“难溶电解质的溶解平衡的应用”教学设计

文章编号:1005-6629(2010)03-0043-05 中图分类号:G633.8 文献标识码:B

1 教材分析

本节课的基于人教版选修4《化学反应原理》第三章第四节“难溶电解质的溶解平衡”的第二部分“沉淀的溶解和转化”,侧重于如何运用难溶电解质的溶解平衡解决在生产生活中的实际问题,同时也使学生通过学习更为透彻理解在溶液中发生离子反应的原理,认识沉淀转化的本质。

2 教学对象分析

学生通过第一课时的学习,已初步理解并能描述难溶电解质的溶解平衡,已了解难溶电解质溶解平衡的特征和影响平衡移动的几个因素,以及溶度积常数。同时,学生也已具备一定的实验操作技能和合作、交流、表达能力,能对实验现象及结果作出初步分析、推理、归纳的能力。

3 教学目标

3.1 知识与技能

①使学生能够运用平衡移动的观点对沉淀的溶解、转化过程进行分析。

②知道沉淀转化的本质并能够对相关实验的现象以及生产、生活中的一些相关问题进行解释。

③培养学生的知识迁移能力、实验探究能力和逻辑推理能力。

3.2 过程与方法

①初步建立解决沉淀溶解平衡问题的一般思路,尝试运用微粒观、动态观、定量观分析沉淀溶解平衡的相关问题。在知识的应用过程中养成科学的态度,获得科学的方法。

②以数据和拓展阅读材料让学生明确沉淀转化的条件和在实际中的应用。使学生主动地体验探究过程,通过探究实验和引导分析尝试运用师生合作探究、查阅资料等分析沉淀溶解平衡的相关问题。

3.3 情感态度与价值观

①通过对生产、生活中与沉淀溶解平衡有关的某些现象的讨论,使学生体会到化学对于提高人类生活质量、促进社会发展的作用。以激发学生学习的热情。

②通过沉淀的溶解和转化及其应用知识的学习,认识其中蕴涵的透过现象看本质和由特殊到一般的辩证唯物主义观点。

4 教学重难点

4.1 教学重点

沉淀转化的基本原理(实质、方法、 解决沉淀溶解平衡问题的基本思路)

4.2 教学重难点

沉淀转化的实质

5教学方法和手段

实验探究和理论分析相结合

小组合作讨论、学生探究实验、多媒体课件展示等

6设计思路

本节课采用实验、讨论和理论分析推理相结合的教学方式,以创设情景 引入新课设计实验 合作探究分析推理 总结规律 方法导引 学以致用巩固新知 拓展提升”等环节组织教学活动,引导学生通过实验、讨论、分析、归纳出沉淀溶解和转化的基本原理、实质和方法,形成解决沉淀溶解平衡相关问题的基本思路,并对相关实验现象以及生产生活、科学研究中的一些相关问题进行解释。

本课将教材中沉淀溶解和转化的两个验证性实验改为探究实验,教师给出实验用品,学生分组讨论设计实验方案,以小组的形式交流方案,最终得出实验方案。并在教师的引导下小组协作完成实验。在实验探究中培养学生的合作能力、实验操作能力、分析问题、解决问题的能力以及探究的意识。

7教学过程

7.1创设情景 引入新课

[引入]情景1:多媒体展示一组人体肾结石图片,并对肾结石的主要成因作一简短说明(主要成因:饮水少,天气炎热等原因造成尿液中Ca2+浓度增高,Ca2+与尿液中的草酸盐和磷酸盐等结合生成难溶电解质CaC2O4和Ca3 (PO4)2。)

情景2:多媒体展示一组龋齿图片,视频播放一段含氟牙膏广告。

[设疑]问题1:日常生活中预防肾结石形成的主要措施有哪些?

问题2:龋齿的形成原因是什么?含氟牙膏为什么能防止龋齿?

设计意图:创设情景,从生活事例导入新课,激发学生的学习兴趣,使学生产生学习的需要,并引导学生带着问题进入本节知识的学习。

7.2 设计实验 合作探究

教师引导学生回忆并书写氢氧化镁沉淀溶解平衡的表达式。

Mg(OH)2(s)Mg2+(aq)+2OH-(aq)

[提问]若使氢氧化镁沉淀溶解,可以采取什么方法?依据什么原理?

[学生]小组讨论交流,得出结论。

原理:根据勒夏特列原理,使沉淀溶解平衡向溶解方向移动

方法:设法不断移去溶解平衡体系中的相应离子Mg2+和OH-,使平衡向沉淀溶解的方向移动。如加入酸等。

设计意图:复习巩固已学的知识,为新知识的学习作好铺垫。

[设疑]如何设计探究实验使氢氧化镁沉淀溶解呢?

[布置探究任务]教师引导学生利用提供的试剂(蒸馏水、盐酸、饱和NH4Cl溶液、NaOH溶液、MgCl2溶液、Na2CO3溶液、FeCl3溶液酚酞试液),分组讨论,设计可行的实验方案。

[学生] 分小组设计实验方案(教师巡视,发现学生的问题及时纠正,并提示学生进行对比实验设计)。

[学生]以小组为单位,代表发言,全班交流实验方案。

[投影]实验方案:分别向少许等量的氢氧化镁沉淀中加入蒸馏水、盐酸、饱和NH4Cl溶液、FeCl3溶液和Na2CO3溶液。(见表1)

[学生] 以小组为单位完成实验,观察并将实验现象填写在学案的实验记录表中。写出氢氧化镁沉淀溶解的化学方程式。

Mg(OH)2+2HCl=MgCl2+2H2O

Mg(OH)2+2NH4Cl=MgCl2+2NH3・H2O

[提问]如何应用平衡移动原理分析、解释实验②、③中发生的反应,并从中找出使沉淀溶解的规律?

[学生]分小组讨论,代表发言,全班交流。

[引导学生分析] 加入盐酸时,H+与OH-中和生成水,使c(OH-)减小, Mg(OH)2的溶解平衡向右移动, 从而使Mg(OH)2溶解。加入NH4Cl时,NH4+与OH-结合,生成弱电解质NH3・H2O(NH3・H2O在水中比Mg(OH)2更难电离出OH-), 使c(OH-)减小,Mg(OH)2的溶解平衡向右移动, 从而使Mg(OH)2溶解。

[投影小结]沉淀溶解的原理:根据勒夏特列原理,使沉淀溶解平衡向溶解方向移动。

沉淀溶解的方法:设法不断移去溶解平衡体系中的相应离子,使平衡向沉淀溶解的方向移动。

设计意图:本实验的设计是将教材的实验3-3和实验3-5合二为一,并将其改为局部开放的探究实验,其设计目的:(1)节省了课堂实验的时间;(2)学生根据教师提供实验试剂,设计③、④、⑤三个实验方案,以探究Mg(OH)2能否与不同浓度的盐溶液反应?这样提高了学生的实验设计能力,也增强了学生进行探究实验的欲望。

当学生在实验中观察到白色的氢氧化镁沉淀可以转化为红褐色沉淀时,与学生原有的认知发生冲突,这样就会激发学生的学习动机,使思维保持积极的活跃状态。同时,为引入下一个问题沉淀的转化埋下伏笔。

[过渡]实验④白色的氢氧化镁沉淀中加入氯化铁溶液后,为什么会有红褐色沉淀生成?而实验⑤中加入碳酸钠溶液后,为什么白色沉淀无明显溶解现象?能否用平衡移动原理解释?

[设疑]一种难溶物转化为另一种难溶物的实质和条件是什么呢?

[追问]AgCl、AgI、Ag2S三种难溶物质间能相互转化吗?

[布置探究任务]教师引导学生利用提供的试剂(硝酸银溶液、碘化钾溶液、氯化钠溶液、硫化钠溶液,以上溶液浓度均为0.1 mol・L-1)分组讨论、设计实验方案。

[学生] 分小组讨论设计实验方案,并以小组为单位交流实验方案,形成以下三个探究实验方案进行探究。(见表2、表3、表4)

[投影]方案1

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[学生]合作完成实验,边做边记录实验现象,填写学案记录表。小组派代表汇报实验现象。并尝试性分析实验现象。

[投影]方案1:产生白色沉淀;白色沉淀慢慢转化为黄色沉淀;黄色沉淀又慢慢转化为黑色沉淀。

方案2:产生黄色沉淀;后沉淀不再变化。

方案3:产生黑色沉淀;后沉淀不再变化。

7.3 分析推理 总结规律

[提问]请利用沉淀溶解平衡的相关知识和所提供的溶解度数据对实验现象进行解释或提出质疑。(组间交流)(已知25 ℃时AgCl、 AgI、Ag2S 的溶解度分别是1.5×10-4 g 、 2.1×10-7 g 、1.3×10-16 g)

[引导分析]

方案1中的沉淀转化过程为 AgCl AgI Ag2S

AgCl(s)Ag+ (aq)+ Cl- (aq)

AgI(s)Ag+ (aq)+I- (aq)

KI(s) = I- (aq)+K+ (aq) K2S(s)=S2- (aq)+K+ (aq)

AgI(s) Ag2S(s)

AgCl(s) + I- (aq)AgI(s)+Cl-

S(AgCl)=1.5×10-4 g S(AgI)=2.1×10-7 g

2AgI(s)+S2- Ag2S+2I-

S(AgI)=2.1×10-7 gS(Ag2S)=1.3×10-16 g

[结论]沉淀转化的实质:沉淀溶解平衡的移动;

沉淀转化的条件:难溶电解质转化成更加难溶的物质。

[追问]沉淀物间的转化是否与其溶度积常数有关?(已知25 ℃时,AgCl、AgI和Ag2S的Ksp分别为1.8×10-10、8.3×10-17、1.6×10-49)

[学生]对照数据分析并得出结论:溶度积常数大的沉淀转化为溶度积常数小的沉淀。(提醒:溶解度和溶度积常数Ksp均能反映物质在水中的溶解能力,但两者的关系并不是简单的正比关系。)

[投影小结]沉淀的转化

实质:沉淀溶解平衡的移动(是一种特殊形式,尽管原有的沉淀并没有完全转化为可溶物的形式)

规律:一般来说,溶解能力相对较弱的物质能转化为溶解能力相对较强的物质。溶解度相差越大,转化的趋势越大。

设计意图:如何引导学生通过实验探究、交流讨论、分析推理等得出沉淀转化的原理、实质和方法是本节课的重点,也是难点。教学中注意将感性认识与理性分析相结合、定性分析与定量判断相结合,充分利用知识的逻辑进行分析推理、层层递进,促进了问题解决。通过学生设计探究实验,讨论实验方案并小组合作完成实验,充分调动学生的参与意识,同时培养了学生分析、归纳、总结的能力。培养了小组合作学习能力和团队精神。

[设疑] 当两种难溶物溶解能力差别不大时, 溶解能力相对较弱的物质在一定条件下能否化为溶解能力相对较强的物质?

重晶石(主要成分BaSO4)是制备可溶性钡盐的重要原料,但BaSO4既不溶于水也不溶于酸。那么,工业上该如何解决这个难题的呢?(已知25 ℃时,BaSO4和BaCO3的Ksp分别为1.1×10-10、5.1×10-9)

[引导分析] 工业上用饱和Na2CO3溶液处理即可转化为易溶于酸的BaCO3。

BaSO4(s) Ba2+ (aq)+SO42-(aq)

+

CO32- (aq)

BaCO3 (s)

总的离子方程式为: BaSO4(s)+CO32-(aq)

BaCO3 (s)+SO42- (aq)

从溶解度数据可知,虽然BaSO4比BaCO3更难溶于水,BaSO4的Ksp稍小于BaCO3的Ksp。但在CO32-浓度较大的溶液中,BaSO4溶解于水中的Ba2+ 能与CO32-结合形成BaCO3沉淀。转化过程是用饱和Na2CO3溶液处理BaSO4沉淀,待达到平衡后,移走上层溶液;再加入饱和Na2CO3溶液,重复处理多次,使绝大部分BaSO4转化为BaCO3;最后加入盐酸,Ba2+即转入到溶液中。

[结论]当CO32-的浓度达到SO42-浓度的一定倍数时,就可实现由BaSO4转化成BaCO3沉淀。

[投影小结]一定条件下,溶解能力相对较弱的物质能转化为溶解能力相对较强的物质。

设计意图:尽管BaSO4比BaCO3更难溶于水,BaSO4的Ksp也稍小于BaCO3的Ksp,但工业生产中可以采用一定的条件使BaSO4转化为BaCO3。通过创设此工业生产情境,与学生的已有认知形成冲突,激发了学生的求知欲,同时也让学生体会到矛盾的普遍性和特殊性的关系。

7.4方法导引 学以致用

沉淀的转化在生活中的应用

[过渡] 沉淀的转化在生活、生产和科学研究中有哪些应用?

[引导学生分析]迁移解决如下问题:

[问题 1]预防人体肾结石的主要措施有哪些?

每天饮用大量水,大量饮水可稀释尿液,使CaC2O4和Ca3(PO4)2的溶解平衡向着溶解的方向进行,可以防止或延缓尿结石的形成……

[问题2] 龋齿的形成原因?为什么使用含氟牙膏可防止龋齿?(已知Ca5(PO4)3F的溶解度比Ca5(PO4)3 OH更小)

牙齿表面由一层硬的组成为Ca5(PO4)3OH的难溶物质保护着,它在唾液中存在下列平衡:

Ca5(PO4)3OH(s)5Ca2+(aq)+3PO43-(aq)+OH-(aq)

进食后,细菌和酶作用于食物,产生有机酸,这时牙齿就会受到腐蚀,其原因是发酵生成的有机酸能中和OH-,使平衡向脱矿方向移动,加速腐蚀牙齿。

牙膏里的氟离子会与Ca5(PO4)3OH反应,形成的氟磷灰石更能抵抗酸的侵蚀, 使牙齿更坚固。离子方程式为:

Ca5(PO4)3OH(s)+F-(aq) Ca5(PO4)3F(s)+OH-(aq)

设计意图:前后呼应,运用新知,体现学以致用的新课程理念。

沉淀的转化在工业生产上的应用

[投影]锅炉除水垢

锅炉水垢既会降低燃料的利用率,造成能源浪费,也会影响锅炉的使用寿命,形成安全隐患,因此要定期去除锅炉水垢。水垢中含有的CaSO4可先用Na2CO3溶液处理,使之转化为疏松、易溶于酸的CaCO3,然后再用酸去除。

(1)请分析将水垢中含有的CaSO4转化为CaCO3的原理。

(2)写出除去水垢中含有的CaSO4的化学方程式和离子方程式。(已知CaSO4和CaCO3的溶解度分别为2.1×10-1 g和7.1×10-4 g,CaSO4和CaCO3的溶度积常数分别为7.1×10-5和2.8×10-9)

[引导分析]CaSO4(s) Ca2+ (aq)+SO42- (aq)

+

CO32- (aq)

CaCO3 (s)

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总的离子方程式为:CaSO4(s)+CO32-(aq)

CaCO3 (s)+SO42- (aq)

化学方程式为:CaSO4(s) + Na2CO3(aq)

CaCO3 (s) +Na2SO4(aq)

在加Na2CO3溶液之前,CaSO4的溶解与沉淀处于平衡状态,加入Na2CO3溶液之后,CO32-与Ca2+结合生成CaCO3沉淀;同时溶液中Ca2+的减少又使 CaSO4的溶解平衡向右移动,CaSO4逐渐溶解。只要加入的Na2CO3足量,上述过程就可连续进行,直至大部分CaSO4转化为CaCO3。

[投影]工业废水处理

在工业废水的处理过程中, 常用FeS(s)、 MnS(s)等难溶物作为沉淀剂除去废水中的Cu2+、Hg2+、Pb2+等重金属离子,试用平衡移动原理解释原因?写出FeS(s)与废水中的Cu2+、Hg2+、Pb2+的反应离子方程式。

已知:Ksp(FeS)=6.3×10-18Ksp(CuS)=1.3×10-36

Ksp(HgS)=6.4×10-53Ksp(PbS)=3.4×10-28

[引导学生分析]比较以上几种难溶物的Ksp的大小,应用沉淀转化的规律,写出以下沉淀转化的离子方程式。

FeS(s)+Cu2+(aq) = CuS(s)+ Fe2+ (aq)

FeS(s)+Hg2+(aq) = HgS(s)+ Fe2+ (aq)

FeS(s)+Pb2+(aq) = PbS(s)+ Fe2+ (aq)

设计意图:综合运用沉淀溶解平衡知识解决工业生产中的实际问题,使学生深化对沉淀溶解平衡的相关应用问题的认识,了解化学对人类生产、生活的贡献,加深对化学学科价值的理解。

7.5 巩固新知 拓展提升

[布置课后作业]在粗制CuSO4・5H2O 晶体中常

含有多种杂质, 根据以下数据(见表5)和信息,回答以下问题。

除杂可供选择的试剂:

调节pH的试剂:氨水、氢氧化钠、氧化铜、碱式碳酸铜

氧化剂:HNO3、 KMnO4、 Cl2、 NaClO、 H2O2等

(注:Fe2+的氢氧化物呈絮状,不易从溶液中除去,所以常将它氧化成为Fe3+, 生成Fe(OH)3沉淀而去除之。)

问题1:如何除去CuSO4溶液中的少量Fe3+?

问题2:如何除去CuSO4溶液中的少量Fe2+和Fe3+?

设计意图:本题是根据人教版教材练习第2题改编的,将问题分为两部分,并给出了除杂所需的试剂和解题可能用到的一些数据。这样设计体现了思维的梯度,同时训练学生信息加工的能力。本题是一道物质分离题,主要考查学生如何选择合适的沉淀剂、如何通过控制沉淀剂的浓度使不同的离子依次转化为沉淀等。

8教学反思

本节课围绕难溶电解质的溶解平衡在生活、生产和科学研究中的广泛应用,依据教材进行了创造性的教学设计,从实验着手,设计问题,层层深入,在积极引导学生开展讨论交流、增加互动的同时,重视训练学生的科学思维方法,注意引导学生从直观(实验现象)到抽象(溶解度大小和溶度积常数大小),透过现象,比较、分析、归纳出沉淀转化的本质。

教学过程遵循有效教学的原则,注意充分发挥学生的主体作用和教师的“认知教练”角色,将传统的讲授法与探究式教学、合作学习融合,重视学生的参与,重视知识的形成过程,培养学生小组合作的能力和实验探究能力以及分析信息、应用信息、处理信息的能力,体现了新课程学以致用的理念,体现了化学与生活、生产、医学等密切的联系。

本节课的问题情境都是真实的。教学时由“景”入“境”,形成了有利于学生开展自主、合作、探究学习的问题情境,问题的内涵丰富,值得思考,具有启发性和教育意义,有效地实现了“问题驱动”。

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