電解質溶液中微粒濃度關系的教學反思及命題建議

邵傳強

摘要：基于對2020年江蘇省高考化學第14題命題科學性問題的分析，從教學角度和命題角度反思當前關于電解質溶液中微粒濃度關系教學和評價存在的問題。結合新課標要求和新教材內容調整，提出電解質溶液中微粒濃度關系的教學要從培養學生的系統性思維入手，引導學生在定性分析、定量分析相結合過程中提升證據推理素養，并建議與之相關的評價性試題的命制要從抽象情境向真實情境轉變，測試宗旨從考察淺表知識向滲透知識內在價值轉變。

關鍵詞：電解質溶液; 微粒濃度關系; 教學反思; 命題建議

文章編號：10056629（2021）11008905

中圖分類號：G633.8

文獻標識碼：B

電解質溶液中，微粒濃度的大小關系和守恒關系融合了電離平衡、水解平衡相關知識，涉及知識面廣，是形成并發展學生的微粒觀、平衡觀和守恒觀[1]的重要平臺，也是發展學生系統性思維的重要載體。相關試題對學生的分析推理能力要求較高，是診斷學生變化觀念和平衡思想達成水平的有效手段。對電解質溶液中微粒濃度大小關系和守恒關系的定性、定量的考察，既是命題的熱點，也是許多學生難以突破的難點。筆者結合2020年江蘇省高考化學第14題，對試題的科學性、命題意圖與教學實際的關聯進行一些粗淺的探討，在此基礎上對有關電解質溶液中微粒濃度關系的教學及試題命制提出一些質疑和見解，供大家探討指正。

1 高考原題

（江蘇省2020年高考化學14題，不定項選擇）室溫下，將兩種濃度均為0.10mol·L-1的溶液等體積混合，若溶液混合引起的體積變化可忽略，下列各混合溶液中微粒物質的量濃度關系正確的是：

A. NaHCO3Na2CO3混合溶液（pH=10.30）： c（Na+）>c（HCO-3）>c（CO2-3）>c（OH-）

B.氨水NH4Cl混合溶液（pH=9.25）： c（NH+4）+c（H+）=c（NH3·H2O）+c（OH-）

C.CH3COOHCH3COONa混合溶液（pH=4.76）：

c（Na+）>c（CH3COOH）>c（CH3COO-）>c（H+）

D. H2C2O4NaHC2O4混合溶液（pH=1.68， H2C2O4為二元弱酸）：

c（H+）+c（H2C2O4）=c（Na+）+c（C2O2-4）+c（OH-）

根據江蘇省教育考試院提供的參考答案，該題正確答案為AD。

2 試題分析

本題的四個選項均以常見的緩沖溶液為命題背景，探討由等物質的量濃度的

兩種溶質組成的溶液中微粒間濃度的大小關系和守恒關系，本文討論的焦點是上述試題的選項A。

該選項的難點是對CO2-3和HCO-3平衡濃度的大小關系判斷。從命題者設定A為正確答案來看，筆者猜測命題者是期待學生沿著以下思路來分析該選項： 根據混合溶液中NaHCO3、 Na2CO3的物質的量濃度和性質就可以確定，c（Na+）、 c（HCO-3）、 c（CO2-3）、 c（OH-）相比較，必定是c（Na+）最大、c（OH-）最小;CO2-3由于發生水解會有部分轉化為HCO-3， HCO-3由于電離會有部分可轉化為CO2-3，混合后溶液的pH=10.30，主要考慮水解因素;再根據“CO2-3的水解能力強于HCO-3的水解能力，HCO-3的水解能力又強于其電離能力”這一經驗規律可判斷，該溶液中c（HCO-3）一定是大于c（CO2-3）。然而，憑借這樣的證據進行推理，所得結論可靠嗎？

不妨從定量的視角來討論c（HCO-3）與c（CO2-3）的大小關系。

在NaHCO3Na2CO3混合溶液中實際存在以下平衡： ① CO2-3+H2OHCO-3+OH-;② HCO-3+H2OH2CO3+OH-;③ HCO-3CO2-3+H+;④ 2HCO-3CO2-3+H2CO3;⑤ H2OH++OH-。上述平衡①、 ③均涉及c（HCO-3）與c（CO2-3）的定量關系，故可借助平衡①或③的平衡常數來探討二者的大小關系。由平衡③的K=Ka2可得： Ka2=c（H+）·c（CO2-3）/c（HCO-3），即c（CO2-3）/c（HCO-3）=Ka2/c（H+），室溫下pH=10.30得c（H+）=10-10.30mol·L-1，將H2CO3的Ka2代入表達式即可判斷出c（CO2-3）/c（HCO-3）的比值，進而對c（CO2-3）與c（HCO-3）的大小關系作出判斷。

然而，在查閱相關文獻資料時發現，對于H2CO3的電離平衡常數不同文獻記載存在較大差異，部分文獻資料如表1所示。

若取Ka2=5.6×10-11代入c（CO2-3）/c（HCO-3）=Ka2/c（H+），得c（CO2-3）/c（HCO-3）≈1.12，可推得c（HCO-3）c（CO2-3）。

就高考試題本身的測試結果而言，對電解質溶液中微粒濃度關系理解水平處于較低層次的考生，可能只是基于經驗進行了簡單的定性判斷而選擇了A選項;而對電解質溶液中微粒濃度關系理解水平較高的考生，對于H2CO3的二級電離平衡常數數值非常熟悉，如果從平衡常數的視角進行定量的計算推理，將Ka2=5.6×10-11代入表達式進行計算，反而會將A選項“精準”排除。

該試題存在明顯的科學性缺陷，溶液中微粒的濃度關系固然是確定的，而取自不同來源的Ka2進行定量論證，會得到兩個完全相反的結論。產生這一矛盾的原因，推測系題干中兩溶液混合后的精確pH不等于10.30所致（由緩沖溶液pH計算公式可求得理論pH=pKa2，若Ka2=5.6×10-11，則pH=10.32;若Ka2=4.7×10-11，則pH=10.25）。A選項因為缺乏H2CO3的電離平衡常數，將推理的依據僅僅建立在定性、半定量的基礎上是不嚴謹的，不僅不能實現對學生證據推理、平衡思想等學科核心素養達成水平的甄別，甚至會“誤傷”具有深厚定量分析功底和嚴謹證據推理意識的優秀考生。因此，命題者應該明確給出該條件下碳酸的電離常數數值，為學生進行嚴謹的推理提供依據。

3 教學反思

上述命題缺陷的產生，不僅與命題者對考生實際解題思路預估不周有關，也與當前關于電解質溶液中微粒濃度關系的教學現狀密不可分，甚至從某種程度上說是命題者預設的解題思路迎合了當前的教學實際。

3.1 缺乏定量意識

當前教學實踐中，大多數一線高中化學教師比較重視對弱酸、弱堿電離過程的定性、定量剖析，對鹽類水解的教學不重視從定量角度引導學生深入理解鹽類水解的基本規律。對于弱酸、弱堿電離的教學，教師會引導學生分別從電離平衡常數、電離度兩個視角進行定量分析，學生對溶液中微粒濃度的大小關系有較為精準的理解。而探討鹽類水解問題時，教學目標基本停留在定性、半定量分析的水平上，很少有教師從水解平衡常數、水解度（轉化率）的視角引導學生定量理解水解程度的大小，進而深刻認識鹽溶液中微粒濃度的大小關系。學生對水解問題的定量認識基本停留在教材“HA的酸性越弱（即電離平衡常數Ka越小），HA越難電離，則MA的水解程度就越大”[7]這一描述水平上，對于鹽溶液中微粒濃度的大小關系認識依賴于教師傳授的經驗規律，而非定量計算獲取的直觀證據。這一局面的形成，與教材內容的編排和教師的教學觀念有關。教材為了減輕學生的學業負擔，對于鹽類水解并未明確提出定量解釋的要求，教師基于當前有關試題的考察方式也自然回避了對水解問題的定量探究。事實上，對鹽類水解問題的定量研究是酸堿電離平衡和水的電離平衡定量問題的自然延伸，是對平衡思想定量理解的具體應用，不但能促進學生對水解問題的認識進階，而且有利于學生形成基于數據進行推理論證的證據意識。

令人欣喜的是，新課標和新教材在這一領域均作出了必要的調整。課程標準在相關主題的教學提示中明確指出：“關注水溶液體系的特點，結合實驗現象、數據等證據素材，引導學生形成認識水溶液中離子反應與平衡的基本思路。[8]”新人教版教材（2019年版）、新魯科版教材（2019年版）選擇性必修模塊中分別在“資料卡片”[9]和“拓展視野”[10]欄目中詳細介紹了水解平衡常數的計算和簡單應用。隨著新教材的推廣，勢必會引導教師和學生強化從定量視角審視鹽類水解的規律，對溶液中微粒濃度的認識逐步會從基于經驗向基于計算所得證據的轉變。

3.2 缺乏系統性思維

教學實踐中，對酸式鹽在溶液中各微粒的行為剖析還缺乏系統性思維。如NaHCO3溶液中的離子行為是高中化學探討鹽類水解不可回避的重要素材，教師教學中普遍關注① HCO-3+H2OH2CO3+OH-、

② HCO-3CO2-3+H+和③ H2OH++OH-這三個平衡體系，而忽視④ 2HCO-3CO2-3+H2CO3平衡體系的存在。事實上，從上述四個平衡體系的平衡常數來看，室溫下其K值依次為2.2×10-8、 4.7×10-11、 1.0×10-14、 1.0×10-4（運算中碳酸電離常數取自文獻3， Ka1=4.5×10-7， Ka2=4.7×10-11）。顯然，只關注平衡①②③而忽視④恰好忽視了溶液中最主要的平衡體系，這與科學事實是相違背的。正因為對平衡④HCO-3自耦電離的忽視，許多命題產生了科學性錯誤，如2009年上海市高考化學第17題，關于相同濃度的NaClO、 NaHCO3溶液中c（HCO-3）與c（ClO-）大小的比較，依據題干提供的數據Ka1（H2CO3）>Ka（HClO）>Ka2（H2CO3），可得水解程度NaClO>NaHCO3，故參考答案認為c（HCO-3）>c（ClO-），實際考慮HCO-3自耦電離情況下，c（HCO-3）

因此，在解決有關弱酸酸式鹽溶液中微粒濃度關系的問題過程中，既需要建立全面的變化觀念，又需要建構全面的、整體的、定量的系統分析模型。重視引導學生通過多種途徑獲取化學數據作為證據判斷同一體系中不同可逆反應的相對強弱，分清其中的主要矛盾和次要矛盾，以利于從復雜情境中找到解決問題的關鍵點。若是面對基礎比較弱的班級，也要設法讓學生知道這類問題的復雜性，避免為了強加給學生一些絕對的（甚至是錯誤的）的結論和解題規律去限制學生的發展空間。筆者嘗試按照如圖1所示的思維模型討論弱酸酸式鹽（NaHA）問題。

3.3 缺乏辯證性思維

教師在教授電解質溶液中微粒濃度比較過程中還需要引導學生建立辯證性思維。分析電解質溶液中的平衡體系，固然首先要抓住主要矛盾（即平衡常數大的平衡過程），但次要平衡是否就可以忽略，還需要辯證對待。如NaHCO3溶液中的各平衡體系：① CO2-3+H2OHCO-3+OH-（K=2.1×10-4）;② 2HCO-3CO2-3+H2CO3（K=1.0×10-4）;③ HCO-3+H2OH2CO3+OH-（K=2.2×10-8）;④ HCO-3CO2-3+H+（K=4.7×10-11）;⑤ H2OH++OH-（K=1.0×10-14）。其中平衡①、 ②固然是最主要的平衡過程，但二者平衡常數數值相差不大，且二者對HCO-3和CO2-3濃度的變化形成相互牽制，此種狀態下，次要平衡對HCO-3和CO2-3的濃度變化是否會起決定性作用？教學中并不需要要求學生掌握通過復雜計算來確定最終的結果，吳文中[14]等學者已經通過計算機軟件能精確計算各種狀態下溶液中微粒的平衡濃度，但學生在面對科學的計算結果時，能否具有辯證思維并對結果作出科學解釋的能力，是教師在教學中值得培養的。

4 命題建議

目前各類考試關于電解質溶液中微粒濃度關系的考察，測試的目的主要聚焦兩個方向。一是通過微粒濃度的大小關系考察學生對溶液中相關物質電離、水解程度相對強弱的判斷，二是通過對溶液中相關微粒的電荷守恒、物料守恒關系考察，來診斷學生守恒思想的達成水平。試題呈現方式主要有三種類型： （1）憑借經驗規律進行的溶液性質的定性判斷或對微粒濃度大小進行比較;（2）憑借溶液pH、相關常數進行的推理計算來比較微粒濃度關系;（3）憑借物種分布系數曲線圖或滴定曲線圖提供證據進行推理計算來比較微粒濃度關系。第一種呈現方式嚴重依賴學生的記憶和既有的解題經驗，對診斷和發展學生學科關鍵能力的作用有限;后兩種呈現方式較好地考察了學生的信息獲取能力、信息加工能力和基于證據進行邏輯推理等學科關鍵能力，應該是今后命題時堅持的原則之一。

新課程標準明確指出，化學學業水平考試命題必須堅持以化學學科核心素養為導向，準確把握“素養”“情境”“問題”和“知識”4個要素在命題中的定位與相互聯系，構建以化學學科核心素養為導向的命題框架[15]。審視目前關于電解質溶液的命題，普遍缺乏真實而有價值的情境，絕大多數試題建立在無情境或虛構情境的基礎上，測試的目的較多關注學生對知識的符號表征能力、內在邏輯推理能力，極少滲透知識的內在意義和育人價值。

因此，該類試題的命制，既要繼承現有命題方式中積極的元素，又需要積極堅持素養導向的變革。需要堅持以真實情境為測試載體，以實際問題為測試任務，考察學生靈活運用結構化的知識解決實際問題的能力，促進學生變化觀念與平衡思想的形成。如杭州市2019年高二期末統測試題在這一命題宗旨下做出了有益的探索：人體血液的pH需控制在7.35～7.45之間，過高過低都會引起身體不適，甚至危及生命。人體血液能維持在穩定的pH范圍主要是人體血漿中一定濃度的HCO-3和H2CO3起調節作用，按要求回答下列問題。（1）用離子方程式解釋血液呈弱堿性的原因?? ;（2）當血液的pH=7.40（即H+濃度為4.0×10-8mol·L-1）時，HCO-3和H2CO3濃度比值約為20∶1，計算此時碳酸的Ka1=?? ;查閱資料得常溫下碳酸的Ka1=4.30×10-7，解釋與計算所得數據存在差異的原因?? 。又如魯科版選擇性必修1課后習題將治療白血病的亞砷酸在溶液中存在的形態與血液的pH相關聯展開探討[16]。上述命題巧妙地將電解質溶液的平衡原理與人體生命健康相結合，既在真實背景中考察了學生需要掌握的必備知識和基于信息進行邏輯推理的關鍵能力，又突出了電解質溶液平衡體系在生命健康中的重要價值。學生經歷這樣的測試，收獲的不僅僅是寫出試題答案的喜悅，更有對化學知識在生命健康中的價值認同。

新課標出臺已三年有余，基于新課標編制的教科書也已走進課堂，踐行培育學科核心素養的教學，既需要教師扭轉觀念，努力踐行新課標理念，也離不開指向學科核心素養的命題變革發揮導向作用，育人方式的全鏈條轉變任重且道遠。

致謝： 在撰寫本文的過程中，受到杭州市基礎教育研究室教研員、浙江省特級教師陳進前老師的悉心指導，特此表示最誠摯的感謝！

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