認知沖突螺旋上升

1、 認知沖突 螺旋上升從平衡角度再認識碳酸氫鈉溶液施小萍 于江浙江省桐廬中學 杭州地區(qū) 311500【摘 要】溶液中的平衡是相互影響的，從電離平衡和水解平衡的角度再認識碳酸氫鈉溶液，得到三個與原有認知沖突的結(jié)論，并通過設(shè)置認知沖突，展開課堂教學，消除二輪復(fù)習中的盲點和疑點?！娟P(guān)鍵詞】 電離平衡 水解平衡 碳酸氫鈉溶液 認知沖突 課堂教學 “等濃度的NaHCO3溶液pH大于等濃度的 CH3COONa溶液”這一觀點在中學化學中似乎已經(jīng)成為定論，但我們在實驗中發(fā)現(xiàn)并非如此。我們經(jīng)探究得出了三個有悖于原有認知的結(jié)論：等濃度的NaHCO3溶液pH小于等濃度的 CH3COONa溶液NaHCO3溶液中CO32

2、-、OH-離子濃度大小關(guān)系：c(CO32-)c(OH-)常溫下0.1mol/LNaHCO3溶液與等體積等濃度的BaCl2溶液混合會生成BaCO3沉淀。我們通過設(shè)置有關(guān)這三個結(jié)論的認知沖突，展開課堂教學，消除學習過程中的盲點，構(gòu)建新的認知。1等濃度的NaHCO3溶液和CH3COONa溶液pH大小問題11問題發(fā)現(xiàn) 2015年浙江某地區(qū)高三二模考試中呈現(xiàn)了如下這組數(shù)據(jù)：已知在常溫下測得如下6種0.1mol/L溶液的PH(見下表) 這組數(shù)據(jù)可謂是一石激起千層浪。而有關(guān)等濃度的NaHCO3溶液和CH3COONa溶液pH比較的問題，在各地模擬考以及高考試題中均有涉及。我們懷著尊重科學，尊重客觀事實的態(tài)度對

3、這一問題進行了深入研究。溶質(zhì)NaHCO3CH3COONaNa2CO3NaClONaCNPH8.38.811.610.311.11.2質(zhì)疑階段帶著疑問我們查閱了很多資料，結(jié)果發(fā)現(xiàn)高中階段的教輔資料，像學生常用的5年高考 3年模擬步步高等資料中顯示的都是等濃度的NaHCO3溶液pH大于等濃度的 CH3COONa溶液，更有資料中將上述表格中8.3和8.8兩個數(shù)據(jù)交換了位置，顯然認為上表中的數(shù)據(jù)是錯誤的。而檢索中國知網(wǎng)發(fā)現(xiàn)中學化學的常見核心期刊化學教學中學化學教學參考，有論文認為等濃度的NaHCO3溶液pH小于等濃度的 CH3COONa溶液1?？傊f法不一而同。1.3實驗探究事實是檢驗真理的唯一的標準

4、，而化學實驗的現(xiàn)象便是化學學科獨有的事實，我們決定發(fā)揮化學實驗的強大功能，展開科學探究，用數(shù)據(jù)說話。我們用pH計分別測定0.1mol/LNaHCO3溶液、0.1mol/LCH3COONa溶液的PH值，經(jīng)多次測量顯示0.1mol/LNaHCO3溶液pH=8.28，0.1mol/L CH3COONa溶液pH=8.96。由此可見眾多中學教輔資料上的數(shù)據(jù)是錯誤的。1.4理論分析碳酸氫鈉溶液中存在的平衡：H2O H+ +OH- K=1.010-14HCO3- H+ +CO32- K=5.610-11HCO3- +H2O OH- +H2CO3 K=2.310-8原先認為等濃度的NaHCO3溶液pH大于等濃

5、度的 CH3COONa溶液，是做這樣的分析而得出：CH3COOH的酸性強于H2CO3，所以CH3COONa的水解程度小于NaHCO3的水解程度，等濃度的鹽溶液水解程度大的，溶液堿性越強。而實際上受HCO3-電離的影響，電離產(chǎn)生的H+中和了水解產(chǎn)生的OH-,使OH-離子濃度減小，pH減弱，因此等濃度的NaHCO3溶液pH小于等濃度的 CH3COONa溶液。由此可見HCO3-的電離和水解是相互影響，相互促進的，只考慮電離或者水解都是不夠全面、不夠嚴謹?shù)摹?. NaHCO3溶液中離子濃度大小問題在中學化學常見的碳酸氫鈉溶液中離子濃度大小關(guān)系排序是：c(Na+)c(HCO3-)c(OH-)c(H+)c

6、(CO32-)。這種結(jié)論出現(xiàn)的原因還是認為NaHCO3溶液中HCO3-水解是最主要的平衡，水解產(chǎn)生的c(OH-)相對較大，而忽略了HCO3-電離帶來的影響。實際上電離產(chǎn)生的H+中和了水解產(chǎn)生的OH-，使平衡、平衡正向移動，HCO3-的電離和水解程度都增大。用方程疊加的方法處理方程可得下列新方程，并經(jīng)計算得出方程的平衡常數(shù)：HCO3- + HCO3- CO32-+ H2CO3 K= K. K/ K= 1.310-4 從平衡常數(shù)可以看出式HCO3-的自偶電離是碳酸氫鈉溶液中進行程度最大的反應(yīng)，根據(jù)濃度相等時，進行程度越大，所得離子濃度越大的原則，推導(dǎo)得出結(jié)論，碳酸氫鈉溶液中離子濃度大小關(guān)系是：c(

7、Na+)c(HCO3-)c(CO32-) c(OH-)c(H+)關(guān)于NaHCO3溶液中c(CO32-)c(OH-)這一新的結(jié)論，我們也用數(shù)據(jù)計算的方法得到了證實。下圖是碳酸氫鈉在不同pH環(huán)境下它們不同形態(tài)的粒子的組成百分率圖像：由圖可知，Ka2=c(CO32-)c(H+)/c(HCO3-)=10-10.25,當pH=8.25時溶液中 c(HCO3-)/ c(CO32-)=100。0.1mol/LNaHCO3溶液中，c(HCO3-)0.1mol/L，則 c(CO32-)=10-3 mol/L, c(OH-)=10-5.75 mol/L，從數(shù)據(jù)計算的角度再一次說明NaHCO3溶液中的確是c(CO3

8、2-)c(OH-)。3. 0.1mol/LNaHCO3溶液中滴加等濃度BaCl2溶液能否產(chǎn)生沉淀問題經(jīng)上述計算得出：0.1mol/LNaHCO3溶液中， c(CO32-)=10-3 mol/L，這相當于濃度稍微小一點的碳酸鈉溶液中的CO32-的濃度，那么往0.1mol/LNaHCO3溶液滴加BaCl2溶液，能否生成沉淀呢？我們做了如下實驗：0.1molL-1BaCl2溶液與0.1molL-1NaHCO3溶液等體積混合，先有少量白色沉淀，無氣泡，久置沉淀量變多，并有少量氣泡產(chǎn)生。0.1mol/LNaHCO3溶液中c(CO32-)=10-3 mol/L，加入等體積等濃度BaCl2溶液，Qc= c(

9、CO32-)c(Ba2+)=0.510-30.05=2.510-5, ksp(BaCO3)=2.5810-9 ，Qc大于ksp(BaCO3)，能產(chǎn)生沉淀。由于CO32-、Ba2+的濃度都較小，所以一開始沉淀的量也較少。隨著CO32-濃度的減小，自偶電離平衡正向移動，不斷生成沉淀，溶液中H2CO3濃度增大，最終能觀察到少量氣泡。反應(yīng)的離子方程式為：Ba2+2 HCO3-= BaCO3+ H2CO3。經(jīng)計算可得該離子反應(yīng)的平衡常數(shù)：由此可見的確存在產(chǎn)生沉淀的可能性。4有關(guān)碳酸氫鈉溶液研究結(jié)果在課堂教學中的應(yīng)用教學研究最終是為實際的課堂教學服務(wù)的，應(yīng)該對課堂教學有裨益。這三個結(jié)論也是學生在長期的學習

10、過程中形成的思維定勢，我們以此為切入點，通過設(shè)計符合學生認知規(guī)律的教學環(huán)節(jié)，將這一研究成果應(yīng)用于課堂教學，并在2016年市級高考化學復(fù)習研討會活動中做了公開展示，在高三二輪復(fù)習中如何消除學生的思維定勢，突破教學中的盲點和疑點等方面起了示范引領(lǐng)的作用?，F(xiàn)將課堂教學過程摘要如下：環(huán)節(jié)一：神奇功效的“蘇打水”【情境創(chuàng)設(shè)】投影蘇打水、蘇打片的商標，顯示成分為碳酸氫鈉【設(shè)計說明】從生活實際引入話題：從平衡角度再認識碳酸氫鈉溶液。蘇打的成分是碳酸鈉，為什么商標顯示的是碳酸氫鈉，這究竟是生活中的習慣性錯誤，還是另有玄機，利用第一次認知沖突激起學生的學習興趣。 環(huán)節(jié)二：知識重現(xiàn) 碳酸氫鈉溶液有關(guān)知識的判斷【提

11、供素材】1.已知Ka(CH3COOH)=1.810-5 Ka1(H2CO3)=4.310-7 Ka2(H2CO3)=5.610-112.問題一:常溫下，濃度均為0.1mol/L的NaHCO3與CH3COONa溶液pH誰大？ 請說明判斷理由。常溫下，0.1mol/LNaHCO3溶液中離子濃度大小順序，請說明判斷理由。判斷常溫下0.1mol/LNaHCO3溶液與等體積等濃度的BaCl2溶液混合會不會生成BaCO3沉淀？若不能說明理由，若能請寫出離子方程式。3 演示實驗：用pH計測定0.1mol/LNaHCO3溶液、CH3COONa溶液的 pH【活動設(shè)計】 教師活動 學生活動復(fù)習回顧：碳酸氫鈉性質(zhì)的

12、復(fù)習完成3個復(fù)習問題實驗探究：測定碳酸氫鈉醋酸鈉溶液的pH觀察演示實驗，驗證預(yù)測得出結(jié)論：碳酸氫鈉溶液中的平衡互相影響，電離與水解存在相互促進作用得出碳酸氫鈉溶液中碳酸氫根離子相互反應(yīng)程度大的結(jié)論討論交流，分析碳酸氫鈉溶液pH小于預(yù)期的可能原因?！驹O(shè)計說明】有關(guān)碳酸氫鈉溶液的性質(zhì)的這三個問題對學生來講是輕車熟路的，很快得出結(jié)論，當然學生的結(jié)論幾乎全軍覆沒。PH值測量數(shù)據(jù)和學生原有認知產(chǎn)生第二次沖突，在這種“認知失衡”中，學生會有保持認知平衡的傾向，主動分析出可能是忽略了HCO3-的電離問題，找到問題的關(guān)鍵所在。實驗的設(shè)置方面由于PH計測量溶液的PH值時，數(shù)據(jù)穩(wěn)定需要比較長的時間，不利于課堂演示

13、，因此事先錄制成視頻，課堂內(nèi)播放。環(huán)節(jié)三：知識疑惑與矛盾 根據(jù)平衡發(fā)生程度比較碳酸氫鈉溶液中離子濃度【提供素材】1.碳酸氫鈉溶液中存在的平衡：H2O H+ +OH- K=1.010-14 HCO3- H+ +CO32- K=5.610-11 HCO3- +H2O OH- +H2CO3 K=2.310-82.實驗演示：25 0.1molL-1BaCl2溶液與0.1molL-1NaHCO3溶液等體積混合，產(chǎn)生白色渾濁?！净顒釉O(shè)計】 教師活動 學生活動問題情境2：碳酸氫鈉和氯化鋇會不會反應(yīng)生成沉淀總結(jié)比較：得出和以前不一樣的離子濃度大小關(guān)系，產(chǎn)生疑惑問題情境1：由碳酸氫鈉溶液中存在的平衡比較離子濃度

14、大小觀察實驗，描述現(xiàn)象，產(chǎn)生新的疑惑問題情境3：碳酸氫鈉和氯化鋇反應(yīng)的離子方程式及平衡常數(shù)大小寫出離子方程式，通過平衡常數(shù)的計算，確定該反應(yīng)的程度較大【設(shè)計說明】有了環(huán)節(jié)二中等濃度的碳酸氫鈉溶液pH小于醋酸鈉溶液的原因分析只有，只要稍加引導(dǎo)，學生便能自行得出HCO3- + HCO3- CO32-+ H2CO3 K= 1.310-4 ，從而明確碳酸氫鈉溶液中離子濃度大小問題，這是和學生原有認知的第三次沖突。第三次認知沖突的解決也是水到渠成的事情，符合學生的螺旋式上升的認知規(guī)律。既然平衡的相互影響促使CO32-的增大，那么有沒有可能和氯化鋇溶液反應(yīng)產(chǎn)生沉淀也是自然會有的聯(lián)想。實驗的結(jié)果和學生原有的

15、認識產(chǎn)生第四次沖突。這一認知沖突在問題情境3的平衡常數(shù)的計算時得到理論上的解釋。學生呈現(xiàn)的錯誤的離子方程有：CO32-+Ba2+ =BaCO32HCO3- +Ba2+ =BaCO3+H2O+CO2HCO3- +Ba2+ =BaCO3+H+這充分暴露了學生的思維上存在的遺漏：沒有考慮溶液中實際大量存在的離子參加反應(yīng)實驗過程中沒有看到明顯的氣泡強酸制備弱酸的基本原則。問題情境3很好的鞏固了離子方程式書寫的基本原則，落實了基礎(chǔ)知識。環(huán)節(jié)四：學以致用 利用圖像練習題總結(jié)本節(jié)課的三個問題?！咎峁┧夭摹刻妓釟溻c溶液中不同PH環(huán)境下，不同粒子組成百分率圖像【活動設(shè)計】 教師活動 學生活動根據(jù)圖像，從交點找到

16、碳酸的ka1、ka2問題1：求pH=8.25時，c(HCO3-)/c(CO32-)的比值問題2：若c(HCO3-)近似等于0.1mol/L，估算c(CO32-)的大小由pH=10.25的焦點找到比值關(guān)系，得出濃度比值為100由c(HCO3-)=0.1 molL-1，得出c(CO32-)=10-3 molL-1，再一次驗證離子濃度大小關(guān)系【設(shè)計說明】利用圖像練習題總結(jié)本節(jié)課的三個問題，落實平衡常數(shù)的計算等基礎(chǔ)知識，同時從計算所得數(shù)據(jù)上直觀認識碳酸氫鈉溶液中離子濃度大小關(guān)系，強化了本節(jié)課得出的三個新的結(jié)論：之前的認識現(xiàn)在的認識等物質(zhì)的量濃度的pH：NaHCO3CH3COONa等物質(zhì)的量濃度的pH：

17、NaHCO3CH3COONa0.1mol/LNaHCO3溶液中離子濃度：c(Na+)c(HCO3-)c(OH-)c(H+)c(CO32-)0.1mol/LNaHCO3溶液中離子濃度：c(Na+)c(HCO3-)c(CO32-) c(OH-)c(H+)0.1mol/LNaHCO3與BaCl2等體積混合不會生成沉淀0.1mol/LNaHCO3與BaCl2等體積混合會生成沉淀環(huán)節(jié)五：本節(jié)課的疑惑和收獲【設(shè)計說明】由于這節(jié)課所得的結(jié)論和學生原有的認知是完全相反的，學生不免有這樣的疑慮：考試怎么辦？我們的原則是：實事求是，尊重科學，尊重客觀事實，相信高考題也是不會有科學性問題的。給學生一顆定心丸，解除學

18、生的疑慮。5總結(jié)與反思5.1研究過程我們經(jīng)歷了：發(fā)現(xiàn)問題問題質(zhì)疑查閱資料實驗測定理論分析數(shù)據(jù)分析得到結(jié)論等一系列過程，以實驗現(xiàn)象為依據(jù)，以理論分析為推手，將問題層層深入，符合科學探究的一般過程。 在研究過程中，我們的最初設(shè)想是通過實驗的方法直接測定碳酸氫鈉溶液中碳酸根離子的濃度，但是由于現(xiàn)有設(shè)備的限制，沒有直接用于測定碳酸根離子濃度的傳感器等手持技術(shù)，因此未能直接測得數(shù)據(jù)，而是間接采用數(shù)據(jù)計算理論推導(dǎo)的方式來解決論題。我們研究過程中所用溶液均采用0.1mol/L，主要是考慮課堂演示實驗有比較明顯的現(xiàn)象。而實際上由于NaHCO3溶液本身是緩沖溶液，隨著溶液濃度的變化，溶液pH變化幅度NaHCO3溶液要小于CH3COONa溶液，這一問題我們未展開更深入的研究2。5.2教學過程本節(jié)課課堂教學設(shè)計緊緊圍繞學生原有三個錯誤認知展開，通過五個環(huán)節(jié)的活動，兩個實驗的探究，六個問題的解決，理論聯(lián)系實際，消除學生的思維定勢。同時讓學生體驗了科學探究的過程，學習了科學研究