎂反應(yīng)，產(chǎn)生氫氣的物質(zhì)的量，仍為模型中“盒子整體”部分，由模型可得：①=2×②=2×③。（2）當(dāng)pH相同時，硫酸濃度應(yīng)為“加粗方框”部分，因此可得酸的濃度關(guān)系為2×①=②<③，中和消耗氫氧化鈉的物質(zhì)的量仍為“盒子整體”部分，即①=②<③。

3.“水解盒子”模型建立

碰到鹽類水解問題時，“電離盒子”模型也可轉(zhuǎn)變?yōu)椤八夂凶印蹦Ｐ汀８鶕?jù)表格3-4中Ka數(shù)據(jù)及鹽類水解中“越弱越水解”的規(guī)律，將酸溶液轉(zhuǎn)化為相應(yīng)鹽溶液，可建立“水解盒子”模型如下：

模型中“盒子整體”代表鹽溶液濃度，“斜杠”部分代表已水解的部分，可以表示水解得到的氫離子或氫氧根離子濃度，“橫線”代表未水解的部分。A組模型表示濃度相同的四種鹽溶液，由“斜杠”部分可得，水解得到的c（OH-）大小：氰化鈉>醋酸鈉>次氯酸鈉>氟化鈉，即同濃度時堿性大小為：氰化鈉>醋酸鈉>次氯酸鈉>氟化鈉。B組模型表示pH相同的四種鹽溶液，由“盒子整體”可得，四種鹽溶液的濃度大小：氰化鈉<醋酸鈉<次氯酸鈉<氟化鈉。

4.“盒子模型”綜合應(yīng)用

當(dāng)題目中同時出現(xiàn)電離和水解問題時，還可以將“電離盒子”和“水解盒子”放在一起分析，讓看似復(fù)雜的問題一目了然。

【例4】：試分析pH相等的鹽酸和氯化銨溶液中，c（Cl-）大小關(guān)系__________。

【解析】由題意可建立模型如右圖：

一元酸電離時，陰離子濃度與氫離子濃度相同，則鹽酸模型中c（Cl-）=c（H+）為“斜杠”部分;氯化銨模型中，c（Cl-）=c（NH4Cl）即為“盒子整體”部分，顯而易見，氯化銨中的c（Cl-）更大。

四、研究結(jié)果

經(jīng)過筆者在平行班級中比較，“盒子模型”能明顯縮短學(xué)生分析電離、水解平衡問題的時間，提高解題的正確率。同時該模型也能幫助教師在課堂教學(xué)過程中，更快速、更直觀地分析問題，達(dá)到事半功倍。當(dāng)然這只是筆者在實(shí)際教學(xué)過程中對“盒子模型”在電離、水解平衡教學(xué)過程中的初步嘗試，其中還存在不夠成熟、不夠嚴(yán)謹(jǐn)?shù)牡胤剑胰詭в幸欢ǖ木窒扌浴５Ｐ徒虒W(xué)是一種非常好的教學(xué)手段，只要我們找到了合適的模型，那么它不僅能成為跨越微觀世界和宏觀世界知識的橋梁，也能成為學(xué)生遨游在原理知識海洋中的航船。我們應(yīng)勇于嘗試，主動尋找和建立隱藏在教學(xué)內(nèi)容中的模型，提高學(xué)生對模型的認(rèn)知水平和應(yīng)用能力，為培養(yǎng)學(xué)生的核心素養(yǎng)做出貢獻(xiàn)。

參考文獻(xiàn)：

[1]王德勝.化學(xué)方法論[M].浙江教育出版社，2007：128-134.

[2]王彤，王秋，姚志強(qiáng).化學(xué)教學(xué)中的模型方法及其應(yīng)用[J].化學(xué)教育，2001（10）：18-20.

[3]張克龍.建模思想在高三化學(xué)復(fù)習(xí)中的應(yīng)用[J]. 中學(xué)化學(xué)教學(xué)參考，2005（4）：33-35.

[4]鄒正.新課程九年級化學(xué)教師手冊[M].南京大學(xué)出版社，2012：220-230.

編輯 高 瓊