认知冲突螺旋上升

1、 认知冲突 螺旋上升从平衡角度再认识碳酸氢钠溶液施小萍 于江浙江省桐庐中学 杭州地区 311500【摘 要】溶液中的平衡是相互影响的，从电离平衡和水解平衡的角度再认识碳酸氢钠溶液，得到三个与原有认知冲突的结论，并通过设置认知冲突，展开课堂教学，消除二轮复习中的盲点和疑点。【关键词】 电离平衡 水解平衡 碳酸氢钠溶液 认知冲突 课堂教学 “等浓度的NaHCO3溶液pH大于等浓度的 CH3COONa溶液”这一观点在中学化学中似乎已经成为定论，但我们在实验中发现并非如此。我们经探究得出了三个有悖于原有认知的结论：等浓度的NaHCO3溶液pH小于等浓度的 CH3COONa溶液NaHCO3溶液中CO32

2、-、OH-离子浓度大小关系：c(CO32-)c(OH-)常温下0.1mol/LNaHCO3溶液与等体积等浓度的BaCl2溶液混合会生成BaCO3沉淀。我们通过设置有关这三个结论的认知冲突，展开课堂教学，消除学习过程中的盲点，构建新的认知。1等浓度的NaHCO3溶液和CH3COONa溶液pH大小问题11问题发现 2015年浙江某地区高三二模考试中呈现了如下这组数据：已知在常温下测得如下6种0.1mol/L溶液的PH(见下表) 这组数据可谓是一石激起千层浪。而有关等浓度的NaHCO3溶液和CH3COONa溶液pH比较的问题，在各地模拟考以及高考试题中均有涉及。我们怀着尊重科学，尊重客观事实的态度对

3、这一问题进行了深入研究。溶质NaHCO3CH3COONaNa2CO3NaClONaCNPH8.38.811.610.311.11.2质疑阶段带着疑问我们查阅了很多资料，结果发现高中阶段的教辅资料，像学生常用的5年高考 3年模拟步步高等资料中显示的都是等浓度的NaHCO3溶液pH大于等浓度的 CH3COONa溶液，更有资料中将上述表格中8.3和8.8两个数据交换了位置，显然认为上表中的数据是错误的。而检索中国知网发现中学化学的常见核心期刊化学教学中学化学教学参考，有论文认为等浓度的NaHCO3溶液pH小于等浓度的 CH3COONa溶液1。总之说法不一而同。1.3实验探究事实是检验真理的唯一的标准

4、，而化学实验的现象便是化学学科独有的事实，我们决定发挥化学实验的强大功能，展开科学探究，用数据说话。我们用pH计分别测定0.1mol/LNaHCO3溶液、0.1mol/LCH3COONa溶液的PH值，经多次测量显示0.1mol/LNaHCO3溶液pH=8.28，0.1mol/L CH3COONa溶液pH=8.96。由此可见众多中学教辅资料上的数据是错误的。1.4理论分析碳酸氢钠溶液中存在的平衡：H2O H+ +OH- K=1.010-14HCO3- H+ +CO32- K=5.610-11HCO3- +H2O OH- +H2CO3 K=2.310-8原先认为等浓度的NaHCO3溶液pH大于等浓

5、度的 CH3COONa溶液，是做这样的分析而得出：CH3COOH的酸性强于H2CO3，所以CH3COONa的水解程度小于NaHCO3的水解程度，等浓度的盐溶液水解程度大的，溶液碱性越强。而实际上受HCO3-电离的影响，电离产生的H+中和了水解产生的OH-,使OH-离子浓度减小，pH减弱，因此等浓度的NaHCO3溶液pH小于等浓度的 CH3COONa溶液。由此可见HCO3-的电离和水解是相互影响，相互促进的，只考虑电离或者水解都是不够全面、不够严谨的。2. NaHCO3溶液中离子浓度大小问题在中学化学常见的碳酸氢钠溶液中离子浓度大小关系排序是：c(Na+)c(HCO3-)c(OH-)c(H+)c

6、(CO32-)。这种结论出现的原因还是认为NaHCO3溶液中HCO3-水解是最主要的平衡，水解产生的c(OH-)相对较大，而忽略了HCO3-电离带来的影响。实际上电离产生的H+中和了水解产生的OH-，使平衡、平衡正向移动，HCO3-的电离和水解程度都增大。用方程叠加的方法处理方程可得下列新方程，并经计算得出方程的平衡常数：HCO3- + HCO3- CO32-+ H2CO3 K= K. K/ K= 1.310-4 从平衡常数可以看出式HCO3-的自偶电离是碳酸氢钠溶液中进行程度最大的反应，根据浓度相等时，进行程度越大，所得离子浓度越大的原则，推导得出结论，碳酸氢钠溶液中离子浓度大小关系是：c(

7、Na+)c(HCO3-)c(CO32-) c(OH-)c(H+)关于NaHCO3溶液中c(CO32-)c(OH-)这一新的结论，我们也用数据计算的方法得到了证实。下图是碳酸氢钠在不同pH环境下它们不同形态的粒子的组成百分率图像：由图可知，Ka2=c(CO32-)c(H+)/c(HCO3-)=10-10.25,当pH=8.25时溶液中 c(HCO3-)/ c(CO32-)=100。0.1mol/LNaHCO3溶液中，c(HCO3-)0.1mol/L，则 c(CO32-)=10-3 mol/L, c(OH-)=10-5.75 mol/L，从数据计算的角度再一次说明NaHCO3溶液中的确是c(CO3

8、2-)c(OH-)。3. 0.1mol/LNaHCO3溶液中滴加等浓度BaCl2溶液能否产生沉淀问题经上述计算得出：0.1mol/LNaHCO3溶液中， c(CO32-)=10-3 mol/L，这相当于浓度稍微小一点的碳酸钠溶液中的CO32-的浓度，那么往0.1mol/LNaHCO3溶液滴加BaCl2溶液，能否生成沉淀呢？我们做了如下实验：0.1molL-1BaCl2溶液与0.1molL-1NaHCO3溶液等体积混合，先有少量白色沉淀，无气泡，久置沉淀量变多，并有少量气泡产生。0.1mol/LNaHCO3溶液中c(CO32-)=10-3 mol/L，加入等体积等浓度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)，能产生沉淀。由于CO32-、Ba2+的浓度都较小，所以一开始沉淀的量也较少。随着CO32-浓度的减小，自偶电离平衡正向移动，不断生成沉淀，溶液中H2CO3浓度增大，最终能观察到少量气泡。反应的离子方程式为：Ba2+2 HCO3-= BaCO3+ H2CO3。经计算可得该离子反应的平衡常数：由此可见的确存在产生沉淀的可能性。4有关碳酸氢钠溶液研究结果在课堂教学中的应用教学研究最终是为实际的课堂教学服务的，应该对课堂教学有裨益。这三个结论也是学生在长期的学习

10、过程中形成的思维定势，我们以此为切入点，通过设计符合学生认知规律的教学环节，将这一研究成果应用于课堂教学，并在2016年市级高考化学复习研讨会活动中做了公开展示，在高三二轮复习中如何消除学生的思维定势，突破教学中的盲点和疑点等方面起了示范引领的作用。现将课堂教学过程摘要如下：环节一：神奇功效的“苏打水”【情境创设】投影苏打水、苏打片的商标，显示成分为碳酸氢钠【设计说明】从生活实际引入话题：从平衡角度再认识碳酸氢钠溶液。苏打的成分是碳酸钠，为什么商标显示的是碳酸氢钠，这究竟是生活中的习惯性错误，还是另有玄机，利用第一次认知冲突激起学生的学习兴趣。 环节二：知识重现 碳酸氢钠溶液有关知识的判断【提

11、供素材】1.已知Ka(CH3COOH)=1.810-5 Ka1(H2CO3)=4.310-7 Ka2(H2CO3)=5.610-112.问题一:常温下，浓度均为0.1mol/L的NaHCO3与CH3COONa溶液pH谁大？ 请说明判断理由。常温下，0.1mol/LNaHCO3溶液中离子浓度大小顺序，请说明判断理由。判断常温下0.1mol/LNaHCO3溶液与等体积等浓度的BaCl2溶液混合会不会生成BaCO3沉淀？若不能说明理由，若能请写出离子方程式。3 演示实验：用pH计测定0.1mol/LNaHCO3溶液、CH3COONa溶液的 pH【活动设计】 教师活动 学生活动复习回顾：碳酸氢钠性质的

12、复习完成3个复习问题实验探究：测定碳酸氢钠醋酸钠溶液的pH观察演示实验，验证预测得出结论：碳酸氢钠溶液中的平衡互相影响，电离与水解存在相互促进作用得出碳酸氢钠溶液中碳酸氢根离子相互反应程度大的结论讨论交流，分析碳酸氢钠溶液pH小于预期的可能原因。【设计说明】有关碳酸氢钠溶液的性质的这三个问题对学生来讲是轻车熟路的，很快得出结论，当然学生的结论几乎全军覆没。PH值测量数据和学生原有认知产生第二次冲突，在这种“认知失衡”中，学生会有保持认知平衡的倾向，主动分析出可能是忽略了HCO3-的电离问题，找到问题的关键所在。实验的设置方面由于PH计测量溶液的PH值时，数据稳定需要比较长的时间，不利于课堂演示

13、，因此事先录制成视频，课堂内播放。环节三：知识疑惑与矛盾 根据平衡发生程度比较碳酸氢钠溶液中离子浓度【提供素材】1.碳酸氢钠溶液中存在的平衡：H2O H+ +OH- K=1.010-14 HCO3- H+ +CO32- K=5.610-11 HCO3- +H2O OH- +H2CO3 K=2.310-82.实验演示：25 0.1molL-1BaCl2溶液与0.1molL-1NaHCO3溶液等体积混合，产生白色浑浊。【活动设计】 教师活动 学生活动问题情境2：碳酸氢钠和氯化钡会不会反应生成沉淀总结比较：得出和以前不一样的离子浓度大小关系，产生疑惑问题情境1：由碳酸氢钠溶液中存在的平衡比较离子浓度

14、大小观察实验，描述现象，产生新的疑惑问题情境3：碳酸氢钠和氯化钡反应的离子方程式及平衡常数大小写出离子方程式，通过平衡常数的计算，确定该反应的程度较大【设计说明】有了环节二中等浓度的碳酸氢钠溶液pH小于醋酸钠溶液的原因分析只有，只要稍加引导，学生便能自行得出HCO3- + HCO3- CO32-+ H2CO3 K= 1.310-4 ，从而明确碳酸氢钠溶液中离子浓度大小问题，这是和学生原有认知的第三次冲突。第三次认知冲突的解决也是水到渠成的事情，符合学生的螺旋式上升的认知规律。既然平衡的相互影响促使CO32-的增大，那么有没有可能和氯化钡溶液反应产生沉淀也是自然会有的联想。实验的结果和学生原有的

15、认识产生第四次冲突。这一认知冲突在问题情境3的平衡常数的计算时得到理论上的解释。学生呈现的错误的离子方程有：CO32-+Ba2+ =BaCO32HCO3- +Ba2+ =BaCO3+H2O+CO2HCO3- +Ba2+ =BaCO3+H+这充分暴露了学生的思维上存在的遗漏：没有考虑溶液中实际大量存在的离子参加反应实验过程中没有看到明显的气泡强酸制备弱酸的基本原则。问题情境3很好的巩固了离子方程式书写的基本原则，落实了基础知识。环节四：学以致用 利用图像练习题总结本节课的三个问题。【提供素材】碳酸氢钠溶液中不同PH环境下，不同粒子组成百分率图像【活动设计】 教师活动 学生活动根据图像，从交点找到

16、碳酸的ka1、ka2问题1：求pH=8.25时，c(HCO3-)/c(CO32-)的比值问题2：若c(HCO3-)近似等于0.1mol/L，估算c(CO32-)的大小由pH=10.25的焦点找到比值关系，得出浓度比值为100由c(HCO3-)=0.1 molL-1，得出c(CO32-)=10-3 molL-1，再一次验证离子浓度大小关系【设计说明】利用图像练习题总结本节课的三个问题，落实平衡常数的计算等基础知识，同时从计算所得数据上直观认识碳酸氢钠溶液中离子浓度大小关系，强化了本节课得出的三个新的结论：之前的认识现在的认识等物质的量浓度的pH：NaHCO3CH3COONa等物质的量浓度的pH：

17、NaHCO3CH3COONa0.1mol/LNaHCO3溶液中离子浓度：c(Na+)c(HCO3-)c(OH-)c(H+)c(CO32-)0.1mol/LNaHCO3溶液中离子浓度：c(Na+)c(HCO3-)c(CO32-) c(OH-)c(H+)0.1mol/LNaHCO3与BaCl2等体积混合不会生成沉淀0.1mol/LNaHCO3与BaCl2等体积混合会生成沉淀环节五：本节课的疑惑和收获【设计说明】由于这节课所得的结论和学生原有的认知是完全相反的，学生不免有这样的疑虑：考试怎么办？我们的原则是：实事求是，尊重科学，尊重客观事实，相信高考题也是不会有科学性问题的。给学生一颗定心丸，解除学

18、生的疑虑。5总结与反思5.1研究过程我们经历了：发现问题问题质疑查阅资料实验测定理论分析数据分析得到结论等一系列过程，以实验现象为依据，以理论分析为推手，将问题层层深入，符合科学探究的一般过程。 在研究过程中，我们的最初设想是通过实验的方法直接测定碳酸氢钠溶液中碳酸根离子的浓度，但是由于现有设备的限制，没有直接用于测定碳酸根离子浓度的传感器等手持技术，因此未能直接测得数据，而是间接采用数据计算理论推导的方式来解决论题。我们研究过程中所用溶液均采用0.1mol/L，主要是考虑课堂演示实验有比较明显的现象。而实际上由于NaHCO3溶液本身是缓冲溶液，随着溶液浓度的变化，溶液pH变化幅度NaHCO3溶液要小于CH3COONa溶液，这一问题我们未展开更深入的研究2。5.2教学过程本节课课堂教学设计紧紧围绕学生原有三个错误认知展开，通过五个环节的活动，两个实验的探究，六个问题的解决，理论联系实际，消除学生的思维定势。同时让学生体验了科学探究的过程，学习了科学研究