高中化学 碧水计划之废水处理中的沉淀溶解平衡问题 第2课时 沉淀溶解平衡的调控

第2课时沉淀溶解平衡的调控【教学重点】通过比较Q和Ksp的关系，从定性和定量的角度分析沉淀溶解平衡的移动【教学难点】沉淀生成、转化的方案设计与实验探究【教学方法】问题驱动法、实验法、讨论法、讲授法等【实验用品】药品：废水（含酚酞）、1mol/LMgSO4溶液、蒸馏水、MgSO4固体、1mol/LCuSO4溶液。仪器：pH传感器、试管、一次性塑料滴管、烧杯。【教学流程设计图】情景情景/任务问题驱动知识素养分析氢氧化镁处理酸性废水的原理结合Q和Ksp的关系分析沉淀溶解的原理变化观念与平衡思想证据推理与模型认知科学探究与创新意识证据推理与模型认知探究Mg2+对废水碱性的影响6、如何设计方案进行实验验证？结合现象得出什么结论？平衡常数K沉淀转化的原理探究氢氧化镁沉降铜离子的化学原理结合Q与Ksp的关系分析沉淀生成的原理科学态度与社会责任1、氢氧化镁处理酸性废水时pH如何变化？原理是什么？

2、讨论该过程的微观原理和总反应是什么？3、如何设计方案验证镁离子对废水的影响

4、综合实验现象和pH的变化得出什么结论？微观原理是什么？

5、如果废水中铜离子被除去，形成什么物质？

7、如何衡量沉淀转化反应的程度？

宏观辨识与微观探析

【教学过程】环节一：分析氢氧化镁处理酸性废水的原理创设情境：在废水处理中，水处理剂扮演了重要的角色。氢氧化镁由于其安全、无毒、无害、使用效果好等优点被称为是“环境友好型”的绿色安全废水处理剂，可以综合酸性废水和沉降重金属离子。知识回顾：上一节课模拟了氢氧化镁处理酸性废水的过程，实验现象如图所示。图1模拟氢氧化镁处理酸性废水的实验现象知识回顾：使用传感器测定了pH的变化。图2模拟氢氧化镁处理酸性废水的pH变化图问题串1：①结合实验现象和pH曲线，分析pH是如何变化的？②原理是什么？活动1：学生基于现象和图像分析，pH先不变、加酸后pH先减小后增大、一段时间后保持不变。活动1-续：氢氧化镁先建立沉淀溶解平衡，加酸后平衡被破坏，一段时间后又重新达到平衡，说明沉淀溶解平衡是“动态平衡”。评价1：评价学生现象与原理的关联水平。（设计意图引导学生基于实验现象、数据等证据素材，认识水溶液中的离子平衡，建立与化学原理之间的关联，挖掘现象背后所蕴含的本质和规律，发展微粒观）问题2：如何判断平衡的移动方向？活动2：学生讨论，得出结论。依据浓度商Q和平衡常数Ksp的关系，当Q＞Ksp平衡逆向移动，体现为沉淀生成；Q=Ksp达到平衡状态，Q＜Ksp平衡正向移动，体现为沉淀溶解。评价2：通过学生的回答，评价已有知识的掌握和迁移水平。（设计意图基于已有的Q和平衡常数的关系，判断平衡移动的方向、分析沉淀的溶解和生成原理，从已有的对化学平衡的认识角度出发，通过知识迁移、类比分析，认识沉淀溶解平衡的本质特征和要素，发展学生的平衡观念）问题串3：①结合Q和Ksp的关系，分析Mg(OH)2处理酸性废水的原理；②为什么处理过的废水仍然呈弱碱性？③该过程的总反应是什么？活动3：小组讨论，得出规律。学生总结：废水中的H+与OH-反应生成水，使OH-的浓度降低，使Q＜Ksp[Mg(OH)2]，Mg(OH)2沉淀溶解平衡向沉淀溶解的方向移动。图3氢氧化镁处理酸性废水的微观原理图活动3-续：处理过的废水呈弱碱性，因为过量的Mg(OH)2在新的条件下继续建立沉淀溶解平衡。经过分析和讨论，明确总反应为Mg(OH)2(s)+2H+(aq)⇌Mg2+(aq)+2H2O(l)评价3：评价学生能否从定量的视角，使用沉淀溶解平衡模型分析沉淀的溶解，诊断学生能否正确使用化学用语说明反应的原理。（设计意图在定性分析的基础上，通过应用Q和Ksp的关系分析实际问题，分析沉淀溶解的微观过程和原理，从而帮助学生形成定性、定量结合的双重视角认识平衡的溶解，形成判断平衡移动方向的方法和策略。此外，考察学生能否运用化学用语进行正确的表达，提升学生符号表征的意识）环节2：研究镁离子对废水碱性的影响问题4：工厂产生的废水中除了H+之外，往往还有Mg2+、Cu2+等金属离子。过量的Mg2+会对除酸后废水的碱性产生影响吗？如何设计实验方案呢？试剂：废水（含酚酞）、1mol/LMgSO4溶液、蒸馏水；仪器：试管、一次性塑料滴管。活动4：学生讨论，师生共同设计方案。表1探究镁离子对废水碱性影响的定性实验学生实验1实验目的：探究镁离子对废水碱性的影响实验组对照组从废水中取4mL上层清液于试管，加入2mL1mol/LMgSO4溶液，振荡、观察颜色变化从废水中取4mL上层清液于试管，加入2mL蒸馏水，振荡、观察颜色变化活动4-续：完成并记录实验现象，汇报结果。实验组废水的红色比对照组浅，说明镁离子的过量存在会使废水的碱性减弱。图4探究镁离子对废水碱性的影响实验现象评价4：通过对实验方案的讨论、实验操作的点评，诊断学生方案设计和实验探究水平。（设计意图在对实验方案的讨论中，发现部分学生能设计出实验组，但无法准确地识别出实验组中硫酸镁溶液中的水也有可能对实验结果造成干扰，教师通过交流和追问的方式，使学生能够意识到控制变量在实验设计中的重要性，例如实验组和对照组药品的加入顺序、体积要控制相等，发展学生设计方案、评价方案、优化方案的能力）问题5：废水的颜色变浅，说明碱性减弱、pH减小，pH减小到多少呢？借助更加精密的仪器——pH传感器进行测定。表2探究镁离子对废水碱性影响的数字化实验数字化实验实验目的：探究镁离子对废水碱性的影响①向盛有废水的烧杯中加少量MgSO4固体，搅拌②使用pH传感器进行数据采集活动5：学生观察图像，并且描述pH的变化规律。图5探究镁离子对废水碱性的影响pH变化图活动5-续：小组讨论，归纳总结。加硫酸镁固体后，废水的碱性减弱，pH减小到9左右，然后基本不变，此时在废水中重新建立了氢氧化镁的沉淀溶解平衡。评价5：诊断学生能否基于图像解读镁离子对废水的影响。（设计意图引导学生基于宏观现象、曲线变化解读和分析微观原理过程，基于手持技术，进一步强化曲线表征的观念，从定性表征的单一手段，逐步过渡到现象定性、数据定量相结合的双重表征；在对图像的解读、规律的总结中发展学生的归纳和总结能力）问题串6：①过量的镁离子为什么会使废水的碱性减弱？分析该过程的微观原理②结合上一节课学习的内容谈一谈，有没有别的方法也能实现氢氧化镁的Q＞Ksp？活动6：学生讨论、从平衡移动的视角进行定性和定量分析。镁离子浓度增大会使氢氧化镁的Q＞Ksp，因此平衡逆向移动，废水碱性减弱。活动6-续：学生回顾知识，明确加入NaOH溶液增大OH-的浓度，也可以使氢氧化镁Q＞Ksp，导致平衡的逆向移动，现象是产生白色浑浊。评价6：诊断学生能否应用沉淀溶解平衡模型，判断水溶液体系中微粒的种类和数目的变化。（设计意图引导学生关注到原体系中微粒的种类及浓度，以及加入新的物质后体系中微粒的变化情况，调用平衡移动的规律，利用Q与Ksp的关系作为依据，借助实验手段、多角度动态分析平衡的移动过程。认识到沉淀的生成，建立平衡的逆向移动，完善沉淀溶解平衡模型，发展学生的微粒观、变化观、平衡观）环节3：探究氢氧化镁沉降铜离子的化学原理创设情境：氢氧化镁可以处理酸性废水，并且能够使废水的pH维持在9左右，是一种非常优良的水处理剂。相较于H+，废水中Cu2+的除去更加具有紧迫性，因为Cu2+是重金属离子，有毒、直接排放会造成水体的污染，工业上可以使用氢氧化镁除去废水中的Cu2+。问题串7：①如果铜离子被除去，会生成什么物质、写出反应方程式并分析反应为什么能发生？②结合下表中提供的数据，讨论在体系中存在过量氢氧化镁的情况下，为什么还能再生成氢氧化铜。活动7：讨论并写出离子方程式：Cu2+(aq)+2OH-(aq)⇌Cu(OH)2(s)，该离子反应能够发生，是因为有氢氧化铜固体生成。活动7-续：基于氢氧化镁和氢氧化铜的溶解度数据和Ksp展开讨论，发现氢氧化铜比氢氧化镁更加难溶。表3氢氧化镁和氢氧化铜相关数据物质Mg(OH)2Cu(OH)2溶解（20℃）/100cm3水9.63×10-4g1.72×10-6g溶度积Ksp约4.0×10-12约4.0×10-20评价7：诊断学生能否运用化学用语正确表示水溶液中的离子反应与平衡（设计意图丰富和发展学生对离子反应发生实质的理解，从反应发生是因为生成难溶物、到反应发生是因为生成更加难溶的物质，为后续沉淀转化的原理的学习奠定基础，并且丰富了对离子反应本质的认识角度；同时基于数据，通过对比归纳得出结论，发展学生的总结和信息整合能力）问题8：氢氧化镁真的可以除铜离子吗？如何设计方案进行验证呢？提供的药品：废水（含酚酞）、1mol/LCuSO4溶液；仪器：试管、一次性塑料滴管。活动8：师生讨论、设计方案。表4探究氢氧化镁能否沉降铜离子的实验步骤学生实验2实验目的：探究氢氧化镁沉降铜离子的化学原理实验步骤：从废水中取4mLMg(OH)2悬浊液于试管，加入2mL1mol/LCuSO4溶液，振荡后静置、观察现象活动8-续：小组合作完成实验，并进行实验汇报。静置一段时间后，试管中出现分层，上层为清液、下层为蓝色沉淀，蓝色沉淀为氢氧化铜，由此证明氢氧化镁可以除去废水中的Cu2+。图6氢氧化镁沉降铜离子实验现象评价8：评价学生实验操作能力和实验研究水平。（设计意图发展学生自主基于实验目的设计方案、基于方案进行实验、基于现象进行分析和推理的科学探究能力，发展问题解决能力）问题串9：①该过程的总反应是什么？②氢氧化铜生成的实质是什么，与氢氧化镁的沉淀溶解平衡有没有关系？活动9：学生交流，基于实验事实和已有知识进行分析归纳、得出结论。总反应为：Mg(OH)2(s)+Cu2+(aq)⇌Mg2+(aq)+Cu(OH)2(s)活动9-续：氢氧化镁沉降Cu2+的本质是氢氧化镁沉淀溶解平衡持续正向移动，使氢氧化镁转化为氢氧化铜。图7氢氧化镁沉降铜离子微观原理图评价9：基于学生对原理的解读情况，诊断学生能否自主应用平衡移动方向的判断方法，解释沉淀生成的原因。（设计意图：通过理论分析、实验验证氢氧化镁除去废水中重金属离子，认识难溶物在水中发生离子反应的实质，发展学生自主迁移和应用判断方法的能力，理解沉淀转化的实质是沉淀溶解平衡的移动；通过运用化学用语表达反应原理，落实符号表征；此外，由于氢氧化镁沉降铜离子涉及环境保护问题、贴近生活，可以极大激发学生的学习兴趣，提升对化学有用性的认识，发展科学态度与社会责任的学科核心素养）问题串10：①不同的化学反应进行的程度是不同的，有没有判断依据呢？②如何表达K？活动10：结合已有知识交流讨论，平衡常数K达到105数量级时、反应进行的很彻底，当K达到10-5数量级，反应基本不发生。活动10-续：学生书写Mg(OH)2(s)+Cu2+(aq)⇌Cu(OH)2(s)+Mg2+(aq)的平衡常数K表达式，并且带入数据进行计算。已知：已知Mg(OH)2的Ksp≈4.0×10-12，Cu(OH)2的Ksp≈4.0×10-20计算K=1.0×108，说明Mg(OH)2可以将Cu2+转化为Cu(OH)2，且反应较为彻底。评价10：诊断学生能否迁移所学知识，搭建沉淀转化的计算模型，判断反应进行的程度。（设计意图：引导学生从定性角度认识沉淀转化能够发生，过渡到从定量角度计算沉淀转化反应进行的程度，引入数学和计算思维进一步深化对转化原理的理解，发展学生的定量观念）【小结】完善研究思路、构建研究模型。在第一节课中，我们经历了寻找平衡和定量平衡的过程，在本节课中通过引入微粒对平衡进行调控，并依据Q和Ksp的关系判断平衡移动的方向，分析平衡移动的最终结果，由此完善了沉淀溶解平衡问题的认识思路。【布置作业】思考讨论：沉淀转化时，只能是难溶的电解质转化为更难溶的电解质吗？【板书设计】说明：第2课时的板书是在第1课时基础上继承与发展【教学反思】1、紧扣课标要求，发挥实验功能《普通高中化学课程标准（2017）版》提出，要通过实验的方法证明水溶液中存在的平衡，并且进行平衡移动的分析。在本课时教学中，开展基于预测、设计方案、实验论证的探究活动，发展学生的科学探究能力。在实验方式的选择中也遵循着多样化的原则，除了传统实验外，为了帮助学生更加直观、深入地了解平衡的动态过程和微观原理，还使用了pH传感器这一数字化的实验手段，使得微观过程宏观化。比如，为了探究废水中过量镁离子的存在是否会对废水的碱性产生影响，除了让学生开展定性的对照实验之外，还借助传感器进行定量的监测，使学生逐步构建起定性和定量分析的双重视角，强化了宏观、微观、符号、曲线四重表征手段。2、注重教学进阶、形成研究思路在本课时设计中，关注学生的已有基础知识，并在此基础上实现教学的进阶。在学习“第2课时沉淀溶解平衡的调控”之前，学生已具备化学平衡的相关知识，在第1课时中经历了难溶电解质的溶解、沉淀溶解平衡、定量表征的环节，能够基于实验感知沉淀溶解平衡的存在和移动。在第2课时进行内容进阶设计，引导学生不仅能从定性的视角分析平衡的移动方向，还能借助Q与Ksp的关系作为定量判据。在第1课时“寻找平衡”、“定量平衡”环节的基础上，在第2课时逐步构建“分析平衡”和“结果判断”的过程，形成完整的认识沉淀溶解平衡的思路，为学生第3课时的学习奠定基础。3