基于证据推理的“弱电解质的电离平衡”教学

徐惠

摘要：以“弱电解质的电离平衡”教学为例，创设分析某未知酸的实际情境，设计层层深入的“证据一推理一结论”探究环节，引导学生在分析证据的基础上进行推理，体会“宏观实验现象、实验数据、实验图线、理论证据以及文献资料等多重证据与结论之间的关系，形成基于证据进行推理的理性思维。在实践教学中取得理想教学效果。

关键词：弱电解质;电离平衡;证据推理

文章编号：1008-0546（2020）08-0056-04

中图分类号：C632.41

文献标识码：B

doi： 10.3969/j .issn.1008-0546.2020.08.016

“证据推理与模型认知”是《高中化学课程标准（2017年版）》所规定的5个化学学科核心素养之一，旨在培养学生的“证据意识，建立观点、结论和证据之间的逻辑关系”，“揭示现象的本质和规律”的能力[1]。一线课堂教学中教师常在元素化合物等容易进行实验探究的教学内容中进行基于“证据推理”的教学，而在化学原理的教学内容中，這种基于证据推理的教学却常有缺失。诸如“化学平衡”“电离平衡”等原理较为抽象，学生的理解常有困难，如何在原理的教学中设计出基于“证据一推理一结论”的教学值得一线教师不断尝试，本文介绍笔者在“弱电解质电离平衡”教学中的一些尝试。

一、复习旧知，创设问题情境

【引入】教师直接提出该节课研究电解质，提问什么是电解质？电解质主要包含哪些物质？学生回忆高一所学知识“电解质是熔融状态或水溶液状态下能导电的化合物”“常见电解质包括酸、碱、盐等”。教师提出酸碱盐都是电解质，桌上有两瓶酸，一瓶是0.1mol/L的盐酸，一瓶是0.1mol/L的未知酸HX，它们会有怎样的差异呢？

【活动】组织学生进行第一项体验活动：“分别取10mL 0.1mol/L盐酸溶液，0.1mol/L未知酸HX溶液，同时往其中加入过量打磨过的镁条观察现象。”引导学生观察实验现象，思考现象背后可能的原因。学生观察出盐酸与镁条反应快，放出气泡多，HX反应慢。实验活动使得学生通过宏观实验现象初步感受电解质不同种类的差异。

【过渡】教师进而引导学生根据宏观现象进行分析思考推理，该反应速率和微观哪种离子浓度有关？学生提出现象不同与H+浓度不同有关，教师追问为什么H+浓度会不同？教师进而分析H+浓度差异体现出两种酸电离出H+能力差异，引导学生接受根据电离出离子浓度不同可将电解质分为强弱电解质。在以上分析基础上提出问题：上述实验中两种酸电离出H+浓度差异究竟有多大？强弱电解质的本质差异究竟是什么？创设研究弱电解质的问题情境。

设计意图：从宏观实验现象进行推理分析，从宏观到微观的视角，着力于学生宏微结合思想的养成。

二、数据探究，理解电离平衡

【讲解】教师提问溶液中H+浓度没法直接测定，可如何间接测量？在学生回答基础上指出表征溶液酸碱性最直接的可测量数据为pH，并补充pH计算公式为pH=-1gc（ H+）。

【实验】引导学生进行实验探究活动：利用便携式pH计分别测量1mol/L、0.1mol/L盐酸溶液和1mol/L、0.1mol/L未知酸HX溶液，同时计算机程序快速计算出两溶液中H+浓度，如下表所示：

【分析】基于实验数据证据，引导学生思考这些数据说明了什么？学生通过分析可以看出盐酸中H+浓度与盐酸浓度相同，HCl几乎百分百完全电离，未知酸HX电离出的H+浓度很小，其电离程度很小。教师适时引入电离度（a）的概念，为“已电离的电解质的浓度/电解质的初始浓度”，进而讲述根据电离是否完全可将电解质分为强弱电解质，电离程度的差异是强弱电解质的本质差异。

【追问】既然弱电解质的电离程度是小于100%的，那么应该如何用化学语言表征强弱电解质的电离？分别以盐酸和未知弱酸HX为例。学生基于上述分析结果可以写出HCl与HX的电离方程式分别为HCl = H++Cl-、HX=H++X-。强调=代表HX电离过程是同时具有电离过程和分子化过程。并结合HX的电离讨论HX的电离过程中速率图线如图1：

【小结】分析两种酸电离程度的差异也不难发现，在强弱电解质中存在的粒子种类也存在着差异。教师板书总结如下：

【追问】在弱酸HX的溶液里因为电离平衡的存在，同时存在电解质的分子和离子，对不同浓度的弱酸HX的溶液进行测量，有表2所示数据： 分析上述数据，还可以发现什么？ 【分析】在教师引导下逐步分析，发现上述不同浓度HX溶液中c（HT）=c（X-），c（X-）+c（HX）=c（初始），教师肯定学生的发现，指出c（X-）+c（HX）=c（初始）为弱电解质体系中的物料守恒，并引导学生深入发现数据背后更深层次的定量关系。最终师生共同挖掘发现，在上述三种浓度的溶液里 （ ）数据相等都

约为1.8x10^-5，进而引出平衡常数K的概念，指出弱电解质的电离存在限度。在分析K的表达式的基础上，学生同时可以得出结论，K数值越大，弱电解质的电离能力越大，K数值可以帮助判断弱电解质的相对强弱，也可以帮助判断弱电解质的具体的类别。

教师同时呈现出教材中几种常见弱酸的电离常数，学生可以发现，之前所研究的弱酸HX实际为醋酸。

设计意图：此部分内容的教学，通过数据证据的充分发掘，层层递进地推演弱电解质电离平衡的存在，使得学生对弱电解质的电离特点有着定量化的理解。

三、深入探究，分析平衡移动

【过渡】弱电解质电离到达平衡时是平衡到达了一定限度，这种限度能否被打破呢？或者电离平衡能否发生移动？哪些因素可以影响电离的平衡？

【分析】学生结合化学平衡的影响因素，可以分析出仅“浓度”和“温度”两因素可以影响弱电解质的电离平衡，那么哪些浓度可以影响弱电解质的电离平衡？以醋酸的电离为例：

CH3COOH F=CH3COO-+H+，从醋酸的电离方程不难发现，醋酸浓度可以影响醋酸的电离的电离平衡，那如何分析得知醋酸浓度增大如何影响该电离平衡？教师再次呈现出表1的数据，CH3COOH浓度从0.1mol/L到Imol/L，学生通过数据分析比较可以得出如下结论，醋酸平衡体系中，加入醋酸，平衡向右移动，醋酸电离度减小，溶液中c（CH3COO-）、c（H+）浓度均减小。

设计意图：此处依旧是数据证据呈现，但却可以给醋酸电离平衡移动以最直接的体现，且该数据来自于本节课真实的实验，令人信服，多重角度分析实验证据，进行全面的解读也是对证据最大的尊重。

【过渡】从电离方程来看，改变氢离子的浓度也可以对醋酸的电离平衡产生影响，如何通过实验证明？介绍指示剂一般为有机酸或者有机碱，如溴甲酚绿是一种有机弱酸（HIn）型酸碱指示剂，其电离方程如下：

HIn=H++ In-

（黄色） （蓝色）

【演示实验】往呈蓝绿色的溴甲酚绿溶液中，滴加盐酸，溶液变为黄色，再往呈黄色的溶液中滴加NaOH，溶液又呈现蓝色。

【师生共同分析】溶液中c（H+）增加平衡左移，主要为分子化的过程，溶液中c（OH-）增大，平衡右移，弱電解质电离更为显著。

设计意图：利用鲜明的可视化实验现象将微观过程呈现，通过清晰的实验证据，推理结论，强化学生的认识。

【追问】还有哪些方式可以改变醋酸体系中的c（H+）？

【学生讨论】还可以在醋酸体系中加入活泼金属或能与醋酸反应的弱酸盐。

【回顾】一开始我们做过酸与金属镁的反应，回到最初的那个实验，再次观察看看有哪些发现？

【学生观察】盐酸与镁条反应体系，反应几乎停止;醋酸体系中镁条仍然在与醋酸作用，但两反应的气球大小已经渐渐接近。

【分析】弱电解质电离平衡可以不断移动，并最终将弱电解质不断消耗完毕。

【提问】能否根据预测在一张图上横坐标为时间，纵坐标为气体体积画出O.lmol/L HCl和O.lmol/LCH3COOH分别和过量镁条反应放出氢气的情况。

【教师展示】实际情况难以测定气体体积，我们在同体积密闭容器中测定了同浓度盐酸和醋酸分别与金属镁反应时体系内压强变化如图2。

设计意图：从宏观现象进行推理，并再通过数字实验进行验证，不仅强化了学生对于强弱电解质在反应中的表现差异，理解电离平衡移动的结果，也更从思想上重视证据呈现的多重表征形式。

【教师】改变体系中的浓度，还可以稀释溶液，稀释的过程电离平衡又该如何移动？分析的方法不仅可以是实验的还可以是理论的。

【学生分析】可以通过计算稀释瞬间Q。与K的相对大小来判断

【教师】利用表2数据结合理论进一步强化学生分析结果，指出理论分析一样是获得证据进行推理的重要途径。

设计意图：实验现象和实验数据都属于直接的证据，而应用理论证据进行推理在科学论证时也同样重要，在教学中有意彰显这一点也是有利的。

【教师追问】如何证明c（CH3COO-）浓度对醋酸电离平衡的影响？

【学生】往醋酸体系加入醋酸钠

【教师】引导学生思考醋酸钠是碱性的，应选用醋酸铵，同时利用数字化学实验仪器演示往醋酸体系中加入醋酸铵溶液pH的图像变化。

【学生分析】通过图像可以看出，醋酸铵加入醋酸电离平衡逆向移动，溶液pH升高。

设计意图：离子浓度对于醋酸电离平衡移动的影响，前面已经通过C（CH3COOH）、c（H+）等角度进行了分析，从结论得出角度，学生可以运用勒夏特列原理直接推理，但运用数字化学实验进行进一步的展示，可以拓展学生获得证据的手段和方法，也可以进一步佐证理论分析的正确，可以进一步强化学生证据获得意识。

【过渡】研究了浓度对化学平衡的影响，我们还可以讨论一下温度对化学平衡的影响。引导学生思考电离平衡可能的热效应，并呈现教师自己的演示实验结果——加热醋酸，溶液pH变化图。

【学生】根据图像可以分析醋酸的电离是吸热过程，所以推知醋酸的电离常数随温度升高而增大，得出温度对弱电解质电离影响的一般结论一温度越高越有利于电离。

【教师】呈现图5所示文献[2]研究中的醋酸电离常数随温度变化图线

【讨论】文献中资料表明，醋酸的电离并不是一个简单的变化，具体的情况要结合多种证据综合分析。

设计意图：通过从实验结论与文献资料的不同制造思维冲突，强调了实验证据的有效性也强调实验证据的条件重要性，并凸显文献资料证据的辅助作用，使得学生不仅具有从个别推及一般的归纳推理思维，同时也能重视物质个体差异，在实际运用证据推理时应保持基本的审慎。

【板书归纳呈现】

四、知识运用，巩固证据推理思想

【过渡】通过一些列的实验以及数据推理，对电离平衡的存在以及影响因素有了深入的认识，这些知识可以帮助我们解决实际的问题

【问题解决l】除水壶里的水垢用等浓度的盐酸好，还是醋酸好？H2CO3的Ka1=4.3x10^-7

【问题解决2】蚊子叮咬人后之所以皮肤红肿、瘙痒是因为向人体内注射了甲酸，要快速止痒你觉得应该涂抹什么呢？（HCOOH：Ka=1.7x0^-4;H2C03：Ka1=4.3x10^-7

A.NaCl

B.食醋

C.小苏打

设计意图：通过问题解决巩固学生对于强弱电解质差异的理解，理解电离常数的实际意义，提升对弱电解质知识有用性的理解。

五、教学反思

理论教学原本是枯燥的，但理论的现实表达形式却是丰富的，本节关于弱电解质电离平衡的教学是立足于“利用证据还原理论的内在意义”，基本是基于实验现象与实验数据的分析从而进行推理论证进而对电离平衡建立以及移动的层层剖析，而“理论模型证据”“实验数据证据”“实验现象证据”“文献资料证据”等多重证据的依次推进，使得理论得以更加澄明。在教学中教师注意挖掘各种证据，并努力将各类证据用于教学是进行提升学生证据推理能力的关键。以“证据推理”为抓手，关注学生的认识发展过程，以此提高学生的科学探究能力，不断提升学生的学科核心素养是化学课不断追求的目标。

参考文献

[1] 中华人民共和国教育部·普通高中化学课程标准（2017年版）[M].北京：人民教育出版社，2018

[2]韦明新，等.醋酸电离平衡的温度影响及其热力学分析[J].九江师专学报，1987（2）：36-39

本文系江苏省教育规划课题《基于真实问题的化学素养评价研究》研究成果（课题编号：D/2016/02/24）。