先定性后定量 突破创新性离子平衡试题——深挖2023年新课标卷第13题

赖亚楼

(湖南省益阳市第一中学)

《高考评价体系》要求试题具有创新性,而数据曲线型离子平衡问题的情境素材多变、信息载量大、呈现形式丰富并且具有很强的创新性,因此近年来该类试题成为高考试卷中的常客与亮点。2023年新课标卷的离子平衡问题继续以数据曲线的形式呈现。本文就如何利用试题中的证据信息,从变化与平衡的角度进行推理,对该类试题的突破展开阐述,以期为师生的复习备考提供参考。

一、真题分析

A.曲线Ⅰ可视为AgCl溶解度随NH3浓度变化曲线

B.AgCl的溶度积常数Ksp=c(Ag+)·c(Cl-)=10-9.75

D.c(NH3)=0.01 mol·L-1时,溶液中c([Ag(NH3)2]+)>c([Ag(NH3)]+)>c(Ag+)

(一)试题分析

1.“四层”视域下的考查内容与命题意图

表1

2.创新点分析

第一情境素材创新。用氨水溶解是去除AgCl沉淀的常用方法。试题通过数字化实验,将AgCl沉淀溶于氨水过程中相关粒子浓度的变化情况绘制成数据曲线图,巧妙地将这个常见的定性问题转变为新颖的定量问题,创设出一个既亲切又陌生的结构不良情境。

第二呈现形式创新。试题绘制的以lgc(NH3)为自变量,以lgc(Ag+)、lgc(Cl-)、lgc([Ag(NH3)]+)和lgc([Ag(NH3)2]+)为因变量的多曲线变化过程图像中不但有起点、终点、交点和拐点,而且还出现了曲线重叠。

第三设问方式创新。如A选项不以曲线所代表何种变量这种常规问题进行设问,而是将数据曲线分析与溶解度的概念相结合进行设问,实现了学科内融合。

3.近三年试题对照分析

2021年及2022年全国乙卷和2023年新课标卷的离子平衡问题,都需要先通过定性分析得出基础结论,继而通过定量计算的方式解决。但是与前两年相比2023年又有三点变化:其一情境素材更真实更具科学性;其二注重化学思维的考查避免了复杂的数据计算;其三考虑学生的作答感受,选项难度设置有梯度,不再层层设卡。

【真题呈现1】(2021年全国乙卷,13题)HA是一元弱酸,难溶盐MA的饱和溶液中c(M+)随c(H+)而变化,M+不发生水解。实验发现,298 K时c2(M+)-c(H+)为线性关系,如图中实线所示。下列叙述错误的是

( )

A.溶液pH=4时,c(M+)<3.0×10-4mol·L-1

B.MA的溶度积Ksp(MA)=5.0×10-8

C.溶液pH=7时,c(M+)+c(H+)=c(A-)+c(OH-)

D.HA的电离常数Ka(HA)≈2.0×10-4

【真题呈现2】(2022年全国乙卷,13题)常温下,一元酸HA的Ka(HA)=1.0×10-3。在某体系中,H+与A-离子不能穿过隔膜,未电离的HA可自由穿过该膜(如图所示)。设溶液中c总(HA)=c(HA)+c(A-),当达到平衡时,下列叙述正确的是

( )

A.溶液Ⅰ中c(H+)=c(OH-)+c(A-)

C.溶液Ⅰ和Ⅱ中的c(HA)不相等

D.溶液Ⅰ和Ⅱ中的c总(HA)之比为10-4

表2

(二)解题思路

离子平衡试题中的数据曲线图是化学反应过程中各离子浓度关系与变化的直观表示。因此先从化学反应本质上进行定性分析,后针对性地进行定量计算是解决数据曲线问题的一般方法。另外从题中所涉及的化学反应入手,分析化学反应过程中粒子的种类与浓度的变化情况,并结合平衡思想进行定性分析是解决问题的关键。

1.定性分析

2.定量计算

3.参考答案

A

(三)深挖真题再提问

如果在高考真题的基础上进一步设问,不但有利于加深对解题模型的认知,而且有助于提升对相关必备知识的理解,构建完整知识体系。

【问题1】当c(NH3)=0.1 mol·L-1时,定量比较c(Cl-)和c([Ag(NH3)2]+)的大小。

【分析】若分析图像,曲线图中c(Cl-)和c([Ag(NH3)2]+)基本相等,难以进行比较。但借助物料守恒可以得出结论,c(Cl-)=c(Ag+)+c([Ag(NH3)]+)+c([Ag(NH3)2]+),故体系中恒有c(Cl-)>c([Ag(NH3)2]+)。当c(NH3)=0.1 mol·L-1时c(Cl-)-c([Ag(NH3)2]+)=(10-5.16+10-7.40) mol·L-1。

【问题3】若溶液体积为1 L,AgCl沉淀为0.1 mol,向其中滴加氨水,那么至少需要消耗多少mol的NH3才能将AgCl沉淀完全溶解(忽略氨水滴加过程中溶液体积的变化与NH3的挥发)。

二、原创变式

(一)试题呈现

( )

A.曲线Ⅲ表示HgCl2的分布分数随Cl-浓度变化曲线

B.当c(Cl-)<10-3mol·L-1时Hg2+几乎没有与Cl-发生配合反应

(二)解题思路

1.定性分析

2.定量计算

3.参考答案

D

(三)命制思路

1.素材的选择

以确保情境素材的科学性与真实性为原则,结合2023年高考真题包含多曲线变化过程图和多重平衡体系以及结构不良等特点,本题选取了由高等教育出版社出版,武汉大学主编的分析化学(第四版)教材中关于络合物平衡常数的内容作为情境素材。在对素材进行处理时舍去了原图中lgc(Cl-)为-9至-5时对应Hg2+和HgCl+的分布分数曲线变化的部分,从而构造了一个信息呈现不完整,结构高度不良的创新情境,以便考查学生证据推理与模型认知的学科核心素养。

2.选项的设置

结合2023年高考真题避免复杂数据计算和选项难度具有梯度性的特点。本题A、B选项设计成定性问题,需要学生结合题中所给的文字和符号信息,读懂双纵坐标数据曲线图,并从图中提取和加工实验数据进行分析推理,确定各曲线对应的物质微粒。C、D两个选项需要在A选项的基础上,进行关于化学平衡常数的简单计算。但是D选项在高考真题的基础上又有创新,传统的取点计算无法求出平衡常数,而是需要学生找到能解决问题的数据区域进行定量计算。通过这个半定量的问题考查学生对可逆反应不能进行到底,以及平衡常数只与温度有关等基本概念的理解水平与迁移能力,以期发展学生变化观念与平衡思想的学科核心素养。

三、教学启示

数据曲线图能直观呈现相关量的变化关系,因此绘制数据曲线图是分析化学相关问题的重要手段。而对于离子平衡这种与数据有着紧密联系的问题,各种图像的出现就成为了必然,在高考中可谓是“无图不成题”。基于上述情况,在教学与备考过程中可以从以下4个方面突破离子平衡这一难点问题。

1.关注各种类型的图像,带领学生充分了解图像中横纵坐标的含义、曲线的斜率或趋势、特殊点的含义以及辅助线的绘制方法等。

2.设计自主绘制图像的开放性作业,加深学生对各种形式的图像之间关系的理解。如要求学生根据提供的同一组数据绘制滴定过程中的微粒分布分数图和微粒浓度变化图。

3.定性分析是定量计算的前提,因此无论是何种图像问题,均应遵循先定性分析后定量计算的思维逻辑。

4.重视学生计算能力的培养。解决定量问题不仅需要具备扎实的化学知识以及灵活运用的能力,而且还需要具备代数式的计算、对数运算和指数运算等数据处理能力。