先定性后定量 突破創新性離子平衡試題
——深挖2023年新課標卷第13題

賴亞樓

(湖南省益陽市第一中學)

《高考評價體系》要求試題具有創新性,而數據曲線型離子平衡問題的情境素材多變、信息載量大、呈現形式豐富并且具有很強的創新性,因此近年來該類試題成為高考試卷中的?？团c亮點。2023年新課標卷的離子平衡問題繼續以數據曲線的形式呈現。本文就如何利用試題中的證據信息,從變化與平衡的角度進行推理,對該類試題的突破展開闡述,以期為師生的復習備考提供參考。

一、真題分析

A.曲線Ⅰ可視為AgCl溶解度隨NH3濃度變化曲線

B.AgCl的溶度積常數Ksp=c(Ag+)·c(Cl-)=10-9.75

D.c(NH3)=0.01 mol·L-1時,溶液中c([Ag(NH3)2]+)>c([Ag(NH3)]+)>c(Ag+)

(一)試題分析

1.“四層”視域下的考查內容與命題意圖

表1

2.創新點分析

第一情境素材創新。用氨水溶解是去除AgCl沉淀的常用方法。試題通過數字化實驗,將AgCl沉淀溶于氨水過程中相關粒子濃度的變化情況繪制成數據曲線圖,巧妙地將這個常見的定性問題轉變為新穎的定量問題,創設出一個既親切又陌生的結構不良情境。

第二呈現形式創新。試題繪制的以lgc(NH3)為自變量,以lgc(Ag+)、lgc(Cl-)、lgc([Ag(NH3)]+)和lgc([Ag(NH3)2]+)為因變量的多曲線變化過程圖像中不但有起點、終點、交點和拐點,而且還出現了曲線重疊。

第三設問方式創新。如A選項不以曲線所代表何種變量這種常規問題進行設問,而是將數據曲線分析與溶解度的概念相結合進行設問,實現了學科內融合。

3.近三年試題對照分析

2021年及2022年全國乙卷和2023年新課標卷的離子平衡問題,都需要先通過定性分析得出基礎結論,繼而通過定量計算的方式解決。但是與前兩年相比2023年又有三點變化:其一情境素材更真實更具科學性;其二注重化學思維的考查避免了復雜的數據計算;其三考慮學生的作答感受,選項難度設置有梯度,不再層層設卡。

【真題呈現1】(2021年全國乙卷,13題)HA是一元弱酸,難溶鹽MA的飽和溶液中c(M+)隨c(H+)而變化,M+不發生水解。實驗發現,298 K時c2(M+)-c(H+)為線性關系,如圖中實線所示。下列敘述錯誤的是

( )

A.溶液pH=4時,c(M+)<3.0×10-4mol·L-1

B.MA的溶度積Ksp(MA)=5.0×10-8

C.溶液pH=7時,c(M+)+c(H+)=c(A-)+c(OH-)

D.HA的電離常數Ka(HA)≈2.0×10-4

【真題呈現2】(2022年全國乙卷,13題)常溫下,一元酸HA的Ka(HA)=1.0×10-3。在某體系中,H+與A-離子不能穿過隔膜,未電離的HA可自由穿過該膜(如圖所示)。設溶液中c總(HA)=c(HA)+c(A-),當達到平衡時,下列敘述正確的是

( )

A.溶液Ⅰ中c(H+)=c(OH-)+c(A-)

C.溶液Ⅰ和Ⅱ中的c(HA)不相等

D.溶液Ⅰ和Ⅱ中的c總(HA)之比為10-4

表2

(二)解題思路

離子平衡試題中的數據曲線圖是化學反應過程中各離子濃度關系與變化的直觀表示。因此先從化學反應本質上進行定性分析,后針對性地進行定量計算是解決數據曲線問題的一般方法。另外從題中所涉及的化學反應入手,分析化學反應過程中粒子的種類與濃度的變化情況,并結合平衡思想進行定性分析是解決問題的關鍵。

1.定性分析

2.定量計算

3.參考答案

A

(三)深挖真題再提問

如果在高考真題的基礎上進一步設問,不但有利于加深對解題模型的認知,而且有助于提升對相關必備知識的理解,構建完整知識體系。

【問題1】當c(NH3)=0.1 mol·L-1時,定量比較c(Cl-)和c([Ag(NH3)2]+)的大小。

【分析】若分析圖像,曲線圖中c(Cl-)和c([Ag(NH3)2]+)基本相等,難以進行比較。但借助物料守恒可以得出結論,c(Cl-)=c(Ag+)+c([Ag(NH3)]+)+c([Ag(NH3)2]+),故體系中恒有c(Cl-)>c([Ag(NH3)2]+)。當c(NH3)=0.1 mol·L-1時c(Cl-)-c([Ag(NH3)2]+)=(10-5.16+10-7.40) mol·L-1。

【問題3】若溶液體積為1 L,AgCl沉淀為0.1 mol,向其中滴加氨水,那么至少需要消耗多少mol的NH3才能將AgCl沉淀完全溶解(忽略氨水滴加過程中溶液體積的變化與NH3的揮發)。

二、原創變式

(一)試題呈現

( )

A.曲線Ⅲ表示HgCl2的分布分數隨Cl-濃度變化曲線

B.當c(Cl-)<10-3mol·L-1時Hg2+幾乎沒有與Cl-發生配合反應

(二)解題思路

1.定性分析

2.定量計算

3.參考答案

D

(三)命制思路

1.素材的選擇

以確保情境素材的科學性與真實性為原則,結合2023年高考真題包含多曲線變化過程圖和多重平衡體系以及結構不良等特點,本題選取了由高等教育出版社出版,武漢大學主編的分析化學(第四版)教材中關于絡合物平衡常數的內容作為情境素材。在對素材進行處理時舍去了原圖中lgc(Cl-)為-9至-5時對應Hg2+和HgCl+的分布分數曲線變化的部分,從而構造了一個信息呈現不完整,結構高度不良的創新情境,以便考查學生證據推理與模型認知的學科核心素養。

2.選項的設置

結合2023年高考真題避免復雜數據計算和選項難度具有梯度性的特點。本題A、B選項設計成定性問題,需要學生結合題中所給的文字和符號信息,讀懂雙縱坐標數據曲線圖,并從圖中提取和加工實驗數據進行分析推理,確定各曲線對應的物質微粒。C、D兩個選項需要在A選項的基礎上,進行關于化學平衡常數的簡單計算。但是D選項在高考真題的基礎上又有創新,傳統的取點計算無法求出平衡常數,而是需要學生找到能解決問題的數據區域進行定量計算。通過這個半定量的問題考查學生對可逆反應不能進行到底,以及平衡常數只與溫度有關等基本概念的理解水平與遷移能力,以期發展學生變化觀念與平衡思想的學科核心素養。

三、教學啟示

數據曲線圖能直觀呈現相關量的變化關系,因此繪制數據曲線圖是分析化學相關問題的重要手段。而對于離子平衡這種與數據有著緊密聯系的問題,各種圖像的出現就成為了必然,在高考中可謂是“無圖不成題”?；谏鲜銮闆r,在教學與備考過程中可以從以下4個方面突破離子平衡這一難點問題。

1.關注各種類型的圖像,帶領學生充分了解圖像中橫縱坐標的含義、曲線的斜率或趨勢、特殊點的含義以及輔助線的繪制方法等。

2.設計自主繪制圖像的開放性作業,加深學生對各種形式的圖像之間關系的理解。如要求學生根據提供的同一組數據繪制滴定過程中的微粒分布分數圖和微粒濃度變化圖。

3.定性分析是定量計算的前提,因此無論是何種圖像問題,均應遵循先定性分析后定量計算的思維邏輯。

4.重視學生計算能力的培養。解決定量問題不僅需要具備扎實的化學知識以及靈活運用的能力,而且還需要具備代數式的計算、對數運算和指數運算等數據處理能力。