整合教材內容 聯系高考試題 促進深度學習
——以“相似相溶規律的復習”為例

劉德忠

(昆明市第一中學，云南 昆明 650031)

深度學習是學生對核心課程知識的深度理解，以及在真實的問題和情境中應用這種理解的能力。比格斯和柯利斯基于皮亞杰的認知發展理論，把學生對于某個問題的學習程度劃分為五級水平：前結構層次、單點結構層次、多點結構層次、關聯結構層次和拓展抽象結構層次，并認為后三級水平是深度學習的結果[1]。整合教材內容，融會貫通前后知識，重新歸類和組合，使零散的知識變得有序，實現知識的系統性、綜合性和應用性，即從學習結果看，實現多點結構層次、關聯結構層次和拓展抽象結構層次。本文以“相似相溶”規律的復習為例，說明如何“整合教材內容，聯系高考試題，促進深度學習”。

1 人教版教材中與溶解性相關內容

利用表格，梳理人教版九年級初中化學、高中化學必修和選擇性必修教材中與溶解性相關的內容，如表1所示。

表1 人教版教材中與溶解性相關內容

2 回歸教材，深度學習物質溶解于水的微觀解釋

“必修1”解釋電解質的電離，依據“異種電荷相互吸引”，從微觀的角度也解釋了NaCl固體溶解于水的過程。將NaCl固體加入水中時，水分子中帶部分負電荷的氧原子一端吸引Na+，帶部分正電荷的氫原子一端吸引Cl-，在水分子的作用下，Na+和Cl-脫離NaCl固體的表面，進入水中，形成能夠自由移動的水合鈉離子和水合氯離子，如圖1所示。

圖1 NaCl固體在水中的溶解和形成水合離子示意圖

與NaCl固體溶解于水的過程相類似，任何物質的溶解必定伴隨著溶劑化，即溶質分子或離子通過靜電作用、氫鍵、范德華引力，甚至配位鍵，與溶劑分子作用產生溶劑化的粒子，促進溶解過程[2]。例如，白色固體CuSO4溶解于水，溶液呈藍色，是因為Cu2+被水溶劑化生成了水合離子[Cu(H2O)4]2+；CuCl2溶于水呈藍綠色，是因為溶劑化過程生成了[Cu(H2O)4]2+(藍色)和[CuCl4]2-(黃色)。

3 整理“相似相溶”規律的五大應用，促進深度學習

3.1 判斷常見物質的溶解性

3.1.1 根據分子的極性判斷

H2、N2、O2、CH4、C2H4、C2H6、CCl4、苯等是非極性分子，水是極性溶劑，根據“相似相溶”，它們都難溶于水。

HF、HCl、HBr、HI等是極性分子，水是極性溶劑，根據“相似相溶”，它們都極易溶于水。

已知白磷和硫是非極性分子，由此可推知二者都難溶于水，易溶于CS2。在實際工作中，常用CS2溶解白磷和硫。

已知NaCl、NaOH、KNO3等離子化合物有強極性，由此可推知它們易溶于水，不易溶于苯等有機溶劑。

3.1.2 根據分子結構的相似性判斷

C2H5OH與H—OH任意比互溶，可理解為一個“C2H5—”取代水中的一個“H”，都含有“—OH”，結構相似，所以相溶。類似物質還有CH3OH和CH2OHCHOHCH2OH等。同時，因為“C2H5—”的存在，所以乙醇能溶解有機物。

苯酚與溴水反應生成白色沉淀，取適量的苯酚稀溶液，滴入過量的濃溴水。原因是若苯酚過量，根據“相似相溶”的規律，產物2，4，6—三溴苯酚將溶于苯酚中而不會出現明顯的沉淀，不利于觀察實驗現象。

3.1.3 因溶質與水發生化學反應，溶解性增強

1)CO2、Cl2是非極性分子，但它們都能溶于水，原因是它們與水發生化學反應，可增大溶解度。例如，Cl2溶于水，溶劑化作用使部分Cl—Cl斷裂，帶部分負電荷的Clδ-結合H2O中帶部分正電荷的Hδ+，形成 H—Cl，帶部分正電荷的Clδ+結合H2O中帶部分負電荷的HOδ-形成H—O—Cl。由于新生成的O—Cl不容易斷裂，溶劑化作用則演變成化學反應[3]。

2)SO2是極性分子，且SO2能與水反應，所以SO2易溶于水。

3.1.4 溶質分子與水分子之間形成氫鍵，溶解性增強

NH3是極性分子，NH3能與水反應，且NH3與H2O分子間能形成氫鍵，所以NH3極易溶于水。

3.1.5 疏水基團和親水基團共同影響有機物的溶解性

醇羥基、醛基、羧基和磺酸基等為親水基團，而烴基、碳鹵鍵、硝基和酯基等為疏水基團。

1)甲醇、甲酸、乙酸、乙醛、丙酮、乙二醇和丙三醇等以親水基團影響為主，它們易溶于水；由于都為有機物，它們又易溶于乙醇。

2)在烴的含氧衍生物中，烴基中碳原子數越多，烴基的疏水性影響越大，含氧衍生物的溶解度越小。例如，醇在水中的溶解度一般隨分子中碳原子數的增加而降低；又如，一元羧酸在水中的溶解度一般隨分子中碳原子數的增加而迅速減小，甚至不溶于水。

3)烷基磺酸鈉、十八酸鈉和十八烯酸鈉等表面活性劑，它們都同時含有親水基團和疏水基團，親水基團溶于水，而疏水基團包裹油漬，在搓洗下，油漬轉移到水中而去污。

當然“相似相溶”僅為經驗規律，不能解決所有的溶解問題。例如，溴乙烷、溴苯、硝基苯、乙酸乙酯等雖為極性分子，但溴乙烷和溴苯不溶于水，硝基苯幾乎不溶于水，乙酸乙酯微溶于水；又如，NH4VO3為銨鹽，卻微溶于冷水，NaBiO3為鈉鹽，卻不溶于冷水。

3.2 依據“相似相溶”規律，增大物質的溶解度

3.2.1 改變溶劑，增大溶解度

1)因為酚酞幾乎不溶于水，而溶于乙醇，所以常用酚酞溶液的配制為：先將 1 g 酚酞溶于 60 mL 乙醇中，再用水稀釋至 100 mL。

2)溶解鈉、鋁和金等金屬，可選用汞做溶劑(廣義的“相似相溶”)。

毛刷實驗：把鋁放入Hg(NO3)2溶液中，Hg(NO3)2可穿透致密氧化鋁保護膜，與鋁發生置換反應，生成液態金屬汞。鋁與汞形成“鋁汞齊”(鋁汞齊就是鋁和汞形成的溶液)。由于鋁汞齊的存在使鋁片表面不易形成致密的氧化膜，生成的“白毛”(氧化鋁)越來越多。

3.2.2 通過化學反應，改變溶質，增大溶解度

1)2019年全國Ⅲ卷第28題：實驗室通過水楊酸進行乙酰化制備阿司匹林，實驗過程將所得乙酰水楊酸結晶粗品加入到飽和碳酸氫鈉溶液中，其目的是生成可溶的乙酰水楊酸鈉，以便過濾除去難溶雜質。

2)2020年全國II卷第27題：實驗室可通過甲苯氧化制苯甲酸，當回流液不再出現油珠即可判斷反應已完成，理由是不溶于水的甲苯已經完全被氧化。

3)分離苯酚和苯的混合物。苯酚和苯兩種物質互溶而形成混合物。二者的分離不能用濃溴水，因為2，4，6—三溴苯酚也溶于苯。二者的分離可用燒堿溶液。苯酚與燒堿溶液反應生成苯酚鈉，苯酚鈉溶于水，且苯不與燒堿反應，也不溶于水，則兩者分層。由于苯的密度比水小，在溶液的上層，分液，上層液體即得苯，下層液體即苯酚鈉溶液，向其中通入足量二氧化碳氣體，生成苯酚。

3.2.3 I2難溶于水，如何增大碘水溶液的濃度

1)因為碘易溶于乙醇，乙醇與水互溶，所以可將碘溶于乙醇，再加水稀釋，制得濃度較大的碘水。

3.3 依據“不相似不相溶”規律，減小物質溶解度

3.3.1 鹽析

根據“相似相溶”的規律：無機鹽溶解增加了水溶液的極性，使溶液中大部分自由水轉變為離子化水，使有機物與水分子作用降低，故降低了有機物在水相中的溶解度，從而使有機物從溶液中析出。常見實驗有：

1)使用飽和Na2CO3溶液接收乙酸乙酯制備實驗中的有機蒸發液，其作用是吸收乙酸，溶解乙醇，降低乙酸乙酯在水中的溶解度，利于乙酸乙酯分層析出。

2)向蛋白質溶液中加入某些濃的無機鹽[如(NH4)2SO4、Na2SO4等]溶液后，可以使蛋白質凝聚而從溶液中析出。

3.3.2 晶體的洗滌

“不相似不相溶”的規律還被廣泛應用于過濾后晶體的洗滌。如2021年全國甲卷第27題：某小組用工業廢銅制備膽礬。由于濾出的CuSO4·5H2O晶體易溶于水，難溶于乙醇，故必須使用乙醇洗滌除去雜質，既減少晶體的溶解損耗，又利于晶體快速干燥。

3.4 “相似相溶”規律的重要應用——萃取

萃取是利用待分離組分在兩種不互溶的溶劑中的溶解性不同，將其從一種溶劑轉移到另一種溶劑的過程。萃取能夠發生的原因是溶質在萃取劑中的溶解度比在原溶劑中大，且萃取劑與原溶劑互不相溶。中學階段萃取的常見類型如表2。

表2 常見萃取劑及其應用范圍[4]

3.4.1 萃取有機物

有機物在有機溶劑中的溶解度，一般比在水中的溶解度大，所以可用有機萃取劑將它們從水溶液中萃取出來。從表2可看出，也存在用無機試劑從有機混合物中萃取分離出目標有機物的情況。

3.4.2 萃取金屬離子

金屬離子亦可被萃取至有機相，已知磷酸三丁酯能將Ce3+從水溶液中萃取出來(2013年安徽卷)，8-羥基喹啉被廣泛用作金屬離子的絡合劑和萃取劑(2018年北京卷)。

3.4.3 萃取H2O2

2016年全國Ⅱ卷第36題：常采用蒽醌法生產雙氧水。

①蒽醌法制備H2O2配制工作液時采用有機溶劑而不采用水的原因是乙基蒽醌(乙基氫蒽醌)不溶于水，易溶于有機溶劑。

②萃取塔中的萃取劑是水，選擇其作萃取劑的原因是H2O2溶于水被水萃取，乙基蒽醌不溶于水。

另外還應特別關注兩個問題：

第一，萃取時正確判斷水相和有機相是十分重要的。當萃取分層難以判斷時，為了弄清楚哪一層是水溶液，可任取其中一層的少量液體置于試管中，并滴加少量水，若分為兩層，說明該液體為有機相。若加水后不分層，則是水溶液。

第二，深度思考反萃取原理。反萃取是將溶質從有機相轉入水相的過程。反萃取一般與平衡移動有關。舉例如下：

①萃取過程亦可發生相關化學反應。

②調節溶液酸堿性，平衡移動，發生反萃取。如以低品位含釩金屬共生礦制備V2O5的工藝流程，見圖3，該礦中含有V2O3、VO2、SiO2、FeS2、Al2O3。

圖3 以低品位含釩金屬共生礦制備V2O5的工藝流程

3.5 “相似相溶”規律與自制肥皂

教材中自制肥皂的實驗，能多角度幫助學生理解并應用“相似相溶”規律，高三復習，有必要再學習。①反應物中加入乙醇的原因：NaOH溶液溶于乙醇，且植物油也溶于乙醇，則植物油與NaOH溶液融為均一的液體，提高油脂的皂化反應速率。②皂化反應是否完全的判斷方法：用玻璃棒蘸取水解溶液，點在水面上，若沒有漂浮的油花，則皂化反應完全。③向皂化液中加入飽和食鹽水的原因：溶液的極性增強，高級脂肪酸鈉的溶解度減小，發生鹽析效應，所以會析出大量固體。

4 繪制“相似相溶”規律應用的思維導圖，促進深度學習

“相似相溶”規律應用的思維導圖見圖4。

圖4 “相似相溶”規律應用的思維導圖

5 結語

物質的溶解性與溶劑的種類有關，與是否形成氫鍵有關，還與是否發生反應等有關。“相似相溶”是一個經驗規律，“極性相似”和“結構相似”是由經驗形成的流行語。物質的溶解性繁瑣零碎，充滿“個性”，但“相似相溶”規律能幫助理解大量溶解性的問題。筆者認為，深度學習就是基于理解的學習，基于整合的學習，基于情境的學習。深度學習就是理解了“相似相溶”，幫助我們解決與溶解性相關的一系列實驗問題的學習。有意義的學習需要整合新舊知識，形成系統的知識體系。單個知識點，學生容易忘記，且難以理解。只有將知識點置于情境中，整合于體系中，學生才容易接受，觸發深度學習。本文復習模型簡化為：分析教材→整合教材→應用拓展→繪制思維導圖。