从“一颗结石的前世今生”看“沉淀溶解平衡”

吴琼

摘要：沉淀溶解平衡既是水溶液中的離子平衡理论的进一步延续，又是化学平衡理论的概括和整合。以“一颗结石的前世今生”作为故事主线，按照“结石是如何形成的”“结石体系是怎么样的”“产生结石该怎么办”“如何预防结石”四部曲，详述了4个核心探究：沉淀的生成、建立、移动及Ksp的应用。

关键词：难溶电解质;沉淀溶解平衡;探究性教学

文章编号：1008-0546（2021）04-0058-03 中图分类号：G632.41 文献标识码：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2021.04.015

一、背景介绍

“沉淀溶解平衡”是人教版选修4《化学反应原理》第三章第四节的内容[1]。在前概念上，学生初中学习了饱和溶液、溶解度等知识，高中从化学平衡的视角学习了弱电解质的电离、水的电离、盐类的水解等现象，这些为学生学习沉淀溶解平衡奠定了知识及方法层面的基础。但笔者在教学中发现，学生对物质的沉淀与溶解认识有所缺陷。具体表现为：①认为沉淀的生成是一个单向反应，无法建立沉淀溶解平衡的可逆反应模型。②认为难溶等于不溶，忽视沉淀在水中的微量溶解[2]。③新课程虽然在化学平衡中引入化学平衡常数，但在此章节中很少涉及Ksp教学，学生无法从定量上精细构建思维，纵观2020年全国高考，Ⅰ卷T26开始沉淀和溶解pH、Ⅲ卷T27开始和沉淀完全时的pH均围绕Ksp的考查。④难以真正将化学知识运用于生活，并能用化学知识和思维方法解决问题。

本教学设计的核心探究属于模型建构和解释型探究，旨在培养学生系统、整体、精细的思维，提高学生解决实际问题的能力。本节课的教学设计秉承“知识问题化、问题情境化、情境生活化”的设计理念，用“一颗结石的前世今生”的真实生活情境，将“难溶电解质的溶解平衡的概念建构及应用”等核心探究有效串联。在教学过程中，通过实验探究和理论结合的方式，让学生体会到化学知识的价值。

二、教学过程

环节一：结石是如何形成的？

【资料】已经知道肾结石有32种成分，最常见的成分为草酸钙（CaC2O4），占71%～84%，其他成分的结石如磷酸铵镁、尿酸盐、磷酸钙以及朓胺酸（一种氨基酸）等。肾结石很少有单纯一种晶体组成，大多有两种或两种以上，而以一种为主体。

【问题1】你如何设计一个实验来模拟结石（CaC2O4）的形成过程？

【生1】利用可溶性的钙盐和草酸盐反应。

【实验探究1】模拟结石（CaC2O4）的形成过程（表1）。

探究活动的功能价值：沉淀的生成环节，从化学的视角，走进一颗结石的前世今生。选择生活中的情境素材，激发学生强烈的探究欲望，引导学生在真实问题情境中感受化学与生活的密切关系，将知识与生活贯穿一体。此标题也激发了学生强烈的好奇心和求知欲，使学生迅速进入探究学习状态。

环节二：结石体系是怎么样的？

【问题1】在以上所得的结石体系（CaC2O4悬浊液）中，我们投入的是等浓度等体积的Ca2+和C2O42-，按化学计量数，它们应恰好完全反应。上层清液中是否还有Ca2+和C2O42-？如何设计简单的实验来证明？

学生活动：设计探究实验，小组讨论，小组代表发言。

【生1】利用C2O42-的还原性，可选用KMnO4溶液检验C2O42-;利用沉淀法，可选用Na2CO3溶液检验Ca2+。

【实验探究2】结石体系上层清液中Ca2+和C2O42-检验（表2）。

【生2】方案1中酸性高锰酸钾溶液褪色，证明上层清液中存在C2O42-，而方案2中无明显现象，证明上层清液中一定不存在Ca2+。

【追问1】我们的结石体系投入的是等浓度等体积的Ca2+和C2O42-，从定量的角度，二者应同时存在。

【生3】方案2中无明显现象有可能是Ca2+浓度太小了，肉眼看不到沉淀。

【追问2】我给大家提供一种Ca2+的灵敏检验试剂——钙试剂，无Ca2+时显蓝色，有Ca2+时显酒红色，请同学们利用钙试剂完成上层清液的补充实验。

实验结果证明：结石（CaC2O4悬浊液）体系中上层清液存在Ca2+和C2O42-。

【问题2】上层清液中同时存在Ca2+和C2O42-，这说明了什么？这个过程是如何建立的？

【生1】说明Ca2+和C2O42-没有完全转化为沉淀，这个沉淀反应不能进行到底，也是一个可逆反应。正向和逆向反应同时进行，正反应是生成沉淀的反应，逆反应是沉淀溶解电离成离子的过程。

学生活动：请用v-t图（v沉淀和v溶解随时间的变化）和c-t图（Ca2+和C2O42-浓度随时间的变化）表示这个平衡的建立过程。

【动画演示】CaC2O4的沉淀溶解微观过程。

教师总结：对于结石体系，Ca2+、、C2O42-、CaC2O4共存，溶液中存在两个过程，在水分子的作用下，少量Ca2+和C2O42-脱离CaC2O4表面溶入水中，另一方面，溶液中Ca2+和C2O42-受CaC2O4表面阴阳离子的吸引回到固体表面析出沉淀。当沉淀和溶解的速率相等时，就建立了一个平衡，叫沉淀的溶解平衡。

【思考】如何表达沉淀的这种平衡关系？

用溶解平衡方程式：CaC2O4（s）Ca2+（aq）+C2O42-（aq）

【问题3】Ca2+和C2O42-浓度随时间的变化图象（图1）能否更完善？

Q1：能不能定量表示？

Q2：哪些点可以定量标注？

Q3：起点和终点浓度分别是多少？

Q4：终点Ca2+和C2O42-浓度大小由什么决定？

Q5：如何计算出Ca2+或O2O42-浓度？

【生1】起点离子浓度均为0.1mol/L ，终点有浓度但未知。

【生2】由于二者溶液混合导致体积变化，起点浓度应是0.05mol/L。

【生3】定量上应符合Ksp（CaC2O4）=c（Ca2+）·c（C2O42-），由此计算终点时Ca2+或C2O42-浓度。

教师总结：（1）CaC2O4难溶并非为不溶，当沉淀速率等于溶解速率时，即为沉淀溶解平衡。

（2）沉淀溶解平衡也是化学平衡的一种，符合化学平衡的一切特征，因此我们可以从Ksp的视角，定量的判断与沉淀的生成和溶解有关的问题。

探究活动的功能价值：沉淀溶解平衡的建立环节，突破以往以教师为主导的单一讲定义、讲特征，由真实情境提出探究性问题：如何检验沉淀完全，即检验上清中的Ca2+和O2O42-？两种离子的检验搭载了复分解反应和氧化还原反应两种常见思维。在学生实验的过程中，通过猜想假设、分析论证、类比推理的方式主动构建沉淀溶解平衡模型，实现了学生自主探究，教师辅助引导，将课堂真正还给学生。另一方面，通过对数据的分析与处理，使学生的认知从定性上升到定量，培养了学生在陌生情境中解决问题的能力。

环节三：产生结石该怎么办？

【问题1】我们已经知道结石（CaC2O4）难溶于水，溶解度很小，但存在沉淀溶解平衡：CaC2O4（s）Ca2+（aq）+C2O42-（aq），那么，有哪些外界条件会影响这个平衡？已知：H2C2O4是一种弱酸。学生活动：设计实验，提出方案，完成表格3。

【生1】通入HCl，平衡正移，c（C2O4-）减小，c（Ca2+）增大

【生2】加水，平衡正移，c（Ca2+）、c（C2O42-）均减小

【生3】加CaCl2，平衡逆移，c（Ca2+）增大，c（C2O42-）减小

【生4】加Na2C2O4，平衡逆移，c（C2O42-）增大，c（Ca2+）减小

【生5】加热，平衡正移，c（Ca2+）、c（C2O42-）均增大

【讨论】从平衡移动的角度，以上哪些条件改变有利于肾结石的治疗？

【生6】多喝热水！喝水时，c（Ca2+）、c（C2O42-）均减小，Qc

教师总结：结合平衡移动原理，改变温度、浓度、压强这三个条件之一，就能影响化学平衡。溶液体系不考虑压强，大多数溶解为吸热过程，再结合浓度的考虑，减小沉淀溶解平衡中相应的离子浓度，沉淀就会溶解。

探究活动的功能价值：溶解平衡的移动环节，借助探究实验提高了学生设计实验的能力，通过培养学生发散、联想、灵活的思维，促进核心知识的应用。

环节四：平时如何预防结石？

【问题1】预防结石的关键是什么？

【生】预防肾结石，关键是Qc

教师总结：饮食的建议：（1）多喝水！多喝水！多喝水！

（2）不要过度补钙

（3）不要过量食用含草酸（盐）的食物：一方面，与钙结合形成草酸钙，阻碍了钙的吸收，导致缺钙;另一方面，增加尿液中草酸的含量，易形成草酸钙，导致结石。

探究活动的功能价值：溶度积常数的应用环节，回归生活真实情境，希望学生的思考、求证从课堂延续到生活。从教学意义上说，沉淀溶解平衡无论对于化学知识本体，还是化工生产及人们的生活实际都有重要意义。

三、总结与反思

1.双线平行，让学生成为课堂的主人

本节课通过知识问题化、问题情境化、情境生活化，实现了实验探究、问题探究双线平行，利用学生的认知冲突，定性和定量相结合，实现核心知识到知识应用的转化，培养学生的精细思维，提升学生的思维品质。

从化学的视角来研究结石问题，把“一颗结石的前世今生”主题研究的过程和涉及的化学知识联系起来（表4）。

2.对于核心探究环节，应精准设置关健问题

在建构沉淀溶解平衡概念时，从学生的知识生长点出发，提出问题：如何检验上层清液中是否还有Ca2+和C2O42-？该问题的提出非常关键，从宏观现象到微观离子，引导学生在实验探究中建立起沉淀溶解平衡。在c-t图中，能不能定量表示？哪些点可以定量标注？如何标注？层层递进，以促使学生进行生成性和多轮次思考，促进高级思维的发展。

3.知识、能力、观念之间的逻辑关系

許多学生从毕业走人社会不一定从事化学有关的工作，但中学化学教育对他们仍有重要意义。毕华林教授认为：化学基本观念的形成既不可能凭空产生，也不能通过大量记忆知识形成，需要学生在主动探究中不断反思、概括、提炼而成[3]。因此，化学基本观念的形成影响着学生处理实际问题的价值取向和行为方式，具有超越知识的持久价值和广泛的迁移作用。

参考文献

[1]宋心琦.普通高中课程标准实验教科书·化学反应原理（选修）[M].北京：人民教育出版社，2007

[2]东起云.促进化学观念建构的“难溶电解质的溶解平衡”教学设计[J].教学仪器与实验，2013，29（7）：8-11

[3]毕华林，卢巍.化学基本观念的内涵及教学价值[J].中学化学教学参考，2011（6）：3-6