溶液中离子浓度图像题的教学思考

江苏 郭高峰

(作者单位：江苏省苏州实验中学)

水溶液中的离子平衡是化学平衡在溶液中行为的扩展应用，涉及电离平衡、水解平衡及沉淀溶解平衡等，是每年高考化学卷中考查考生变化观念与平衡思想核心素养必不可少的一道题。《普通高中化学课程标准(2017年版2020年修订)》对水溶液中的离子反应与平衡的要求为：“认识弱电解质在水溶液中存在电离平衡，了解电离平衡常数的含义。认识水的电离，了解水的离子积常数，认识溶液的酸碱性及pH，掌握检测溶液pH的方法。”近年来，以图像为载体考查电解质溶液中离子浓度的关系在高考中高频出现，主要涉及溶液中的相关微粒浓度或其变形形式随pH的变化，从宏观层面利用图像、平衡常数等信息进行推理判断，从微观层面理解微粒电离、水解、沉淀等行为，体现了“宏观辨识与微观探析”“证据推理与模型认知”的化学核心素养。

1.试题呈现

【例1】(2020·山东卷·15)25℃时，某混合溶液中c(CH3COOH)+c(CH3COO-)=0.1 mol·L-1，lgc(CH3COOH)、lgc(CH3COO-)、lgc(H+)和lgc(OH-)随pH变化的关系如图1所示。Ka为CH3COOH的电离常数，下列说法正确的是

图1

( )

A.O点时，c(CH3COOH)=c(CH3COO-)

B.N点时，pH=-lgKa

D.pH由7到14的变化过程中，CH3COO-的水解程度始终增大

【参考答案】BC

2.试题立意

2.1 命题意图分析

试题以醋酸溶液中lgc(CH3COOH)、lgc(CH3COO-)、lgc(H+)和lgc(OH-)随pH变化图像为载体考查图像的辨识和推理、电离平衡常数的计算、水解程度的变化等知识，试题呈现方式新颖，着重考查学生对溶液中离子浓度关系的理解，很好地体现了化学与数学的跨学科整合，对学生的综合能力要求较高。

2.2 试题选项分析

2.3 图像绘制分析

假设浓度为cmol·L-1的一元弱酸CH3COOH溶液，常温下电离平衡常数为Ka，在水溶液中以CH3COOH和CH3COO-两种形式存在，对应的平衡浓度分别为c(CH3COOH) 和c(CH3COO-)，即c(CH3COOH)+c(CH3COO-)=cmol·L-1。

根据pH的定义pH=-lgc(H+)可知，lgc(H+)=-pH，lgc(H+)与pH的关系是一条斜率为-1，截距为0的直线。

该图像理解的难点是lgc(CH3COOH)随pH的升高先几乎不变后减小，而lgc(CH3COO-)随pH的升高先增大后几乎不变的原因。

当数值上c(H+)≥10Ka即pH≤pKa-1时，此时c(CH3COOH)≥10c(CH3COO-)，c(CH3COOH)≈c，即lgc(CH3COOH)=lgc，lgc(CH3COOH)与pH的关系是一条斜率为0，截距为lgc，与pH轴平行的直线。

同理不难得出lgc(CH3COO-)随pH的升高的变化曲线是增大后几乎不变。

基于以上分析不难看出，O点时pH=7。当c(CH3COOH)+c(CH3COO-)=0.1 mol·L-1时，N点时lgc(CH3COOH)与lgc(CH3COO-)数值上相等，横坐标pH=-lgKa，纵坐标为-1.3。当pH=0时，lgc(CH3COOH)=lgc-pH-lg[Ka+c(H+)]=lg0.1-0-lg1=-1。

2.4 变式图像分析

2.4.1 分布分数-pH图

图2 CH3COOH溶液中各微粒的δi-pH曲线

由图2可知，δ(CH3COOH)值随pH的增大而减小，δ(CH3COO-) 值随pH增大而增大。

2.4.2 微粒浓度比值的对数-pH图

图3

2.5 拓展延伸

已知H2SO3是一种二元弱酸，常温下Ka1(H2SO3)=1.54×10-2，pKa1=1.81；Ka2(H2SO3)=1.02×10-7，pKa1=6.99。

2.5.1 分布分数-pH图

根据分布分数的定义：

图4

2.5.2 微粒浓度对数-pH图

图5

2.4.3 微粒浓度比值的对数-pH图

图6

这与2017年全国卷Ⅰ第13题信息的呈现方式一致，二者的差异仅为高考题横坐标是微粒浓度比值的对数，纵坐标是pH，但问题的分析思路高度一致。

3.思考与启示

3.1 掌握图像试题解题策略

溶液中离子浓度图像多以坐标图的形式呈现，坐标图是用来描述某一变量(因变量)随着另一变量(自变量)的变化行为，其优点是不但显示了可测量的数据，还可用来预测实验中没有测量或无法测量的数值。溶液中离子浓度关系随pH的变化图像可以是直线、曲线，也可以是对称图形，解决此类问题一般从“标、点、线”三方面分析：一看坐标，横、纵坐标的意义；二看点，起点、终点、拐点、交点等特殊点；三看线，线的变化的趋势，如升高、降低、渐变、突变等，联想相关规律做辅助线。了解图像题解题策略，有利于培养学生结合所学知识解读文字和图像信息，解决新情境中问题的能力。

3.2 重视图像类试题的研究与教学

近几年来图像类试题的考频逐年递增，这类试题难度不降反升，像2021年山东省等级考试考查了赖氨酸溶液(三元有机酸)分布系数随pH变化的图像。从知识角度看，电解质在水溶液中的行为是高中化学最基础、最核心的教学内容之一，复习授课时教师需引导学生构建完善电解质溶液知识体系，对高考题的命题背景、图像考查角度进行分析归纳，明确高考考什么，怎么考，如何变，做到心中有数。从能力角度看，考前复习需要教师引导学生建构解题模型，深入研究典型图像，加强与数学学科之间的融合，尝试从不同角度进行变换，不断提高学生的图像分析、理解和应用能力，进一步提升学生思维的严谨性、灵活性和深刻性。

3.3 培养信息素养提升学科理解是关键

教育部印发的《关于做好2022年普通高校招生工作的通知》中对2022年高考命题有明确要求：“依据高校人才选拔要求和国家课程标准，加强对关键能力和学科素养的考查，引导减少死记硬背和‘机械刷题’现象。”这预示新情境试题、信息素养是高考命题所追求的方向，但不变的依然是化学基础知识和基本原理。郑长龙教授曾说过，深刻的学科理解是高水平教师的重要特征，是高质量教学的重要保证。因此加强学科理解、强化学科深度教研是提高教学质量的必由之路。