盛源 陳進前

摘要：基于對2022年浙江省1月份高考化學第20題的分析，以“水合過程”為例，從教學角度反思當前關于電解質溶解過程的教學和評價中存在的問題。結合新課標和新教材，提出了高中化學教學中運用“水合過程”發展學生化學學科核心素養的一些具體做法。

關鍵詞：水合作用；高考試題；真實情景；化學模型

文章編號：1008-0546（2023）10-0055-03

中圖分類號：G632.41

文獻標識碼：B

doi： 10.3969/j .issn.1008-0546.2023.10.012

一、高考原題

【試題】（浙江省2022年1月高考化學20題）AB型強電解質在水中的溶解（可視作特殊的化學反應）表示為AB（s）=A n+（aq）+Bn-（aq），其焓變和熵變分別為△H和△5。對于不同組成的AB型強電解質，下列說法正確的是

A．△H和△S均大于零

B．△H和△S均小于零

C．△H可能大于零或小于零，△S大于零

D．△H和△S均可能大于零或小于零

根據浙江省教育考試院提供的參考答案，該題正確答案為D。

二、試題分析

試題圍繞離子型化合物溶于水過程中焓和熵的變化設計。從學生的角度來看：離子化合物溶于水有吸熱也有放熱過程，因此可以排除A、B選項；同時物質由固態變成離子狀態，物質的總物質的量增大，體系一定熵增，因此會錯選C。

實際上我們可以將強電解質溶于水的過程分解成電離和水合兩個過程，即（狀態i表示離子狀態，狀態aq表示水合離子狀態）：

學生對焓的變化相對熟悉。電離過程中會破壞化學鍵（離子鍵或共價鍵），該過程需要吸收熱量，因此△Hi>0；而在水合過程中，由于陽離子可以和水通過配位鍵和靜電作用結合，形成了水合離子，該過程會釋放能量，因此△H2<0。因此溶解過程總的焓變由兩個過程共同決定，即△H=△H1+△H2。當形成水合離子時釋放的能量大于破壞化學鍵時需要的能量，即△H1+△H2<0時，電解質溶于水會放熱；反之，電解質溶于水會吸熱。一般水平的學生對物質溶于水有吸熱的情況也有放熱的情況比較熟悉，因此即使不清楚水合過程的作用，也不會影響學生對焓變的判斷。

電質溶于水過程中焓變可能大于零、也可能小于零，實際上電解質溶于水過程中的熵變情況也與焓變情況有相似之處。對于電離過程，物質從有序的晶體狀態變成相對無序的離子狀態，是熵增的，即△Si>0；而在水合過程中，由于陰陽離子會形成水合離子，例如：金屬陽離子的空軌道會和水分子中的氧原子孤對電子形成配位鍵從而形成水合陽離子，這個水合離子的周圍還可以再通過靜電作用圍繞一層水分子，[1]而陰離子和水分子通常會形成靜電引力或氫鍵作用從而形成水合陰離子。形成水合離子后，水分子在離子周圍的排列更加有序，因此整體體系（陰陽離子和水分子）的混亂度降低，該過程是熵減的，即△S2<0。因此和焓變類似，溶解過程中的熵變也由電離過程和水合過程共同決定，既可以熵增也可以熵減。學生對水合過程不熟悉，往往會忽略掉這一過程，導致認為溶解過程中的熵變僅由電離過程決定，即認為溶解過程一定是熵增過程。

水合過程是影響電解質溶解性的一個重要因素。由于電離過程是一個△Hi>0，△Si>0的過程，該過程一般在高溫下才能自發進行。從焓變的角度來看，水合過程中會釋放大量的熱，使得溶解過程中焓變減小，減小到接近零甚至小于零，是有利于溶解過程的。從熵變角度看，水合過程的熵減小，是不利于溶解過程的。對于一般的溶解過程來說，焓變所占的權重較大，熵變的權重較小，因此通常情況下，水合過程是有利于強電解質溶于水的。

浙江高考命題者以化學學科核心素養為導向，準確把握素養、情境、問題和知識等4個要素在命題中的定位與相互聯系。20題以教材上的素材為情景，精準把握了學生對強電解質溶解過程理解上的缺陷，考察了學生對基本概念的認知與深度理解。

三、教學反思

由于水合過程會對電解質溶解過程中的焓變和熵變產生影響，可以用于解釋和解決中學化學范圍內一些具體問題，目前來看要提醒廣大同行的給予重視。

1．判斷強電解質溶解度大小

我們用卡普斯欽斯基（ Kapustinskii）方程計算出的品格能來代替電離過程的能量變化，[2]即假設溶解過程為：

式中k= 1.202x105 kJ．pm/mol；Ⅳ為化學式中正負離子總數；Z，Z為正負離子電荷；r為正負離子半徑之和（單位pm），對于簡單離子采用6配位時的香農（Shannon）半徑，對于復雜離子采用熱化學半徑[2]；p為軟度參數（排斥參數），取34.5 pm。

通過計算我們發現（表1，表2），盡管FeS04和CuS04的品格能比CaS04大，但溶解度并沒有變小，反而增大（300C時，CaS04.FeS04、CuS04的溶解度分別為0.002mol/100g. 0.17mol/100g. 0.24mol/100g）。由于Fe2+、CU2+和水分子可以通過配位和靜電作用形成水合離子，因此水合能較大；而一般情況下，Ca2+只能通過靜電作用水分子形成水合離子，因而水合能較小。FeS04.CuSO4通過形成水合離子抵消了品格能增大的不利因素，因此相比于CaS04溶解度增大。

MSO4（c）=M2+（aq）+SO42' （aq） △H△S△G（式中c代表晶體狀態）

從熱力學上看（表3），由于FeSO4.CuSO4和水分子結合的能力更強，因此溶解過程中會釋放出更多的熱，但是熵也會減小更多。綜合焓和熵的影響，FeSO4、CuSO4溶于水的過程吉布斯自由能是小于零的。而CaSO4和水結合能力較弱，因此溶于水過程中焓和熵的變化都小于FeSO4.CuSO4，導致吉布斯自由能大于零，溶解度較小。

結論：離子水合過程的強弱會影響強電解質的溶解度。

2．解釋溶解、結晶過程中的實驗現象

在配制某些電解質溶液過程中，如果將水倒入到裝有固體粉末的燒杯中，我們會發現有結晶水合物生成，結晶水合物溶于水的速度較慢。查閱相關物質的熱力學資料（表4）后發現，生成結晶水合物的過程，熱力學上是十分有利的。以Na2CO3為例，1 mol Na2CO3溶于水形成溶液僅放出26.7kJ的能量，而從Na2C03形成Na2CO3·10H2O則可以放出92.32 kJ的能量。從吉布斯自由能來看，形成結晶水合物的吉布斯自由能（一12.4 kj/mol）小于溶解過程（一7.2 kj/mol）。

生成結晶水合物的實驗現象可以從熱力學、動力學等角度進行分析。從熱力學角度看：一方面，焓變有利于結晶水合物的生成；另一方面，由于在溶解前已經形成了部分水合離子，因此在溶解的過程中，水合的作用被削弱了，不利于溶解。從動力學上看：第一步形成結晶水合物是放熱過程，第二步繼續溶解是吸熱過程，很可能第二步的活化能較大，因此反應的速率較小，可以觀察到中間產物（結晶水合物）的生成。

另外，在鹽類的結晶過程中，往往容易析出結晶水合物（例如FeSO4-7H2O.Fe（NH4）2（SO4）2-6H2O等），就是因為該過程放熱更多，能量上更穩定。

結論：由于結晶水合物在熱力學上更穩定，因此在電解質溶解和析出時都可以生成結晶水合物。

3．解釋二價銅離子的穩定性

金屬銅的價電子排布為3d104sl，根據結構分析，其穩定的價態應該為+1價。但是在初高中階段，學生對+2價的銅離子更加熟悉，這是因為CU2+在水溶液中比較穩定，而在高溫固體中，Cu+比較穩定。查閱離子水合能[1]的相關數據，CU2+和水形成的水合離子的過程中釋放的熱量比Cu+水合離子釋放的熱量高了1540.28 kj/mol，這幾乎可以彌補Cu+失去電子所需要的能量，因此在溶液中CU2+比Cu+穩定。而在固體中，沒有水合作用，因此Cu+較穩定。Ag的第一第二電離能和Cu的相近，但是由于其半徑大，比Cu更軟。導致Ag2+和較硬的水配位時不如CU2+，Ag2+離子的水合能比CU2+的小，不能很好地彌補電離時所需的能量，因此Ag2+離子在水中不能穩定存在。

結論：離子的水合過程可以影響物質穩定的化合價。

目前，高考試題是高中化學教師研究的一個重點，在各種模擬考試的命題過程中又會特別關注前一年的高考試卷中出現的難點和亮點，以此為基礎進行更多的拓展和挖掘，在高三復習教學會專門針對這些試題傳授相關的解題技巧和應試策略。但是，這種教學偏向只會導致學生機械性地重復刷題，無助于提高學生的化學學科核心素養。與新課教學一樣，高三化學復習教學中教師也應該在增進化學學科理解的基礎上，抽提化學學科本原性問題，促進學生形成和發展化學學科認識方式，提升化學學科思維，掌握化學學科方法。[5]在課堂教學中，要結合具體的教學內容幫助學生建構化學認識模型，提升運用化學認識模型分析和解決實際問題的能力。[6]一線教師要更新知識觀、學習觀和教學觀，少用題海戰術，提高站位，切實以“立德樹人”為教育總目標，以化學學科核心素養落地為課堂教學目標，來設計和實施化學學科教學。

參考文獻

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[2]Weller Overton．無機化學[M]．北京：高等教育出版社，2018：103

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[4] N.A.Lange. Lange's Handbook of chemistry [M]. NYC： Mc-Graw-Hill， 2004： 1-237

[5] 陳進前．關于”化學學科理解”的思考[J]．課程·教材·教法，2022，（1）：121-127

[6] 陳進前，理解“模型認知”素養的不同視角[J]．課程教材教法，2020 （4）：124-129．