关于强电解质溶解中“水合作用”的教学反思

盛源 陈进前

摘要：基于对2022年浙江省1月份高考化学第20题的分析，以“水合过程”为例，从教学角度反思当前关于电解质溶解过程的教学和评价中存在的问题。结合新课标和新教材，提出了高中化学教学中运用“水合过程”发展学生化学学科核心素养的一些具体做法。

关键词：水合作用；高考试题；真实情景；化学模型

文章编号：1008-0546（2023）10-0055-03

中图分类号：G632.41

文献标识码：B

doi： 10.3969/j .issn.1008-0546.2023.10.012

一、高考原题

【试题】（浙江省2022年1月高考化学20题）AB型强电解质在水中的溶解（可视作特殊的化学反应）表示为AB（s）=A n+（aq）+Bn-（aq），其焓变和熵变分别为△H和△5。对于不同组成的AB型强电解质，下列说法正确的是

A．△H和△S均大于零

B．△H和△S均小于零

C．△H可能大于零或小于零，△S大于零

D．△H和△S均可能大于零或小于零

根据浙江省教育考试院提供的参考答案，该题正确答案为D。

二、试题分析

试题围绕离子型化合物溶于水过程中焓和熵的变化设计。从学生的角度来看：离子化合物溶于水有吸热也有放热过程，因此可以排除A、B选项；同时物质由固态变成离子状态，物质的总物质的量增大，体系一定熵增，因此会错选C。

实际上我们可以将强电解质溶于水的过程分解成电离和水合两个过程，即（状态i表示离子状态，状态aq表示水合离子状态）：

学生对焓的变化相对熟悉。电离过程中会破坏化学键（离子键或共价键），该过程需要吸收热量，因此△Hi>0；而在水合过程中，由于阳离子可以和水通过配位键和静电作用结合，形成了水合离子，该过程会释放能量，因此△H2<0。因此溶解过程总的焓变由两个过程共同决定，即△H=△H1+△H2。当形成水合离子时释放的能量大于破坏化学键时需要的能量，即△H1+△H2<0时，电解质溶于水会放热；反之，电解质溶于水会吸热。一般水平的学生对物质溶于水有吸热的情况也有放热的情况比较熟悉，因此即使不清楚水合过程的作用，也不会影响学生对焓变的判断。

电质溶于水过程中焓變可能大于零、也可能小于零，实际上电解质溶于水过程中的熵变情况也与焓变情况有相似之处。对于电离过程，物质从有序的晶体状态变成相对无序的离子状态，是熵增的，即△Si>0；而在水合过程中，由于阴阳离子会形成水合离子，例如：金属阳离子的空轨道会和水分子中的氧原子孤对电子形成配位键从而形成水合阳离子，这个水合离子的周围还可以再通过静电作用围绕一层水分子，[1]而阴离子和水分子通常会形成静电引力或氢键作用从而形成水合阴离子。形成水合离子后，水分子在离子周围的排列更加有序，因此整体体系（阴阳离子和水分子）的混乱度降低，该过程是熵减的，即△S2<0。因此和焓变类似，溶解过程中的熵变也由电离过程和水合过程共同决定，既可以熵增也可以熵减。学生对水合过程不熟悉，往往会忽略掉这一过程，导致认为溶解过程中的熵变仅由电离过程决定，即认为溶解过程一定是熵增过程。

水合过程是影响电解质溶解性的一个重要因素。由于电离过程是一个△Hi>0，△Si>0的过程，该过程一般在高温下才能自发进行。从焓变的角度来看，水合过程中会释放大量的热，使得溶解过程中焓变减小，减小到接近零甚至小于零，是有利于溶解过程的。从熵变角度看，水合过程的熵减小，是不利于溶解过程的。对于一般的溶解过程来说，焓变所占的权重较大，熵变的权重较小，因此通常情况下，水合过程是有利于强电解质溶于水的。

浙江高考命题者以化学学科核心素养为导向，准确把握素养、情境、问题和知识等4个要素在命题中的定位与相互联系。20题以教材上的素材为情景，精准把握了学生对强电解质溶解过程理解上的缺陷，考察了学生对基本概念的认知与深度理解。

三、教学反思

由于水合过程会对电解质溶解过程中的焓变和熵变产生影响，可以用于解释和解决中学化学范围内一些具体问题，目前来看要提醒广大同行的给予重视。

1．判断强电解质溶解度大小

我们用卡普斯钦斯基（ Kapustinskii）方程计算出的品格能来代替电离过程的能量变化，[2]即假设溶解过程为：

式中k= 1.202x105 kJ．pm/mol；Ⅳ为化学式中正负离子总数；Z，Z为正负离子电荷；r为正负离子半径之和（单位pm），对于简单离子采用6配位时的香农（Shannon）半径，对于复杂离子采用热化学半径[2]；p为软度参数（排斥参数），取34.5 pm。

通过计算我们发现（表1，表2），尽管FeS04和CuS04的品格能比CaS04大，但溶解度并没有变小，反而增大（300C时，CaS04.FeS04、CuS04的溶解度分别为0.002mol/100g. 0.17mol/100g. 0.24mol/100g）。由于Fe2+、CU2+和水分子可以通过配位和静电作用形成水合离子，因此水合能较大；而一般情况下，Ca2+只能通过静电作用水分子形成水合离子，因而水合能较小。FeS04.CuSO4通过形成水合离子抵消了品格能增大的不利因素，因此相比于CaS04溶解度增大。

MSO4（c）=M2+（aq）+SO42' （aq） △H△S△G（式中c代表晶体状态）

从热力学上看（表3），由于FeSO4.CuSO4和水分子结合的能力更强，因此溶解过程中会释放出更多的热，但是熵也会减小更多。综合焓和熵的影响，FeSO4、CuSO4溶于水的过程吉布斯自由能是小于零的。而CaSO4和水结合能力较弱，因此溶于水过程中焓和熵的变化都小于FeSO4.CuSO4，导致吉布斯自由能大于零，溶解度较小。

结论：离子水合过程的强弱会影响强电解质的溶解度。

2．解释溶解、结晶过程中的实验现象

在配制某些电解质溶液过程中，如果将水倒入到装有固体粉末的烧杯中，我们会发现有结晶水合物生成，结晶水合物溶于水的速度较慢。查阅相关物质的热力学资料（表4）后发现，生成结晶水合物的过程，热力学上是十分有利的。以Na2CO3为例，1 mol Na2CO3溶于水形成溶液仅放出26.7kJ的能量，而从Na2C03形成Na2CO3·10H2O则可以放出92.32 kJ的能量。从吉布斯自由能来看，形成结晶水合物的吉布斯自由能（一12.4 kj/mol）小于溶解过程（一7.2 kj/mol）。

生成结晶水合物的实验现象可以从热力学、动力学等角度进行分析。从热力学角度看：一方面，焓变有利于结晶水合物的生成；另一方面，由于在溶解前已经形成了部分水合离子，因此在溶解的过程中，水合的作用被削弱了，不利于溶解。从动力学上看：第一步形成结晶水合物是放热过程，第二步继续溶解是吸热过程，很可能第二步的活化能较大，因此反应的速率较小，可以观察到中间产物（结晶水合物）的生成。

另外，在盐类的结晶过程中，往往容易析出结晶水合物（例如FeSO4-7H2O.Fe（NH4）2（SO4）2-6H2O等），就是因为该过程放热更多，能量上更稳定。

结论：由于结晶水合物在热力学上更稳定，因此在电解质溶解和析出时都可以生成结晶水合物。

3．解释二价铜离子的稳定性

金属铜的价电子排布为3d104sl，根据结构分析，其稳定的价态应该为+1价。但是在初高中阶段，学生对+2价的铜离子更加熟悉，这是因为CU2+在水溶液中比较稳定，而在高温固体中，Cu+比较稳定。查阅离子水合能[1]的相关数据，CU2+和水形成的水合离子的过程中释放的热量比Cu+水合离子释放的热量高了1540.28 kj/mol，这几乎可以弥补Cu+失去电子所需要的能量，因此在溶液中CU2+比Cu+稳定。而在固体中，没有水合作用，因此Cu+较稳定。Ag的第一第二电离能和Cu的相近，但是由于其半径大，比Cu更软。导致Ag2+和较硬的水配位时不如CU2+，Ag2+离子的水合能比CU2+的小，不能很好地弥补电离时所需的能量，因此Ag2+离子在水中不能稳定存在。

结论：离子的水合过程可以影响物质稳定的化合价。

目前，高考试题是高中化学教师研究的一个重点，在各种模拟考试的命题过程中又会特别关注前一年的高考试卷中出现的难点和亮点，以此为基础进行更多的拓展和挖掘，在高三复习教学会专门针对这些试题传授相关的解题技巧和应试策略。但是，这种教学偏向只会导致学生机械性地重复刷题，无助于提高学生的化学学科核心素养。与新课教学一样，高三化学复习教学中教师也应该在增进化学学科理解的基础上，抽提化学学科本原性问题，促进学生形成和发展化学学科认识方式，提升化学学科思维，掌握化学学科方法。[5]在课堂教学中，要结合具体的教学内容帮助学生建构化学认识模型，提升运用化学认识模型分析和解决实际问题的能力。[6]一线教师要更新知识观、学习观和教学观，少用题海战术，提高站位，切实以“立德树人”为教育总目标，以化学学科核心素养落地为课堂教学目标，来设计和实施化学学科教学。

参考文献

[1] 戴安邦．配位化学[Ml.北京：科学出版社，1987：38

[2]Weller Overton．无机化学[M]．北京：高等教育出版社，2018：103

[3] 肖盛兰，汪苞．碱土金属氫氧化物和硫酸盐溶解度变化规律的热力学探讨[Jl.四川师院学报．（自然科学版），1 98204）：174-176．

[4] N.A.Lange. Lange's Handbook of chemistry [M]. NYC： Mc-Graw-Hill， 2004： 1-237

[5] 陈进前．关于”化学学科理解”的思考[J]．课程·教材·教法，2022，（1）：121-127

[6] 陈进前，理解“模型认知”素养的不同视角[J]．课程教材教法，2020 （4）：124-129．