“盒子模型”在高中化学电离、水解平衡中的应用

2019-02-19 12:03王琼
新课程·中学 2019年12期
关键词:模型认知核心素养

王琼

摘 要:基于“核心素养”中“模型认知”的要求,在电离、水解平衡教学中,以“盒子模型”作为教学辅助手段,帮助学生分析和解决问题,了解模型在化学教学中存在的意义和重要性。

关键词:核心素养;模型认知;电离平衡;水解平衡;盒子模型

一、研究背景

高中化学教学过程中,经常会碰到一些抽象的概念和理论以及一些看不见、摸不着的电子、离子、原子、分子等微粒。而这些都需要教师通过各种教学方法和手段展现在学生面前,让学生一点一点地认识、理解、掌握。其中有一些方法和手段已经非常成熟并发展成为日常教学中不可或缺的教具,如球棍模型、比例模型就能很好地帮助学生理解分子的组成情况、成键方式和空间构型,比起教师复杂的语言描述要显得更加直观、更有说服力。如果在教学过程中找到更多具体、直观的模型来帮助学生对所学知识进行分析和理解,必定能使学生更快速、更有效、更轻松地掌握相关内容。2016年9月,“中国学生发展核心素养”正式发布。其中“模型认知”一词的提出,不仅肯定了模型教学在化学教学中存在的意义,同时也是在向学生传达模型学习的重要性,更是对我们一线教师在教学过程中对模型的运用提出了更高的要求。同时,模型认知本就源自科学研究,是学习的重要工具,也是人们认识事物的重要方法。如果能将模型认知与教学有效地结合起来,必将更有利于学生化学学科核心素养的形成。

二、研究意义

笔者在教学过程中发现,学生在学习弱电解质电离平衡及盐类水解平衡时,对电离或水解程度不同的溶液中各种微粒的浓度大小、pH、与金属反应时产生氢气的速率、产生氢气的总量、中和酸或碱的能力等问题,理解起来比较困难。笔者以前常选用语言描述加方程式辅助的方法进行解释,因学生理解能力不同,理解起来效果好坏不定,也试过用列表的形式逐一进行分析,但又比较费时,也有部分教师选择用K值或电离度代入进行计算,最终用数字来说明问题。这当然是有效的方法之一,但平衡常数、电离度的计算,相对繁琐,容易让学生产生畏难情绪。因此,笔者自创了一种“盒子模型”,建立模型比较快捷,在教学过程中运用,能将抽象的问题展现在具体的图形中,更直观,能让学生一目了然。

三、模型建立及应用

“盒子模型”可分为“电离盒子”和“水解盒子”两种,虽然两种模型中各部分代表的含义不同,但本质上还是相互关联、相辅相成的,模型一旦建立,即可融会贯通。

1.“电离盒子”模型建立

强弱电解质电离盒子模型建立:以盐酸和醋酸为例

模型A为物质的量浓度相同的盐酸和醋酸,其中“盒子整体”部分代表总酸浓度;“斜杠”部分代表已电离的部分,可以代表氢离子浓度,因为两者均为一元酸,也可以代表阴离子浓度。因盐酸完全电离,则氢离子浓度即为酸的浓度,“斜杠”部分与“盒子整体”重合。“横线”部分代表未电离的部分,醋酸溶液中“横线”部分代表未电离的醋酸分子浓度。醋酸溶液部分电离,且电离是少数的,因此大致表示出“斜杠”部分小于“横线”部分即可。模型B为pH相同的盐酸和醋酸溶液,各部分含义不变。当题目中信息出现等体积时,两类模型中各部分还可以代表相应微粒的物质的量。

2.“电离盒子”模型应用

应用1:分析强弱电解质中的离子浓度关系。

【例1】现有①盐酸②醋酸溶液,请根据要求填空

(1)浓度相同的盐酸和醋酸,其pH的关系为____,稀释10倍后,pH关系为_____;

(2)pH相同的盐酸和醋酸,物质的量浓度关系为____,稀释10倍后,pH关系为___。

【解析】(1)由模型A可得,酸的浓度相同时,盐酸“斜杠”部分大于醋酸的“斜杠”部分,则溶液中c(H+):①>②,则pH:①<②;稀释过程中,两溶液中氢离子浓度均减小,但醋酸电离度增大,即醋酸模型中隔板右移,但遵循可逆反应的特点,醋酸溶液中仍存在醋酸分子,则醋酸模型的“斜杠”部分只能无限接近盐酸中氢离子的“斜杠”部分,稀释10倍后,溶液中c(H+):①>②,pH:①<②,但两者的差距在缩小。(2)由模型B可得,两溶液pH相同时,醋酸的“盒子整体”大于盐酸的“盒子整体”,即酸的浓度:①<②;一旦开始稀释,醋酸电离度增大,即醋酸模型中隔板右移,两溶液中氢离子浓度减小的同时,醋酸中的氢离子浓度将超越盐酸中氢离子浓度,因此,稀释10倍后,pH关系为:①>②。

应用2:“电离盒子”不仅可用于强弱电解质间的分析,也可用于弱电解质之间的分析。

【例2】根据《化学反应原理》课本P67表格3-4中所给Ka数据,按要求填空:

(1)同体积同浓度的上述酸溶液,pH大小_______,溶液导电能力大小_________,与足量金属镁反应,开始时反应速率_________,产生氢气的标况下体积大小_________,与氢氧化钠溶液中和时,消耗氢氧化钠的物质的量______________。

(2)同pH同体积的上述酸溶液,酸的浓度大小____,溶液导电能力大小_________,与足量金属镁反应,开始时反应速率_________,产生氢气的标况下体积大小_________,与氢氧化钠溶液中和时,消耗氢氧化钠的物质的量______________。

【解析】根據表格中Ka数据,粗略建立模型,各部分含义不变:(1)A组模型由“斜杠”部分可得:酸的浓度相同时,溶液中c(H+)关系为:①>②>③>④,则pH①<②<③<④,溶液导电能力,与足量金属镁反应,开始时反应速率均为:①>②>③>④;体积相同,模型还可以表示物质的量的关系,在与金属镁及氢氧化钠溶液反应时,随着氢离子的消耗,各酸电离程度增大,即模型中隔板右移,直至酸全部消耗,与金属镁反应产生氢气的体积以及中和时消耗氢氧化钠的物质的量均可以用“盒子整体”部分表示,即①=②=③=④。(2)B组模型中由“盒子整体”部分可得:pH相同时,酸的浓度关系为:①<②<③<④,由“斜杠”部分可得溶液中氢离子浓度相同,则导电能力、与金属镁反应,开始时反应速率也相同;体积相同,由“盒子整体”部分可得,产生氢气体积及消耗氢氧化钠的物质的量关系为:①<②<③<④。

应用3:在遇到二元强酸,如硫酸时,可以将“电离盒子”稍作变形,只需用加粗方框表示硫酸浓度,其余含义不变,即可得到硫酸的电离盒子。

【例3】现有相同体积的三种溶液:①硫酸溶液②盐酸③醋酸溶液,请根据要求填空:

(1)浓度相同时,pH大小____,与足量金属镁反应,产生氢气的物质的量大小_____。

(2)pH相同时,酸的浓度大小____,中和时消耗氢氧化钠的物质的量大小______。

【解析】

该组酸溶液在建模时应注意,硫酸电离的氢离子浓度应为硫酸浓度的两倍。(1)当酸溶液浓度相同时,由“斜杠”部分可得,溶液中氢离子浓度大小为①>②>③,pH关系为①<②<③,与足量金属镁反应,产生氢气的物质的量,仍为模型中“盒子整体”部分,由模型可得:①=2×②=2×③。(2)当pH相同时,硫酸浓度应为“加粗方框”部分,因此可得酸的浓度关系为2×①=②<③,中和消耗氢氧化钠的物质的量仍为“盒子整体”部分,即①=②<③。

3.“水解盒子”模型建立

碰到盐类水解问题时,“电离盒子”模型也可转变为“水解盒子”模型。根据表格3-4中Ka数据及盐类水解中“越弱越水解”的规律,将酸溶液转化为相应盐溶液,可建立“水解盒子”模型如下:

模型中“盒子整体”代表盐溶液浓度,“斜杠”部分代表已水解的部分,可以表示水解得到的氢离子或氢氧根离子浓度,“横线”代表未水解的部分。A组模型表示浓度相同的四种盐溶液,由“斜杠”部分可得,水解得到的c(OH-)大小:氰化钠>醋酸钠>次氯酸钠>氟化钠,即同浓度时碱性大小为:氰化钠>醋酸钠>次氯酸钠>氟化钠。B组模型表示pH相同的四种盐溶液,由“盒子整体”可得,四种盐溶液的浓度大小:氰化钠<醋酸钠<次氯酸钠<氟化钠。

4.“盒子模型”综合应用

当题目中同时出现电离和水解问题时,还可以将“电离盒子”和“水解盒子”放在一起分析,让看似复杂的问题一目了然。

【例4】:试分析pH相等的盐酸和氯化铵溶液中,c(Cl-)大小关系__________。

【解析】由题意可建立模型如右图:

一元酸电离时,阴离子浓度与氢离子浓度相同,则盐酸模型中c(Cl-)=c(H+)为“斜杠”部分;氯化铵模型中,c(Cl-)=c(NH4Cl)即为“盒子整体”部分,显而易见,氯化铵中的c(Cl-)更大。

四、研究结果

经过笔者在平行班级中比较,“盒子模型”能明显缩短学生分析电离、水解平衡问题的时间,提高解题的正确率。同时该模型也能帮助教师在课堂教学过程中,更快速、更直观地分析问题,达到事半功倍。当然这只是笔者在实际教学过程中对“盒子模型”在电离、水解平衡教学过程中的初步尝试,其中还存在不够成熟、不够严谨的地方,且仍带有一定的局限性。但模型教学是一种非常好的教学手段,只要我们找到了合适的模型,那么它不仅能成为跨越微观世界和宏观世界知识的桥梁,也能成为学生遨游在原理知识海洋中的航船。我们应勇于尝试,主动寻找和建立隐藏在教学内容中的模型,提高学生对模型的认知水平和应用能力,为培养学生的核心素养做出贡献。

参考文献:

[1]王德勝.化学方法论[M].浙江教育出版社,2007:128-134.

[2]王彤,王秋,姚志强.化学教学中的模型方法及其应用[J].化学教育,2001(10):18-20.

[3]张克龙.建模思想在高三化学复习中的应用[J]. 中学化学教学参考,2005(4):33-35.

[4]邹正.新课程九年级化学教师手册[M].南京大学出版社,2012:220-230.

编辑 高 琼

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