“盒子模型”在高中化學電離、水解平衡中的應用

王瓊

摘 要：基于“核心素養”中“模型認知”的要求，在電離、水解平衡教學中，以“盒子模型”作為教學輔助手段，幫助學生分析和解決問題，了解模型在化學教學中存在的意義和重要性。

關鍵詞：核心素養;模型認知;電離平衡;水解平衡;盒子模型

一、研究背景

高中化學教學過程中，經常會碰到一些抽象的概念和理論以及一些看不見、摸不著的電子、離子、原子、分子等微粒。而這些都需要教師通過各種教學方法和手段展現在學生面前，讓學生一點一點地認識、理解、掌握。其中有一些方法和手段已經非常成熟并發展成為日常教學中不可或缺的教具，如球棍模型、比例模型就能很好地幫助學生理解分子的組成情況、成鍵方式和空間構型，比起教師復雜的語言描述要顯得更加直觀、更有說服力。如果在教學過程中找到更多具體、直觀的模型來幫助學生對所學知識進行分析和理解，必定能使學生更快速、更有效、更輕松地掌握相關內容。2016年9月，“中國學生發展核心素養”正式發布。其中“模型認知”一詞的提出，不僅肯定了模型教學在化學教學中存在的意義，同時也是在向學生傳達模型學習的重要性，更是對我們一線教師在教學過程中對模型的運用提出了更高的要求。同時，模型認知本就源自科學研究，是學習的重要工具，也是人們認識事物的重要方法。如果能將模型認知與教學有效地結合起來，必將更有利于學生化學學科核心素養的形成。

二、研究意義

筆者在教學過程中發現，學生在學習弱電解質電離平衡及鹽類水解平衡時，對電離或水解程度不同的溶液中各種微粒的濃度大小、pH、與金屬反應時產生氫氣的速率、產生氫氣的總量、中和酸或堿的能力等問題，理解起來比較困難。筆者以前常選用語言描述加方程式輔助的方法進行解釋，因學生理解能力不同，理解起來效果好壞不定，也試過用列表的形式逐一進行分析，但又比較費時，也有部分教師選擇用K值或電離度代入進行計算，最終用數字來說明問題。這當然是有效的方法之一，但平衡常數、電離度的計算，相對繁瑣，容易讓學生產生畏難情緒。因此，筆者自創了一種“盒子模型”，建立模型比較快捷，在教學過程中運用，能將抽象的問題展現在具體的圖形中，更直觀，能讓學生一目了然。

三、模型建立及應用

“盒子模型”可分為“電離盒子”和“水解盒子”兩種，雖然兩種模型中各部分代表的含義不同，但本質上還是相互關聯、相輔相成的，模型一旦建立，即可融會貫通。

1.“電離盒子”模型建立

強弱電解質電離盒子模型建立：以鹽酸和醋酸為例

模型A為物質的量濃度相同的鹽酸和醋酸，其中“盒子整體”部分代表總酸濃度;“斜杠”部分代表已電離的部分，可以代表氫離子濃度，因為兩者均為一元酸，也可以代表陰離子濃度。因鹽酸完全電離，則氫離子濃度即為酸的濃度，“斜杠”部分與“盒子整體”重合?！皺M線”部分代表未電離的部分，醋酸溶液中“橫線”部分代表未電離的醋酸分子濃度。醋酸溶液部分電離，且電離是少數的，因此大致表示出“斜杠”部分小于“橫線”部分即可。模型B為pH相同的鹽酸和醋酸溶液，各部分含義不變。當題目中信息出現等體積時，兩類模型中各部分還可以代表相應微粒的物質的量。

2.“電離盒子”模型應用

應用1：分析強弱電解質中的離子濃度關系。

【例1】現有①鹽酸②醋酸溶液，請根據要求填空

（1）濃度相同的鹽酸和醋酸，其pH的關系為____，稀釋10倍后，pH關系為_____;

（2）pH相同的鹽酸和醋酸，物質的量濃度關系為____，稀釋10倍后，pH關系為___。

【解析】（1）由模型A可得，酸的濃度相同時，鹽酸“斜杠”部分大于醋酸的“斜杠”部分，則溶液中c（H+）：①>②，則pH：①<②;稀釋過程中，兩溶液中氫離子濃度均減小，但醋酸電離度增大，即醋酸模型中隔板右移，但遵循可逆反應的特點，醋酸溶液中仍存在醋酸分子，則醋酸模型的“斜杠”部分只能無限接近鹽酸中氫離子的“斜杠”部分，稀釋10倍后，溶液中c（H+）：①>②，pH：①<②，但兩者的差距在縮小。（2）由模型B可得，兩溶液pH相同時，醋酸的“盒子整體”大于鹽酸的“盒子整體”，即酸的濃度：①<②;一旦開始稀釋，醋酸電離度增大，即醋酸模型中隔板右移，兩溶液中氫離子濃度減小的同時，醋酸中的氫離子濃度將超越鹽酸中氫離子濃度，因此，稀釋10倍后，pH關系為：①>②。

應用2：“電離盒子”不僅可用于強弱電解質間的分析，也可用于弱電解質之間的分析。

【例2】根據《化學反應原理》課本P67表格3-4中所給Ka數據，按要求填空：

（1）同體積同濃度的上述酸溶液，pH大小_______，溶液導電能力大小_________，與足量金屬鎂反應，開始時反應速率_________，產生氫氣的標況下體積大小_________，與氫氧化鈉溶液中和時，消耗氫氧化鈉的物質的量______________。

（2）同pH同體積的上述酸溶液，酸的濃度大小____，溶液導電能力大小_________，與足量金屬鎂反應，開始時反應速率_________，產生氫氣的標況下體積大小_________，與氫氧化鈉溶液中和時，消耗氫氧化鈉的物質的量______________。

【解析】根據表格中Ka數據，粗略建立模型，各部分含義不變：（1）A組模型由“斜杠”部分可得：酸的濃度相同時，溶液中c（H+）關系為：①>②>③>④，則pH①<②<③<④，溶液導電能力，與足量金屬鎂反應，開始時反應速率均為：①>②>③>④;體積相同，模型還可以表示物質的量的關系，在與金屬鎂及氫氧化鈉溶液反應時，隨著氫離子的消耗，各酸電離程度增大，即模型中隔板右移，直至酸全部消耗，與金屬鎂反應產生氫氣的體積以及中和時消耗氫氧化鈉的物質的量均可以用“盒子整體”部分表示，即①=②=③=④。（2）B組模型中由“盒子整體”部分可得：pH相同時，酸的濃度關系為：①<②<③<④，由“斜杠”部分可得溶液中氫離子濃度相同，則導電能力、與金屬鎂反應，開始時反應速率也相同;體積相同，由“盒子整體”部分可得，產生氫氣體積及消耗氫氧化鈉的物質的量關系為：①<②<③<④。

應用3：在遇到二元強酸，如硫酸時，可以將“電離盒子”稍作變形，只需用加粗方框表示硫酸濃度，其余含義不變，即可得到硫酸的電離盒子。

【例3】現有相同體積的三種溶液：①硫酸溶液②鹽酸③醋酸溶液，請根據要求填空：

（1）濃度相同時，pH大小____，與足量金屬鎂反應，產生氫氣的物質的量大小_____。

（2）pH相同時，酸的濃度大小____，中和時消耗氫氧化鈉的物質的量大小______。

【解析】

該組酸溶液在建模時應注意，硫酸電離的氫離子濃度應為硫酸濃度的兩倍。（1）當酸溶液濃度相同時，由“斜杠”部分可得，溶液中氫離子濃度大小為①>②>③，pH關系為①<②<③，與足量金屬鎂反應，產生氫氣的物質的量，仍為模型中“盒子整體”部分，由模型可得：①=2×②=2×③。（2）當pH相同時，硫酸濃度應為“加粗方框”部分，因此可得酸的濃度關系為2×①=②<③，中和消耗氫氧化鈉的物質的量仍為“盒子整體”部分，即①=②<③。

3.“水解盒子”模型建立

碰到鹽類水解問題時，“電離盒子”模型也可轉變為“水解盒子”模型。根據表格3-4中Ka數據及鹽類水解中“越弱越水解”的規律，將酸溶液轉化為相應鹽溶液，可建立“水解盒子”模型如下：

模型中“盒子整體”代表鹽溶液濃度，“斜杠”部分代表已水解的部分，可以表示水解得到的氫離子或氫氧根離子濃度，“橫線”代表未水解的部分。A組模型表示濃度相同的四種鹽溶液，由“斜杠”部分可得，水解得到的c（OH-）大?。呵杌c>醋酸鈉>次氯酸鈉>氟化鈉，即同濃度時堿性大小為：氰化鈉>醋酸鈉>次氯酸鈉>氟化鈉。B組模型表示pH相同的四種鹽溶液，由“盒子整體”可得，四種鹽溶液的濃度大?。呵杌c<醋酸鈉<次氯酸鈉<氟化鈉。

4.“盒子模型”綜合應用

當題目中同時出現電離和水解問題時，還可以將“電離盒子”和“水解盒子”放在一起分析，讓看似復雜的問題一目了然。

【例4】：試分析pH相等的鹽酸和氯化銨溶液中，c（Cl-）大小關系__________。

【解析】由題意可建立模型如右圖：

一元酸電離時，陰離子濃度與氫離子濃度相同，則鹽酸模型中c（Cl-）=c（H+）為“斜杠”部分;氯化銨模型中，c（Cl-）=c（NH4Cl）即為“盒子整體”部分，顯而易見，氯化銨中的c（Cl-）更大。

四、研究結果

經過筆者在平行班級中比較，“盒子模型”能明顯縮短學生分析電離、水解平衡問題的時間，提高解題的正確率。同時該模型也能幫助教師在課堂教學過程中，更快速、更直觀地分析問題，達到事半功倍。當然這只是筆者在實際教學過程中對“盒子模型”在電離、水解平衡教學過程中的初步嘗試，其中還存在不夠成熟、不夠嚴謹的地方，且仍帶有一定的局限性。但模型教學是一種非常好的教學手段，只要我們找到了合適的模型，那么它不僅能成為跨越微觀世界和宏觀世界知識的橋梁，也能成為學生遨游在原理知識海洋中的航船。我們應勇于嘗試，主動尋找和建立隱藏在教學內容中的模型，提高學生對模型的認知水平和應用能力，為培養學生的核心素養做出貢獻。

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編輯 高 瓊