“溶解度曲线”模型的认识与教学思考

张礼聪 林秋彬 周雷

摘要：基于初中《科学》、高中《化学1》和《实验化学》教材及浙江高考化学试题中溶解度曲线的功能分析，得出溶解度曲线“是化学概念的认知模型，是实验方法的认知模型，是反应原理的认知模型，是问题解决的综合思维模型”的见解。依据不同学段“溶解度曲线模型”内涵的认识和理解，提出了一些相对应的教学思考和主张。

关键词：溶解度曲线; 模型; 化学教学

文章编号：10056629（2021）11004605

中图分类号：G633.8

文献标识码：B

“模型认知”素养是化学学科核心素养的重要组成部分。“物质的溶解度曲线”作为物质性质的认知模型之一，浙江学生对其认识开始于初中《科学》（八年级上），且在高中《化学1》和《实验化学》模块的不同知识学习中再现和递进。梳理近几年浙江化学高考试卷，发现物质的溶解度或溶解度曲线在“以物质制备为背景，从复杂溶液体系获得晶体”的实验题中出现的频次很高。因此，分析“溶解度曲线模型”在不同背景中所承载知识与能力要求，明晰它在不同阶段的教学目标，理解它在各时期的功能异同，将有利于教学策略方法的优化选择和教学针对性的开展。

1 溶解度曲线是概念认知模型

物质的溶解性是指在一定温度下，物质在一定量溶剂里溶解能力大小的一种属性。溶解度作为衡量物质溶解性的一种尺度，是物质在一定溶剂中溶解性的具体的定量表达。浙教版初中《科学》（八年级上）教材将溶解性、溶解度等相关概念编排在第一章“水和水溶液”中。该章第4～6节分别以“物质在水中的分散情况”“物质的溶解”“物质的分离”等话题，较为全面地帮助学生逐步建构“物质的溶解性”这一抽象概念的认知模型。

从教材来看，“物质的溶解性”相关内容呈现次序为“物质的溶解性→饱和溶液和不饱和溶液→物质的溶解度及温度对溶解度影响→溶液的配制（溶质的质量分数计算）→结晶（第6节 物质的分离）”[1]。作为第5节开篇内容“物质的溶解性”，其对后续概念的学习有统领作用，作为概念理解的外显方式，“溶解度曲线”是上述所有内容的“核心”。初中教材中的“溶解度曲线”聚焦、解释了“物质的溶解性”“饱和和不饱和”“物质的结晶”等知识，实质是一种化学概念的表征形式和认知模型。

如何达成“物质在溶剂中溶解的性质和能力——物质的溶解性”这一核心概念的基本理解？将该章第4～6节，特别是第5、 6节进行整体教学设计，是概念转变的一种有效策略。整体教学能将“物质的溶解性”等概念以“溶解度曲线模型”方式显性化和定量化;能驱动学生在数据与曲线的“数形转换”中建立比较、发现规律;能提升学生的问题分析与证据推理能力，促进概念意义的建构。具体策略可由某一具体物质，如硝酸钾或氯化钠的溶解实验、结晶实验为研究对象，将饱和溶液、不饱和溶液及它们相互转化，温度对物质溶解度的影响，物质的分离、提纯等内容“有序整合”，通过“溶解度曲线”描绘、解释作为概念建构和知识应用途径，开展“实验事实”“概念抽象”“问题解决”等为一体的模型建构教学。梳理《科学》（八年级上）第一章第5、 6节教材内容、目标理解及教学思考关系如图1所示。

2 溶解度曲线是方法认知模型

物质的溶解性作为物质分离提纯的依据，苏教版《化学1》将“溶解度曲线”编写在专题1第二单元“研究物质的实验方法”的“物质的分离与提纯”教学内容中。这一编排既有初、高中知识的衔接，又能凸显实验方法在研究物质和化学学习中的重要性，还能为后续内容，特别是《实验化学》模块的进一步学习奠定问题解决方法和实验基本技能的基础。

《化学1》“物质的分离与提纯”中呈现“溶解度曲线”的主要目的是为解决“设计方案，从混有少量氯化钾的硝酸钾粉末中提纯硝酸钾”[2]问题提供知识支持和方法依据，从而让学生知道“结晶法”是物质分离提纯的重要实验方法之一。《科学》（八年级上）教材与《化学1》教材相比，前者侧重于“溶解度曲线”的“建”，是概念理解的一种简约模型化策略;后者更多地是“用”，即利用不同物质溶解度随温度变化的差異，分析、确定它们的方法，是实验方法选择的理论证据，更多地展现学生的知识运用能力。

如何将《化学1》“溶解度曲线”应有功能得到落实？教学上以教材问题“设计方案，从混有少量氯化钾的硝酸钾粉末中提纯硝酸钾”解决为核心，通过变式追问“硝酸钾少量与氯化钾大量如何提纯氯化钾”“硝酸钾与氯化钾物质的量之比为1∶1如何分离提纯”等，交流研讨、归纳总结，提升学生问题解决应变能力;在问题分析中发现物质溶解性差异与实验方法之间的内在联系，促进学生观念性认识“溶解度随温度的变化不大的物质采用蒸发结晶（减少溶剂），溶解度随温度降低急剧下降的物质采用冷却结晶（降低温度）”的形成;在问题分析中发现物质的量之比变化，培养学生“减少溶剂与降低温度”实验方法联合使用的能力。整个教学从易到难、从简到繁、观念建构、模型认知，促进学生能力的发展，并为《实验化学》模块学习奠定基础。苏教版《化学1》“溶解度曲线模型”的教学思路如图2所示。

3 溶解度曲线是原理认知模型

“溶解度曲线”作为物质的分离提纯的重要依据之一，苏教版《实验化学》选修模块将其置于“硝酸钾晶体的制备”[3]教学中，以解决真实问题和理论联系实践的案例方式展现。在硝酸钾制备实验中，“溶解度曲线”是课时学习的主线索，贯穿在“理论分析——方法抉择——定量计算——开展实验”的整个制备过程。通过制备这一载体，溶解度曲线将研究化学物质性质的“定性”与“定量”两个层面有机融合，诠释了科学实验的严谨和实证功能，成为实验步骤理解、关键操作把握的参照系统。

“硝酸钾晶体制备”中的“溶解度曲线”的功能究竟有哪些？作为解决“从相对复杂的溶液体系（离子： Na+、 K+、 Cl-、 NO-3）中分离硝酸钾和氯化钠”以及“硝酸钾粗产品提纯”的实验方法思路、操作策略确定的作用是比较“显性”的，但“硝酸钠跟氯化钾为何能制得硝酸钾”“它们能成功转化的原因是什么”却与学生已有的“复分解反应”知识相冲突，这是课时学习中相对“隐性”的困惑点。因此，“溶解度曲线”在课时学习中还应包括有从“物质的分离提纯”认知中解读“反应发生原理（制备硝酸钾原理）”的功能。

如何在教学实践中通过“显性”过程把相对“隐性”的理由提炼出来？以“溶解度曲线”为背景，通过教学内容问题化以及问题细化方式，沿着制备工艺流程线索形成“问题链”是一种有效的教学策略。如“硝酸钠（20克）和氯化钾（17克）它们物质的量关系如何、为什么硝酸钠略多一些、蒸发约一半水（共35克）哪种物质析出、氯化钾为什么不析出、为什么蒸发约一半水左右、承接瓶为什么先加2mL水……”等等。在解决这些小问题后，重新聚焦、思考“上述反应为什么能制得硝酸钾”问题，将“溶解度曲线”的教学功能进一步拓宽延伸，更好地促进学生综合思维能力的发展。基于实践尝试，归纳《实验化学》“溶解度曲线”的教学理解关系如图3所示。

4 溶解度曲线是综合思维模型

以“物质的制备、分离、提纯”为载体，将素养、情景、问题和知识四个要素相互联系[4]，基于真实情景，运用化学知识，解决实际问题的加试实验题是浙江化学选考实验综合考查的经典模式。从近三年浙江五次选考加试实验题的特点看，均以“从溶液（含多种离子）体系得到含结晶水晶体”产品为考查背景，且都涉及蒸发浓缩—冷却结晶—过滤洗涤等操作。“溶解度曲线”直接作为综合问题解决的题干信息有两次，分别是2021年1月K2Cr2O7晶体制备和2018年11月的ZnSO4·7H2O晶体制备。

2018年11月浙江选考31题以提供物质“ZnSO4溶解度随温度变化曲线”（如图4），解第（4）小题： 从硫酸锌溶液中获取ZnSO4·7H2O（原题： 步骤Ⅳ），需要用到下列所有操作： a.蒸发至溶液出现晶膜，停止加热;b.在60℃蒸发溶剂;c.冷却至室温;d.在100℃蒸发溶剂;e.过滤。请给出上述操作的正确顺序   （操作可重复使用）。2021年1月浙江选考31题以给定体系可能析出物质的溶解度曲线（如图5）和反应“2H++2CrO2-4Cr2O2-7+H2O”等信息，回答第（3）小题： 从含K+、 Na+、 H+、 Cr2O2-7、 Cl-等离子溶液（原题： 步骤Ⅴ），得到杂质较少的K2Cr2O7粗产品，从下列选项中选出合理的操作（操作不能重复使用）并排序： 溶解KCl→（ ）→（ ）→（ ）→（ ）→重结晶。a.50℃蒸发溶剂;b.100℃蒸发溶剂;c.抽滤;d.冷却至室温;e.蒸发至溶液出现晶膜，停止加热;f.蒸发至溶液中出现大量晶体，停止加热。

抛开上述两次题型考查形式，仅从“溶解度曲线”分析，可以发现高考试题中溶解度曲线的信息量相比于教材更为丰富复杂。2018年ZnSO4溶解度随温度变化出现“先升后降”的异常;2021年K2Cr2O7溶解度曲线暗含Na2Cr2O7、 Na2CrO4、 NaCl和KCl等物质的干扰。这些变化恰恰能说明： 真实的化学问题往往比较复杂;化学在解决生产生活实际问题中具有理论指导和知识应用功能;问题解决中化学方法（如结晶方法）的选择存在择优思路等。这些均很好地说明了“溶解度曲线”的“综合思维模型”内涵。

从溶解度曲线展现的综合性看，2018年ZnSO4溶解度曲线实际是分为60℃前和后两种变化规律。依据溶解度与温度关系变化，获得ZnSO4·7H2O的合理方法应该是“60℃左右蒸发浓缩，再冷却结晶”。若非要从100℃开始，显然要经历： 蒸发浓缩—冷却溶液—二次蒸发浓缩—冷却结晶过程。题中溶解度曲线融合了两种典型差异物质的溶解度与温度的“单调函数变化”关系，问题解决所需思维的敏捷性和灵活性要求较高。2021年K2Cr2O7晶体制备需要考虑的核心问题是： 怎样的温度条件下蒸发浓缩才能得到杂质较少的K2Cr2O7粗产品？对比Na2Cr2O7和K2Cr2O7溶解度曲线变化，蒸发浓缩、冷却结晶是基本思路。但选择什么温度更好？

从溶解度曲线比较来看，aedc次序的实验操作的确是一种理想组合。因为50℃左右蒸发浓缩，冷却至室温结晶过程：（1） Na2Cr2O7前后的溶解度都非常大，溶液未达饱和，晶体不析出;（2） Na2CrO4 50℃至室温溶解度均高于K2Cr2O7，且该温度范围溶解度变化不大，蒸发—冷却过程溶液可能未饱和不析出固体，若饱和析出固体量较少;（3） 50℃时KCl、 NaCl與K2Cr2O7溶解度接近，但因KCl、 NaCl溶解度随温度变化很小，析出固体量有限。上述理由排除100℃蒸发浓缩的“证据”充分吗？反应“2H++2CrO2-4Cr2O2-7+H2O”方向性是确定最佳方案的“隐性”关键。反应ΔH<0，温度过高会导致CrO2-4浓度增大，蒸发浓缩、冷却结晶导致Na2CrO4析出可能性更大，析出量会更多，产品纯度更低。

溶解度曲线与反应原理融合，思维系统性和深刻性要求更高。

教学中如何培养“溶解度曲线”的综合性认识？遵循模型认知教学的规律，让学生亲身经历： 典型事例→建构模型→模型应用→修正模型的学习过程尤为重要。在建构模型过程中调动学生学习主动性，培养发散性思维;在模型应用解决问题时，关注观念的普适性和冲突性;在情景素材呈现时，做好信息显性和隐性的融合;在课堂实践时，兼济教学的预设和生成。教学方法上要有问题导向，注重学生思维有序性和广度的发展，促进学生问题解决能力素养的提升。例如，我们可开展如图6所示历程的“溶解度曲线”与“蒸发结晶”的认知发展教学。

“溶解度曲线模型”与结晶及晶体知识间联系是多维的。教学还能怎样开展呢？以某晶体为研究对象，开展主题教学，链接知识交互网络，促进知识结构化，有利于学生思维纵横发展，这在高中化学复习教学中颇具实践意义。例如高三复习时，可以用《化学1》“海水提镁”中MgCl2·6H2O晶体为对象，开展如图7所示思路的主题教学，拓宽学生“溶解度曲线及结晶”知识的视野。

参考文献：

[1]朱清时主编. 科学·八年级上册（第1版）[M]. 杭州： 浙江教育出版社， 2020： 25～38.

[2]王祖浩主编. 普通高中课程标准实验教科书·化学1（第6版）[M]. 江苏： 江苏教育出版社， 2014： 18～19.

[3]王祖浩主编. 普通高中课程标准实验教科书·实验化学（第6版）[M]. 江苏： 江苏教育出版社， 2014： 13～16.

[4]中华人民共和国教育部制定. 普通高中化学课程标准（2017年版2020修订）[S]. 北京： 人民教育出版社， 2020： 77～78.