基于证据探究的“沉淀溶解平衡”教学研究

丁浩

摘要：沉淀溶解平衡是难溶电解质在水中的一种表现行为，教学过程中基于实验事实的定性判断和基于溶度积常数的定量计算，从宏观的实验现象出发思考微观粒子的表现，进而在微观层次上认识难溶物的溶解性，进一步帮助学生建构微粒观和平衡观。同时结合溶度积常数定量计算相关离子浓度，并从影响改变相关微粒浓度的角度判断沉淀溶解平衡移动的方向，为学生的化学学习提供证据收集及分析的范式。

关键词：难溶电解质;溶解平衡;溶度积常数;证据探究

文章编号：1008-0546（2020）02-0028-04 中图分类号：G632.41 文献标识码：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2020.02.009

“沉淀溶解平衡”是《化学反应原理》教材中继化学平衡、电离平衡和水解平衡之后的又一平衡，本单元中涉及三部分内容：认识溶解平衡和溶度积常数，平衡的移动（溶解和沉淀）以及沉淀的相互转化。由于“沉淀”溶解的量很少，所以“沉淀溶解平衡”体系中的离子浓度均很小，如何定量地描述相应的离子？“沉淀”的溶解过程和沉淀过程是如何建立平衡？这些问题都比较抽象，需要有看得见的事实或准确的数据作为证据支撑，帮助学生理解和接受沉淀溶解平衡。

“沉淀溶解平衡”的学习可以进一步帮助学生建构和完善平衡观和微粒观等化学观念，学生通过本节内容的学习充分认识到“沉淀”在水中既溶解又沉淀的行为同样满足“化学平衡移动原理”，从而基于微粒观和平衡观将“四大平衡”贯通整合，将前后化学知识串联起来形成知识链。笔者在课堂上通过有趣的实验进行定性判断以及丰富的数据进行定量计算，从这两个角度分析“沉淀溶解平衡”中沉淀的生成、溶解和转化等问题，通过充分的证据帮助学生掌握和运用沉淀溶解平衡的知识。

一、落实化学核心素养，基于课程标准厘清课时学习目标

沉淀溶解平衡集中体现了平衡观和微粒观这两种核心观念。沉淀溶解平衡的建立、移动可以围绕和运用化学平衡的相关知识进行教学，沉淀溶解平衡与其他平衡相比较，其特征是相关离子浓度很小，需要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。

依据课程标准（2017版），本单元重点要结合微粒观和平衡观培养学生的平衡思想和證据意识，学习过程中主要结合实验证据、数据推理培养学生解决问题的学科能力和踏实严谨的做人品格。具体而言，本节课拟定如下五个学习目标。

1.探究镁与水反应得到溶液的酸碱性，从微粒角度分析溶液呈碱性的缘由，引发学生对难溶物溶解性再思考。

2.熟悉溶度积常数的表达式，运用溶度积常数定量计算达到平衡时相关离子浓度，以及判断未达到平衡时的移动方向。

3.运用Ksp定量计算金属离子开始沉淀和沉淀完全时的pH值，明了不同金属离子生成氢氧化物的pH值是不同的和pH值的大小直接影响金属离子浓度大小。

4.以除去铜盐溶液中的Fe³⁺和Fe²⁺为例，运用“加入NaOH”和“某些含铜化合物”两种方法调节pH值的方法来除去杂质离子。

5.运用沉淀溶解平衡分析“含氟牙膏”“钡餐”的安全性，培养学生化学品使用的安全意识，对社会热点问题进行理性判断的能力。

二、设计系列实验，基于实验证据佐证定性分析

化学实验能够提供最直接的证据，通过实验能够把宏观现象和微观粒子的行为结合起来，本节课结合学习内容和目标设计了三个探究性实验，用于佐证溶解平衡的存在和移动。

1.寻找沉淀溶解平衡存在的证据，辩证看待难溶的相对性

【探究实验1】向滴有酚酞的蒸馏水中加入镁条（表面用砂皮除去氧化物），观察现象。

实验现象：一开始没有明显现象;溶液逐渐变红，同时有少量无色气泡产生。

苏教版“化学反应原理”87页上中运用向难溶物质Pbl2加入水中得到的上层清液中滴加AgNO3溶液，得到黄色沉淀（AgI），说明难溶物质存在一定量的溶解。由于没有经过过滤，学生难免会存在“是不是得到的上层清液中有少量的Pbl2（即PbI2没有完全沉降下来）”的疑问，笔者教学中运用镁与水这个熟悉的反应，滴有酚酞的蒸馏水慢慢变红色，证明了溶液呈碱性，而碱性是由Mg（OH）2部分溶解引出沉淀溶解平衡，为学生提供了直观的证据，学生更容易认同和接受，便于学生理解和掌握沉淀溶解平衡概念。

2.对教材沉淀转化实验的变式探究，准确理解难溶物转化的原因

【探究实验2】苏教版“化学反应原理”90页运用沉淀“AgCI→AgI→Ag2S”转化实验。笔者将药品加入顺序改为向AgN03溶液中滴加NaCl溶液，再先后滴加KI溶液和Na2S溶液，同样观察到“白色沉淀一黄色沉淀一黑色沉淀”，然后引导学生思考能不能说明沉淀发生了转化？

教材实验“向NaCl溶液中滴加AgNO3溶液，再先后滴加KI溶液和Na2S溶液”，通过实验说明Ksp较大的沉淀可以转化为ksp较小的沉淀。探究实验2是教材实验的变式，由于AgNO3过量，使得后续滴加试剂过程中还有大量的AgNO3存在，后续出现的黄色沉淀和黑色沉淀也可以是过量的Ag+与后续加入的I-和S2-发生反应生成的沉淀。此举增加了学生辨识能力和加深了对沉淀转化实质是沉淀溶解平衡中产生的少量离子发生进一步反应而导致的。通过实验和问题的变式训练，让学生能够真正认识科学的严谨性，从学知识——做学问——学做人的递进，凸显化学学科核心素养的育人功能。

3.从难溶物的溶解实验出发，定量分析沉淀溶解的原因

【实验探究3】

（1）向MgCl2溶液中滴加少量的稀氨水，产生白色沉淀;

（2）向得到的Mg（OH）2悬浊液中滴加浓NH4C1溶液，发现沉淀逐渐溶解。

分析实验（2）原因：Mg（OH）：溶解可能途径有两个：一是加入的NH4Cl电离产生的NH4⁺与OH-结合，使得溶液中OH-减少，促使平衡正向移动（即沉淀不断溶解）;二是NH4⁺水解产生的H⁺与Mg（OH）2电离产生的OH-结合，使平衡正向移动（即沉淀不断溶解）。粗略估算如下：

根据25℃时，一水合氨的电离常数为1.8x10^-5，得到两途径的平衡常数，可以发现途径一进行的程度远大于途径二，可以认为Mg（OH）2溶解是由于NH4Cl电离产生的NH4⁺与OH-结合生成弱电解质NH3·H2O，使得溶液中OH^-减少，促使Mg（OH）2的溶解。

三、充分利用溶度积常数，通过计算提供定量证据

沉淀溶解平衡的移动涉及定性的问题，其实质是定量问题，因为溶度积常数描述了平衡状态下离子浓度的大小关系，故可以根据溶度积和离子积的大小比较判断平衡移动的方向，定量数据是最直接的证据，与定性判断互相印证。

（2）通过计算判断Fe³⁺和CU²⁺完全沉淀的pH？

（3）加NaOH固体调节溶液pH值使Fe³⁺完全沉淀而Cu²⁺不沉淀，应控制的pH范围？

（4）能否加入其它碱，调节pH值，除去Fe3～而不引入新的杂质离子？

该问题组的四个小问题是层层递进，（1）～（3）是从单一金属离子开始沉淀、完全沉淀的pH的控制到多让某种金属离子完全沉淀，而另一种金属离子不受影响的pH的控制，解决任务的难度逐步加大。

具体来说，（1）、（2）让学生熟练运用溶度积常数进行离子浓度的计算。学生在（1）中了解到金属阳离子沉淀是与溶液中的OH-浓度（即溶液的pH值）有关，不同金属阳离子的开始沉淀有先后顺序的;在（2）中了解到金属阳离子沉淀完全所需要的溶液的pH值也是不一样的，不同金属阳离子完全沉淀也有先后顺序。

问题（3）是在（1）、（2）基础上，用NaOH调节pH值除杂。之所以加入NaOH固体，一是为了区别于后续的含Cu²⁺溶液（混有Fe³⁺）中通过加入cu（OH）2（或其它含铜化合物）除去Fe³⁺;另外加入固体，对溶液的体积影响可以忽略，减小了计算难度。

问题（4）区别于（3），通过加入NaOH的方法可以使Fe³⁺生成Fe（OH）3而除去，但是有两个缺点：一是NaOH碱性较强，过量容易导致Cu²⁺生成cu（OH）2沉淀而损失部分目标产物;二是引入了新的杂质Na+。加入Cu（OH）2，可以与溶液中的H⁺反应，Cu（OH）²⁺2H⁺=Cu²⁺+2H2O，使得溶液pH值增大，使Fe³⁺生成Fe（OH），而除去，同时不引入新的杂质，过量的Cu（OH）²可以和Fe（OH）3一起通过过滤而除去（流程见图1）。同样的能够与H⁺反应的铜的化合物如CuO、Cu2（OH）2CO3、CuCO，也有同样的作用。

【问题解决2】已知Fe（OH）3、cu（OH）2、Fe（OH）2完全沉淀的pH值分别为：3.2、6.7和9.7，试讨论除去CuClz溶液中混有Fe²⁺的方法。

根据提供的三种氢氧化物完全沉淀的pH值，发现直接加入NaOH调节pH值，在pH=6.7时Cu²⁺已经完全沉淀而Fe²⁺未完全沉淀。引导学生思考Cu²⁺中混有Fe³⁺和Fe²⁺时为什么直接加入碱调节pH的效果不一样？从而得出可以先把Fe²⁺氧化为Fe³⁺再调节溶液pH值除去杂质（流程见图2）。

通过变式训练，让学生了解不同离子完全沉淀的pH值不同，同时根据不同离子的性质实现转化，并且引导学生关注除杂过程中不能引入新的杂质离子的原则。

本题中定量计算主要在两个部分：一是Cu²⁺（Fe³⁺）除杂，通过计算得到两种离子开始沉淀和完全沉淀的pH值，得到只要控制pH值就可以使得Fe3+完全沉淀而Cu2+不沉淀;变式一是Cu2+（Fe²⁺）除杂，由于氢氧化亚铁和氢氧化铜的沉淀的pH值有交叉，所以不能直接用调节pH值的方法，应先将Fe²⁺氧化为Fe³⁺，再调节pH值生成Fe（OH）3而除去;变式二是采用含铜化合物（区别于氢氧化钠）与H⁺反应调节pH值而将Fe³⁺除去的方法。

【问题解决3】通过计算说明可以由Ksp较小的沉淀转化为ksp较大的沉淀，BaSO4+CO3^2-=BaCO3+SO4^2-，列出平衡常數的表达式，得到可以用两种沉淀的溶度积相比得到浓度关系。[Ksp（BaSO4）=1×10^-10，Ksp（BaCO3）=2.5x10^-9]

学生对硫酸钡和碳酸钡的相互转化问题，由于碳酸钡溶度积比硫酸钡大，由碳酸钡转化为硫酸钡比较容易理解;而硫酸钡转化为碳酸钡就比较难理解，结合溶度积常数，列出平衡BaSO4+CO3^2-=BaCO3+sO4^2-平衡常数表达式：

从上述沉淀转化中，让学生明确当两种难溶物的溶度积相差不大时，也可以实现溶度积小的难溶物转化为溶度积大的另一种难溶物。在教学中，对于化学基础比较好的同学可以请同学通过计算判断“向AgBr饱和溶液中滴加Nacl溶液，能不能将AgBr转化为AgCl？”

四、紧密结合生活，培养学生基于证据的理性分析能力

学习过程中从生活中的例子出发，再将习得的知识运用到生活中，不仅能够激发学生学习的兴趣，同时又巩固了知识，更能够让学生感到知识的价值和学习的乐趣。教学实践中运用沉淀溶解平衡理解“含氟牙膏”和“钡餐”的原理，引导学生将理论联系实际，学以致用。

沉淀溶解平衡是化学平衡理论的具体运用，又是平衡观念、微粒观念集中表现，在本节课教学中从实验出发寻找证据，再结合溶度积常数计算相关离子浓度，通过定性和定量两个方面理解沉淀溶解平衡，帮助学生从微观视角理解沉淀溶解平衡的移动，同时，也有助于学生加深对本专题其它平衡概念的理解，提升学生学习化学的证据意识和证据探究的能力。