运用数据分析方法 把握概念的内涵与外延
2017-05-13吴建龙
吴建龙
摘 要：文章以弱酸的电离平衡常数Ka为例，简述如何运用数据分析方法，把握化学概念的内涵与外延，帮助学生理解概念本质，全面提升学生的科学素养，提高学生综合应用概念的水平，提高学生计算能力，体现化学基本概念对元素化合物性质学习的指导作用。
关键词：数据分析方法； 概念的内涵与外延 ；弱酸电离平衡常数Ka
概念的内涵就是反映在概念中的事物的本质属性，这是概念的内容。概念的外延就是具有概念所反映的本质属性的对象，这是概念的适用范围。学生对于概念的掌握程度可以通过各种判断题、选择题的综合检测得到体现，概念的正确掌握能从根本上解决计算题、实验题及综合题等。只有学好的基本概念，深刻理解概念的内涵和外延，把握概念的本质属性，才能扎实地掌握相关的知识内容，正确而有效地学好化学知识。
一、运用数据分析，把握化学概念的内涵
高中化学选修四《化学反应原理》一书中的一些化学基本概念比较抽象，教师应在教学中依据教材提供的数据材料或通过实验所得数据及推理演算，引导学生在探索中得出相关概念，并进一步理解概念的本质。通过数据分析的教学，让学生自己收集数据，应用数据分析，从而感受数据分析的实际价值，深刻理解概念的内涵。
例如，弱电解质电离平衡常数用Ki表示。弱电解质通常为弱酸或弱碱，所以在化学上，可以用Ka、Kb分别表示弱酸和弱碱的电离平衡常数。用HA表示弱酸，则其电离方程式为HA H++A-，则电离常数Ka=[H]*[A]/[HA]，电离平衡常数描述了一定温度下弱电解质的电离能力。在相同温度和浓度时，电离度的大小也可以表示弱电解质的相对强弱。用电离度比较几种电解质的相对强弱时，应当注意所给条件，即浓度和温度，如不注明温度通常指25℃。
在教学过程中，我们发现这些概念抽象难以用启发式教学法让学生去学习，因为学生对于课本上弱酸的电离平衡常数的理解总是基于表面，没能真正理解化学概念的内涵。
教师在教学中应充分利用课本中的数据，分析Ka与电离度α的关系，比较Ka与电离度α的相同点与不同点。电离常数K与电离度α的关系可近似地表示为K=cα2，其中c为弱电解质溶液的浓度。教师通过设计一组具体数据，让学生从电离常数可以算出不同浓度、不同温度时弱电解质的电离度，比较电离常数与电离度的区别，可看出Ka是常数而α不是常数。Ka随温度而变化，α随Ka而变化，因此α也随温度而变化，Ka不因浓度改变而变化，但α却随浓度而变化，Ka不因溶液中其他电解质的存在而变化，但α却因溶液中其他电解质离子的存在而变化。
例如，在醋酸溶液中加入醋酸钠（CH3COONa），则因同离子效应而使平衡向左移动，α将减小。在室内温度下，醋酸的电离常数是1.8×10-5，学生对这一数据并没有什么印象，但通过计算可以得出它的电离度α=1.3%，学生得出每1000个醋酸分子室温条件下只有13个醋酸分子发生电离，987个醋酸分子的形式存在溶液中。通过数据的分析转换，学生容易理解弱电解质的电离程度的大小，有利于把握化学概念的内涵。
二、运用数据分析，准确化学概念的外延
化学课本中有许多数据，教学中并不要求具体记忆这些数值，但对这些数据的统计分析，既能帮助学生理解概念本质，形成学科观念，又有利于培养学生严谨的科学态度，全面提升科学素养。对这些数据的统计分析，有利于学生建立准确的数据观念，可以发展学生的数据意识，学生从中提取相关信息，从而充分体现化学基本概念对元素化合物性质学习的指导作用。例如，关于Ka概念外延的教学，我们应该清楚该概念的适用范围。
（1）根据Ka判断弱酸的酸性强弱。通过Ka的学习达到指导元素化合物性质的学习。相同条件下，Ka越大，酸性越强。通过比较Ka，我们可以得出常见弱酸的酸性：CH3COOH>H2CO3>
H2SiO3；H2CO3>HClO；H2CO3>Al（OH）3。这样，学生就很容易理解醋酸溶液与碳酸钙的反应，还有漂白粉放置在空气中失效、水玻璃溶液中通入二氧化碳气体、偏铝酸钠溶液中通入二氧化碳气体等一系列反应，这些反应都是高一化学课本中的重要反应，都符合“酸性强的制取酸性弱”的基本原理。
（2）以Ka来判断盐类物质的水解相对大小。根据盐类水解规律“越弱越水解”，我们可以判断出相同条件下醋酸铵溶液、氯化铵溶液、次氯酸铵溶液水解的相对大小，从而判断出溶液的酸碱性。分析利用醋酸Ka和氨水Kb数据的特殊性可知：醋酸铵溶液接近中性，进而可以探究Mg（OH）2沉淀溶于浓铵盐的反应原理。
（3）根据Ka1、Ka2判断酸式盐溶液的酸碱性。在25℃时，碳酸的电离平衡常数分别为：碳酸Ka1=4.30×10-7，Ka2=5.61×10-11；亚硫酸的电离平衡常数Ka1=1.54×10-2 ，Ka2=1.02×10-7。对于酸式盐NaHA的水溶液， NaHA 中 HA-既可电离：HA- H++A2-，也可水解：HA-+ H2O H2A + OH-。酸式盐溶液由于NaHCO3溶液的Ka1
（4）根据Ka1、Ka2的相对大小判断物質的性质、理解离子反应的实质。碳酸Ka1=4.30×10-7 ，Ka2=5.61×10-11 ；苯酚C6H5OH ，Ka=1.0×10-10； 氢氧化铝的酸式电离Ka= 6.3×10-13 。通过对这些数据的分析，我们容易得出酸性：H2CO3>HCO3->Al（OH）3-；H2CO3>
C6H5OH>HCO3-。这样就容易理解以下四个反应：
A.往苯酚钠水溶液中通入少量或足量CO2 ： C6H5O-+H2O+CO2 →C6H5OH+
HCO3-
B.往偏铝酸钠水溶液中通入少量CO2 ：AlO2-+H2O+CO2→Al（OH）3↓+CO32-
C.往偏铝酸钠水溶液中通入足量CO2：AlO2-+H2O+CO2→Al（OH）3↓+
HCO3-
D. 偏铝酸钠水溶液与碳酸氢钠水溶液混合： AlO2-+HCO3-+H2O→
Al（OH）3↓+CO32-
三、运用数据分析，拓展提高学生综合应用概念的水平
化学计算是中学化学教学的重要内容，也是中学生必须掌握的一个基本技能，学会数据分析是提高计算能力的关键。化学计算题中，往往题目数据多、综合性强，但学生们因综合分析能力差，不善于对知识准确迁移，因而觉得十分棘手。分析化学过程、融会贯通理解化学概念的内涵是正确解决化学计算题的基础。
在学习《溶液中的离子反应》专题后，许多教师会引导学生对化学平衡常数K、酸碱电离平衡常数Ka、Kb、水的离子积Kw、难溶电解质的溶度积Ksp等一些概念进行比较归纳，分析他们的异同，但是若能进一步拓展到酸电离平衡常数Ka与盐的水解常数Kh、与难溶电解质的溶度积Ksp、配合物的稳定系数Kw之间的联系，就能进一步提高学生的综合能力。
例如，在25℃下，于0.010mol·L-1
FeSO4溶液中通入H2S（g）， 使其成为饱和溶液 （C（H2S）= 0.10mol·L-1） 。
用HCl调节pH值，使C（HCl）= 0.30mol·L-1 ，试判断能否有FeS生成。这样一道计算题融合了Ksp与Ka的计算，体现了概念的外延，拓展了学生综合应用概念的水平，既能帮助学生理解概念本质，形成学科观念，又有利于培养学生的计算能力、解题能力，全面提升学生的科学素养。
总之，运用数据分析方法，把握化学概念的内涵与外延，有利于促进学生化学综合素养的提升。本文仅从以上三个方面予以论述，以供参考。
（作者单位：福建省永春第一中学）
