基于“證據(jù)推理”建構(gòu)沉淀溶解平衡的深度認(rèn)識(shí)路徑

王玲 邢東陽(yáng) 曾仲獻(xiàn) 李金燕

摘要：從廣東學(xué)業(yè)水平選擇性考試（化學(xué)）題目涉及的問題切入，針對(duì)人教版“沉淀溶解平衡”單元教材編排內(nèi)容的預(yù)留空間，借助數(shù)字化電導(dǎo)率傳感器實(shí)驗(yàn)平臺(tái)建構(gòu)沉淀溶解平衡的存在及影響因素的直觀證據(jù)，通過(guò)驅(qū)動(dòng)性問題的設(shè)計(jì)與證據(jù)推理，幫助學(xué)生發(fā)現(xiàn)沉淀溶解平衡的特殊性并建構(gòu)沉淀溶解平衡移動(dòng)的思維模型，展示難溶鹽溶解度的測(cè)定方法。通過(guò)實(shí)驗(yàn)探究，將具體知識(shí)的學(xué)習(xí)、觀念的建構(gòu)和問題的解決有機(jī)結(jié)合起來(lái)，深度發(fā)展學(xué)生的微粒觀、平衡觀、定量觀和證據(jù)推理等核心素養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：電導(dǎo)率傳感器;沉淀溶解平衡;難溶鹽溶解度的測(cè)定

文章編號(hào)：1008-0546（2022）07-0073-04中圖分類號(hào)：G632.41文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2022.07.018

一、問題的提出

2021年廣東學(xué)業(yè)水平選擇性考試（化學(xué)）17題考查通過(guò)測(cè)定一定溫度下飽和 AgCl 溶液的電導(dǎo)率，探究溫度對(duì)AgCl溶解度的影響。試題以信息的形式給出：“電導(dǎo)率是表征電解質(zhì)溶液導(dǎo)電能力的物理量。溫度一定時(shí)，強(qiáng)電解質(zhì)稀溶液的電導(dǎo)率隨溶液中離子濃度的增大而增大;離子濃度一定時(shí)，稀溶液電導(dǎo)率隨溫度的升高而增大。”考查學(xué)生在陌生情境中基于控制變量的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)能力、信息領(lǐng)悟能力、利用信息與實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象合理推理關(guān)聯(lián)，探究目的與探究結(jié)論之間的邏輯關(guān)系能力等。該試題屬于原創(chuàng)性試題，它巧妙地將大學(xué)物理化學(xué)中的難溶鹽溶解度的測(cè)定方法融入試題，但試題設(shè)問點(diǎn)考查的內(nèi)容完全符合高中化學(xué)學(xué)業(yè)水平選擇性考試要求;但本題中涉及一個(gè)相對(duì)陌生的物理量“電導(dǎo)率”，還涉及溫度對(duì)AgCl 溶解度的影響，其實(shí)質(zhì)就是對(duì) AgCl 沉淀溶解平衡的影響，現(xiàn)階段高中教材“沉淀溶解平衡”單元內(nèi)容對(duì)難溶物的溶解度的介紹僅停留在“很小”層面，雖然教材77頁(yè)表3-3中直接列出幾種難溶電解質(zhì)20℃時(shí)的溶解度來(lái)體現(xiàn)“很小”，但教材中沒有介紹難溶物的溶解度是如何測(cè)出來(lái)的，也沒有直觀的實(shí)驗(yàn)素材佐證“很小”的存在;另外該單元的教材中沒有直接提到沉淀溶解平衡的外界影響因素，這樣的內(nèi)容編排給教學(xué)實(shí)施過(guò)程留下了很大的思考與探索空間。沉淀溶解平衡是對(duì)平衡理論的豐富與完善，但沉淀溶解平衡的移動(dòng)與溶液中的其他平衡又有不同之處，不能完全依靠“勒夏特列原理模型”進(jìn)行分析。該試題的出現(xiàn)為一線教師的教學(xué)思考和研究方向提供了重要的指引，基于此，本文將利用數(shù)字化電導(dǎo)率傳感實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，顯性建構(gòu)沉淀溶解平衡的存在及特殊性的認(rèn)識(shí)素材，半定量反映沉淀溶解平衡的外界影響因素，展示難溶物溶解度的測(cè)定方法;通過(guò)實(shí)驗(yàn)探究，將具體知識(shí)的學(xué)習(xí)、觀念的建構(gòu)和問題的解決有機(jī)結(jié)合起來(lái)，深度探討沉淀溶解平衡理論，發(fā)展學(xué)生的微粒觀、平衡觀、定量觀和證據(jù)推理能力等核心素養(yǎng)。

二、實(shí)驗(yàn)探究與證據(jù)推理

1.基于電導(dǎo)率傳感器建構(gòu)沉淀溶解平衡認(rèn)知過(guò)程

難溶物的溶解量“很小”，在教學(xué)中如果沒有直觀的實(shí)驗(yàn)素材佐證，學(xué)生的認(rèn)知觀念僅能停留在機(jī)械的記憶層面，也不利于微粒觀的建構(gòu)。在教學(xué)中借助數(shù)字化電導(dǎo)率傳感器實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，設(shè)計(jì)如下實(shí)驗(yàn)1，證明難溶物少量溶解的存在，同時(shí)證明溶解平衡的存在及溶解平衡移動(dòng)的特殊性。

實(shí)驗(yàn)1：在常溫下，測(cè)定100 mL 蒸餾水的電導(dǎo)率，然后向其中加入少量AgCl 固體;觀察電導(dǎo)率的變化，當(dāng)電導(dǎo)率不變時(shí)，再向其中加入10 mL蒸餾水，觀察電導(dǎo)率的變化;繼續(xù)向其中加入10 mL蒸餾水，再次觀察電導(dǎo)率的變化。實(shí)驗(yàn)裝置及實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖1、圖2所示。

在教學(xué)中根據(jù)圖2實(shí)驗(yàn)結(jié)果我們可以帶領(lǐng)學(xué)生討論以下問題。

①將AgCl溶于水后，溶液電導(dǎo)率增大，說(shuō)明什么？

②一段時(shí)間后，電導(dǎo)率為什么保持不變？

③在 c 點(diǎn)加入10 mL蒸餾水，電導(dǎo)率為什么先減小后增大？一段時(shí)間后，為什么又保持不變？電導(dǎo)率保持不變時(shí)，AgCl 的溶解停止了嗎？

④在 e 點(diǎn)再加入10 mL蒸餾水，為什么會(huì)重復(fù)出現(xiàn)上述現(xiàn)象？

⑤認(rèn)真觀察c點(diǎn)、e點(diǎn)、g點(diǎn)的電導(dǎo)率值是否相等，為什么？

在實(shí)驗(yàn)與解決這些問題的過(guò)程中，學(xué)生的認(rèn)知是根據(jù)真實(shí)的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，進(jìn)行合理的推理，感受到微觀粒子在溶液中的運(yùn)動(dòng)變化而建構(gòu)出沉淀溶解平衡的基本原理，發(fā)展并完善學(xué)生對(duì)平衡理論的認(rèn)知結(jié)構(gòu)，提升學(xué)生的微粒觀與邏輯推理能力。學(xué)生觀察到 c 點(diǎn)、e 點(diǎn)、g 點(diǎn)的電導(dǎo)率值基本相等，說(shuō)明此時(shí)溶液中 AgCl 的濃度相等，這一現(xiàn)象表明在溫度一定時(shí)，加水稀釋沉淀溶解平衡向沉淀溶解的方向移動(dòng)，而且只要有固體存在，最終AgCl 的平衡濃度將等于起始平衡濃度，這一結(jié)論與“勒夏特列原理”中的“減弱但不能消除”有矛盾之處，這正是沉淀溶解平衡的特殊性——沉淀溶解平衡一定是指定條件下的飽和溶液，也就是說(shuō)沉淀溶解平衡移動(dòng)的方向一定是向著建立飽和溶液的方向。本質(zhì)因素是沉淀溶解平衡屬于異相平衡，固體的量不影響平衡。

2.基于電導(dǎo)率傳感器建構(gòu)沉淀溶解平衡的影響因素

溶液中的平衡體系，一般探究溫度和濃度兩個(gè)因素對(duì)平衡的影響。但對(duì)于沉淀溶解平衡來(lái)說(shuō)，學(xué)生受最初接觸難溶物認(rèn)知概念的影響，習(xí)慣提出“哪些沉淀能溶于酸，哪些沉淀不能溶于酸？”這樣的問題。顯然學(xué)生的認(rèn)識(shí)水平是淺層次的記憶而不是通過(guò)分析沉淀溶解平衡移動(dòng)的因素把握沉淀“溶”與“不溶”本質(zhì)規(guī)律的深度學(xué)習(xí)。基于此，本文研究了溫度、酸度、濃度（同離子效應(yīng)）三個(gè)因素對(duì)沉淀溶解平衡的影響。

根據(jù)試題已知25℃，Ksp （AgCl）=1.8×10-10，則飽和溶液中 c（Ag+） =c（Cl-） ≈1.34×10-5mol/L，純水中 c（ H+） =c（OH-） ≈1.0×10-7mol/L，因此溶劑水的電離對(duì)難溶鹽電導(dǎo)率的影響不能忽略，用電導(dǎo)率傳感器可以測(cè)出 AgCl 飽和溶液的電導(dǎo)率κ值，AgCl 溶液實(shí)際的κ（AgCl）=κ（AgCl 溶液）-κ（H2O）[1]。

（1）實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

實(shí)驗(yàn)2：AgCl 固體的制取

分別取20 mL 0.1 mol/L NaCl 和 AgNO3溶液將其混合，生成 AgCl 白色沉淀，充分?jǐn)嚢韬蟛捎脙A瀉法過(guò)濾，用蒸餾水洗滌、過(guò)濾直至洗出液用0.1 mol/L AgNO3溶液檢測(cè)不出 Cl-為止，將 AgCl 固體浸泡在少量蒸餾水中待用。

實(shí)驗(yàn)3：探究溫度對(duì)AgCl溶解度的影響

分別取40 mL蒸餾水和AgCl濁液于兩個(gè)50 mL燒杯中，用圖1實(shí)驗(yàn)裝置雙通道同時(shí)分別測(cè)定不同溫度下蒸餾水和AgCl濁液的電導(dǎo)率，溫度范圍為25-84℃ （溫度高于84℃時(shí)，因液體接近沸騰，氣泡的產(chǎn)生會(huì)干擾傳感器的靈敏度）。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

在教學(xué)中根據(jù)圖3我們可以帶領(lǐng)學(xué)生討論以下問題：

①溫度對(duì)AgCl 的沉淀溶解平衡有無(wú)影響？如果有，是如何影響的？說(shuō)明理由。

②溫度為什么會(huì)影響沉淀溶解平衡？

溫度影響沉淀溶解平衡，其本質(zhì)原因是溫度升高，微觀粒子的熱運(yùn)動(dòng)加劇，導(dǎo)致溶質(zhì)分子（或離子）間間隙變大，相當(dāng)于降低了溶質(zhì)分子（或離子）的有效濃度，沉淀溶解平衡向沉淀溶解的方向移動(dòng)，固體溶解度變大。

實(shí)驗(yàn)4：探究酸度對(duì)AgCl溶解度的影響

在50 mL 燒杯中加入40 mL 濃度分別為 3.2×10-5 mol/L、1.6×10-4 mol/L、8.0×10-4 mol/L、4.0×10-3 mol/L、2.0×10-2 mol/L 的 HNO3，然后用移液槍分別滴入1 mL AgCl濁液，控制溫度30℃，按照?qǐng)D1實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果記錄于表1 中。

在教學(xué)中根據(jù)表1實(shí)驗(yàn)結(jié)果我們可以帶領(lǐng)學(xué)生討論以下問題。

①硝酸對(duì)AgCl 的溶解度有影響嗎？如果有，是如何影響的？

②為什么硝酸會(huì)影響AgCl溶解度？硝酸與AgCl 能反應(yīng)嗎？

硝酸與AgCl不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，就中學(xué)的知識(shí)范疇來(lái)講，應(yīng)該不影響AgCl 的沉淀溶解平衡，但實(shí)驗(yàn)結(jié)果與學(xué)生的認(rèn)識(shí)發(fā)生沖突，這是為什么呢？《無(wú)機(jī)化學(xué)》上冊(cè)難溶電解質(zhì)理論介紹向AgCl飽和溶液中加入易溶強(qiáng)電解質(zhì)后，溶液中各種離子的總濃度增大，增強(qiáng)了離子間的靜電作用，在Ag+的周圍有更多的陰離子（主要是 NO3（-）），形成了所謂的“離子氛”;在 Cl-的周圍有更多的陽(yáng)離子（主要是 K+），也形成了“離子氛”，使 Ag+和 Cl-受到較強(qiáng)的牽制作用，降低了它們的有效濃度，因而在單位時(shí)間內(nèi)與沉淀表面碰撞次數(shù)減少，沉淀過(guò)程變慢，難溶電解質(zhì)的溶解過(guò)程暫時(shí)超過(guò)了沉淀過(guò)程，平衡向沉淀溶解的方向移動(dòng);當(dāng)建立起新的平衡時(shí)，難溶電解質(zhì)的溶解度就增大了[2]，這就是鹽效應(yīng)的作用機(jī)理。當(dāng)然AgCl在硝酸中的溶解度增大也可能是硝酸氧化了Cl-，減小了溶液中Cl-的濃度，導(dǎo)致溶解平衡向溶解的方向移動(dòng)。

實(shí)驗(yàn)5：探究不同濃度NaCl溶液對(duì)AgCl溶解度的影響

在50 mL 燒杯中加入40 mL 濃度分別為 3.2×10-5 mol/L、1.6×10-4 mol/L、8.0×10-4 mol/L、4.0×10-3 mol/L、2.0×10-2 mol/L、0.1 mol/L 的 NaCl 溶液，然后用移液槍分別滴入1 mL AgCl濁液，控制溫度30℃，按照?qǐng)D1實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果記錄于表2中。

在教學(xué)中根據(jù)表2實(shí)驗(yàn)結(jié)果我們可以帶領(lǐng)學(xué)生討論以下問題。

①NaCl 對(duì) AgCl 的溶解度有影響嗎？如果有，是如何影響的？

②為什么AgCl 的溶解度隨NaCl溶液濃度增大出現(xiàn)先減小后略增大的現(xiàn)象？

溫度一定時(shí)，向 AgCl 濁液中加入 NaCl 溶液，因增大溶液中 Cl-的濃度，相對(duì)于溶質(zhì)AgCl來(lái)說(shuō)，c（Cl-） 的值大于飽和濃度，沉淀溶解平衡向析出沉淀的方向移動(dòng)，即同離子效應(yīng);但根據(jù)實(shí)驗(yàn)4 的探究結(jié)論， NaCl 屬于易溶強(qiáng)電解質(zhì)，對(duì) AgCl 的溶解平衡也存在鹽效應(yīng)，會(huì)使 AgCl 的溶解度增大;除此之外當(dāng)溶液中 Cl-的濃度增大到一定程度時(shí)會(huì)發(fā)生配位反應(yīng)[2]： AgCl（s）+Cl-（aq）AgCl2（-）（aq），增大AgCl 的溶解度;根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以推出，當(dāng)NaCl溶液的濃度較小時(shí)，同離子效應(yīng)起決定作用，AgCl 的溶解度隨 NaCl 溶液的濃度的增大而減小;但隨著 NaCl 溶液的濃度的增大，鹽效應(yīng)和配位溶解效應(yīng)也逐漸體現(xiàn)出來(lái)，當(dāng) NaCl 溶液的濃度達(dá)到0.02 mol/L 以后，AgCl 濁液的導(dǎo)電率反而增大，表明AgCl 的溶解度增大，證明配位溶解效應(yīng)起了決定作用;一般說(shuō)來(lái)，在難溶電解質(zhì)的溶度積很小時(shí)，鹽效應(yīng)的影響很小，可以忽略不計(jì)。

通過(guò)對(duì)沉淀溶解平衡影響因素的實(shí)驗(yàn)探究與問題分析，建構(gòu)學(xué)生對(duì)沉淀溶解平衡影響因素的認(rèn)知思維模型如圖4。

三、研究反思

1.重視開展“素養(yǎng)為本”的教學(xué)，是《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》的基本理念。本研究借助數(shù)字化實(shí)驗(yàn)，從定性與定量?jī)蓚€(gè)角度對(duì)難溶物溶解平衡的存在、溶解平衡的特殊性以及溶解平衡的影響因素進(jìn)行探究，通過(guò)設(shè)置驅(qū)動(dòng)性問題與問題解決，實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的證據(jù)收集與推理，從而建立觀點(diǎn)、結(jié)論和證據(jù)之間的邏輯關(guān)系，促使深度學(xué)習(xí)的生成，讓素養(yǎng)教學(xué)落地生根，該研究可為“沉淀溶解平衡”單元教學(xué)設(shè)計(jì)提供參考。

2.高考評(píng)價(jià)體系將“引領(lǐng)教學(xué)”納入核心功能，實(shí)現(xiàn)“以考促教、以考促學(xué)”的目的，促進(jìn)立德樹人根本任務(wù)的落實(shí)。高考對(duì)教學(xué)有很大的引領(lǐng)作用。本試題通過(guò)大學(xué)教材才出現(xiàn)的“電導(dǎo)率”為因變量，探究熟悉物質(zhì)AgCl 的陌生性質(zhì)——溫度對(duì)AgCl溶解度的影響，開闊了教師的視野，同時(shí)也激發(fā)教師的研究欲望：為什么選擇難溶物AgCl 為溶解度隨溫度變化的研究對(duì)象？為什么選擇“電導(dǎo)率”為因變量？易溶鹽的溶解度測(cè)定一線教師較為熟悉，是通過(guò)結(jié)晶法，而難溶鹽溶解度因?yàn)椤昂苄　?，用常量結(jié)晶法是難以測(cè)出溶解度隨溫度的變化情況，更不用說(shuō)測(cè)其溶解度的具體值，因此需要靈敏度更高的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)才達(dá)到實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹１狙芯靠梢酝卣菇處煹恼J(rèn)知水平，增進(jìn)教師對(duì)“沉淀溶解平衡”單元知識(shí)的認(rèn)識(shí)與理解，促進(jìn)教師專業(yè)成長(zhǎng)，推動(dòng)教學(xué)的演化進(jìn)步。

參考文獻(xiàn)

[1] 周勇，李章文，李偉.電導(dǎo)法測(cè)定碘化鉛的溶度積[J]. 化學(xué)教育，2013，34（12）：74-75，80.

[2] 孟長(zhǎng)功.無(wú)機(jī)化學(xué)（第6版）[M]. 北京：高等教育出版社，2018.