基于促进学生化学学科关键能力发展的教学设计

张军平 谢逢博 张碧柳

摘要：将PbI2贯穿在课堂教学的五个环节中，在对不同浓度KI、Pb（NO3）2溶液与上清液反应现象的分类探究中，落实了沉淀溶解平衡的建立、沉淀的溶解、沉淀的生成等基础知识。在对试剂的选择、实验现象的预测和解释的过程中，通过问题引导促进学生化学学科关键能力发展。

关键词：PbI2;沉淀溶解平衡;关键能力

文章编号：1008-0546（2022）10-0046-05中图分类号：G632.41文献标识码：B

《中国高考评价体系》中指出，为全面贯彻落实全国教育大会精神，2019年，教育部明确提出要立足全面发展育人目标，构建包括“核心价值、学科素养、关键能力、必备知识”在内的高考考查内容体系。[1]高考评价体系将关键能力的发展水平作为主要考查的内容，以区分学生综合能力水平的高低，引导基础教育对学生综合能力的培养。

化学学科关键能力是学生在面对与化学学科相关的各类问题时，高质量地认识问题、分析问题、解决问题所必须具备的能力。关键能力是高水平人才适应时代要求并支撑其终身发展的能力，是培育正确的态度责任、发展核心素养所必须具备的重要基础。高考评价体系的化学学科关键能力包括理解与辨析能力、分析与推测能力、归纳与论证能力、探究与创新能力。[2]

一、问题的提出

沉淀溶解平衡是人教版2020版普通高中教科书选择性必修1《化学反应原理》第三章“水溶液中的离子反应与平衡”的最后一节，是继化学平衡、电离平衡、水解平衡之后的又一平衡理论，是对平衡体系的拓展和完善，可以提高学生知识结构化水平。由于沉淀溶解平衡中离子浓度往往比较小，因此要求学生具备一定的微粒观和平衡观才能进行实验探究。沉淀溶解平衡的建立、移动需要学生结合实验现象定性分析，基于“宏观辨识”进而“微观探析”，所以教学过程中进行实验探究就显得尤为重要。[3]实际教学中本节内容包括难溶电解质沉淀溶解平衡的建立、沉淀的生成、沉淀的溶解和沉淀的转化四部分内容，其中沉淀溶解平衡的建立是学生学习本节的重点和难点，也是老师们在课堂设计的过程中最为苦恼的一个环节。沉淀的溶解、沉淀的生成和沉淀的转化在生产生活中应用广泛，课堂教学中的素材较为丰富，学生能利用化学平衡、电离平衡、水解平衡的理论知识进行迁移。

普通高中化学课程标准（2017年版）在“水溶液的离子反应与平衡”中提出：在开展实验探究活动中，注意实验前的分析预测和实验现象的分析解释，对假设进行预测、实验方案、实验结论进行完整论证，发展学生“宏观辨识与微观探析”“变化观念与平衡思想”和“证据推理与模型认知”等化学学科核心素养，培养系统思维能力。[4]

大多数老师在实际教学中对本节内容的处理方式，是通过宏观现象初步建立沉淀溶解平衡模型，继而通过Ksp的计算达到微观探析的目的。杨梅[5]等在实验操作中用同浓度同体积的AgNO3溶液和NaCl溶液反应，在实际操作过程中很难做到溶液浓度的绝对相等，课堂中老师验证了溶液中Ag+的存在，却没有验证Cl-的存在，因此存在Ag+过量的可能。杜博[6]等老师验证了溶液中OH-的存在，却忽视了Mg2+的验证。同时上述老师都是通过Ksp的计算来进行微观探析，忽视了利用平衡移动可以反映微观粒子的行为。胡久华、郇乐[7]两位老师与前几位老师不同，他们通过AgNO3溶液与过量的NaCl溶液反应后滴加其他试剂出现沉淀颜色的宏观变化，在设计和改进驱动性问题链的过程中来帮助学生构建沉淀溶解平衡模型和沉淀的转化规律，但是缺乏定性到定量的学习过程。

综上所述，在介绍沉淀溶解平衡具体内容的时候，老师们都重视溶解平衡的建立，但是有些实验设计存在不确定性（如等浓度的溶液）;其次，有些老师设计时使用了多种物质的转化，加重了学生学习新课时的负担，不利于大多数学生在学习初期对沉淀溶解平衡的知识进行系统化和网络化;最后，在实验探究过程中缺乏实验前的分析预测，往往都是直接对实验现象进行分析，既缺乏让学生结合自身理论分析预测实验现象的过程，也没有利用平衡移动反映微观粒子的行为，不利于全面发展学生化学学科关键能力。

二、教学思想与创新点

本教学设计注重在学生已有平衡理论的基础上进行实验设计，通过开展实验探究活动帮助学生建立沉淀溶解平衡的模型，继而运用已有的平衡理论和Q与K的关系完成沉淀的生成、沉淀的溶解和沉淀的转化三部分的学习。在进行教学设计之前，笔者对多种难溶物建立沉淀溶解平衡后的上清液进行离子检验，发现过量0.1mol·L-1NaCl与0.1mol·L-1AgNO3反应生成AgCl沉淀后，上清液即便用浓盐酸也没有明显的现象，因此通过实验无法验证上清液中Ag+存在。过量0.1mol·L-1BaCl2和0.1mol·L-1Na2SO4反应生成BaSO4沉淀后，上清液即便用饱和BaCl2亦没有明显的实验现象。PbI2常用于制作黄晶雨，晶体颜色与黄金相似，PbI2黄色鳞片状沉淀便于观察少量沉淀生成。故本文参考2019年鲁科版教材以PbI2为素材进行设计，以2mL0.1mol·L-1Pb（NO3）2溶液与6mL0.1mol·L-1KI溶液混合后的溶液为载体，學生对3种不同浓度的Pb（NO3）2溶液、KI溶液与上清液的实验现象进行预测和解释。在教师的引导下，分类对上述上清液与试剂反应的现象进行分析解释，通过理论预测——实验验证——结果分析——归纳提升——探究创新五个环节，逐步引导学生从宏观辨识到微观探析、定性到定量的角度认识沉淀溶解平衡，实现了课程标准中建议的通过假设进行预测、实验方案、实验结论进行完整论证的教学过程，从而达到全面发展学生学科关键能力的教学目的。Pb（NO3）2溶液与KI溶液的反应原理简单，并且该反应贯穿在教学的五个环节中，利于学生在学习初期对沉淀溶解平衡的知识进行系统化和网络化。

三、教学流程见图1。

四、教学过程

1.实验探究—理论预测

【投影】2mL0.1mol·L-1Pb（NO3）2溶液与6mL0.1mol·L-1KI溶液混合、静置。

【学生实验】有黄色沉淀产生。

【问题引导】问题1：通常我们所说的难溶物在水中是否完全不溶于水？

【学生】阅读课本77页和78页可知，人们习惯上将溶解度小于0.01g的电解质称为难溶电解质，难溶电解质溶解度很小，但在水中不是绝对不溶。例如，20℃时，PbI2的溶解度为7.1×10-9g。

【问题引导】问题2：生成PbI2沉淀的离子反应完成后，溶液中是否还有Pb2+和I-？

【学生】易溶电解质如NaCl，在饱和溶液中存在溶解和结晶的过程，虽然PbI2溶解度小，但是应该也会存在类似的溶解与结晶过程。

【教师】是的，结合难溶电解质的溶解度和易溶电解质饱和溶液的溶解与结晶过程，我们可以预测难溶电解质饱和溶液也存在溶解和沉淀的过程。

【教师追问】假设存在沉淀溶解平衡PbI2（s）Pb2+（aq）+2I-（aq），那么这个平衡会不会符合可逆反应“逆等动定变”的特点呢？有无平衡常数？

【学生】如果存在这个沉淀溶解平衡，那么它应该会符合可逆反应“逆等动定变”的特点，同时也存在平衡常数。

【教师追问】沉淀溶解平衡常数称为溶度积常数，简称溶度积，符号为Ksp。同学们能否尝试写出该反应的溶度积公式？并思考这个平衡常数所代表的含义？

【学生】Ksp（PbI2）=c（Pb2+）·c2（I-），Ksp反映了该难溶电解质在水中的溶解能力，与难溶电解质的性质和温度有关。

设计意图：通过给出溶解度的数据引导学生结合自身已有易溶电解质的溶解与结晶的知识，在理论上预测难溶电解质存在溶解平衡。同时引导学生用化学平衡、电离平衡和盐类水解平衡的知识迁移出沉淀溶解平衡的特点和平衡常数的含义。本环节利于发展学生提取关键内容并与有关知识进行整合，最终解答化学问题的理解与辨析能力。

2.实验探究—实验验证

【投影】问题3：若PbI2存在溶解平衡，溶液中会存在Pb2+和I-，取少量4.1实验的上清液（提前静置一天），分别加入1mL表1中试剂后预测实验现象，并进行实验验证。

【学生讨论】①②③中有黄色沉淀产生，④⑤⑥中没有黄色沉淀产生。

【学生实验】①②③⑥中有黄色沉淀产生（见图2），④⑤中没有黄色沉淀产生。

【教师】问题4：①②③⑥中产生黄色沉淀，分别说明溶液中存在什么离子？这些现象能否证明沉淀溶解平衡的存在？

【学生讨论】①②③中有黄色沉淀产生是因为反应开始时KI溶液过量，黄色沉淀证明溶液中存在大量I-;⑥中产生黄色沉淀证明溶液中存在Pb2+。在4.1实验的上清液中同时存在I-和Pb2+，可以证明沉淀溶解平衡的存在。

设计意图：通过对不同浓度Pb（NO3）2溶液和KI溶液与上清液的实验现象预测，能够发现学生认识水溶液中离子行为的角度。在对6组实验现象的预测中发展学生基于对反应规律的认识，运用比较和分类等方法，预测物质性质或可能发生的反应及产物的分析与推测能力。在对①②③⑥黄色沉淀产生原因进行解释的过程中，发展学生识别有效证据、科学推理论证、处理转化数据和归纳总结的归纳与论证能力。

3.实验探究—结果分析

【问题引导】问题5：④⑤⑥只有⑥中产生黄色沉淀，解释上述实验现象可以从什么角度分析？

【学生讨论】④⑤⑥中的变量是KI溶液的浓度，影响沉淀溶解平衡的是I-浓度。结合化学平衡、电离平衡和盐类水解平衡中浓度对平衡的影响，我们可以从Qc与Ksp的定量关系来考虑。

【问题引导】问题6：结合实验现象，归纳出Qc与Ksp大小关系对沉淀溶解平衡平衡移动方向的影响。

【学生讨论】④中QcK，生成黄色沉淀。

【教师】由此可见，沉淀溶解平衡中Qc与Ksp的关系对平衡的影响与化学平衡、电离平衡和盐类水解平衡中Qc与Ksp的关系对平衡的影响是一致的。Qc>Ksp，平衡向沉淀方向移动，Qc=Ksp，沉淀溶解平衡，Qc

设计意图：通过相同物质不同浓度的实验探究，引导学生从定性转入定量分析。学生在这个过程中会不自觉地运用浓度对平衡影响的思维模型，用Qc与Ksp的关系从定量的角度解释④⑤⑥三组实验中物质相同、浓度不同的实验现象;并且总结出Qc与Ksp大小关系对平衡的影响，发展学生“证据推理和模型认知”的学科素养和归纳与论证能力。

4.实验探究—归纳提升

【投影】PbI2（s）Pb2+（aq）+2I-（aq）

【问题引导】问题7：请设计实验探究影响沉淀溶解平衡平衡移动的因素，并预测实验现象、解释实验现象（见表2）。

【学生1】可以加水，加水后沉淀向溶解方向移动，因为Qc

【学生2】可以降温，降温后有沉淀生成。因为降温后PbI2溶解度減小，K减小，所以Qc>K，有沉淀析出。

【学生3】影响平衡移动的因素有浓度、温度。直接改变Pb2+或I-的浓度，可以改变Qc的大小;也可以升高或降低温度改变K的大小。这些因素都会使沉淀溶解平衡发生相应的移动，具体的移动方向要通过Qc与Ksp的大小判断。

【教师】大家在前面直接增加或减小Pb2+、I-的浓度的基础上，还考虑到了影响平衡的其他因素，并作出了预测和相应的解释，较为完整地总结出了影响沉淀溶解平衡的影响因素。

设计意图：在学生学习了定性到定量的分析后，通过开放性的问题充分调动学生的知识储备，使学生能将掌握的知识拓展到新的情境中。通过与学生一起对同学回答的评价和归纳，发展学生归纳与论证能力。

5.实验探究—探究创新

【投影】问题8：请大家结合下表（见表3）的数据，预测将0.1mol·L-1Na2S溶液滴入4.1中实验后的PbI2悬浊液的实验现象，并解释实验现象。

【学生讨论】滴入Na2S溶液，预测现象是有黑色沉淀生成，原因是PbS的Ksp远小于PbI2。滴入Na2S后，Qc（PbS）大于Ksp（PbS），因此生成PbS沉淀。结合PbI2沉淀溶解平衡，由于Pb2+浓度减小，PbI2会向溶解方向进行，因此PbI2会逐渐转化为PbS。

【学生实验】0.1mol·L-1的Na2S溶液滴入PbI2悬浊液，有黑色沉淀产生（图3）。

【教师】通过实验我们知道沉淀可以发生转化，同学们能不能總结一下沉淀转化的一般规律？

【学生】一般来说，Ksp小的沉淀容易转化为Ksp更小的沉淀。两者的数值相差越大，转化越容易。

【教师】是的，阴阳离子个数比相同的物质，我们也可以直接用Ksp来比较它们的溶解程度。因此，对于阴阳离子个数比相同的物质，溶解度小的物质易转化为溶解度更小的物质。我们也可以通过计算沉淀转化时化学方程式的平衡常数定量地理解这个规律。通过计算PbI2（s）+S2-（aq）PbS（s）+2I-（aq）反应的K值大小，也可以看出该反应向正向进行的难易。（提示：碘化铅Ksp=7.1×10-9、硫化铅Ksp=3.4×10-28）

设计意图：通过给出PbI2、PbS溶解度的数据，要求学生能根据实验操作和过程，结合数据分析实验目的或预测实验结果，发展学生探究与创新能力。

五、总结

本文较好地体现了新课标倡导的开展实验研究，注意实验前的分析预测和对实验现象的分析解释，对假设预测、实验方案、实验结论进行完整论证的理念。PbI2贯穿在课堂教学的五个环节中，通过在不同浓度KI或Pb（NO3）2溶液与上清液反应现象的分类探究中落实了沉淀溶解平衡模型的建立、沉淀的溶解、沉淀的生成等基础知识。通过PbI2转化为PbS的实验现象，结合数据利用平衡理论的知识进行迁移得出沉淀的转化规律。在情境不变的情况下，通过多角度、定性定量的探究过程，促进学生化学学科关键能力发展。

参考文献

[1]教育部考试中心.中国高考评价体系（2019年版）[M].北京：人民教育出版社，2019.

[2]单旭峰.考查关键能力发展核心素养——2020年全国高考理综化学试题分析[J].中学化学教学参考，2020（15）：1-4.

[3]丁浩.基于证据探究的“沉淀溶解平衡”教学研究[J].化学教与学，2020（2）：28-31.

[4]中华人民共和国教育部.普通高中化学课程标准（2017年版）[S].北京：人民教育出版社，2018：34-35.

[5]杨梅，胡尚生，袁廷新，张青杨.“沉淀溶解平衡”的单元整体教学设计[J].中学化学教学参考，2020（21）：20-24.

[6]杜博，沈子稚，肖艳.基于“证据推理”素养的沉淀溶解平衡教学设计——探究氢氧化镁处理印染废水的原理[J].化学教学，2021（6）：61-65.

[7]胡久华，郇乐.沉淀溶解平衡教学中驱动性问题链的设计与实践[J].化学教育，2012，33（9）：55-59.