夯實(shí)基礎(chǔ) 深度挖掘 提升能力——淺析核心素養(yǎng)觀念下對(duì)中和滴定實(shí)驗(yàn)教學(xué)的研究

山東 劉樹領(lǐng) 王 學(xué)

近年來(lái)隨著滴定實(shí)驗(yàn)及滴定圖象試題的大量出現(xiàn)，使得對(duì)中和滴定實(shí)驗(yàn)的深度教學(xué)研究成為必然。以中和滴定實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)知識(shí)為基點(diǎn)，研究滴定曲線及pH突躍范圍，對(duì)理解指示劑選擇、用量、終點(diǎn)反應(yīng)序列關(guān)系以及構(gòu)建實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及定量分析的思維模式具有重要作用，同時(shí)在突出教材權(quán)威性前提下，對(duì)教材知識(shí)的靈活處理及深度挖掘提供了極好的案例，也對(duì)學(xué)生理解“宏觀辨識(shí)與微觀探析”“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”“科學(xué)探究與創(chuàng)新意識(shí)”等學(xué)科核心素養(yǎng)以及數(shù)形結(jié)合、宏微結(jié)合、變化與守恒等學(xué)科思想具有更深刻的引領(lǐng)與指導(dǎo)作用。

酸堿中和滴定實(shí)驗(yàn)出現(xiàn)在《化學(xué)反應(yīng)原理》教材中，是高中化學(xué)最重要的定量實(shí)驗(yàn)，也是在實(shí)際生產(chǎn)、生活中應(yīng)用較廣的一個(gè)實(shí)驗(yàn)，三個(gè)版本(人教、魯科、蘇教)教材中均將其置于實(shí)用的背景之下，以突出化學(xué)的學(xué)科核心素養(yǎng)。目前出現(xiàn)的關(guān)于滴定實(shí)驗(yàn)及電解質(zhì)溶液的考題大多源自于酸堿中和滴定的實(shí)驗(yàn)素材，因此加強(qiáng)中和滴定實(shí)驗(yàn)的深度教學(xué)研究對(duì)于提高學(xué)生化學(xué)學(xué)科素養(yǎng)及應(yīng)試能力具有重要的意義。

一、重視演示，夯實(shí)中和滴定實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)性知識(shí)教學(xué)

通過(guò)對(duì)中和反應(yīng)概念的復(fù)習(xí)，提出了中和反應(yīng)在實(shí)際生產(chǎn)、生活中具有重要的應(yīng)用，依此在滲透化學(xué)應(yīng)用及社會(huì)責(zé)任等核心素養(yǎng)知識(shí)的同時(shí)引出中和滴定實(shí)驗(yàn)主題，即通過(guò)利用已知濃度的酸(或堿)溶液測(cè)定出未知濃度的堿(或酸)溶液。筆者以0.10 mol/L的標(biāo)準(zhǔn)鹽酸溶液測(cè)定未知濃度(約為0.10 mol/L)的NaOH溶液為例，探討酸堿中和滴定實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)性教學(xué)。

1.提出問(wèn)題，激發(fā)學(xué)生思維

為了提高學(xué)生的思維能力及實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)能力，針對(duì)滴定實(shí)驗(yàn)可提出系列問(wèn)題：(1)標(biāo)準(zhǔn)NaOH溶液與待測(cè)鹽酸溶液反應(yīng)有何明顯現(xiàn)象？如何判斷二者恰好完全反應(yīng)？(2)依據(jù)何種原理計(jì)算出待測(cè)鹽酸的濃度？(3)如何進(jìn)行誤差分析(或?qū)嶒?yàn)評(píng)價(jià))？(4)應(yīng)從哪些角度思考來(lái)提高待測(cè)鹽酸濃度的精確度？通過(guò)對(duì)諸如此類問(wèn)題的引入使學(xué)生在問(wèn)題鏈中不斷思考，從而將滴定實(shí)驗(yàn)的相關(guān)知識(shí)有機(jī)連接在一起，并建立起邏輯關(guān)系。由問(wèn)題(1)能引出加入酸堿指示劑(酚酞、甲基橙試液)，通過(guò)問(wèn)題(2)(3)來(lái)引導(dǎo)出依據(jù)反應(yīng)方程式找出計(jì)算關(guān)系式及誤差分析的依據(jù)，通過(guò)問(wèn)題(4)能使學(xué)生聯(lián)想到儀器的精確度、標(biāo)準(zhǔn)液濃度的精確度、操作規(guī)范、反應(yīng)終點(diǎn)的判斷等，進(jìn)而來(lái)引出滴定管等儀器介紹的相關(guān)知識(shí)。

2.簡(jiǎn)介儀器，演示實(shí)驗(yàn)過(guò)程

滴定實(shí)驗(yàn)最主要的儀器就是滴定管，因此實(shí)驗(yàn)前應(yīng)對(duì)滴定管的類型與結(jié)構(gòu)、使用及讀數(shù)等通過(guò)實(shí)物向?qū)W生展示，讓學(xué)生觀看其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及異同點(diǎn)，并通過(guò)多媒體圖片(如圖1、圖2)進(jìn)一步強(qiáng)調(diào)其0刻度位置、使用、排空、讀數(shù)等規(guī)范操作知識(shí)點(diǎn)。通過(guò)真實(shí)實(shí)驗(yàn)來(lái)展現(xiàn)實(shí)驗(yàn)的過(guò)程，并通過(guò)多媒體圖片(如圖3)強(qiáng)調(diào)實(shí)驗(yàn)滴定時(shí)操作的關(guān)鍵點(diǎn)，以強(qiáng)化學(xué)生的規(guī)范操作能力及意識(shí)。也可在適當(dāng)機(jī)會(huì)讓學(xué)生走進(jìn)實(shí)驗(yàn)室，進(jìn)行自我設(shè)計(jì)、操作滴定實(shí)驗(yàn)以提高學(xué)生的實(shí)驗(yàn)興趣及動(dòng)手實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Α?/p>

3.歸納反思，構(gòu)建知識(shí)脈絡(luò)

二、中和滴定實(shí)驗(yàn)的深度探究

酸堿中和滴定實(shí)驗(yàn)不應(yīng)僅停留在宏觀演示上，也不應(yīng)僅僅停留在物質(zhì)性質(zhì)驗(yàn)證上，而應(yīng)從粒子結(jié)構(gòu)、性質(zhì)及隱含的反應(yīng)序列等角度給予分析與挖掘，以充分體現(xiàn)化學(xué)核心素養(yǎng)觀念及微粒觀、變化觀、構(gòu)性觀、平衡觀、守恒觀等學(xué)科思想。

1.對(duì)滴定曲線的探究

滴定曲線是理解反應(yīng)實(shí)質(zhì)的關(guān)鍵，是體現(xiàn)宏微結(jié)合、定性與定量結(jié)合、數(shù)形結(jié)合思想的重要載體，因而對(duì)于滴定曲線的探究應(yīng)予以重視。

(1)利用手持技術(shù)繪制pH曲線

取20.00 mL的待測(cè)NaOH溶液置于磁力攪拌器上面的小燒杯中，然后再滴加2滴酚酞試液，把pH電極插入到溶液的中間位置，并與pH傳感器、適配器及電腦連接起來(lái)，如圖4所示。打開磁力攪拌器攪拌并開始滴加0.10 mol/L鹽酸溶液，用pH傳感器測(cè)量溶液pH的變化，通過(guò)專用軟件可以很直觀地繪制出鹽酸溶液滴入氫氧化鈉溶液的滴定曲線(圖5)。同時(shí)為了增加對(duì)比度，按照同樣方法繪制了0.10 mol/L醋酸溶液滴入氫氧化鈉溶液的滴定曲線(圖6)，并通過(guò)平移圖5、圖6中的曲線得到圖7。

(2)pH曲線特點(diǎn)分析

在學(xué)生驚奇地看到滴定曲線變化時(shí)，很自然地觀察到pH突躍的客觀存在。說(shuō)明pH出現(xiàn)突躍現(xiàn)象是在滴定終點(diǎn)前后多加或少加1滴滴定液所致的原因后，引導(dǎo)學(xué)生分析觀察圖7。①pH突躍范圍不同：強(qiáng)酸與強(qiáng)堿互相滴定時(shí)pH突躍范圍比較大；弱酸與強(qiáng)堿或強(qiáng)酸與弱堿互相滴定時(shí)都會(huì)出現(xiàn)pH突躍范圍較小，故推知弱酸與弱堿相互滴定時(shí)pH突躍范圍更小。②pH突躍中點(diǎn)位置不同，即等當(dāng)點(diǎn)(化學(xué)計(jì)量點(diǎn))不同：強(qiáng)酸強(qiáng)堿相互滴定時(shí)等當(dāng)點(diǎn)pH為7；弱酸與強(qiáng)堿相互滴定時(shí)因鹽水解導(dǎo)致等當(dāng)點(diǎn)pH大于7；強(qiáng)酸與弱堿相互滴定時(shí)因鹽水解導(dǎo)致等當(dāng)點(diǎn)pH小于7。③曲線起點(diǎn)相同但終點(diǎn)不同：強(qiáng)酸終點(diǎn)低弱酸終點(diǎn)高，進(jìn)而推知同種堿滴定不同種等濃度酸時(shí)曲線起點(diǎn)不同，即強(qiáng)酸起點(diǎn)低、弱酸起點(diǎn)高。針對(duì)③還可以提出若把氫氧化鈉溶液滴入等濃度、等體積的鹽酸溶液、醋酸溶液時(shí)，其pH曲線的起點(diǎn)又是如何呢？這樣通過(guò)具體分析，可使學(xué)生對(duì)酸堿中和滴定的現(xiàn)象與事實(shí)產(chǎn)生深刻理解。

(3)pH突躍的定量分析

為進(jìn)一步增強(qiáng)學(xué)生數(shù)形結(jié)合思想、模型構(gòu)建能力及計(jì)算能力，深刻理解“宏觀辨識(shí)與微觀探析”“變化觀念與平衡思想”等學(xué)科素養(yǎng)內(nèi)容。在假設(shè)NaOH溶液濃度為 0.10 mol/L 時(shí)，可設(shè)計(jì)如下幾個(gè)問(wèn)題，由學(xué)生分組、合作完成。

問(wèn)題1：0.10 mol/L鹽酸溶液滴定20.00 mL 0.10 mol/L NaOH溶液時(shí)，請(qǐng)計(jì)算鹽酸體積分別為19.95 mL(即少滴1滴)、20.00 mL、20.05 mL(即多滴1滴)時(shí)，混合溶液的pH分別為多少？

問(wèn)題2：0.10 mol/L醋酸溶液(Ka=1.8×10-5)滴定20.00 mL 0.10 mol/L NaOH溶液時(shí)，請(qǐng)計(jì)算醋酸溶液體積分別為19.95 mL(即少滴1滴)、20.00 mL、20.05mL(即多滴1滴)時(shí)，混合溶液的pH分別為多少？

通過(guò)實(shí)際運(yùn)算，使學(xué)生在本質(zhì)上更能深度理解pH突躍存在的原因，理解完全中和(即等當(dāng)點(diǎn)pH)與溶液恰好呈中性是兩個(gè)不同的概念，以及溶液中存在的粒子種類及濃度大小關(guān)系，進(jìn)而逐漸養(yǎng)成運(yùn)用實(shí)驗(yàn)手段及相關(guān)數(shù)據(jù)來(lái)構(gòu)建思維模型的能力，通過(guò)數(shù)形結(jié)合、定量與定性結(jié)合策略來(lái)分析、解決相關(guān)化學(xué)問(wèn)題。

2.對(duì)指示劑選擇、用量及反應(yīng)先后的探究

在酸堿中和滴定實(shí)驗(yàn)中，指示劑的選擇、作用及用量是重要的學(xué)習(xí)內(nèi)容，但學(xué)生往往對(duì)于指示劑選擇的依據(jù)及用量問(wèn)題理解不清楚，尤其是對(duì)隱含的指示劑變色反應(yīng)序列問(wèn)題常常忽視，因而需要教師的指導(dǎo)與解惑。

(1)指示劑選擇的探究

消費(fèi)者團(tuán)體也對(duì)如何標(biāo)記基因編輯食品提出了警告。雖然美國(guó)國(guó)會(huì)通過(guò)了一項(xiàng)法律，要求食品制造商自2016年起需要明確標(biāo)識(shí)食品的轉(zhuǎn)基因成分，但是這些規(guī)定可能不適用于通過(guò)基因編輯技術(shù)新近上市的食品。

中學(xué)階段，常見的酸堿指示劑有甲基橙、酚酞、石蕊等試液，其變色范圍如下：

指示劑變色范圍(pH)酸色堿色酚酞8.2～10.0 粉紅色無(wú)色紅色甲基橙3.1～4.4 橙色紅色黃色石蕊5.0～8.0 紫色紅色藍(lán)色

通過(guò)對(duì)三種指示劑的變色范圍的了解，使學(xué)生領(lǐng)悟鹽酸滴定氫氧化鈉溶液時(shí)為何選擇酚酞或甲基橙的原因，即指示劑的選擇必須使其變色范圍處于pH突躍范圍內(nèi)(或與pH突躍范圍部分重合)，再附以人眼對(duì)紫、紅、藍(lán)色之間變化較難分辨的說(shuō)明，就易使學(xué)生形成中和滴定實(shí)驗(yàn)選擇指示劑的思維模式，即強(qiáng)酸與強(qiáng)堿互滴時(shí)選用甲基橙或酚酞試液均可；弱酸與強(qiáng)堿互滴時(shí)選用酚酞試液；強(qiáng)酸與弱堿互滴時(shí)選用甲基橙。

(2)指示劑的用量及反應(yīng)先后探究

酸堿指示劑從類別上來(lái)講屬于有機(jī)弱酸或有機(jī)弱堿，如酚酞為有機(jī)弱酸,甲基橙為有機(jī)弱堿，通過(guò)了解酸堿指示劑，使學(xué)生自然想到指示劑添加過(guò)多必然會(huì)消耗一定量待測(cè)溶液或標(biāo)準(zhǔn)溶液，太少會(huì)因顏色變化不明顯而影響終點(diǎn)判斷問(wèn)題，由此徹底理解了酸堿指示劑用量一般為 2～3 滴的原因。針對(duì)終點(diǎn)判斷問(wèn)題，提出一個(gè)容易被忽略而又涉及反應(yīng)優(yōu)先進(jìn)行問(wèn)題，即指示劑在終點(diǎn)時(shí)的變色與主要反應(yīng)相比誰(shuí)優(yōu)先進(jìn)行來(lái)激發(fā)學(xué)生的深度思考，即終點(diǎn)變色反應(yīng)后期進(jìn)行才能體現(xiàn)出其用于終點(diǎn)判斷的功能。

三、典題例析，深度感悟中和滴定實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)性與應(yīng)用性

中和滴定實(shí)驗(yàn)是各種滴定實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)，其他滴定實(shí)驗(yàn)則是對(duì)中和滴定實(shí)驗(yàn)的延伸與深化，因此通過(guò)適當(dāng)?shù)漕}訓(xùn)練對(duì)于深度理解酸堿中和滴定實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)作用具有重要的意義。

1.以滴定曲線為載體，強(qiáng)化滴定過(guò)程及終點(diǎn)判斷方法

滴定曲線不但能較好地體現(xiàn)滴定反應(yīng)過(guò)程，而且還體現(xiàn)出變化觀、微粒觀、平衡觀等學(xué)科觀念及宏微結(jié)合、數(shù)形結(jié)合、證據(jù)推理等學(xué)科素養(yǎng)內(nèi)涵。

【例1】室溫下，將1.00 0 mol·L-1鹽酸滴入20.00 mL 1.00 0 mol·L-1氨水中，溶液pH和溫度隨加入鹽酸體積變化曲線如圖8所示。下列有關(guān)說(shuō)法正確的是

( )

A.a點(diǎn)由水電離出的c(H+)=1.0×10-14mol/L

D.d點(diǎn)后，溶液溫度略下降的主要原因是NH3·H2O電離吸熱

【答案】C

【評(píng)析】形式上是雙曲線圖象題，但其考查的實(shí)質(zhì)仍是對(duì)中和滴定過(guò)程中粒子濃度變化及終點(diǎn)判斷問(wèn)題，凸顯了“宏觀辨識(shí)與微觀探析”“變化觀念與平衡思想”“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”等學(xué)科素養(yǎng)。氨水與鹽酸反應(yīng)屬于放熱反應(yīng)，因而在反應(yīng)過(guò)程中必然伴隨著溫度變化，所以溫度變化曲線上的最高點(diǎn)d點(diǎn)就表示了氨水與鹽酸恰好完全中和反應(yīng)生成氯化銨溶液,d點(diǎn)之后是鹽酸過(guò)量導(dǎo)致溶液質(zhì)量增加而出現(xiàn)溫度降低現(xiàn)象。通過(guò)此題進(jìn)一步使學(xué)生理解滴定實(shí)驗(yàn)的終點(diǎn)判斷是依據(jù)明顯的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象變化，除使用酸堿指示劑之外，還有諸如電導(dǎo)、溫度(本題)等極點(diǎn)變化來(lái)判斷終點(diǎn)方法。

2.以考查指示劑選擇為背景，強(qiáng)化反應(yīng)序列問(wèn)題

酸堿指示劑的選擇基本上憑經(jīng)驗(yàn)即可解答，但在氧化還原滴定、配位滴定、沉淀滴定實(shí)驗(yàn)中指示劑的選擇則需要理解多個(gè)反應(yīng)之間存在序列規(guī)律才能準(zhǔn)確解答。

【例2】莫爾法是一種沉淀滴定法。以K2CrO4為指示劑，用標(biāo)準(zhǔn)硝酸銀溶液滴定待測(cè)液，進(jìn)而測(cè)定溶液中Cl-的濃度。已知：

物質(zhì)AgClAgBrAgCNAg2CrO4AgSCN顏色白淺黃白磚紅白溶解度(mol·L-1)1.34×10-67.1×10-71.1×10-86.5×10-51.0×10-6

(1)滴定終點(diǎn)的現(xiàn)象是滴定最后一滴標(biāo)準(zhǔn)溶液，生成磚紅色沉淀。

A．NaCl B．BaBr2C．Na2CrO4

四、結(jié)語(yǔ)