對(duì)高考化學(xué)熱點(diǎn)試題——酸堿型體分布圖的思考

周偉華

湖南

課題《基于微信公眾平臺(tái)的高中化學(xué)微課程設(shè)計(jì)與應(yīng)用》簡(jiǎn)介：收集高中教學(xué)過(guò)程中不同層次學(xué)生遇到的化學(xué)問(wèn)題，結(jié)合學(xué)生的學(xué)習(xí)需求，設(shè)計(jì)出特定主題的微課程資源，如論文、微專(zhuān)題、微課，利用微信公眾平臺(tái)的平臺(tái)優(yōu)勢(shì)，進(jìn)行推送和應(yīng)用，打破地域與時(shí)間的限制，讓更多孩子享受到更好的優(yōu)質(zhì)教育資源，為一線教師今后設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)微課程提供參考，打造化學(xué)教育品牌?，F(xiàn)就課題中關(guān)于弱酸與強(qiáng)堿反應(yīng)體系中酸堿型體分布圖的教學(xué)文章展示如下，供同仁參考。

弱酸與強(qiáng)堿反應(yīng)體系中酸堿型體分布圖類(lèi)的試題一直是高考化學(xué)試題中的熱點(diǎn)題型，是化學(xué)核心素養(yǎng)“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”“變化觀念與平衡思想”考查的重要載體，本文詳細(xì)剖析了幾則典型試題，從知識(shí)儲(chǔ)備、題型特征、數(shù)據(jù)獲取與解讀、模型認(rèn)知、常見(jiàn)考點(diǎn)等角度進(jìn)行了分析。建議：在教學(xué)中要注重引導(dǎo)學(xué)生建構(gòu)知識(shí)體系，把化學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)考點(diǎn)與不同信息呈現(xiàn)形式整合起來(lái)，梳理歸納常見(jiàn)考點(diǎn)問(wèn)題解決的思維模型以及思考角度和方法，掃除認(rèn)知障礙，改善思維品質(zhì)，將陳述性知識(shí)轉(zhuǎn)換為程序性知識(shí)，將程序化知識(shí)自動(dòng)化，幫助學(xué)生形成“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”的關(guān)鍵能力，跳出題海戰(zhàn)術(shù)的魔咒，使復(fù)習(xí)備課更有針對(duì)性。

一、問(wèn)題的提出

弱酸與強(qiáng)堿反應(yīng)體系中微粒分布分?jǐn)?shù)圖或微粒濃度分布圖(本文中統(tǒng)稱為酸堿型體分布圖)類(lèi)試題情境新穎、曲線簡(jiǎn)潔直觀、設(shè)問(wèn)角度深刻，對(duì)思維能力要求高，最早可以追溯到2010年浙江卷第26題，目前酸堿型體分布圖已經(jīng)成為了高考化學(xué)試題中的熱點(diǎn)題型。

酸堿型體分布圖在高考中呈現(xiàn)的結(jié)果統(tǒng)計(jì)如下表1：

續(xù)表

二、酸堿型體分布圖知識(shí)儲(chǔ)備

1.以醋酸為例，介紹醋酸與強(qiáng)堿混合時(shí)的酸堿型體分布圖相關(guān)知識(shí)儲(chǔ)備

(1)酸堿型體：以醋酸為例，它在水溶液中以CH3COOH和CH3COO-兩種型體存在。

(2)分析濃度與平衡濃度：CH3COOH和CH3COO-兩種型體總濃度稱為分析濃度，設(shè)為c總, CH3COOH和CH3COO-的平衡濃度分別為c(CH3COOH)和c(CH3COO-)。三者關(guān)系為c總= [CH3COOH]+ [CH3COO-]。

(4)分布系數(shù)：溶液中某酸堿組分型體的平衡濃度占其總濃度的分?jǐn)?shù)，即為該型體的分布系數(shù)，用符號(hào)δ表示。分布系數(shù)δ(CH3COOH)、δ(CH3COO-)推導(dǎo)如下：

當(dāng)溶液的pH發(fā)生變化時(shí)，平衡隨之移動(dòng)，以致酸堿存在形式的分布情況也跟著變化, 結(jié)合表達(dá)式可知：δ(CH3COOH)+δ(CH3COO-)=1；對(duì)于給定弱酸，分布系數(shù)僅與pH有關(guān)，與酸的分析濃度c無(wú)關(guān)；對(duì)指定酸堿而言, 物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)是c(H+)的函數(shù),控制溶液pH, 就可以控制溶液中各型體的濃度。

(6)對(duì)數(shù)函數(shù)的性質(zhì)與“化學(xué)證據(jù)”的整合：如設(shè)pC為溶液中粒子物質(zhì)的量濃度的負(fù)對(duì)數(shù),即pC(微粒)=-lgc(微粒), 則需要引導(dǎo)學(xué)生意識(shí)到：

①pC是一個(gè)減函數(shù)，微粒濃度大的pC數(shù)值?。晃⒘舛刃〉膒C數(shù)值大。

②掌握pC函數(shù)運(yùn)算的基本規(guī)則，如pC(微粒A)=pC(微粒B)，則c(微粒A)=c(微粒B)；pC(微粒)=a， 則c(微粒)=10-amol/L。

③ 分析圖象時(shí)，需要將pC數(shù)值與pC曲線變化趨勢(shì)與微粒在水溶液中的行為聯(lián)系起來(lái)，綜合考慮電離與水解平衡、三大守恒等化學(xué)學(xué)科知識(shí)。

三、酸堿型體分布圖試題題型特征及考點(diǎn)

酸堿型體分布系數(shù)圖的試題，多以弱酸與強(qiáng)堿反應(yīng)體系為載體，通常指以pH為橫坐標(biāo)，以分布系數(shù)即組分的平衡濃度占總濃度的分?jǐn)?shù)為縱坐標(biāo)，或組分濃度為縱坐標(biāo)，即分布系數(shù)與溶液pH之間的關(guān)系曲線。

此類(lèi)試題情境新穎、曲線簡(jiǎn)潔直觀、設(shè)問(wèn)角度新穎且深刻，對(duì)思維能力要求高，綜合性強(qiáng)，難度大，能加深學(xué)生對(duì)微粒在水溶液中行為以及電解質(zhì)溶液基本原理的認(rèn)識(shí)。重點(diǎn)考查學(xué)生對(duì)圖象數(shù)據(jù)獲取以及解讀能力，是落實(shí)模型認(rèn)知素養(yǎng)的重要載體。思考的起點(diǎn)在于微粒在水溶液中的行為以及電解質(zhì)溶液基本原理，即需要綜合考慮水解和電離平衡并進(jìn)行物料守恒和電荷守恒關(guān)系式判斷、離子濃度大小比較、平衡常數(shù)的表達(dá)式書(shū)寫(xiě)和計(jì)算。

1.變式常為如下幾種類(lèi)型

(1)弱酸的類(lèi)型變化：一元弱酸與強(qiáng)堿混合→二元弱酸與強(qiáng)堿混合→三元弱酸與強(qiáng)堿混合。

(2)縱坐標(biāo)變化：由分布分?jǐn)?shù)更改為組分濃度或者 pC(溶液中粒子物質(zhì)的量濃度的負(fù)對(duì)數(shù)) 。

2.常見(jiàn)的考點(diǎn)包括

(1)平衡常數(shù)的計(jì)算及表達(dá)式，如平衡常數(shù)的數(shù)量級(jí)、平衡常數(shù)的數(shù)值等。

(2)溶液中離子濃度大小比較, 如某pH時(shí)，溶液中離子濃度大小比較等。

(3)弱酸強(qiáng)堿酸式鹽溶液酸堿性的判斷。

(4)曲線對(duì)應(yīng)微粒型體的判斷。

(5)基于電解質(zhì)基本原理的不等式與等式的判斷。

(6)調(diào)節(jié)pH制備某些物質(zhì)。

3.以某二元弱酸H2R的酸堿型體分布圖為例，常見(jiàn)考點(diǎn)問(wèn)題解決的模型如下

(1)酸堿不同型體曲線的判斷：

同時(shí)引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注二元弱酸H2R與強(qiáng)堿混合體系中存在的平衡體系，引導(dǎo)學(xué)生推導(dǎo)出平衡常數(shù)之間的關(guān)系，為平衡常數(shù)的求解掃除認(rèn)知障礙，將陳述性知識(shí)轉(zhuǎn)換為程序性知識(shí)，將程序性知識(shí)轉(zhuǎn)為自動(dòng)化處理。

(2)平衡常數(shù)的求解：

圖象平衡常數(shù)的計(jì)算思維模型酸堿型體分布圖(H2R)Ka1先寫(xiě)出Ka1的表達(dá)式,尋找特殊的數(shù)據(jù)代入表達(dá)式計(jì)算,c(HR-)=c(H2R)時(shí),Ka1=c(H+) Ka2先寫(xiě)出Ka2的表達(dá)式,尋找曲線上特殊的數(shù)據(jù)代入表達(dá)式計(jì)算c(HR-)=c(H2R)時(shí),Ka2=c(H+)Kh1先求出Ka2, 利用水解平衡常數(shù)與電離平衡常數(shù)的關(guān)系求解Kh1=KwKa2Kh2先求出Ka1, 利用水解平衡常數(shù)與電離平衡常數(shù)的關(guān)系求解Kh2=KwKa1其他K先寫(xiě)出K的表達(dá)式,先嘗試用曲線上特殊的數(shù)據(jù)能否求解,或嘗試將Ka2、Kh1、Kh2 、Ka1的表達(dá)式變形求未知K值

(3)二元弱酸的酸式鹽NaHR溶液的酸堿性判斷：

圖象考點(diǎn)思維模型酸堿型體分布圖NaHR溶液的酸堿性判斷讀取溶質(zhì)主要是NaHR時(shí)對(duì)應(yīng)的pH比較HR-電離程度與水解程度的相對(duì)大小

某pH時(shí)，離子濃度的大小，通常需要先分析對(duì)應(yīng)pH的溶質(zhì)組成情況，借助圖象讀取數(shù)據(jù)直接比較濃度大小，必要時(shí)需要綜合考慮三大守恒進(jìn)行數(shù)學(xué)邏輯推理證明得出結(jié)論。

四、典型試題分析與啟示

例一.(2018衡陽(yáng)二模)設(shè)pC為溶液中粒子物質(zhì)的量濃度的負(fù)對(duì)數(shù)，即：pC=- lgc。25℃時(shí)，某濃度的H2R水溶液中，pC(H2R)、pC(HR-)、pC(R2-)隨溶液pH的變化曲線如圖所示。下列說(shuō)法正確的是

( )

A.曲線Ⅰ表明，c(R2-)隨著pH增大而逐漸增大

B.pH=1.3時(shí)，3c(R2-)+c(OH-)=10-1.3mol·L-1

C.NaHR水溶液中：c(Na+)>c(HR-)>c(OH-)>c(H+)

[答案]D

[解析]根據(jù)圖象中曲線的變化趨勢(shì)判斷出曲線代表的微粒、熟知對(duì)數(shù)函數(shù)性質(zhì)和運(yùn)算規(guī)則以及從圖象獲取數(shù)據(jù)、解釋數(shù)據(jù)是解此類(lèi)試題的三大關(guān)鍵。

具體解析：H2R溶液中存在電離平衡：

H2R溶液中，R元素的型體中H2R含量最多，其次是HR-，pH增加促進(jìn)電離平衡正向移動(dòng)，R2-逐漸增多，結(jié)合pC的函數(shù)性質(zhì)可知：

微粒濃度大的pC數(shù)值??；微粒濃度小的pC數(shù)值大。

因此可以判定：曲線Ⅰ是p[HR-]；曲線Ⅱ是p[H2R]；曲線Ⅲ是p[R2-]。

A項(xiàng)，由上述分析可知A錯(cuò)誤。

B項(xiàng)，考查電荷守恒關(guān)系式，c(HR-)+2c(R2-)+c(OH-)=c(H+)，同時(shí)由圖象可知：c(HR-)>c(R2-)，因此3c(R2-)+c(OH-)<10-1.3mol/L。

易錯(cuò)答案：B、C

易錯(cuò)提示：根據(jù)圖象中曲線的變化趨勢(shì)判斷出曲線代表的微粒以及熟知pC函數(shù)性質(zhì)和運(yùn)算規(guī)則是解題兩大關(guān)鍵。

A項(xiàng)，從平衡移動(dòng)角度分析，但是學(xué)生由于忽略了pC函數(shù)性質(zhì), 不能準(zhǔn)確判斷三條曲線代表的微粒。

B項(xiàng)，學(xué)生沒(méi)有意識(shí)到該題是考查電荷守恒的變式，亦不知道如何進(jìn)行數(shù)學(xué)放縮證明。

D項(xiàng)，學(xué)生將方程式平衡常數(shù)K的表達(dá)式寫(xiě)出來(lái)，嘗試將平衡常數(shù)表達(dá)式中的各種微粒濃度數(shù)值代入求解，但是從圖象上獲取微粒的具體濃度數(shù)值較為困難，同時(shí)缺乏拼湊已知K的表達(dá)式，變形求未知K的敏感性，因此在匆忙之間，放棄解題，隨意選擇了一個(gè)答案應(yīng)付了事。

考點(diǎn)定位：

本題考查了弱電解質(zhì)電離平衡影響因素、平衡常數(shù)的計(jì)算、二元弱酸的酸式鹽的酸堿性的判斷、數(shù)據(jù)獲取及數(shù)據(jù)解釋能力以及模型認(rèn)知能力。

啟示：

在教學(xué)中要注重引導(dǎo)學(xué)生建構(gòu)知識(shí)體系，梳理歸納常見(jiàn)考點(diǎn)問(wèn)題解決的思維模型以及思考角度和方法，掃除認(rèn)知障礙，將陳述性知識(shí)轉(zhuǎn)換為程序性知識(shí)，才能打破題海戰(zhàn)術(shù)的魔咒。

例二.[2017年浙江選考23題]25℃時(shí)，在含CH3COOH和CH3COO-的溶液中，CH3COOH、CH3COO-二者中各自所占的物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)(α)隨溶液pH變化的關(guān)系如圖所示。

下列說(shuō)法不正確的是

( )

A.在pH<4.76的溶液中，c(CH3COO-)

B.在pH=7的溶液中，α(CH3COOH)=0，α(CH3COO-)=1.0

C.在pH>4.76的溶液中，c(CH3COO-)與c(OH-)之和可大于c(H+)

D.在pH=4.76的溶液中加鹽酸，α(CH3COOH)與α(CH3COO-)之和保持不變

[答案]B

[解析]A項(xiàng)，根據(jù)圖象可判斷pH<4.76時(shí)，c(CH3COO-)

B項(xiàng)，在溶液中存在醋酸根的水解平衡以及醋酸的電離平衡，在pH=7的溶液中，醋酸分子的濃度接近0，但不為0，B錯(cuò)誤。

C項(xiàng)，溶液中的離子，除了醋酸根、氫離子、氫氧根離子外，還有K+或Na+等陽(yáng)離子, 不然哪來(lái)的醋酸根。根據(jù)電荷守恒可知，c(CH3COO-)+c(OH-)=c(H+)+nc(Mn+)，因此c(CH3COOH)與c(OH-)之和大于c(H+)。

D項(xiàng)，根據(jù)物料守恒可知，α(CH3COOH)與α(CH3COO-)之和保持不變。

易錯(cuò)答案：B、C

易錯(cuò)提示：

若直接看酸堿型體分布圖，忽視微粒在水溶液中的行為，容易對(duì)B、C選項(xiàng)出現(xiàn)誤判。B選項(xiàng)，由圖可知醋酸分子的濃度數(shù)值接近0，考慮微粒在水溶液中的行為，數(shù)值不為0，α(CH3COO-)數(shù)值接近于1，但不等于1。

五、教學(xué)啟示與思考

此類(lèi)試題曲線簡(jiǎn)潔直觀、設(shè)問(wèn)角度深刻，對(duì)思維能力要求高，考試時(shí)間緊，需要日常教學(xué)中引領(lǐng)學(xué)生關(guān)注微粒在水溶液中的行為，搭建認(rèn)知模型，整合“化學(xué)證據(jù)”和“數(shù)學(xué)模型”，如離子濃度大小比較、平衡常數(shù)的求解、強(qiáng)堿弱酸鹽酸堿性判斷等均需要綜合考慮水解與電離平衡以及物料守恒和電荷守恒，甚至必要時(shí)需要用數(shù)學(xué)放縮法、反證法進(jìn)行選項(xiàng)不等式判斷。

本文系湖南省教育科學(xué)“十三五”規(guī)劃2018年度立項(xiàng)課題《基于微信公眾平臺(tái)的高中化學(xué)微課程設(shè)計(jì)與應(yīng)用》(課題立項(xiàng)編號(hào)：XJK18QJC007)的研究成果