豐富證據(jù)推理途徑 建構(gòu)認(rèn)知思維模型——以幾道電解質(zhì)溶液?jiǎn)栴}的分析為例

湖南 李銀秀 福建 胡 娟

有關(guān)電解質(zhì)溶液的選擇題是高考的高頻題型，重點(diǎn)在于考查化學(xué)平衡理論，滲透對(duì)變化觀念與平衡思想及證據(jù)推理與模型認(rèn)知核心素養(yǎng)的考查。證據(jù)推理與模型認(rèn)知核心素養(yǎng)的具體內(nèi)涵是能從宏觀和微觀、定性與定量結(jié)合上收集證據(jù)，從不同視角分析推出合理結(jié)論；能描述和表示常見(jiàn)理論模型，指出模型表示的具體含義；能對(duì)模型和原型的關(guān)系進(jìn)行評(píng)價(jià)并改進(jìn)模型；能說(shuō)明模型使用條件及適用范圍；能依據(jù)各類物質(zhì)及其反應(yīng)的特征尋找證據(jù)，解釋證據(jù)和結(jié)論之間的關(guān)系；能對(duì)復(fù)雜問(wèn)題情境中的關(guān)鍵要素進(jìn)行分析建構(gòu)相應(yīng)模型；能選擇不同模型綜合解釋或解決復(fù)雜的化學(xué)問(wèn)題。“素養(yǎng)立意”的化學(xué)命題非常注重對(duì)學(xué)生“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”素養(yǎng)的考查，本文以幾道有關(guān)電解質(zhì)溶液的選擇題分析為例，試圖豐富證據(jù)推理途徑，建構(gòu)認(rèn)知模型，突破教學(xué)中的難點(diǎn)問(wèn)題，消除迷思概念。

【例1】(2020·山東卷模擬·14)25℃時(shí)，向10 mL 0.10 mol/L 的一元弱酸HA(Ka=1.0×10-3)中逐滴加入0.10 mol/L NaOH溶液，溶液pH隨加入NaOH溶液體積的變化關(guān)系如圖所示。下列說(shuō)法正確的是

( )

A.a點(diǎn)時(shí)，c(HA)+c(OH-)=c(Na+)+c(H+)

B.溶液在a點(diǎn)和b點(diǎn)時(shí)水的電離程度相同

C.b點(diǎn)時(shí)，c(Na+)=c(HA)+c(A-)+c(OH-)

D.V=10 mL時(shí)，c(Na+)>c(A-)>c(H+)>c(HA)

【解析】山東省是第二批進(jìn)入新高考改革的省區(qū)，該套模擬題是很多專家集體智慧的結(jié)晶，經(jīng)過(guò)了教育部考試中心的審核，試題質(zhì)量很高，很好地體現(xiàn)了《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)(2017年版)》的內(nèi)容要求和學(xué)業(yè)要求，凸顯核心素養(yǎng)的立意。做好試題分析，對(duì)日常教學(xué)復(fù)習(xí)有重要意義。

該題創(chuàng)設(shè)強(qiáng)堿滴定弱酸溶液過(guò)程中pH變化的真實(shí)情境，考查考生接受、吸收、整合化學(xué)信息的能力，以及分析和解決化學(xué)問(wèn)題的能力。試題巧妙利用圖象提供多種信息，可用于選項(xiàng)中的相應(yīng)問(wèn)題的解答，體現(xiàn)了證據(jù)推理與模型認(rèn)知的學(xué)科核心素養(yǎng)。例如選項(xiàng)B需要利用“影響水的電離的因素”，結(jié)合圖象中a點(diǎn)和b點(diǎn)分別位于滴定突躍前后的信息進(jìn)行分析推理。

B項(xiàng)分析方法二：a點(diǎn)時(shí)的溶質(zhì)為HA、NaA，pH=3，b點(diǎn)時(shí)的溶質(zhì)為NaOH、NaA，pH=11，故a、b兩點(diǎn)的溶液可看作是向NaA溶液中分別滴加HA溶液與NaOH溶液得到的。H+濃度相等的HA溶液與OH-相等的NaOH溶液對(duì)水電離的抑制程度相同，故可推知若向等量的NaA溶液中分別滴加HA溶液、NaOH溶液，得到pH=3的NaA、HA的混合溶液和pH=11的NaA、NaOH的混合溶液，則溶液在a點(diǎn)和b點(diǎn)時(shí)水的電離程度相同。但a點(diǎn)時(shí)HA未被完全中和，b點(diǎn)時(shí)NaOH過(guò)量，a點(diǎn)與b點(diǎn)比較，NaA的量顯然后者多，故假設(shè)不成立，B項(xiàng)錯(cuò)誤。以上快捷分析啟示我們，遇到問(wèn)題要善于運(yùn)用轉(zhuǎn)化思想，即跳出問(wèn)題看問(wèn)題，可以化難為易。

值得注意的是，多個(gè)教研微信群、QQ群及公眾號(hào)上傳的資料中分享了下面這種看似簡(jiǎn)便易行的分析過(guò)程，那么推斷是否合理？

a點(diǎn)時(shí)的溶質(zhì)為HA、NaA，pH=3，水電離出的c水(OH-)=c(OH-)=1.0×10-11mol/L。b點(diǎn)時(shí)的溶質(zhì)為NaOH、NaA，pH=11，c(OH-)=1.0×10-3mol/L，OH-是由NaOH電離和水電離出的兩部分之和組成的，推斷出由水電離出的c水(OH-)1.0×10-11mol/L，B項(xiàng)錯(cuò)誤。以上推斷的依據(jù)是認(rèn)為稀的水溶液中盡管水的電離受到了抑制，但是水電離出的H+濃度與水電離出OH-濃度乘積仍為Kw。根據(jù)影響水的電離平衡因素可知，上述結(jié)論顯然錯(cuò)誤，故證據(jù)不足，推斷不成立。教學(xué)中要引導(dǎo)學(xué)生深刻理解有關(guān)原理，基于正確認(rèn)知模型，用可靠證據(jù)進(jìn)行推理。學(xué)生在解題中雖然結(jié)果正確，但思維過(guò)程部分或完全錯(cuò)誤的情況并不少見(jiàn)，教師要能及時(shí)發(fā)現(xiàn)學(xué)生在思維過(guò)程中暴露的類似問(wèn)題，幫助他們及時(shí)消除迷思概念，促進(jìn)對(duì)有關(guān)原理的深度理解，提升證據(jù)推理能力。當(dāng)然，教師自身也要加強(qiáng)學(xué)習(xí)和深度思考，在網(wǎng)絡(luò)資源眾多的情況下，更要善于理性判斷、作出取舍。

C項(xiàng)分析方法一：b點(diǎn)處的溶質(zhì)為NaA和NaOH，據(jù)電荷守恒可知：c(A-)+c(OH-)=c(Na+)+c(H+)，則c(Na+)

C項(xiàng)分析方法二：b點(diǎn)的溶質(zhì)為NaA和NaOH，據(jù)電荷守恒可知：c(Na+)+c(H+)=c(A-)+c(OH-)，假設(shè)C項(xiàng)正確，c(Na+)=c(HA)+c(A-)+c(OH-)代入上式，可得：c(HA)+c(A-)+c(OH-)+c(H+)=c(A-)+c(OH-)，進(jìn)而得到c(HA)+c(H+)=0，這與客觀事實(shí)不符，C項(xiàng)錯(cuò)誤。

B項(xiàng)分析方法一重在證實(shí)，分析過(guò)程嚴(yán)謹(jǐn)，能幫助學(xué)生深刻理解不僅a、b兩點(diǎn)水的電離程度不同，而且b點(diǎn)水的電離程度比a點(diǎn)的大；分析方法二重在證偽，分析視角獨(dú)特簡(jiǎn)潔，有利于學(xué)生快捷判斷。C項(xiàng)分析方法一也重在證實(shí)，采用常規(guī)方法，學(xué)生容易想到；分析方法二重在證偽，巧妙借助了數(shù)學(xué)反證法，讓學(xué)生深刻理解題中所示關(guān)系必然不成立。B項(xiàng)和C項(xiàng)均采用兩種不同方法分析，能幫助學(xué)生深刻理解相關(guān)微粒濃度大小的必然關(guān)系，提升對(duì)證據(jù)推理的理解和運(yùn)用能力。日常教學(xué)中啟發(fā)學(xué)生從多種角度思考，能培養(yǎng)學(xué)生思維的全面性、深刻性和敏捷性，感受思維的魅力，享受思維的快樂(lè)。

那么，D項(xiàng)的分析能否采用快捷方法？電解質(zhì)溶于水會(huì)有很多行為，首先是電解質(zhì)的電離，其次是電解質(zhì)產(chǎn)生次級(jí)微粒的行為，有的次級(jí)微粒發(fā)生電離，有的次級(jí)微粒發(fā)生水解，還有的次級(jí)微粒發(fā)生質(zhì)子自遞。基于此，要快速比較電解質(zhì)溶液中微粒濃度大小，可理清行為主次，采用“抓主略次”的思路快速判斷。

V=10 mL時(shí)，NaOH與HA恰好完全中和，且NaA濃度為0.05 mol/L。0.05 mol/L NaA溶液中各微粒濃度行為及程度如下：

前面定量計(jì)算的意義在于消除學(xué)生對(duì)用近似方法分析可能產(chǎn)生的疑慮，從而在更多類似問(wèn)題的解決中敢于大膽采用近似的模型分析方法進(jìn)行分析比較，這與“用人不疑、疑人不用”的道理一樣。

通過(guò)以上分析不難得到結(jié)論，對(duì)于水溶液中微粒濃度關(guān)系的分析，可以建構(gòu)如下思維模型。

值得注意的是，有部分教師認(rèn)為B項(xiàng)也正確，下面試圖分析產(chǎn)生這一錯(cuò)誤認(rèn)識(shí)的原因。

【例2】(2013·山東卷·13)某溫度下，向一定體積0.1 mol/L 的醋酸溶液中逐滴加入等濃度的NaOH溶液，溶液中pOH[pOH=-lg(OH-)]與pH的變化關(guān)系如圖所示，則

( )

A.M點(diǎn)所示溶液的導(dǎo)電能力強(qiáng)于Q點(diǎn)

B.N點(diǎn)所示溶液中c(CH3COO-)>c(Na+)

C.M點(diǎn)和N點(diǎn)所示溶液中水的電離程度相同

D.Q點(diǎn)消耗NaOH溶液的體積等于醋酸溶液的體積

所有知名品牌的教輔用書(shū)及各大網(wǎng)站給出了幾乎一樣的分析，現(xiàn)摘錄如下：

【解析】據(jù)圖可知Q點(diǎn)pH=pOH，溶液呈中性，M點(diǎn)溶液呈酸性，N點(diǎn)溶液呈堿性，A中M點(diǎn)到Q點(diǎn)溶液主要是弱酸變?yōu)辂}，因此導(dǎo)電能力增強(qiáng)，錯(cuò)誤；B中N點(diǎn)溶液c(OH-)>c(H+)，根據(jù)電荷守恒可知，c(CH3COO-)

上述對(duì)A、B、D項(xiàng)的分析是可行的，對(duì)C項(xiàng)的分析是基于M點(diǎn)pOH與N點(diǎn)pH相同，M點(diǎn)電離的c(H+)與N點(diǎn)電離的c(OH-)相等，就得出這兩點(diǎn)水的電離抑制程度相同的結(jié)論。由例1分析可知，要得出該結(jié)論，要求這兩點(diǎn)含有等量的CH3COONa，但這一假設(shè)不成立。可見(jiàn)，該題的科學(xué)性值得商榷。

高考真題因集中體現(xiàn)了命題專家的智慧，往往成為廣大教師選題以及命制模擬題的重要依據(jù)。例如，例3就是由例2改編而成。

【例3】(2017·河南南陽(yáng)等六市聯(lián)考·13)某溫度下，向一定體積0.1 mol/L的氨水中逐滴加入等濃度的鹽酸，溶液中pOH=-lg[c(OH-)]。下列說(shuō)法不正確的是

( )

A.M點(diǎn)和N點(diǎn)H2O的電離程度相同

C.M點(diǎn)溶液的導(dǎo)電性小于Q點(diǎn)溶液的導(dǎo)電性

該題給出的參考答案是B項(xiàng)，根據(jù)前面分析，A項(xiàng)也是錯(cuò)誤的。

通過(guò)本文分析可知，在遇到較為復(fù)雜問(wèn)題時(shí)，可以豐富證據(jù)推理途徑，建構(gòu)認(rèn)知思維模型，使學(xué)生更好地理解電解質(zhì)溶液中有關(guān)微粒濃度的關(guān)系，突破教學(xué)難點(diǎn)，提升快捷思考與解決問(wèn)題的能力，同時(shí)消除迷思概念，提升證據(jù)推理能力，發(fā)展學(xué)生的核心素養(yǎng)。同時(shí)盡量杜絕使用科學(xué)性有待加強(qiáng)的試題進(jìn)行訓(xùn)練，減少對(duì)學(xué)生思維的負(fù)面干擾，提高復(fù)習(xí)備考的實(shí)效。