电解质溶液中微粒浓度关系的教学反思及命题建议

邵传强

摘要：基于对2020年江苏省高考化学第14题命题科学性问题的分析，从教学角度和命题角度反思当前关于电解质溶液中微粒浓度关系教学和评价存在的问题。结合新课标要求和新教材内容调整，提出电解质溶液中微粒浓度关系的教学要从培养学生的系统性思维入手，引导学生在定性分析、定量分析相结合过程中提升证据推理素养，并建议与之相关的评价性试题的命制要从抽象情境向真实情境转变，测试宗旨从考察浅表知识向渗透知识内在价值转变。

关键词：电解质溶液; 微粒浓度关系; 教学反思; 命题建议

文章编号：10056629（2021）11008905

中图分类号：G633.8

文献标识码：B

电解质溶液中，微粒浓度的大小关系和守恒关系融合了电离平衡、水解平衡相关知识，涉及知识面广，是形成并发展学生的微粒观、平衡观和守恒观[1]的重要平台，也是发展学生系统性思维的重要载体。相关试题对学生的分析推理能力要求较高，是诊断学生变化观念和平衡思想达成水平的有效手段。对电解质溶液中微粒浓度大小关系和守恒关系的定性、定量的考察，既是命题的热点，也是许多学生难以突破的难点。笔者结合2020年江苏省高考化学第14题，对试题的科学性、命题意图与教学实际的关联进行一些粗浅的探讨，在此基础上对有关电解质溶液中微粒浓度关系的教学及试题命制提出一些质疑和见解，供大家探讨指正。

1 高考原题

（江苏省2020年高考化学14题，不定项选择）室温下，将两种浓度均为0.10mol·L-1的溶液等体积混合，若溶液混合引起的体积变化可忽略，下列各混合溶液中微粒物质的量浓度关系正确的是：

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为二元弱酸）：

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

根据江苏省教育考试院提供的参考答案，该题正确答案为AD。

2 试题分析

本题的四个选项均以常见的缓冲溶液为命题背景，探讨由等物质的量浓度的

两种溶质组成的溶液中微粒间浓度的大小关系和守恒关系，本文讨论的焦点是上述试题的选项A。

该选项的难点是对CO2-3和HCO-3平衡浓度的大小关系判断。从命题者设定A为正确答案来看，笔者猜测命题者是期待学生沿着以下思路来分析该选项： 根据混合溶液中NaHCO3、 Na2CO3的物质的量浓度和性质就可以确定，c（Na+）、 c（HCO-3）、 c（CO2-3）、 c（OH-）相比较，必定是c（Na+）最大、c（OH-）最小;CO2-3由于发生水解会有部分转化为HCO-3， HCO-3由于电离会有部分可转化为CO2-3，混合后溶液的pH=10.30，主要考虑水解因素;再根据“CO2-3的水解能力强于HCO-3的水解能力，HCO-3的水解能力又强于其电离能力”这一经验规律可判断，该溶液中c（HCO-3）一定是大于c（CO2-3）。然而，凭借这样的证据进行推理，所得结论可靠吗？

不妨从定量的视角来讨论c（HCO-3）与c（CO2-3）的大小关系。

在NaHCO3Na2CO3混合溶液中实际存在以下平衡： 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）与c（CO2-3）的定量关系，故可借助平衡①或③的平衡常数来探讨二者的大小关系。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+），室温下pH=10.30得c（H+）=10-10.30mol·L-1，将H2CO3的Ka2代入表达式即可判断出c（CO2-3）/c（HCO-3）的比值，进而对c（CO2-3）与c（HCO-3）的大小关系作出判断。

然而，在查阅相关文献资料时发现，对于H2CO3的电离平衡常数不同文献记载存在较大差异，部分文献资料如表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）。

就高考试题本身的测试结果而言，对电解质溶液中微粒浓度关系理解水平处于较低层次的考生，可能只是基于经验进行了简单的定性判断而选择了A选项;而对电解质溶液中微粒浓度关系理解水平較高的考生，对于H2CO3的二级电离平衡常数数值非常熟悉，如果从平衡常数的视角进行定量的计算推理，将Ka2=5.6×10-11代入表达式进行计算，反而会将A选项“精准”排除。

该试题存在明显的科学性缺陷，溶液中微粒的浓度关系固然是确定的，而取自不同来源的Ka2进行定量论证，会得到两个完全相反的结论。产生这一矛盾的原因，推测系题干中两溶液混合后的精确pH不等于10.30所致（由缓冲溶液pH计算公式可求得理论pH=pKa2，若Ka2=5.6×10-11，则pH=10.32;若Ka2=4.7×10-11，则pH=10.25）。A选项因为缺乏H2CO3的电离平衡常数，将推理的依据仅仅建立在定性、半定量的基础上是不严谨的，不仅不能实现对学生证据推理、平衡思想等学科核心素养达成水平的甄别，甚至会“误伤”具有深厚定量分析功底和严谨证据推理意识的优秀考生。因此，命题者应该明确给出该条件下碳酸的电离常数数值，为学生进行严谨的推理提供依据。

3 教学反思

上述命题缺陷的产生，不仅与命题者对考生实际解题思路预估不周有关，也与当前关于电解质溶液中微粒浓度关系的教学现状密不可分，甚至从某种程度上说是命题者预设的解题思路迎合了当前的教学实际。

3.1 缺乏定量意识

当前教学实践中，大多数一线高中化学教师比较重视对弱酸、弱碱电离过程的定性、定量剖析，对盐类水解的教学不重视从定量角度引导学生深入理解盐类水解的基本规律。对于弱酸、弱碱电离的教学，教师会引导学生分别从电离平衡常数、电离度两个视角进行定量分析，学生对溶液中微粒浓度的大小关系有较为精准的理解。而探讨盐类水解问题时，教学目标基本停留在定性、半定量分析的水平上，很少有教师从水解平衡常数、水解度（转化率）的视角引导学生定量理解水解程度的大小，进而深刻认识盐溶液中微粒浓度的大小关系。学生对水解问题的定量认识基本停留在教材“HA的酸性越弱（即电离平衡常数Ka越小），HA越难电离，则MA的水解程度就越大”[7]这一描述水平上，对于盐溶液中微粒浓度的大小关系认识依赖于教师传授的经验规律，而非定量计算获取的直观证据。这一局面的形成，与教材内容的编排和教师的教学观念有关。教材为了减轻学生的学业负担，对于盐类水解并未明确提出定量解释的要求，教师基于当前有關试题的考察方式也自然回避了对水解问题的定量探究。事实上，对盐类水解问题的定量研究是酸碱电离平衡和水的电离平衡定量问题的自然延伸，是对平衡思想定量理解的具体应用，不但能促进学生对水解问题的认识进阶，而且有利于学生形成基于数据进行推理论证的证据意识。

令人欣喜的是，新课标和新教材在这一领域均作出了必要的调整。课程标准在相关主题的教学提示中明确指出：“关注水溶液体系的特点，结合实验现象、数据等证据素材，引导学生形成认识水溶液中离子反应与平衡的基本思路。[8]”新人教版教材（2019年版）、新鲁科版教材（2019年版）选择性必修模块中分别在“资料卡片”[9]和“拓展视野”[10]栏目中详细介绍了水解平衡常数的计算和简单应用。随着新教材的推广，势必会引导教师和学生强化从定量视角审视盐类水解的规律，对溶液中微粒浓度的认识逐步会从基于经验向基于计算所得证据的转变。

3.2 缺乏系统性思维

教学实践中，对酸式盐在溶液中各微粒的行为剖析还缺乏系统性思维。如NaHCO3溶液中的离子行为是高中化学探讨盐类水解不可回避的重要素材，教师教学中普遍关注① HCO-3+H2OH2CO3+OH-、

② HCO-3CO2-3+H+和③ H2OH++OH-这三个平衡体系，而忽视④ 2HCO-3CO2-3+H2CO3平衡体系的存在。事实上，从上述四个平衡体系的平衡常数来看，室温下其K值依次为2.2×10-8、 4.7×10-11、 1.0×10-14、 1.0×10-4（运算中碳酸电离常数取自文献3， Ka1=4.5×10-7， Ka2=4.7×10-11）。显然，只关注平衡①②③而忽视④恰好忽视了溶液中最主要的平衡体系，这与科学事实是相违背的。正因为对平衡④HCO-3自耦电离的忽视，许多命题产生了科学性错误，如2009年上海市高考化学第17题，关于相同浓度的NaClO、 NaHCO3溶液中c（HCO-3）与c（ClO-）大小的比较，依据题干提供的数据Ka1（H2CO3）>Ka（HClO）>Ka2（H2CO3），可得水解程度NaClO>NaHCO3，故参考答案认为c（HCO-3）>c（ClO-），实际考虑HCO-3自耦电离情况下，c（HCO-3）

因此，在解决有关弱酸酸式盐溶液中微粒浓度关系的问题过程中，既需要建立全面的变化观念，又需要建构全面的、整体的、定量的系统分析模型。重视引导学生通过多种途径获取化学数据作为证据判断同一体系中不同可逆反应的相对强弱，分清其中的主要矛盾和次要矛盾，以利于从复杂情境中找到解决问题的关键点。若是面对基础比较弱的班级，也要设法让学生知道这类问题的复杂性，避免为了强加给学生一些绝对的（甚至是错误的）的结论和解题规律去限制学生的发展空间。笔者尝试按照如图1所示的思维模型讨论弱酸酸式盐（NaHA）问题。

3.3 缺乏辩证性思维

教师在教授电解质溶液中微粒浓度比较过程中还需要引导学生建立辩证性思维。分析电解质溶液中的平衡体系，固然首先要抓住主要矛盾（即平衡常数大的平衡过程），但次要平衡是否就可以忽略，还需要辩证对待。如NaHCO3溶液中的各平衡体系：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过程，但二者平衡常数数值相差不大，且二者对HCO-3和CO2-3浓度的变化形成相互牵制，此种状态下，次要平衡对HCO-3和CO2-3的浓度变化是否会起决定性作用？教学中并不需要要求学生掌握通过复杂计算来确定最终的结果，吴文中[14]等学者已经通过计算机软件能精确计算各种状态下溶液中微粒的平衡浓度，但学生在面对科学的计算结果时，能否具有辩证思维并对结果作出科学解释的能力，是教师在教学中值得培养的。

4 命题建议

目前各类考试关于电解质溶液中微粒浓度关系的考察，测试的目的主要聚焦两个方向。一是通过微粒浓度的大小关系考察学生对溶液中相关物质电离、水解程度相对强弱的判断，二是通过对溶液中相关微粒的电荷守恒、物料守恒关系考察，来诊断学生守恒思想的达成水平。试题呈现方式主要有三种类型： （1）凭借经验规律进行的溶液性质的定性判断或对微粒浓度大小进行比较;（2）凭借溶液pH、相关常数进行的推理计算来比较微粒浓度关系;（3）凭借物种分布系数曲线图或滴定曲线图提供证据进行推理计算来比较微粒浓度关系。第一种呈现方式严重依赖学生的记忆和既有的解题经验，对诊断和发展学生学科关键能力的作用有限;后两种呈现方式较好地考察了学生的信息获取能力、信息加工能力和基于证据进行逻辑推理等学科关键能力，应该是今后命题时坚持的原则之一。

新课程标准明确指出，化学学业水平考试命题必须坚持以化学学科核心素养为导向，准确把握“素养”“情境”“问题”和“知识”4个要素在命题中的定位与相互联系，构建以化学学科核心素养为导向的命题框架[15]。审视目前关于电解质溶液的命题，普遍缺乏真实而有价值的情境，绝大多数试题建立在无情境或虚构情境的基础上，测试的目的较多关注学生对知识的符号表征能力、内在逻辑推理能力，极少渗透知识的内在意义和育人价值。

因此，该类试题的命制，既要继承现有命题方式中积极的元素，又需要积极坚持素养导向的变革。需要坚持以真实情境为测试载体，以实际问题为测试任务，考察学生灵活运用结构化的知识解决实际问题的能力，促进学生变化观念与平衡思想的形成。如杭州市2019年高二期末统测试题在这一命题宗旨下做出了有益的探索：人体血液的pH需控制在7.35～7.45之间，过高过低都会引起身体不适，甚至危及生命。人体血液能维持在稳定的pH范围主要是人体血浆中一定浓度的HCO-3和H2CO3起调节作用，按要求回答下列问题。（1）用离子方程式解释血液呈弱碱性的原因   ;（2）当血液的pH=7.40（即H+浓度为4.0×10-8mol·L-1）时，HCO-3和H2CO3浓度比值约为20∶1，计算此时碳酸的Ka1=   ;查阅资料得常温下碳酸的Ka1=4.30×10-7，解释与计算所得数据存在差异的原因   。又如鲁科版选择性必修1课后习题将治疗白血病的亚砷酸在溶液中存在的形态与血液的pH相关联展开探讨[16]。上述命题巧妙地将电解质溶液的平衡原理与人体生命健康相结合，既在真实背景中考察了学生需要掌握的必备知识和基于信息进行逻辑推理的关键能力，又突出了电解质溶液平衡体系在生命健康中的重要价值。学生经历这样的测试，收获的不仅仅是写出试题答案的喜悦，更有对化学知识在生命健康中的价值认同。

新课标出台已三年有余，基于新课标编制的教科书也已走进课堂，践行培育学科核心素养的教学，既需要教师扭转观念，努力践行新课标理念，也离不开指向学科核心素养的命题变革发挥导向作用，育人方式的全链条转变任重且道远。

致谢： 在撰写本文的过程中，受到杭州市基础教育研究室教研员、浙江省特级教师陈进前老师的悉心指导，特此表示最诚挚的感谢！

参考文献：

[1][8][15]中華人民共和国教育部制定. 普通高中化学课程标准（2017年版）[S]. 北京： 人民教育出版社， 2018： 34， 78.

[2]N. N. 格林伍德. 元素化学（上册）[M]. 北京： 高等教育出版社， 1997： 452.

[3]宋天佑等. 无机化学（上册）（第二版）[M]. 北京： 高等教育出版社， 2009： 390.

[4]张祖德. 无机化学（第二版）[M]. 合肥： 中国科学技术大学出版社， 2014： 608.

[5][9]王晶等. 普通高中教科书·化学反应原理（选择性必修1）[M]. 北京： 人民教育出版社， 2019： 121， 75.

[6][10][16]王磊等. 普通高中教科书·化学反应原理（选择性必修1）[M]. 济南： 山东科学技术出版社， 2019： 136， 103， 134.

[7]王祖浩主编. 普通高中课程标准实验教科书·化学反应原理[M]. 南京： 江苏教育出版社， 2014： 82.

[11]姜广勇. NaHCO3溶液中微粒浓度的定量计算[J]. 化学教学， 2014， （4）： 72～73.

[12]袁媛， 彭雪丽. 基于数据演绎认识电解质溶液离子浓度大小[J]. 江西化工， 2020， （1）： 284～287.

[13]明正球. 由碳酸氢钠溶液中离子浓度的大小排序引起的思考[J]. 化学教与学， 2017， （3）： 75～76.

[14]吴文中. 探索计算机精确计算在高中化学研究中的应用——基于“Wolfram Mathematica”平台[J]. 化学教学， 2018， （5）： 92～97.