認知沖突螺旋上升

施小萍

[摘 要] 溶液中的平衡是相互影響的，從電離平衡和水解平衡的角度再認識碳酸氫鈉溶液，得到三個與原有認知沖突的結論，并通過設置認知沖突，展開課堂教學，消除二輪復習中的盲點和疑點。

[關鍵詞] 電離平衡；水解平衡；碳酸氫鈉溶液；認知沖突；課堂教學

“等濃度的NaHCO3溶液pH大于等濃度的CH3COONa溶液”這一觀點在中學化學中似乎已經成為定論，但我們在實驗中發現并非如此。我們經探究得出了三個有悖于原有認知的結論：①等濃度的NaHCO3溶液pH小于等濃度的 CH3COONa溶液②NaHCO3溶液中CO32-、OH-離子濃度大小關系：c（CO32-）>c（OH-）③常溫下0.1mol/LNaHCO3溶液與等體積等濃度的BaCl2溶液混合會生成BaCO3沉淀。我們通過設置有關這三個結論的認知沖突，展開課堂教學，消除學習過程中的盲點，構建新的認知。

一、等濃度的NaHCO3溶液和CH3COONa溶液pH大小問題

（一）問題發現

2015年浙江某地區高三二模考試中呈現了如下這組數據：已知在常溫下測得如下6種0.1mol/L溶液的PH（見下表）這組數據可謂是一石激起千層浪。而有關等濃度的NaHCO3溶液和CH3COONa溶液pH比較的問題，在各地模擬考以及高考試題中均有涉及。我們懷著尊重科學，尊重客觀事實的態度對這一問題進行了深入研究。

（二）質疑階段

帶著疑問我們查閱了很多資料，結果發現高中階段的教輔資料，像學生常用的《5年高考3年模擬》《步步高》等資料中顯示的都是等濃度的NaHCO3溶液pH大于等濃度的CH3COONa溶液，更有資料中將上述表格中8.3和8.8兩個數據交換了位置，顯然認為上表中的數據是錯誤的。而檢索中國知網發現中學化學的常見核心期刊《化學教學》《中學化學教學參考》，有論文認為等濃度的NaHCO3溶液pH小于等濃度的 CH3COONa溶液[1]?？傊f法不一而同。

（三）實驗探究

事實是檢驗真理的唯一的標準，而化學實驗的現象便是化學學科獨有的事實，我們決定發揮化學實驗的強大功能，展開科學探究，用數據說話。我們用pH計分別測定0.1mol/LNaHCO3溶液、0.1mol/LCH3COONa溶液的PH值，經多次測量顯示0.1mol/LNaHCO3溶液pH=8.28，0.1mol/LCH3COONa溶液pH=8.96。由此可見眾多中學教輔資料上的數據是錯誤的。

（四）理論分析

碳酸氫鈉溶液中存在的平衡：

H2O ? H+ +OH-K①=1.0×10-14

HCO3- ? H+ +CO32- K②=5.6×10-11

HCO3- +H2O ? OH- +H2CO3 K③=2.3×10-8

原先認為等濃度的NaHCO3溶液pH大于等濃度的CH3COONa溶液，是做這樣的分析而得出：CH3COOH的酸性強于H2CO3，所以CH3COONa的水解程度小于NaHCO3的水解程度，等濃度的鹽溶液水解程度大的，溶液堿性越強。而實際上受HCO3-電離的影響，電離產生的H+中和了水解產生的OH-，使OH-離子濃度減小，pH減弱，因此等濃度的NaHCO3溶液pH小于等濃度的CH3COONa溶液。由此可見HCO3-的電離和水解是相互影響，相互促進的，只考慮電離或者水解都是不夠全面、不夠嚴謹的。

二、NaHCO3溶液中離子濃度大小問題

在中學化學常見的碳酸氫鈉溶液中離子濃度大小關系排序是：c（Na+）>c（HCO3-）>c（OH-）>c（H+）>c（CO32-）。這種結論出現的原因還是認為NaHCO3溶液中HCO3-水解是最主要的平衡，水解產生的c（OH-）相對較大，而忽略了HCO3-電離帶來的影響。實際上電離產生的H+中和了水解產生的OH-，使平衡②、③平衡正向移動，HCO3-的電離和水解程度都增大。用方程疊加的方法處理方程①②③可得下列新方程，并經計算得出方程④的平衡常數：

HCO3-+HCO3-? CO32-+ H2CO3 K④=K②.K③/K①=1.3×10-4

從平衡常數可以看出④式HCO3-的自偶電離是碳酸氫鈉溶液中進行程度最大的反應，根據濃度相等時，進行程度越大，所得離子濃度越大的原則，推導得出結論，碳酸氫鈉溶液中離子濃度大小關系是：c（Na+）>c（HCO3-）>c（CO32-）>c（OH-）>c（H+）

關于NaHCO3溶液中c（CO32-）>c（OH-）這一新的結論，我們也用數據計算的方法得到了證實。下圖是碳酸氫鈉在不同pH環境下它們不同形態的粒子的組成百分率圖像：

由圖可知，Ka2=c（CO32-）×c（H+）/c（HCO3-）=10-10.25，當pH=8.25時溶液中 c（HCO3-）/ c（CO32-）=100。0.1mol/LNaHCO3溶液中，c（HCO3-）≈0.1mol/L，則 c（CO32-）=10-3 mol/L， c（OH-）=10-5.75 mol/L，從數據計算的角度再一次說明NaHCO3溶液中的確是c（CO32-）>c（OH-）。

三、0.1mol/LNaHCO3溶液中滴加等濃度BaCl2溶液能否產生沉淀問題

經上述計算得出：0.1mol/LNaHCO3溶液中，c（CO32-）=10-3mol/L，這相當于濃度稍微小一點的碳酸鈉溶液中的CO32-的濃度，那么往0.1mol/LNaHCO3溶液滴加BaCl2溶液，能否生成沉淀呢？我們做了如下實驗：0.1mol·L-1BaCl2溶液與0.1mol·L-1NaHCO3溶液等體積混合，先有少量白色沉淀，無氣泡，久置沉淀量變多，并有少量氣泡產生。0.1mol/LNaHCO3溶液中c（CO32-）=10-3 mol/L，加入等體積等濃度BaCl2溶液，Qc= c（CO32-）×c（Ba2+）=0.5×10-3×0.05=2.5×10-5， ksp（BaCO3）=2.58×10-9 ，Qc大于ksp（BaCO3），能產生沉淀。由于CO32-、Ba2+的濃度都較小，所以一開始沉淀的量也較少。隨著CO32-濃度的減小，自偶電離平衡正向移動，不斷生成沉淀，溶液中H2CO3濃度增大，最終能觀察到少量氣泡。反應的離子方程式為：Ba2++2 HCO3-= BaCO3↓+ H2CO3。經計算可得該離子反應的平衡常數：

由此可見的確存在產生沉淀的可能性。

四、有關碳酸氫鈉溶液研究結果在課堂教學中的應用

教學研究最終是為實際的課堂教學服務的，應該對課堂教學有裨益。這三個結論也是學生在長期的學習過程中形成的思維定勢，我們以此為切入點，通過設計符合學生認知規律的教學環節，將這一研究成果應用于課堂教學，并在2016年市級高考化學復習研討會活動中做了公開展示，在高三二輪復習中如何消除學生的思維定勢，突破教學中的盲點和疑點等方面起了示范引領的作用?，F將課堂教學過程摘要如下：

環節一：神奇功效的“蘇打水”

【情境創設】投影蘇打水、蘇打片的商標，顯示成分為碳酸氫鈉

【設計說明】從生活實際引入話題：從平衡角度再認識碳酸氫鈉溶液。蘇打的成分是碳酸鈉，為什么商標顯示的是碳酸氫鈉，這究竟是生活中的習慣性錯誤，還是另有玄機，利用第一次認知沖突激起學生的學習興趣。

環節二：知識重現 碳酸氫鈉溶液有關知識的判斷

【提供素材】

1.已知Ka（CH3COOH）=1.8×10-5 Ka1（H2CO3）=4.3×10-7 Ka2（H2CO3）=5.6×10-11

2.問題一：

常溫下，濃度均為0.1mol/L的NaHCO3與CH3COONa溶液pH誰大？請說明判斷理由。

常溫下，0.1mol/LNaHCO3溶液中離子濃度大小順序，請說明判斷理由。

判斷常溫下0.1mol/LNaHCO3溶液與等體積等濃度的BaCl2溶液混合會不會生成BaCO3沉淀？若不能說明理由，若能請寫出離子方程式。

3.演示實驗：用pH計測定0.1mol/LNaHCO3溶液、CH3COONa溶液的pH

【活動設計】

【設計說明】有關碳酸氫鈉溶液性質的這三個問題對學生來講是輕車熟路的，很快得出結論，當然學生的結論幾乎全軍覆沒。pH值測量數據和學生原有認知產生第二次沖突，在這種“認知失衡”中，學生會有保持認知平衡的傾向，主動分析出可能是忽略了HCO3-的電離問題，找到問題的關鍵所在。實驗的設置方面由于pH計測量溶液的pH值時，數據穩定需要比較長的時間，不利于課堂演示，因此事先錄制成視頻，課堂內播放。

環節三：知識疑惑與矛盾 根據平衡發生程度比較碳酸氫鈉溶液中離子濃度

【提供素材】1.碳酸氫鈉溶液中存在的平衡：

①H2O ? H+ +OH- K①=1.0×10-14

②HCO3- ? H+ +CO32- K②=5.6×10-11

③ HCO3- +H2O ? OH- +H2CO3 K③=2.3×10-8

2.實驗演示：25℃ 0.1mol·L-1BaCl2溶液與0.1mol·L-1NaHCO3溶液等體積混合，產生白色渾濁。

【活動設計】

【設計說明】有了環節二中等濃度的碳酸氫鈉溶液pH小于醋酸鈉溶液的原因分析，只要稍加引導，學生便能自行得出HCO3- + HCO3- ? CO32-+ H2CO3 K④= 1.3×10-4 ，從而明確碳酸氫鈉溶液中離子濃度大小問題，這是和學生原有認知的第三次沖突。第三次認知沖突的解決也是水到渠成的事情，符合學生的螺旋式上升的認知規律。既然平衡的相互影響促使CO32-的增大，那么有沒有可能和氯化鋇溶液反應產生沉淀也是自然會有的聯想。實驗的結果和學生原有的認識產生第四次沖突。這一認知沖突在問題情境3的平衡常數的計算時得到理論上的解釋。學生呈現的錯誤的離子方程有：

①CO32-+Ba2+ =BaCO3↓

②2HCO3- +Ba2+ =BaCO3+H2O+CO2↑

③HCO3- +Ba2+ =BaCO3+H+

這充分暴露了學生的思維上存在的遺漏：①沒有考慮溶液中實際大量存在的離子參加反應②實驗過程中沒有看到明顯的氣泡③強酸制備弱酸的基本原則。問題情境3很好地鞏固了離子方程式書寫的基本原則，落實了基礎知識。

環節四：學以致用 利用圖像練習題總結本節課的三個問題。

【提供素材】碳酸氫鈉溶液中不同pH環境下，不同粒子組成百分率圖像

【活動設計】

【設計說明】利用圖像練習題總結本節課的三個問題，落實平衡常數的計算等基礎知識，同時從計算所得數據上直觀認識碳酸氫鈉溶液中離子濃度大小關系，強化了本節課得出的三個新的結論：

環節五：本節課的疑惑和收獲

【設計說明】由于這節課所得的結論和學生原有的認知是完全相反的，學生不免有這樣的疑慮：考試怎么辦？我們的原則是：實事求是，尊重科學，尊重客觀事實，相信高考題也是不會有科學性問題的。給學生一顆定心丸，解除學生的疑慮。

五、總結與反思

（一）研究過程

我們經歷了：發現問題→問題質疑→查閱資料→實驗測定→理論分析→數據分析→得到結論等一系列過程，以實驗現象為依據，以理論分析為推手，將問題層層深入，符合科學探究的一般過程。

在研究過程中，我們的最初設想是通過實驗的方法直接測定碳酸氫鈉溶液中碳酸根離子的濃度，但是由于現有設備的限制，沒有直接用于測定碳酸根離子濃度的傳感器等手持技術，因此未能直接測得數據，而是間接采用數據計算理論推導的方式來解決論題。

我們研究過程中所用溶液均采用0.1mol/L，主要是考慮課堂演示實驗有比較明顯的現象。而實際上由于NaHCO3溶液本身是緩沖溶液，隨著溶液濃度的變化，溶液pH變化幅度NaHCO3溶液要小于CH3COONa溶液，這一問題我們未展開更深入的研究[2]。

（二）教學過程

本節課課堂教學設計緊緊圍繞學生原有三個錯誤認知展開，通過五個環節的活動，兩個實驗的探究，六個問題的解決，理論聯系實際，消除學生的思維定勢。同時讓學生體驗了科學探究的過程，學習了科學研究的基本方法，加深了對科學本質的認識，有利于學生形成科學的自然觀和嚴謹求實的科學態度。

在這三個問題上學生幾乎無一例外地出現了錯誤，這和長期的作業的鞏固訓練形成慣性思維定勢有很大關系。相信在新課剛剛接觸溶液中的平衡時，學生對這樣的問題是會有各種想法、心存疑慮的，但是到了高三二輪復習的時候卻眾口一詞了。因此教師在教學過程中既要讓學生學會思考問題的基本方法，但是又不能扼殺了學生的靈感，澆滅學生智慧的火花，要防止學生思維的僵化，這兩者之間的平衡是教師需要斟酌和把握的，也是教學過程中的難點所在。

（三）疑慮之處

研究過程發現各種弱酸溶液中不同pH環境下，不同粒子組成百分率圖像都是沒有顯示酸的濃度的，可見粒子組成百分率和溶液濃度沒有大的聯系。這是因為一般的含氧酸有氫鍵的影響，還是像碳酸氫鈉這樣溶液本身能形成緩沖體系有關，我們還沒得到證實。

六、結束語

從平衡角度再一次認識碳酸氫鈉溶液，無論是教師的研究過程、教學過程，還是學生的學習過程，對這樣心存疑慮的問題，通過實驗探究、理論分析去解決問題的方法，是值得我們去做更多的嘗試的，嘗試的過程便是學習的過程，是科學研究的過程，是享受化學帶來愉悅的過程。

[參 考 文 獻]

[1]吳正帥，任志斌.等濃度的NaHCO3溶液和CH3COONa溶液pH比較[J].中學化學，2014（6）.

[2]謝雕，唐婭.等濃度的NaHCO3溶液和CH3COONa溶液pH比較研究[J].化學教與學，2016（2）.

（責任編輯：張華偉）