溶液中離子濃度圖像題的教學思考

江蘇 郭高峰

(作者單位：江蘇省蘇州實驗中學)

水溶液中的離子平衡是化學平衡在溶液中行為的擴展應用，涉及電離平衡、水解平衡及沉淀溶解平衡等，是每年高考化學卷中考查考生變化觀念與平衡思想核心素養必不可少的一道題。《普通高中化學課程標準(2017年版2020年修訂)》對水溶液中的離子反應與平衡的要求為：“認識弱電解質在水溶液中存在電離平衡，了解電離平衡常數的含義。認識水的電離，了解水的離子積常數，認識溶液的酸堿性及pH，掌握檢測溶液pH的方法。”近年來，以圖像為載體考查電解質溶液中離子濃度的關系在高考中高頻出現，主要涉及溶液中的相關微粒濃度或其變形形式隨pH的變化，從宏觀層面利用圖像、平衡常數等信息進行推理判斷，從微觀層面理解微粒電離、水解、沉淀等行為，體現了“宏觀辨識與微觀探析”“證據推理與模型認知”的化學核心素養。

1.試題呈現

【例1】(2020·山東卷·15)25℃時，某混合溶液中c(CH3COOH)+c(CH3COO-)=0.1 mol·L-1，lgc(CH3COOH)、lgc(CH3COO-)、lgc(H+)和lgc(OH-)隨pH變化的關系如圖1所示。Ka為CH3COOH的電離常數，下列說法正確的是

圖1

( )

A.O點時，c(CH3COOH)=c(CH3COO-)

B.N點時，pH=-lgKa

D.pH由7到14的變化過程中，CH3COO-的水解程度始終增大

【參考答案】BC

2.試題立意

2.1 命題意圖分析

試題以醋酸溶液中lgc(CH3COOH)、lgc(CH3COO-)、lgc(H+)和lgc(OH-)隨pH變化圖像為載體考查圖像的辨識和推理、電離平衡常數的計算、水解程度的變化等知識，試題呈現方式新穎，著重考查學生對溶液中離子濃度關系的理解，很好地體現了化學與數學的跨學科整合，對學生的綜合能力要求較高。

2.2 試題選項分析

2.3 圖像繪制分析

假設濃度為cmol·L-1的一元弱酸CH3COOH溶液，常溫下電離平衡常數為Ka，在水溶液中以CH3COOH和CH3COO-兩種形式存在，對應的平衡濃度分別為c(CH3COOH) 和c(CH3COO-)，即c(CH3COOH)+c(CH3COO-)=cmol·L-1。

根據pH的定義pH=-lgc(H+)可知，lgc(H+)=-pH，lgc(H+)與pH的關系是一條斜率為-1，截距為0的直線。

該圖像理解的難點是lgc(CH3COOH)隨pH的升高先幾乎不變后減小，而lgc(CH3COO-)隨pH的升高先增大后幾乎不變的原因。

當數值上c(H+)≥10Ka即pH≤pKa-1時，此時c(CH3COOH)≥10c(CH3COO-)，c(CH3COOH)≈c，即lgc(CH3COOH)=lgc，lgc(CH3COOH)與pH的關系是一條斜率為0，截距為lgc，與pH軸平行的直線。

同理不難得出lgc(CH3COO-)隨pH的升高的變化曲線是增大后幾乎不變。

基于以上分析不難看出，O點時pH=7。當c(CH3COOH)+c(CH3COO-)=0.1 mol·L-1時，N點時lgc(CH3COOH)與lgc(CH3COO-)數值上相等，橫坐標pH=-lgKa，縱坐標為-1.3。當pH=0時，lgc(CH3COOH)=lgc-pH-lg[Ka+c(H+)]=lg0.1-0-lg1=-1。

2.4 變式圖像分析

2.4.1 分布分數-pH圖

圖2 CH3COOH溶液中各微粒的δi-pH曲線

由圖2可知，δ(CH3COOH)值隨pH的增大而減小，δ(CH3COO-) 值隨pH增大而增大。

2.4.2 微粒濃度比值的對數-pH圖

圖3

2.5 拓展延伸

已知H2SO3是一種二元弱酸，常溫下Ka1(H2SO3)=1.54×10-2，pKa1=1.81；Ka2(H2SO3)=1.02×10-7，pKa1=6.99。

2.5.1 分布分數-pH圖

根據分布分數的定義：

圖4

2.5.2 微粒濃度對數-pH圖

圖5

2.4.3 微粒濃度比值的對數-pH圖

圖6

這與2017年全國卷Ⅰ第13題信息的呈現方式一致，二者的差異僅為高考題橫坐標是微粒濃度比值的對數，縱坐標是pH，但問題的分析思路高度一致。

3.思考與啟示

3.1 掌握圖像試題解題策略

溶液中離子濃度圖像多以坐標圖的形式呈現，坐標圖是用來描述某一變量(因變量)隨著另一變量(自變量)的變化行為，其優點是不但顯示了可測量的數據，還可用來預測實驗中沒有測量或無法測量的數值。溶液中離子濃度關系隨pH的變化圖像可以是直線、曲線，也可以是對稱圖形，解決此類問題一般從“標、點、線”三方面分析：一看坐標，橫、縱坐標的意義；二看點，起點、終點、拐點、交點等特殊點；三看線，線的變化的趨勢，如升高、降低、漸變、突變等，聯想相關規律做輔助線。了解圖像題解題策略，有利于培養學生結合所學知識解讀文字和圖像信息，解決新情境中問題的能力。

3.2 重視圖像類試題的研究與教學

近幾年來圖像類試題的考頻逐年遞增，這類試題難度不降反升，像2021年山東省等級考試考查了賴氨酸溶液(三元有機酸)分布系數隨pH變化的圖像。從知識角度看，電解質在水溶液中的行為是高中化學最基礎、最核心的教學內容之一，復習授課時教師需引導學生構建完善電解質溶液知識體系，對高考題的命題背景、圖像考查角度進行分析歸納，明確高考考什么，怎么考，如何變，做到心中有數。從能力角度看，考前復習需要教師引導學生建構解題模型，深入研究典型圖像，加強與數學學科之間的融合，嘗試從不同角度進行變換，不斷提高學生的圖像分析、理解和應用能力，進一步提升學生思維的嚴謹性、靈活性和深刻性。

3.3 培養信息素養提升學科理解是關鍵

教育部印發的《關于做好2022年普通高校招生工作的通知》中對2022年高考命題有明確要求：“依據高校人才選拔要求和國家課程標準，加強對關鍵能力和學科素養的考查，引導減少死記硬背和‘機械刷題’現象。”這預示新情境試題、信息素養是高考命題所追求的方向，但不變的依然是化學基礎知識和基本原理。鄭長龍教授曾說過，深刻的學科理解是高水平教師的重要特征，是高質量教學的重要保證。因此加強學科理解、強化學科深度教研是提高教學質量的必由之路。