高中化学选修4第三章《水溶液中的离子平衡》以微粒变化观突破“弱电解质的电离”教学建议

1人教版高中化学选修 4 第三章水溶液中的离子平衡以微粒变化观突破“弱电解质的电离”的教学一、本节内容及其教学功能人教版高中化学选修 4 第三章水溶液中的离子平衡是以溶液中离子反应为核心，从化学平衡的角度认识溶液中存在的几种常见的离子平衡，如电离平衡、水解平衡和沉淀溶解平衡，从理论层面揭示离子反应能否进行的本质。帮助学生从微粒的角度来进一步认识物质在水溶液中的行为，形成从微粒及微粒间相互作用的角度分析水溶液中物质及其反应的思路和方法。“弱电解质的电离”包括两部分内容： 一是“电解质有强弱之分” ；二是“弱电解质的电离过程是可逆的” ，并存在着电离平衡。关于水溶液中的电解质，高中必修阶段学生已学习过强电解质的电离，由于强、弱电解质的本质区别在于两者在水溶液中是否完全电离，这一区别也决定了强、弱电解质在水溶液中的电离特征及其存在形式的不同。何彩霞 1提出， “弱电解质的电离”的教学功能主要体现在以下几个方面：第一，认识电解质因电离的不同有强弱之分，了解强、弱电解质与酸、碱、盐在物质类别方面的联系，发展对化合物及电解质分类的认识；第二，认识弱电解质在水溶液中的电离特征及浓度等条件对电离平衡的影响，深化对水溶液中电解质的存在形式和微粒间相互作用的认识; 第三，从微观、动态、平衡、定量的角度认识水溶液中电解质的微粒存在形式、微粒间的相互作用及微粒数量关系等，初步建立相应的认识思路和方法。二、学生学习障碍点分析陈瑞雪 2将学生在本节内容中对“微粒观”的认识基础归纳如下：认识角度 已有认识 不具备的认识微粒的存在和种类强电解质电离，溶液中只有水分子和溶质的离子，认为水分子不发生电离电解质在水中的电离程度不同，弱电解质的溶液中除水分子和溶质电离的离子外，还存在溶质分子微粒间的相互作用强电解质如氯化钠在水分子的作用下发生电离；离子之问的相互作用可以生成沉淀、气体和水，从而发生离子反应弱电解质电离生成的离子可以相互结合成溶质分子，溶质分子在水分子的作用下电离成离子微粒的运动变化 强电解质的电离是单向的 弱电解质的电离是可逆的，处在动态平衡中微粒的数量 强电解质 100电离 弱电解质部分电离，其电离的程度需要用电离平衡常数或电离度表征学生微粒观认识的思维特点 静态、定性动态、定量基于学生的认知基础和以往的教学经验，学生对本节内容的学习困难与障碍主要表现为：对于强、弱电解质与其溶解性、溶液导电性的关系认识不清，这将会对区分强弱电解质造成较大困扰。2学生能接受弱电解质是部分电离的，但是对于弱电解质分子电离生成的离子和离子结合形成弱电解质分子的过程认识上存在困难。基于学生已有的关于化学键及物质结构的知识基础，学生不能自主有效地从离子化合物、具有强极性键的共价化合物等角度对电解质进行分类。学生缺乏分析水溶液中电解质电离的思路和方法，难于建立“化合物的类型电解质分类电解质在水中的微粒存在形式是否存在电离平衡”的分析思路。三、对教学目标的思考化学课程标准对本节的要求：能描述弱电解质在水溶液中的电离平衡，了解酸碱电离理论。如何实现这一教学要求？在具体知识的教学中到底要让学生学习什么？何彩霞1认为，学生学习的内容可分为 3 个层面：一是学习并掌握具体的知识与技能，二是在具体知识的学习中形成和发展对化学观念的认识，三是形成认识上述内容的基本思路和方法。前者是短期目标，后者是较远期目标，应将学生微粒变化观念的形成与发展作为显性的教学目标。鉴于教材的内容编排、教学功能、学生的知识基础及学习困难，我们在确立“弱电解质”的教学目标时应思考以下几点：(1)化学 1(必修 )第二章第二节“离子反应”中酸、碱、盐的电离的教学与本节内容的内在联系是什么?(2)本节教材第一节下的小标题是“强弱电解质” ，教材的真正设计意图是什么？是为了进行强弱电解质的对比，还是突出弱电解质的电离与强电解质电离的不同？强弱电解质是先比较好，还是完整理解弱电解质的概念及电离平衡之后进行对比更有意义？(3)学生已有的关于强电解质的概念对理解弱电解质的电离有什么帮助？已有的关于化学反应速率及化学平衡的知识，对理解弱电解质的电离及电离平衡的建立有什么帮助？(4)怎样帮助学生建立弱电解质部分电离的概念?定性分析还是定量的测定? 怎样帮助学生建立弱电解质溶液中既存在分子电离成离子的过程，又存在离子结合成分子的过程?(5)如何帮助学生建立弱电解质电离的宏观、微观、符号的三重表征?(6)设计怎样的“问题链”?培养学生怎样的学科能力与学科素养?广州市教研室在“选修 4 学业评价标准”中建议：1通过测定弱电解质溶液的 pH 获得数据定量感受到弱电解质电离的程度，从定性和定量两个角度认识弱电解质的电离。知道强酸、强碱和大部分的盐是强电解质，弱酸、弱碱是弱电解质，能写出常见弱酸、弱碱的电离方程式。2通过宏观（对比实验）微观（微粒间相互作用）符号（电离方程式）三重表征建立弱电解质概念和电离平衡概念。能用速度时间图表示弱电解质电离平衡的建立过程，能描述弱电解质达到电离平衡时的特征，能说出弱电解质在水溶液中电离时“部分”和“可逆”的涵义，初步建立事物之间的联系和转化等辩证观点。3、通过合作完成影响电离平衡因素的探究实验，初步认识温度、浓度和外加物质对电离平衡的影响，能运用弱电解质电离平衡的知识解决实际问题，如：能描述外加物质对水的电离平衡的影响，能解释相关实验现象。认识事物变化中内因和外因的辩证关系，学习从现象到本质的分析方法，类比和归纳的思维方法。4、能够运用化学平衡常数的概念同化电离平衡常数的概念，能用电离平衡常数比较弱酸酸性强弱，能够运用电离平衡常数（或勒夏特列原理）解释温度、浓度（如：外加酸、碱、盐、水）等外界条件对电离平衡的影响。3四、教学策略的实施环节一、新课导入【创设情境】用幻灯片展示山水风光，溶洞奇观的图片。引导学生了解地球广阔的水域是离子反应的广泛存在的先决条件，离子反应是生命过程的基础。引出酸，碱，盐是最常见的物质，在水中都能电离出离子，那么，不同的物质电离程度有什么不同呢?环节二、强、弱电解质概念的建立【利用日常生活中的化学创设问题情境】 清洁厕所（洁厕精）和除水垢常用盐酸，醋酸的腐蚀性比盐酸小，为什么不用较安全的醋酸代替盐酸呢？【设问】根据你的经验，你认为醋酸和盐酸的电离程度有无差异？请你设计实验验证你的猜想？请你写出实验方案并与同学交流。学生可能提出的方案：方案 1：用 pH 试纸分别测量 0.1 mol/L 盐酸、0.1 mol/L 醋酸的 pH。方案 2：分别试验等体积、等浓度的盐酸、醋酸与等量镁条的反应。 方案 3：分别试验等体积、等浓度的盐酸、醋酸与等量碳酸钠固体的反应。方案 4：评价实验方案的可行性，并进行实验。【实验 3-1】从定性角度比较 等体积、等浓度的盐酸、醋酸与等量镁条的反应速率；从定量角度分别测 0.1 mol/L 盐酸、0.1 mol/L 醋酸的 pH。【引导思考】 （1）上述反应的实质是什么？（2）影响反应速率的因素可能是什么？（3）从实验你可以得出什么结论？【实验记录】0.1 mol/L 盐酸 0.1 mol/L 醋酸溶液的 pHC(H+)约为 10.1 mol/L约为 30.001 mol/L与镁条反应的现象 剧烈 缓慢现象分析与结论1、由于镁与盐酸的反应速率较大，说明同体积、同浓度的盐酸比醋酸溶液中的 C(H+)大，由此可推断：在水溶液中，HCl 易电离，CH 3COOH 难电离；2、由于相同物质的量浓度的盐酸比醋酸溶液的 pH 小，且盐酸的物质的量浓度与盐酸中 H+几乎相等，表明 HCl 分子完全电离，而 CH3COOH 只有部分电离。引导学生观察教材 P40 图 3-1 和图 3-2，分析两种酸中存在的微粒。4【归纳总结】一、强弱电解质强电解质 弱电解质电离程度 全部电离 部分电离溶液中微粒类型 离子 离子、分子常见物质 强酸、强碱、盐 弱酸、弱碱、水电离方程式 HCl = H+ + Cl- CH3COOH CH3COO-+H+；环节三、弱电解质电离平衡的构建【设问】依据上述实验，醋酸在水中的存在形式可能有哪些? 如何理解醋酸的“部分”电离?【分析与讨论】引导学生提出以下两种假设：假设一：只存在一部分醋酸电离成离子的过程：CH 3COOH CH3COO-+H+；假设二：同时还存在 CH3COO-和 H+结合成分子的过程：CH 3COO-+H+ CH3COOH。【引导思考】上述两种假设的区别在于 CH3COO-和 H+能否结合，如何通过实验验证溶液中有没有醋酸根离子与氢离子结合的过程呢?【补充实验】 用试管取 5mL0.1 moI/L 的醋酸溶液，加入少量 CH3COONH4 晶体，测定溶液的 pH。【思考】1、上述演示实验你观察到了什么现象？2、请从微粒种类和数量变化的分析入手，思考溶液中哪些微粒发生了变化？产生变化的微粒间作用是怎样的？你对醋酸的电离过程有了怎样的认识？3、把冰醋酸加入到水中，分子电离成离子的速率和离子结合成分子的速率如何变化？请用 vt 图像来描述。4、请回忆化学平衡的定义，给电离平衡下一个定义。5、电离平衡是化学平衡的一种，应该具有化学平衡的特征，请归纳电离平衡的特征。【 归 纳 总 结 】 二、弱电解质的电离1、弱电解质的电离平衡（1）定义：在一定条件下（如温度、浓度）下，当电解质分子电离成离子的速率和离子重新结合生成分子的速率相等时，电离过程就达到平衡状态，这就叫电离平衡。（2）图像：52、强弱电解质电离过程表示电离方程式【练习】1、书写 HClO、H 2CO3 、Fe(OH) 3、 H2O 等弱电解质的电离方程式。2、完成教材 P41“思考与交流”1、2【 归 纳 总 结 】3.电离平衡的特征：(逆、等、动、定、变)环节四、弱电解质电离平衡的影响因素（教学片段由广州市第一中学王金阳老师提供）【思考】1、已知 0.1mol/L 氨水中 c(OH-) =0.001mol/L，0.001mol/LNaOH 溶液中 c(OH-) =0.001mol/L，请判断 NH3H2O 和 NaOH 是强电解质还是弱电解质，说明理由2、在稀氨水中含有哪些微粒？向该溶液中分别加入下列物质时，平衡如何移动，说明新平衡建立的过程：加入的物质 NH4Cl NH3 NaOH HCl平衡移动方向【讨论分析】1.电离平衡是否符合勒夏特列原理？2.影响电离平衡的因素有哪些？如何影响？【总结归纳】：4、弱电解质电离平衡的移动(1)弱电解质的电离平衡符合勒夏特列原理。(2)影响弱电解质电离平衡的因素有： 温度：电离过程是吸热的过程，温度升高有利于电离； 浓度：溶液稀释平衡向电离方向移动； 同离子反应：加入与弱电解质具有相同离子的强电解质，将抑制电离； 加入能反应的物质，将促进电离。【引导】电离平衡与化学平衡有很多相似之处，请同学们根据醋酸的电离方程式，写出醋酸的电离平衡常数表达式。【展示】CH 3COOH CH3COO- + H+ Ka=【板书】5、电离平衡常数（1）涵义：弱电解质电离形成的各种离子的浓度的乘积与溶液中未电离的分子的浓度之比。（2）符号：弱酸电离平衡常数：K a弱碱电离平衡常数：K b【迁移应用】根据化学平衡常数的相关知识推测电离平衡常数受什么因素的影响？与弱电解质的电离程度有什么关系？【练习】已知：CH 3COOH CH3COO- + H+ (H0)，应用电离平衡常数分析讨论： 改变条件 c(H+) c(CH3COO-) 平衡移动方向 溶液导电能力加少量硫酸C(H+)c(CH3COO-)C(CH3COOH)6加 CH3COONa (s)加 NaOH(s)加水稀释至体积为原来 2 倍【板书】 （2）影响因素：受温度的影响，与溶液的浓度无关。【思考】1、依据 0.1 moI/L 的醋酸溶液的 pH（约为 3） ，计算已电离的醋酸分子占所有醋酸分子总数的百分比？体会醋酸电离程度如何。2、如何比较硼酸、碳酸和醋酸的相对强弱? 请根据所给化学试剂，设计实验方案。参考教材 (科学视野)栏目中给出的三种酸电离常数的数值，你有什么发现 ?【学生实验】实验 3-2实验现象：盛有醋酸溶液的试管中有气泡产生，盛有硼酸溶液的试管中没有气泡产生。实验结论：三种弱酸的酸性由强到弱的顺序是：醋酸碳酸硼酸不同弱酸的电离程度有区别【交流、讨论】1、根据上述实验结果，醋酸、碳酸和硼酸三种弱酸的相对强弱与电离常数大小有何关系？ 结合书 P43 表 3-1，K 值大小意味什么？可得出什么结论？2、碳酸分子中含有两个可电离的 H+，碳酸溶液中的 H+主要来自于碳酸的第几步电离？如何解释？写出碳酸、草酸的电离方程式及电离常数表达式。【板书】 （3）与电离程度的关系：在一定温度下，电离平衡常数越大，弱电解质的电离能力越强。【学以致用】已知：某温度下，K a（HCN）=6.210 -10mol/LKa(CH3COOH)=1.710-5mol/LKa(HF)=6.810-4mol/L则三种酸的酸性由强到弱的顺序是氢氰酸、醋酸、氢氟酸。【问题探究】1、常温下，将 PH=2 的醋酸稀释 10 倍，稀释后溶液的 PH 如何变化？2、某弱酸的电离程度越大，溶液的酸性越强，对不对？3、向冰醋酸中逐渐添加蒸馏水，溶液中 H+浓度如何变化？尝试画出用水稀释冰醋酸时离子浓度随加水量的变化曲线。五、问题商榷1、稀释对弱电解质的电离平衡的影响（师桂芳 中学课程辅导教学研究 2014 年 1 期）（1）从溶液体积变化解释加水稀释，溶液体积增大，离子互相碰撞而结合成分子（分子化）的机会减少，导致分子化速率减小，小于离子化速率，电离平衡向离子化的方向移动，即向电离的方向移动，从而得出结论：在其他条件不变的情况下，稀释促进弱电解质的电离。 （2）从浓度变化解释 以醋酸的电离为例：CH 3COOH CH3COO- +H+，加水稀释，c（CH 3COOH）、c（CH 3COO-）、 c（H +）都减小； c（CH 3COOH ） 减少，离子化速率减小；c（CH 3COO-）、 c（H +）减小，分子化速率减少。但离子化速率只受 CH3COOH 一种微粒浓度影响，而分子化速率受 CH3COO-、H +两种微粒浓度的影响，导致分子化速率减的程度更大，使分子化速率小于离子化速率，电离平衡向电离的方向移动。从而得出结论：在其他条件不变的情况下，稀释促进弱电解质的电离。 （3）从平衡移动原理解释 7平衡移动原理指在其他条件不变的情况下，改变影响平衡的其中一个条件，平衡就向能够减弱这种改变的方向移动。加水稀释弱电解质溶液，使溶液中的单位体积内的粒子数减少，按照平衡移动原理电离平衡就向粒子数增多的方向移动，而电离方向就是粒子数增多的方向。所以，在其他条件不变的情况下，稀释促进弱电解质的电离。 （4）用类比法解释 合成氨反应：N 2+3H2 2NH3，当该反应在一定条件下达到化学平衡时，减小压强，增大容器的体积，根据平衡移动原理，该化学平衡向气体体积增大的方向移动，即向气体分子数增大的方向移动。以醋酸为例：CH 3COOH CH3COO-+H+，加水稀释，增大了溶液的体积，平衡也应该向粒子数增大的方向移动，即向电离方向移动。所以，在其他条件不变的情况下，加水稀释，促进弱电离质的电离。 （5）从水合离子的角度解释 我们知道电解质在水溶液中电离生成的阴、阳离子在水溶液中都是以水合离子形式存在，在学习中，为了简便，我们通常仍用普通离子代替水合离子。所以醋酸的电离方程式可以写作 CH3COOH+H2O CH3COO-+H3O+，此时可以暂时把 H2O 看作化学平衡中一种普通的反应物，加水稀释，相当于增大反应物的量，平衡向正反应方向移动，即向电离的方向移动，从而得出结论：在其他条件不变的情况下，加水稀释，促进弱电解质的电离。 （6）从质量作用定律解释 以醋酸电离为例：CH 3COOH CH3COO-+H+，在一定温度下达到电离平衡，根据质量作用定律，v（离子化）=k 1c（CH 3COOH），v（分子化） =K2c（CH 3COO-）c （H+ ），且v（离子化） = v（分子化）v （离子化） 离子化速率，v（分子化）分子化速率 。现加水稀释使醋酸溶液体积变为原来的二倍，瞬间 CH3COOH、CH 3COO-、H +的浓度均变为原来的一半，则 V（离子化）=1/2K1c（CH 3COOH），V（分子化）=1/4k2c（CH 3COO-）c（H +），V（离子化）=2V（分子化），即 v（离子化）v（分子化），电离平衡就向电离的方向移动。所以，在其他条件不变的情况下，加水稀释，促进弱电解质的电离。 （7）从电离常数解释 一定温度下，CH 3COOH CH3COO-+H+达到电离平衡时，电离常数 K=是一个定值。加水稀释一倍，Qc=1/2=1/2K 温度不变，电离常数不变，此时 Qc （8）从水分子的作用力变化解释 电解质在水溶液中的电离，从根本上来解释，可以形象的看做是水分子作用于溶解在水中的电解质，加水稀释弱电解质溶液，水越多，作用力越大，越有利于弱电解质的电离。所以，在其他条件不变的情况下，加水稀释，促进弱电解质的电离。2、利用化学平衡常数解决弱电解质电离中的两个难点问题（李志民 考试周刊 2011，52）（1）对醋酸溶液稀释的问题的解释将醋酸溶液稀释的问题设置成的利用化学平衡常数和浓度商来判断化学平衡移动方向化学情境如下表浓度（mol/L） C（CH 3COOH） C（CH 3COO-） C（H +）起始浓度 1 0 0变化浓度 a a a平衡浓度 1-a a a稀释到原来两倍后的浓度 （1-a）/2 a/2 a/28学生自己计算该温度下的电离平衡常数和浓度商并做出电离平衡移动方向的判断该温度下的电离平衡常数 K=a2/(1-a)当将醋酸稀释到原来的两倍时浓度商 QC=a2/2(1-a)因为 QC。10【环节 2】概念冲突假设研究。【问题】如何理解醋酸的“部分”电离？学生可能提出以下两种假设：假设 1，只存在一部分醋酸电离成离子的过程：CH 3COOH CH3COO-+H+；假设 2，同时还存在CH3COO-和 H+结合成分子的过程： CH3COO-+H+ CH3COOH。上述两种假设的区别在于 CH3COO-和 H+能否结合，如何通过实验验证溶液中有没有醋酸根离子与氢离子结合的过程呢?这里是否存在一种平衡状态?【学生实验 2】在 0.1 mol/L 盐酸、醋酸溶液中，分别加入少量的固体 NaCl 和固体CH3COONH4，分别测定混合后溶液的 pH。注意观察、记录实验现象，并根据实验现象。【环节 3】迁移冲突模型研究。【问题】盐酸与镁条反应速率太快，有人在盐酸中加了一种物质，降低了反应速率但不影响 H2 总量。请研究他采取了什么措施？依据是什么 ?引导学生基于现有盐酸和氯化钠固体、醋酸钠固体、碳酸钠固体等形成研究方案，接着进行实验研究，收集气体，观察收集气体体积大小。【学生实验 3】取等体积 0.1 mol/L 盐酸和足量的镁粉，利用图 2 所示装置，分别加人适量氯化钠固体、醋酸钠固体、碳酸钠固体，用同样尺寸的气球分别收集气体比较气体体积的大小。【环节 4】表征冲突定性研究。【问题】参考“科学视野”栏目中给出的电离常数的数值，数据的意义是什么?设计实验验证电离平衡常数的作用。【学生实验 4】学生根据醋酸溶液的电离平衡常数表达式研讨平衡常数的意义，并探究醋酸和硼酸分别与碳酸钠溶液反应情况。11结论：电离平衡常数可用来表示弱酸的酸性强弱，即“强酸可以制取弱酸” 。【教学案例 3】以实验揭示微观本质何彩霞、陈瑞雪等在宏观与微观的联系中把握化学概念本质以“弱电解质的电离”教学为例提出以实验揭示微观本质为支持，围绕“盐酸和醋酸酸性的比较盐酸和醋酸的电离不同，电解质有强弱之分弱电解质的电离特征强、弱电解质的区分常见的强弱电解质所属的化合物类型及其代表物”的思路来展开教学，【环节 1】 在对比实验中发现问题，引入概念问题 盐酸是常用于卫生洁具洁厕液的主要成分，我们知道醋酸的腐蚀性比盐酸小，比较安全，为什么不用醋酸代替盐酸呢? 在相同条件下，盐酸和醋酸的酸性是否相同? 请设计实验方案并进行实验验证。学生实验( 学生设计方案，师生共同分析哪些实验方案可行) 请完成以下实验，注意观察和记录实验现象，并根据实验现象，思考问题。学生实验 1分别用 pH 试 纸 测 定 0.1 moI/L 的盐酸和 0.1 moI/L 的醋酸两种酸的 pH学生实验 2等体积上述两种酸溶液与等量、形状相同的镁条的反应。学生实验 3测定 0.1 moI/L 的醋酸和盐酸溶液的导电性，观察灯泡发光的明亮程度。12思考1、当盐酸和醋酸溶液的物质的量浓度相等时，两者的 pH 是否相等，即 C(H+)是否相等? 这说明了什么?2、在实验 2 中，影响反应速率的因素是什么?3、决定溶液导电能力的因素是什么?4、基于上述实验，你对醋酸和盐酸在水溶液中的电离有什么看法?【环节 2】 基于实验事实分析醋酸的电离特征，建立概念问题依据上述实验，醋酸在水中的存在形式可能有哪些? 如何理解醋酸的“部分”电离?分析与讨论引导学生提出以下两种假设：假设一：只存在一部分醋酸电离成离子的过程：CH 3COOH CH3COO-+H+；假设二：同时还存在 CH3COO-和 H+结合成分子的过程：CH 3COO-+H+ CH3COOH。问题上述两种假设的区别在于