“沉淀溶解平衡”的教學設計

文章編號:1005-6629(2010)07-0060-04 中圖分類號:G633.8 文獻標識碼:B

1教材分析

沉淀溶解平衡作為電解質(zhì)理論的重要組成部分，是學生曾學過的電離平衡、水解平衡知識的延續(xù)和發(fā)展，是化學平衡理論知識的綜合應用。教材把這部分內(nèi)容安排在化學平衡和電離平衡之后，目的是使沉淀溶解平衡知識的學習能在化學平衡和電離平衡理論的指導下進行，讓學生運用已有知識，在深化對化學平衡理論理解的同時，進一步領會沉淀溶解平衡的本質(zhì)。“沉淀溶解平衡”作為本專題的最后一個單元，既是電解質(zhì)理論的進一步延伸，又是化學平衡知識的概括和整合。

2教法構想

本節(jié)課是基于真實情景的“問題-解決”教學模式來設計教學活動環(huán)節(jié)的，教學設計選取學生所了解的物質(zhì)和已有的化學經(jīng)驗作為課堂教學的背景，以學科知識為支撐，圍繞該背景生成問題、展開討論并解決問題。教學活動采用“問題—探究—新問題—新探究……” 環(huán)環(huán)相扣的方式層層推進，逐步將探究的問題引向深入。教學過程體現(xiàn)知識的延伸過渡和概念的自然生長，追求的是生態(tài)課堂的學習氛圍。

3教學實景

3.1創(chuàng)設情境，導入新課

[設置問題情境]粗鹽中常含有Mg2+、Ca2+、SO42-等雜質(zhì)，在粗鹽提純時，其中的Ca2+、Mg2+分別是用什么試劑除去的?(Na2CO3溶液和NaOH溶液)。

Ca2++CO32-=CaCO3↓

Mg2++2OH-=Mg(OH) 2↓

[教師]用Na2CO3溶液將Ca2+和Mg2+一同沉淀豈不是更簡單?Mg2+為什么要以Mg(OH)2沉淀的形式除去?

[學生] Mg(OH)2比MgCO3更難溶，除雜更徹底。

[教師] Mg(OH)2確實難溶于水，可是下面的實驗又說明什么呢?

[實驗探究]將鎂條用砂紙打磨后放入試管，加熱片刻后向試管中滴入2滴酚酞試液。

[實驗探究、結果]鎂條表面有氣泡產(chǎn)生[Mg+2H2O=Mg(OH)2+H2↑]溶液變成紅色。

(設計意圖:實驗現(xiàn)象引發(fā)學生強烈的認知沖突，學生心里嘀咕了:溶液的堿性顯然是Mg(OH)2產(chǎn)生的，可Mg(OH)2難溶于水啊!怎么會使酚酞試液變成紅色呢?這到底是怎么回事?由此激發(fā)出學生強烈的探究欲望。)

[教師] 如果你對Mg(OH)2能使酚酞試液變紅還有疑問的話， 那就干脆用Mg(OH)2試試看吧。

[實驗探究] 用藥匙取少量 Mg(OH)2固體粉末放入小燒杯中，加約30 mL蒸餾水攪拌，向懸濁液中滴加兩滴酚酞試液。

[實驗探究、結果]溶液變成紅色。 Mg(OH)2有少量溶解并電離出足以使酚酞變紅的OH-:Mg(OH)2(s)=Mg2+(aq)+2OH-(aq)

[教師]引導學生回顧并總結物質(zhì)溶解性的劃分:

[教師提示]衡量固體物質(zhì)在水中溶解能力的大小，除了用溶解度(一定溫度下的飽和溶液中，每100 g水中溶解固體物質(zhì)的質(zhì)量)表示外，還可以用溶質(zhì)溶解的物質(zhì)的量濃度(mol·L-1)等表示。

[教師]請再看看燒杯中的 Mg(OH)2有沒有完全溶解?(沒有)， 為什么沒有完全溶解?

[學生] Mg(OH)2在溶液中達到了平衡狀態(tài)(準確的講是溶解與沉淀的平衡狀態(tài))。

[教師]對了，這就是我們今天要學習的“沉淀溶解平衡”。

(設計意圖:教學的魅力在于教學的生成性，在這個教學環(huán)節(jié)中，實驗讓學生對“沉淀溶解平衡”有了真實的感受，“沉淀溶解平衡”的概念引入自然流暢，水到渠成。)

3.2自主遷移，生長新知

[教師] 問題: ①請根據(jù)Mg(OH) 2在水溶液中存在的下列可逆過程， 敘述什么是沉淀溶解平衡狀態(tài)?

Mg(OH) 2(s)Mg2+ (ag)+2OH-(ag)

②沉淀溶解平衡狀態(tài)有哪些特點?

③在一定溫度下，上述“沉淀溶解平衡”的平衡常數(shù)如何表達?

[學生活動]給出“沉淀溶解平衡”的含義(略);進一步歸納出沉淀溶解平衡的特點:等、動、定、變(說出具體含義);給出平衡常數(shù)表達式: K=c(Mg2+)·c2 (OH-)

[教師]我們把這個平衡常數(shù)稱為“溶度積常數(shù)”，簡稱“溶度積”，用Ksp表示。

Ksp[Mg(OH)2]=c(Mg2+ )·c2(OH-)

④請寫出CaCO3、AgCl、Fe(OH)3、的沉淀溶解平衡與溶度積Ksp表達式。

[學生活動](略)

[投影]

⑤ 以上難溶電解質(zhì)的溶度積常數(shù)都很小，這說明什么?AgCl、AgBr、AgI的Ksp數(shù)據(jù)大小對比說明什么?

[學生]常溫下，難溶電解質(zhì)在水中的溶解能力都不大;AgCl、AgBr、AgI的溶解能力依次減小。

⑥ 能根據(jù)AgCl和Mg(OH)2的Ksp數(shù)據(jù)大小直接得出AgCl比Mg(OH)2的溶解能力大的結論嗎?

[學生] 不能， 因為Ksp[AgCl]=c(Ag+)·c(Cl-); Ksp[Mg(OH)2〕=c(Mg2+)·c2(OH-)， 其離子濃度的冪指數(shù)不同，因此不能通過Ksp進行簡單對比來確定其溶解能力大小。

[形成概念]沉淀溶解平衡具有化學平衡的特點

同一難溶電解質(zhì)的Ksp與溫度有關。

一定溫度下，相同類型的電解質(zhì)，Ksp越大其在水中的溶解能力越大。

3.3問題解決，消除疑惑

[教師] 問題: [投影]①粗鹽提純時用Na2CO3溶液除去其中的Ca2+。若將2×10-4 mol·L-1 CaCl2溶液與3×10-4 mol·L-1 Na2CO3溶液等體積混合，能否產(chǎn)生沉淀?[(已知25 ℃時，Ksp(CaCO3)=5.0×10-9)]

[學生活動] Qc=c(Ca2+ )·c(CO32-)=1×10-4×1.5×10-4 =1.5×10-8>Ksp(CaCO3)， 有沉淀產(chǎn)生。

[教師]引導學生運用化學平衡常數(shù)的知識進一步歸納出:

[學生合作討論]得出結論:溫度不變Ksp也不變，一定溫度下飽和溶液中離子的濃度不變。加少量蒸餾水時平衡右移， 但最終c(Mg2+)和c(OH-)不變。加少量Mg(OH)2平衡不移動， c(Mg2+)和c(OH-)都不變。

[教師提示] 加少量NaOH溶液 (設溫度恒定)， 溶液中c(OH-)增大， 平衡左移導致c(Mg2+)減小， 且c(OH-)越大c(Mg2+)越小。當c(Mg2+)減小到一定程度的時候，可以認為溶液中的Mg2+已經(jīng)沉淀完全了，這在科學實驗和生產(chǎn)實際上有重要意義。

[投影]②一般認為，當溶液中某種離子的濃度小于1×10-5 mol·L-1，即可認為該離子已經(jīng)被完全除去。在粗鹽的提純中，加入NaOH溶液，若要使Mg2+沉淀完全，溶液的pH至少要達到多少?(25 ℃時Ksp[Mg(OH)2]=5.6×10-12 )。

[學生活動] 1×10-5×c2 (OH-)=5.6×10-12

解得:c(OH-)=7.5×10-4 mol·L-1

c(H+)=1.3×10-11 mol·L-1

pH=10.9

[教師提示]在實際操作中，只要測得溶液的pH超過10.9，就可以確定溶液中的Mg2+已經(jīng)完全除去了。

[投影]③通過實驗證明，在Mg(OH)2懸濁液中加入少量NH4Cl晶體， 溶解平衡: Mg(OH)2(s)Mg2+(aq)+2OH-(aq)將如何移動?

[實驗探究] 取少量上述實驗后的 Mg(OH)2懸濁液[含有酚酞]， 加入少量NH4Cl晶體，振蕩后觀察現(xiàn)象。

[實驗探究、結果]溶液紅色先是褪去，過一會又出現(xiàn)淺紅色(學生感到奇怪，并開始自發(fā)進行討論、分析)。

[學生甲]溶液紅色褪去，說明NH4+消耗了OH-，使溶液中c(OH-)減小， 后來又出現(xiàn)淺紅色，是因為溶液中c(OH-)減小后， 平衡向Mg(OH)2溶解的方向移動， c(OH-)又有所增大。

[教師]你的回答非常有道理，我把你的解釋表示為:

[教師]看來對 NH4+ 使 Mg(OH) 2 溶解平衡向沉淀溶解的方向移動有不同的解釋，而且都是有道理的，那么， 能不能設計一個實驗，證實NH4+是否可以直接與OH-結合而使平衡移動呢?

[學生合作討論]一致結論:用溶液顯中性的鹽CH3COONH4重做實驗。

[實驗探究]再取少量Mg(OH)2懸濁液[含有酚酞]， 加少量CH3COONH4晶體，振蕩后觀察現(xiàn)象。

[實驗探究、結果]與加入NH4Cl晶體的實驗現(xiàn)象基本相同(學生興奮起來了，很有成就感!)。

[學生]NH4+能直接與OH-結合，使平衡向Mg(OH)2溶解的方向移動。

[設計意圖:在實驗中感受“沉淀溶解平衡”移動，是本環(huán)節(jié)教學的一個亮點，這得益于Mg(OH)2這種探究對象選擇的恰當。加入NH4+后， 溶液紅色―→無色―→淺紅色的微妙變化，是Mg(OH)2難溶且有微弱堿性在溶解平衡中的體現(xiàn)，學生正是在捕捉到這樣的變化細節(jié)過程中，才認識到沉淀溶解平衡是真實存在的，在此過程中培養(yǎng)了學生觀察能力、發(fā)現(xiàn)問題和解決問題的能力。在設計NH4+在Mg(OH)2溶解平衡移動中的作用原理實驗方案時，學生要綜合運用電離平衡、水解平衡和沉淀溶解平衡等知識，對問題進行多角度全方位的思考，由此思維的深刻性、批判性和靈活性得到了鍛煉。實驗方案的設計、篩選和優(yōu)化以及對實驗變量的控制等，落實的是科學方法教育。]

3.5承前啟后，拓展延伸

[實驗探究]向FeCl3(鹽酸酸化)溶液中加入少量CaCO3粉末，振蕩、觀察現(xiàn)象。用pH試紙檢測反應后溶液的pH。

[實驗探究、結果]溶液中有大量氣泡產(chǎn)生，并有紅褐色沉淀生成，測得溶液pH<7。

[學生]疑惑:奇怪!溶液還顯酸性怎么就產(chǎn)生Fe(OH)3沉淀了?通常沉淀Fe3+是要加堿的啊!

[教師]請同學們結合這個實驗產(chǎn)生的疑問，利用學習的有關知識，課后解決下列問題:

[投影]課后探究:已知25 ℃ 時 Ksp [Fe(OH)3]=2.6×10-39。若假設FeCl3溶液中 c(Fe3+) = 0.1 mol·L-1，計算Fe3+開始沉淀時的pH是多少?請結合計算思考問題:Fe3+在酸性條件下可以沉淀嗎?在酸性條件下可以沉淀完全嗎[設溶液中c(Fe3+)<1×10-5 mol·L-1即沉淀完全]?

[設計意圖:由一個實驗激起學生新的疑惑，相信學生課后經(jīng)過計算是可以分析清楚的，這除了導致學生一個根深蒂固的觀念發(fā)生轉(zhuǎn)變(難溶堿的金屬離子一定要在堿性環(huán)境下才可以沉淀)外，還為“沉淀溶解平衡的應用”中將要討論的“金屬離子的分步沉淀”預留了思考與想象的空間，自然達成了與下一課時教學內(nèi)容的完美對接。]