沉淀溶解平衡創(chuàng)新實驗-教學設計

沉淀溶解平衡教學中的創(chuàng)新實驗馬其杰（安徽省五河縣第一中學233300）【實驗背景分析】2017年版課程標準要求學生具備“宏觀辨識與微觀探析、變化觀念與平衡思想、證據推理與模型認知、科學探究與創(chuàng)新意識、科學態(tài)度與社會責任”共五項化學學科核心素養(yǎng)［1］。教師對于學生學科核心素養(yǎng)的發(fā)展應當進行整體設計，使之在不同的教學主題下既可以對某一素養(yǎng)進行不同水平的發(fā)展，也要考慮不同的素養(yǎng)在某一教學主題下進行均衡的發(fā)展。因此教師在進行教學設計的時候應當進行整體的單元設計，使之在不同的教學主題下對素養(yǎng)的發(fā)展各有側重。沉淀溶解平衡是化學平衡內容的重要載體，是化學平衡、電離平衡、水解平衡之后的又一平衡理論，是對平衡體系的拓展延伸和豐富完善，可以提高學生知識結構化水平。在進行該內容的教學時，通過設置合理的教學環(huán)節(jié)，可以提升學生在更高水平上收集證據、分析證據、基于證據進行推理的能力。沉淀溶解平衡是對平衡理論的完善，但難溶電解質的溶解平衡又不同于其他水溶液中的平衡問題，需要學生在運用已有的認知模型的基礎上，進一步在定量水平上收集證據、分析證據，并構建難溶電解質沉淀溶解平衡的概念，發(fā)展證據推理與模型認知的學科核心素養(yǎng)。證據推理與模型認知必須建立在完整的收集證據———證據推理———建立模型———完善模型———應用模型———新證據……情境基礎上［2］，而對真實情境的分析，需要學生通過情境發(fā)現(xiàn)并提出問題。教師通過設置合理的教學環(huán)節(jié)，將問題分解為不同的活動任務，這些活動任務之間彼此關聯(lián)，環(huán)環(huán)相扣［3］。學生在解決問題的過程中，通過對相關證據的收集、對所得證據的邏輯推理、對已有模型的完善，從而完成沉淀溶解平衡的符號表征和實驗證實，最終實現(xiàn)相關概念的建構在教學情境設置上，通過觀察和分析pH計手持技術所生成的圖像，運用已有的化學平衡的模型，探究氫氧化鎂可以處理酸性廢水的原因;通過宏觀聯(lián)系微觀，初步建構難溶電解質沉淀溶解平衡的概念;通過分組實驗和分析手持pH計的演示實驗所得數據，從定量角度進行合理的證據推理，探究難溶的氫氧化鎂能夠調節(jié)印染廢水pH的原因，并進一步完善難溶電解質沉淀溶解平衡移動的認知模型;通過探究氫氧化鎂能除去酸性廢水中的重金屬離子的原理，進一步運用沉淀溶解和生成的認知模型，理解沉淀轉化的基本過程。其相關教學思路分析如圖1所示。圖1“沉淀溶解平衡”單元主要教學任務及活動在本單元教學設計中，借助氫氧化鎂可以處理廢水中的氫離子和重金屬銅離子的真實情景，呈現(xiàn)沉淀溶解平衡的發(fā)現(xiàn)、平衡移動規(guī)律的探究、溶解平衡的模型的再應用等相關知識。教學中多次利用傳統(tǒng)實驗和數字化實驗驗證猜想，引導學生從定性和定量相結合的角度進行分析推理，促進學生基于證據進行深度學習，突破學生對于難點的認識，這里僅以探究氫氧化鎂處理酸性廢水為何可以保持廢水pH在10左右的實驗為例展開說明?！緦嶒灩δ芘c價值】探究沉淀溶解平衡的移動是魯科版教材選擇性必修一第三章第三節(jié)《沉淀溶解平衡》的重要內容，通過探究平衡的移動學生能夠認識到難溶電解質沉淀溶解平衡是化學平衡的一個具體實例，其內在規(guī)律依然可以用平衡移動原理解釋，可以幫助學生鞏固和強化平衡觀念。在本課例中，通過探究酸性廢水經氫氧化鎂處理后，其pH能否進一步保持在10左右，進一步建立沉淀溶解平衡移動的認知模型。通過猜想預測、理論分析、實驗驗證、分析解釋并得出結論等環(huán)節(jié)，培養(yǎng)了學生觀察、描述、分析、歸納總結實驗的能力，發(fā)展了學生科學探究與創(chuàng)新意識、證據推理與模型認知、變化觀念與平衡思想等核心素養(yǎng)。學生初步學會從宏觀現(xiàn)象→化學符號→微觀探析→曲線表征的“四重表征”思維方式，又感性認識上升到理性認識。通過手持技術的介入，進一步在定量水平上發(fā)展沉淀溶解平衡的認知模型。【實驗原理及操作】實驗藥品：Mg(OH)2固體、蒸餾水、酚酞試劑、Mg(OH)2懸濁液的上層清液、稀硫酸。實驗儀器：pH傳感器、數據采集器、磁力攪拌器、磁粒子、計算機、燒杯、試管、一次性塑料滴管、藥匙。圖2數字化實驗裝置示意圖實驗步驟：（1）向盛有蒸餾水的試管中加入1藥匙氫氧化鎂粉末充分振蕩溶解，滴加4滴酚酞溶液。滴加5滴稀硫酸，振蕩，靜置。觀察記錄現(xiàn)象（2）按圖組裝實驗儀器，固定pH傳感器并于數據采集器、計算機相連。向盛有蒸餾水的燒杯中加入1藥匙氫氧化鎂粉末充分攪拌，滴加5滴稀硫酸，點擊數據采集按鈕，待數據穩(wěn)定后，再滴加5滴稀硫酸，觀察現(xiàn)象，實驗結束后，點擊“停止”按鈕。實驗現(xiàn)象與解釋：（1）現(xiàn)象是滴加酚酞后溶液變?yōu)榧t色，加酸后紅色變淺，振蕩后溶液恢復紅色，但顏色比沒有加如酸之前顏色淺。說明氫氧化鎂存在溶解平衡，加入酸平衡向著溶解的方向移動，顏色比剛才淺說明堿性比起始弱，原因是體系溫度不變，Ksp[Mg(OH)2]不變，溶解產生的鎂離子使溶液中c(Mg2+)濃度增大，c(OH-)濃度變小。（2）現(xiàn)象是pH先不變、加酸后pH先減小后增大、一段時間后保持不變。再次向氫氧化鎂懸濁液中滴加少量稀硫酸以后，pH再次下降后增大。pH曲線平臺與第一次滴加稀硫酸達到的平臺基本一致。原因是向氫氧化鎂懸濁液中加入少許稀硫酸以后，H+中和溶液中的OH-，導致溶液中OH-濃度急劇下降，溶液pH急劇下降。后來由于溶液中OH-的濃度下降，使得氫氧化鎂固體的溶解平衡正向移動，直到在新的條件下建立起一個新的平衡。在這個過程中，由于溫度不變，氫氧化鎂的溶度積Ksp不變，新條件下由于溶液中Mg2+的濃度上升，所以OH-的濃度較之前有所下降，這樣就出現(xiàn)了pH曲線平臺由10向9移動的趨勢。再次向氫氧化鎂懸濁液中滴加少量稀硫酸以后，由于H+消耗了溶液中的OH-，使得pH曲線急劇下降。后來氫氧化鎂在新條件下再次建立起溶解平衡。pH曲線平臺與第一次滴加稀硫酸達到的平臺基本一致的原因是氫氧化鎂在溶液pH為9時能夠形成緩沖溶液。圖3模擬Mg(OH)2處理酸性廢水現(xiàn)象圖4模擬Mg(OH)2處理酸性廢水的pH變化圖【實驗實施過程實錄】問題1：經過前面的探究，我們已經知道氫氧化鎂水溶液本身具有弱堿性（pH為10左右），那么它處理酸性廢水后溶液還能保持弱堿性嗎（pH為6-9左右符合國家排放標準）？活動1：模擬Mg(OH)2處理酸性廢水過程。表1模擬Mg(OH)2處理酸性廢水的實驗步驟學生實驗模擬Mg(OH)2處理酸性廢水過程向氫氧化鎂懸濁液+酚酞的試管中滴加少許稀硫酸，振蕩，觀察現(xiàn)象。實驗現(xiàn)象：如圖3所示，向氫氧化鎂懸濁液中滴加幾滴酚酞，再加少許稀硫酸，振蕩后紅色褪去。靜置一段時間后又變成了紅色，但這次的紅色較之前淺了一些。實驗結論：溶液的堿性較之前有所減弱。評價1：診斷學生實驗驗證能力以及分析問題、解決問題的能力。（設計意圖：通過直觀的實驗現(xiàn)象，建立氫氧化鎂進入酸性廢水中體系pH有所下降的概念，為后續(xù)探究做好鋪墊。）問題2：如何從微觀角度認識氫氧化鎂處理酸性廢水過程？活動2：小組討論，得出規(guī)律。學生總結：廢水中的H+與OH-反應生成水，使OH-的濃度降低，使Q＜Ksp[Mg(OH)2]，Mg(OH)2沉淀溶解平衡向沉淀溶解的方向移動。圖5氫氧化鎂處理酸性廢水的微觀原理圖評價2：評價學生能否從定量的視角，使用沉淀溶解平衡模型分析沉淀的溶解，診斷學生能否正確使用化學用語說明反應的原理。（設計意圖在定性分析的基礎上，通過應用Q和Ksp的關系分析實際問題，分析沉淀溶解的微觀過程和原理，從而幫助學生形成定性、定量結合的雙重視角認識平衡的溶解，形成判斷平衡移動方向的方法和策略。此外，考察學生能否運用化學用語進行正確的表達，提升學生符號表征的意識）問題3：通過探究氫氧化鎂處理后的廢水依然呈現(xiàn)堿性，能否保持pH為9左右？活動3：定量探究氫氧化鎂處理后的廢水的pH表2檢測Mg(OH)2處理酸性廢水后pH的數字化實驗數字化實驗檢測模擬Mg(OH)2處理酸性廢水后溶液的pH連接裝置，向氫氧化鎂懸濁液中滴加少許稀硫酸，觀察pH曲線變化情況。實驗現(xiàn)象：如圖4所示，氫氧化鎂懸濁液中滴加少許稀硫酸以后，pH曲線急劇下降后又逐漸上升，最后維持在pH約為9附近。實驗結論：向氫氧化鎂懸濁液中加入少許稀硫酸以后，H+中和溶液中的OH-，導致溶液中OH-濃度急劇下降，溶液pH急劇下降。后來由于溶液中OH-的濃度下降，使得氫氧化鎂固體的溶解平衡正向移動，直到在新的條件下建立起一個新的平衡。在這個過程中，由于溫度不變，氫氧化鎂的溶度積Ksp不變，新條件下由于溶液中Mg2+的濃度上升，所以OH-的濃度較之前有所下降，這樣就出現(xiàn)了pH曲線平臺由10向9移動的趨勢。即難溶的氫氧化鎂能夠使酸性廢水呈弱堿性（pH約為9）評價9：診斷學生宏微結合的探究能力以及數據分析能力。（設計意圖：通過實驗驗證，使學生了解到氫氧化鎂可以通過溶解平衡的移動使酸性廢水保持在弱堿性（pH約為9），體會到化學對于“碧水實現(xiàn)”的重要貢獻，發(fā)展了學生對化學學科價值的認知水平。）問題4：水體在存放過程中如果再次被酸化污染，氫氧化鎂粉末的存在還能否保持水體的這種弱堿性？活動4：向上述氫氧化鎂懸濁液中再次滴加少許稀硫酸，觀察溶液pH曲線的變化情況。實驗現(xiàn)象：如圖4所示,再次向氫氧化鎂懸濁液中滴加少量稀硫酸以后，由于H+消耗了溶液中的OH-，使得pH曲線急劇下降。后來氫氧化鎂在新條件下再次建立起溶解平衡。而我們發(fā)現(xiàn)pH曲線平臺與第一次滴加稀硫酸達到的平臺基本一致。實驗結論：在水體存放過程中，若再次被酸化，氫氧化鎂粉末的存在是能夠繼續(xù)保持水體的弱堿性（pH約為9）的。同時猜測氫氧化鎂粉末的存在能夠長時間保持酸性廢水的弱堿性。評價10：根據學生交流討論情況，評價學生對化學平衡移動原理的掌握程度，診斷學生利用平衡移動原理解決實際問題的能力。問題5：氫氧化鎂粉末的存在是如何長時間保持酸性廢水這種弱堿性的？活動5：學習相關資料、組內討論。①緩沖溶液：由弱酸及其鹽、弱堿及其鹽組成的混合溶液，能在一定程度上抵消、減輕外加酸、堿對溶液酸堿度的影響，從而保持溶液的pH相對穩(wěn)定。②氫氧化鎂在溶液pH為9時能夠形成緩沖溶液。結論：由于氫氧化鎂在溶液pH為9時能夠形成緩沖溶液，所以可以在較長時間里保持酸性廢水這種弱堿性（pH約為9）?？偨Y歸納：難溶的氫氧化鎂能夠長時間使酸性廢水呈弱堿性（pH約為9）評價：對學生學習能力進行評價。（設計意圖：進一步完善學生對于氫氧化鎂粉末能夠長時間保持酸性廢水弱堿性的認知進階。）【實驗評價與反思】基于真實情境的教學設計，有利于學科價值的體現(xiàn)學生的學習緊緊圍繞“難溶的氫氧化鎂為何能處理酸性廢水，并能使處理后的廢水維持堿性(pH=10)”和“氫氧化鎂為何能去除重金屬離子”兩大任務展開，而這些任務都是工業(yè)生產中的真實情境。學生通過問題的解決感受到化學學習和現(xiàn)實生活生產的緊密聯(lián)系，自然而然地內化知識，進一步體現(xiàn)化學學習更高層次的價值追求，這也應當是發(fā)展學生化學學科核心素養(yǎng)的應有之義。基于定量角度的證據收集，有利于更高水平的學科素養(yǎng)的發(fā)展手持技術在高中課堂的引入，有利于學生從定量的角度進行證據的收集，將定性的現(xiàn)象數據化，將抽象的推理過程具象化，能深化學生對于概念的理解。將定性的現(xiàn)象和定量的分析聯(lián)系起來有利于嚴謹的科學思維的養(yǎng)成，也有利于學生形成結構化的知識。傳統(tǒng)實驗與數字化實驗相融合，符合學生的認知規(guī)律［4］數字化實驗具有傳統(tǒng)實驗不具備的優(yōu)點，傳統(tǒng)實驗不易覺察的細節(jié)，都會在數字化實驗中反映出來。但采用數字化實驗，也有傳統(tǒng)實驗不存在的缺點，如對培養(yǎng)學生的動手能力、觀察能力沒有傳統(tǒng)實驗好，同時數字化實驗儀器非常精確，裝置整