認(rèn)知沖突螺旋上升

1、 認(rèn)知沖突 螺旋上升從平衡角度再認(rèn)識(shí)碳酸氫鈉溶液施小萍 于江浙江省桐廬中學(xué) 杭州地區(qū) 311500【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(rèn)識(shí)碳酸氫鈉溶液，得到三個(gè)與原有認(rèn)知沖突的結(jié)論，并通過設(shè)置認(rèn)知沖突，展開課堂教學(xué)，消除二輪復(fù)習(xí)中的盲點(diǎn)和疑點(diǎn)。【關(guān)鍵詞】 電離平衡 水解平衡 碳酸氫鈉溶液 認(rèn)知沖突 課堂教學(xué) “等濃度的NaHCO3溶液pH大于等濃度的 CH3COONa溶液”這一觀點(diǎn)在中學(xué)化學(xué)中似乎已經(jīng)成為定論，但我們?cè)趯?shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)并非如此。我們經(jīng)探究得出了三個(gè)有悖于原有認(rèn)知的結(jié)論：等濃度的NaHCO3溶液pH小于等濃度的 CH3COONa溶液NaHCO3溶液中CO32

2、-、OH-離子濃度大小關(guān)系：c(CO32-)c(OH-)常溫下0.1mol/LNaHCO3溶液與等體積等濃度的BaCl2溶液混合會(huì)生成BaCO3沉淀。我們通過設(shè)置有關(guān)這三個(gè)結(jié)論的認(rèn)知沖突，展開課堂教學(xué)，消除學(xué)習(xí)過程中的盲點(diǎn)，構(gòu)建新的認(rèn)知。1等濃度的NaHCO3溶液和CH3COONa溶液pH大小問題11問題發(fā)現(xiàn) 2015年浙江某地區(qū)高三二?？荚囍谐尸F(xiàn)了如下這組數(shù)據(jù)：已知在常溫下測(cè)得如下6種0.1mol/L溶液的PH(見下表) 這組數(shù)據(jù)可謂是一石激起千層浪。而有關(guān)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(xué)，尊重客觀事實(shí)的態(tài)度對(duì)

3、這一問題進(jìn)行了深入研究。溶質(zhì)NaHCO3CH3COONaNa2CO3NaClONaCNPH8.38.811.610.311.11.2質(zhì)疑階段帶著疑問我們查閱了很多資料，結(jié)果發(fā)現(xiàn)高中階段的教輔資料，像學(xué)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(gè)數(shù)據(jù)交換了位置，顯然認(rèn)為上表中的數(shù)據(jù)是錯(cuò)誤的。而檢索中國(guó)知網(wǎng)發(fā)現(xiàn)中學(xué)化學(xué)的常見核心期刊化學(xué)教學(xué)中學(xué)化學(xué)教學(xué)參考，有論文認(rèn)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。1.3實(shí)驗(yàn)探究事實(shí)是檢驗(yàn)真理的唯一的標(biāo)準(zhǔn)

4、，而化學(xué)實(shí)驗(yàn)的現(xiàn)象便是化學(xué)學(xué)科獨(dú)有的事實(shí)，我們決定發(fā)揮化學(xué)實(shí)驗(yàn)的強(qiáng)大功能，展開科學(xué)探究，用數(shù)據(jù)說話。我們用pH計(jì)分別測(cè)定0.1mol/LNaHCO3溶液、0.1mol/LCH3COONa溶液的PH值，經(jīng)多次測(cè)量顯示0.1mol/LNaHCO3溶液pH=8.28，0.1mol/L CH3COONa溶液pH=8.96。由此可見眾多中學(xué)教輔資料上的數(shù)據(jù)是錯(cuò)誤的。1.4理論分析碳酸氫鈉溶液中存在的平衡：H2O H+ +OH- K=1.010-14HCO3- H+ +CO32- K=5.610-11HCO3- +H2O OH- +H2CO3 K=2.310-8原先認(rèn)為等濃度的NaHCO3溶液pH大于等濃

5、度的 CH3COONa溶液，是做這樣的分析而得出：CH3COOH的酸性強(qiáng)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(qiáng)。而實(shí)際上受HCO3-電離的影響，電離產(chǎn)生的H+中和了水解產(chǎn)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(jìn)的，只考慮電離或者水解都是不夠全面、不夠嚴(yán)謹(jǐn)?shù)摹?. NaHCO3溶液中離子濃度大小問題在中學(xué)化學(xué)常見的碳酸氫鈉溶液中離子濃度大小關(guān)系排序是：c(Na+)c(HCO3-)c(OH-)c(H+)c

6、(CO32-)。這種結(jié)論出現(xiàn)的原因還是認(rèn)為NaHCO3溶液中HCO3-水解是最主要的平衡，水解產(chǎn)生的c(OH-)相對(duì)較大，而忽略了HCO3-電離帶來的影響。實(shí)際上電離產(chǎn)生的H+中和了水解產(chǎn)生的OH-，使平衡、平衡正向移動(dòng)，HCO3-的電離和水解程度都增大。用方程疊加的方法處理方程可得下列新方程，并經(jīng)計(jì)算得出方程的平衡常數(shù)：HCO3- + HCO3- CO32-+ H2CO3 K= K. K/ K= 1.310-4 從平衡常數(shù)可以看出式HCO3-的自偶電離是碳酸氫鈉溶液中進(jìn)行程度最大的反應(yīng)，根據(jù)濃度相等時(shí)，進(jìn)行程度越大，所得離子濃度越大的原則，推導(dǎo)得出結(jié)論，碳酸氫鈉溶液中離子濃度大小關(guān)系是：c(

7、Na+)c(HCO3-)c(CO32-) c(OH-)c(H+)關(guān)于NaHCO3溶液中c(CO32-)c(OH-)這一新的結(jié)論，我們也用數(shù)據(jù)計(jì)算的方法得到了證實(shí)。下圖是碳酸氫鈉在不同pH環(huán)境下它們不同形態(tài)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(dāng)pH=8.25時(shí)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(shù)據(jù)計(jì)算的角度再一次說明NaHCO3溶液中的確是c(CO3

8、2-)c(OH-)。3. 0.1mol/LNaHCO3溶液中滴加等濃度BaCl2溶液能否產(chǎn)生沉淀問題經(jīng)上述計(jì)算得出：0.1mol/LNaHCO3溶液中， c(CO32-)=10-3 mol/L，這相當(dāng)于濃度稍微小一點(diǎn)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(shí)驗(yàn)：0.1molL-1BaCl2溶液與0.1molL-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(chǎn)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(

9、CO32-)c(Ba2+)=0.510-30.05=2.510-5, ksp(BaCO3)=2.5810-9 ，Qc大于ksp(BaCO3)，能產(chǎn)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(dòng)，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(yīng)的離子方程式為：Ba2+2 HCO3-= BaCO3+ H2CO3。經(jīng)計(jì)算可得該離子反應(yīng)的平衡常數(shù)：由此可見的確存在產(chǎn)生沉淀的可能性。4有關(guān)碳酸氫鈉溶液研究結(jié)果在課堂教學(xué)中的應(yīng)用教學(xué)研究最終是為實(shí)際的課堂教學(xué)服務(wù)的，應(yīng)該對(duì)課堂教學(xué)有裨益。這三個(gè)結(jié)論也是學(xué)生在長(zhǎng)期的學(xué)習(xí)

10、過程中形成的思維定勢(shì)，我們以此為切入點(diǎn)，通過設(shè)計(jì)符合學(xué)生認(rèn)知規(guī)律的教學(xué)環(huán)節(jié)，將這一研究成果應(yīng)用于課堂教學(xué)，并在2016年市級(jí)高考化學(xué)復(fù)習(xí)研討會(huì)活動(dòng)中做了公開展示，在高三二輪復(fù)習(xí)中如何消除學(xué)生的思維定勢(shì)，突破教學(xué)中的盲點(diǎn)和疑點(diǎn)等方面起了示范引領(lǐng)的作用。現(xiàn)將課堂教學(xué)過程摘要如下：環(huán)節(jié)一：神奇功效的“蘇打水”【情境創(chuàng)設(shè)】投影蘇打水、蘇打片的商標(biāo)，顯示成分為碳酸氫鈉【設(shè)計(jì)說明】從生活實(shí)際引入話題：從平衡角度再認(rèn)識(shí)碳酸氫鈉溶液。蘇打的成分是碳酸鈉，為什么商標(biāo)顯示的是碳酸氫鈉，這究竟是生活中的習(xí)慣性錯(cuò)誤，還是另有玄機(jī)，利用第一次認(rèn)知沖突激起學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。 環(huán)節(jié)二：知識(shí)重現(xiàn) 碳酸氫鈉溶液有關(guān)知識(shí)的判斷【提

11、供素材】1.已知Ka(CH3COOH)=1.810-5 Ka1(H2CO3)=4.310-7 Ka2(H2CO3)=5.610-112.問題一:常溫下，濃度均為0.1mol/L的NaHCO3與CH3COONa溶液pH誰大？ 請(qǐng)說明判斷理由。常溫下，0.1mol/LNaHCO3溶液中離子濃度大小順序，請(qǐng)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(huì)不會(huì)生成BaCO3沉淀？若不能說明理由，若能請(qǐng)寫出離子方程式。3 演示實(shí)驗(yàn)：用pH計(jì)測(cè)定0.1mol/LNaHCO3溶液、CH3COONa溶液的 pH【活動(dòng)設(shè)計(jì)】 教師活動(dòng) 學(xué)生活動(dòng)復(fù)習(xí)回顧：碳酸氫鈉性質(zhì)的

12、復(fù)習(xí)完成3個(gè)復(fù)習(xí)問題實(shí)驗(yàn)探究：測(cè)定碳酸氫鈉醋酸鈉溶液的pH觀察演示實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證預(yù)測(cè)得出結(jié)論：碳酸氫鈉溶液中的平衡互相影響，電離與水解存在相互促進(jìn)作用得出碳酸氫鈉溶液中碳酸氫根離子相互反應(yīng)程度大的結(jié)論討論交流，分析碳酸氫鈉溶液pH小于預(yù)期的可能原因。【設(shè)計(jì)說明】有關(guān)碳酸氫鈉溶液的性質(zhì)的這三個(gè)問題對(duì)學(xué)生來講是輕車熟路的，很快得出結(jié)論，當(dāng)然學(xué)生的結(jié)論幾乎全軍覆沒。PH值測(cè)量數(shù)據(jù)和學(xué)生原有認(rèn)知產(chǎn)生第二次沖突，在這種“認(rèn)知失衡”中，學(xué)生會(huì)有保持認(rèn)知平衡的傾向，主動(dòng)分析出可能是忽略了HCO3-的電離問題，找到問題的關(guān)鍵所在。實(shí)驗(yàn)的設(shè)置方面由于PH計(jì)測(cè)量溶液的PH值時(shí)，數(shù)據(jù)穩(wěn)定需要比較長(zhǎng)的時(shí)間，不利于課堂演示

13、，因此事先錄制成視頻，課堂內(nèi)播放。環(huán)節(jié)三：知識(shí)疑惑與矛盾 根據(jù)平衡發(fā)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：H2O H+ +OH- K=1.010-14 HCO3- H+ +CO32- K=5.610-11 HCO3- +H2O OH- +H2CO3 K=2.310-82.實(shí)驗(yàn)演示：25 0.1molL-1BaCl2溶液與0.1molL-1NaHCO3溶液等體積混合，產(chǎn)生白色渾濁?！净顒?dòng)設(shè)計(jì)】 教師活動(dòng) 學(xué)生活動(dòng)問題情境2：碳酸氫鈉和氯化鋇會(huì)不會(huì)反應(yīng)生成沉淀總結(jié)比較：得出和以前不一樣的離子濃度大小關(guān)系，產(chǎn)生疑惑問題情境1：由碳酸氫鈉溶液中存在的平衡比較離子濃度

14、大小觀察實(shí)驗(yàn)，描述現(xiàn)象，產(chǎn)生新的疑惑問題情境3：碳酸氫鈉和氯化鋇反應(yīng)的離子方程式及平衡常數(shù)大小寫出離子方程式，通過平衡常數(shù)的計(jì)算，確定該反應(yīng)的程度較大【設(shè)計(jì)說明】有了環(huán)節(jié)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有，只要稍加引導(dǎo)，學(xué)生便能自行得出HCO3- + HCO3- CO32-+ H2CO3 K= 1.310-4 ，從而明確碳酸氫鈉溶液中離子濃度大小問題，這是和學(xué)生原有認(rèn)知的第三次沖突。第三次認(rèn)知沖突的解決也是水到渠成的事情，符合學(xué)生的螺旋式上升的認(rèn)知規(guī)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(yīng)產(chǎn)生沉淀也是自然會(huì)有的聯(lián)想。實(shí)驗(yàn)的結(jié)果和學(xué)生原有的

15、認(rèn)識(shí)產(chǎn)生第四次沖突。這一認(rèn)知沖突在問題情境3的平衡常數(shù)的計(jì)算時(shí)得到理論上的解釋。學(xué)生呈現(xiàn)的錯(cuò)誤的離子方程有：CO32-+Ba2+ =BaCO32HCO3- +Ba2+ =BaCO3+H2O+CO2HCO3- +Ba2+ =BaCO3+H+這充分暴露了學(xué)生的思維上存在的遺漏：沒有考慮溶液中實(shí)際大量存在的離子參加反應(yīng)實(shí)驗(yàn)過程中沒有看到明顯的氣泡強(qiáng)酸制備弱酸的基本原則。問題情境3很好的鞏固了離子方程式書寫的基本原則，落實(shí)了基礎(chǔ)知識(shí)。環(huán)節(jié)四：學(xué)以致用 利用圖像練習(xí)題總結(jié)本節(jié)課的三個(gè)問題。【提供素材】碳酸氫鈉溶液中不同PH環(huán)境下，不同粒子組成百分率圖像【活動(dòng)設(shè)計(jì)】 教師活動(dòng) 學(xué)生活動(dòng)根據(jù)圖像，從交點(diǎn)找到

16、碳酸的ka1、ka2問題1：求pH=8.25時(shí)，c(HCO3-)/c(CO32-)的比值問題2：若c(HCO3-)近似等于0.1mol/L，估算c(CO32-)的大小由pH=10.25的焦點(diǎn)找到比值關(guān)系，得出濃度比值為100由c(HCO3-)=0.1 molL-1，得出c(CO32-)=10-3 molL-1，再一次驗(yàn)證離子濃度大小關(guān)系【設(shè)計(jì)說明】利用圖像練習(xí)題總結(jié)本節(jié)課的三個(gè)問題，落實(shí)平衡常數(shù)的計(jì)算等基礎(chǔ)知識(shí)，同時(shí)從計(jì)算所得數(shù)據(jù)上直觀認(rèn)識(shí)碳酸氫鈉溶液中離子濃度大小關(guān)系，強(qiáng)化了本節(jié)課得出的三個(gè)新的結(jié)論：之前的認(rèn)識(shí)現(xiàn)在的認(rèn)識(shí)等物質(zhì)的量濃度的pH：NaHCO3CH3COONa等物質(zhì)的量濃度的pH：

17、NaHCO3CH3COONa0.1mol/LNaHCO3溶液中離子濃度：c(Na+)c(HCO3-)c(OH-)c(H+)c(CO32-)0.1mol/LNaHCO3溶液中離子濃度：c(Na+)c(HCO3-)c(CO32-) c(OH-)c(H+)0.1mol/LNaHCO3與BaCl2等體積混合不會(huì)生成沉淀0.1mol/LNaHCO3與BaCl2等體積混合會(huì)生成沉淀環(huán)節(jié)五：本節(jié)課的疑惑和收獲【設(shè)計(jì)說明】由于這節(jié)課所得的結(jié)論和學(xué)生原有的認(rèn)知是完全相反的，學(xué)生不免有這樣的疑慮：考試怎么辦？我們的原則是：實(shí)事求是，尊重科學(xué)，尊重客觀事實(shí)，相信高考題也是不會(huì)有科學(xué)性問題的。給學(xué)生一顆定心丸，解除學(xué)

18、生的疑慮。5總結(jié)與反思5.1研究過程我們經(jīng)歷了：發(fā)現(xiàn)問題問題質(zhì)疑查閱資料實(shí)驗(yàn)測(cè)定理論分析數(shù)據(jù)分析得到結(jié)論等一系列過程，以實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象為依據(jù)，以理論分析為推手，將問題層層深入，符合科學(xué)探究的一般過程。 在研究過程中，我們的最初設(shè)想是通過實(shí)驗(yàn)的方法直接測(cè)定碳酸氫鈉溶液中碳酸根離子的濃度，但是由于現(xiàn)有設(shè)備的限制，沒有直接用于測(cè)定碳酸根離子濃度的傳感器等手持技術(shù)，因此未能直接測(cè)得數(shù)據(jù)，而是間接采用數(shù)據(jù)計(jì)算理論推導(dǎo)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(shí)驗(yàn)有比較明顯的現(xiàn)象。而實(shí)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。5.2教學(xué)過程本節(jié)課課堂教學(xué)設(shè)計(jì)緊緊圍繞學(xué)生原有三個(gè)錯(cuò)誤認(rèn)知展開，通過五個(gè)環(huán)節(jié)的活動(dòng)，兩個(gè)實(shí)驗(yàn)的探究，六個(gè)問題的解決，理論聯(lián)系實(shí)際，消除學(xué)生的思維定勢(shì)。同時(shí)讓學(xué)生體驗(yàn)了科學(xué)探究的過程，學(xué)習(xí)了科學(xué)研究