高中化學(xué) 碧水計劃之廢水處理中的沉淀溶解平衡問題 第1課時 沉淀溶解平衡的建立

第1課時沉淀溶解平衡的建立【教學(xué)重點】1.沉淀溶解平衡的建立2.溶度積概念【教學(xué)難點】沉淀溶解平衡的建立【教學(xué)方法】問題驅(qū)動法、實驗法、討論法、講授法【實驗用品】藥品：Mg(OH)2固體、蒸餾水、酚酞試劑、Mg(OH)2懸濁液的上層清液、NaOH溶液、稀硫酸。儀器：pH傳感器、磁力攪拌器、試管、燒杯、一次性塑料滴管、藥匙?！窘虒W(xué)流程】情景/任務(wù)情景/任務(wù)問題驅(qū)動知識素養(yǎng)1、難溶性的Mg(OH)2如何使水體呈弱堿性？難溶電解質(zhì)的溶解宏觀辨識微觀探析證據(jù)推理變化觀念模型認知平衡思想科學(xué)精神社會責(zé)任2、難溶性的Mg(OH)2如何使酸性廢水呈弱堿性？3、難溶性的Mg(OH)2如何使酸性廢水長時間呈弱堿性？氫氧化鎂作為優(yōu)良的酸性廢水處理劑，能夠長時間保持其弱堿性的原理探究沉淀溶解平衡是“動態(tài)可逆”沉淀溶解平衡圖1學(xué)生收集常見酸性廢水處理劑信息【課堂教學(xué)】創(chuàng)設(shè)情境：在剛剛閉幕的二十大會議上，習(xí)近平主席再次提出了“綠水青山就是金山銀山”的理念。其實自2005年8月時任浙江省委書記的習(xí)近平同志在余村考察時首次提出“綠水青山就是金山銀山”的理念以來，以習(xí)近平同志為核心的黨中央以前所未有的力度狠抓國家生態(tài)文明建設(shè)。時隔15年，我國生態(tài)環(huán)境保護發(fā)生了歷史性、轉(zhuǎn)折性、全局性的變化，打好了藍天、碧水、凈土的保衛(wèi)戰(zhàn)，美麗中國建設(shè)邁出重大步伐。在這場空前戰(zhàn)役中，化學(xué)學(xué)科做出了巨大貢獻。比如在處理酸性廢水的過程中，良好的水處理劑就為碧水的實現(xiàn)提供了強有力的支撐。問題探討：通過同學(xué)們的課前收集，大家了解到了許多關(guān)于酸性廢水處理劑的知識，老師將這些材料整理繪制成了表格。通過對比，選擇較為優(yōu)良的水處理劑。表1四種酸性廢水中和劑比較回答：從反應(yīng)時間上看，氫氧化鎂與酸性廢水反應(yīng)適中；從安全性上看，它是一個安全物料，沒有任何危險；從溶解性上看，氫氧化鎂做為難溶電解質(zhì)能夠長時間存在于水體中。此外，當(dāng)氫氧化鎂投放過量時水體最高pH約為9，而且能夠長時間保持水體pH約為9，這一點恰恰符合了國家的排放標(biāo)準(zhǔn)6-9之間。通過對比發(fā)現(xiàn)，較其他常見酸性廢水處理劑，氫氧化鎂更加優(yōu)良。環(huán)節(jié)一：感知難溶電解質(zhì)的溶解問題1：通過對比發(fā)現(xiàn)氫氧化鎂作為優(yōu)良水處理劑的其中一個優(yōu)點是能夠長時間保持酸性廢水的弱堿性（pH約為9），難溶的氫氧化鎂是如何使酸性廢水保持一定的堿性？活動1：學(xué)生討論后回答，可能有一部分氫氧化鎂在水中溶解，電離產(chǎn)生OH-。評價1：教師根據(jù)學(xué)生回答的情況進行引導(dǎo)，并評價學(xué)生對物質(zhì)溶解與電離的掌握情況。（設(shè)計意圖：利用學(xué)生認知的局限性，根據(jù)酸性廢水處理中的實例，設(shè)置問題沖突-難溶的氫氧化鎂是如何使酸性廢水保持一定的弱堿性（pH約為9），引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題，并利用類比的學(xué)習(xí)方法，尋找解決問題的途徑。初步感受沉淀也可能存在溶解，為后續(xù)學(xué)習(xí)活動的展開做好鋪墊。）環(huán)節(jié)二：發(fā)現(xiàn)難溶電解質(zhì)的溶解平衡問題2：活動探究（一）設(shè)計實驗證實Mg(OH)2存在溶解過程?；顒?：小組討論如何設(shè)計實驗證實難溶電解質(zhì)氫氧化鎂存在溶解過程，由小組代表交流討論結(jié)果，并互相評價。再組內(nèi)分工合作，共同完成對難溶電解質(zhì)氫氧化鎂可能存在溶解過程的探究。表2證實Mg(OH)2存在溶解過程的實驗方案學(xué)生實驗1設(shè)計實驗證實Mg(OH)2存在溶解過程①取1藥匙氫氧化鎂粉末于試管中，滴加4mL蒸餾水充分振蕩，觀察現(xiàn)象。②滴入2滴酚酞試劑振蕩，觀察現(xiàn)象。實驗現(xiàn)象：①取1藥匙氫氧化鎂粉末于試管中，滴加4mL蒸餾水充分振蕩后還是沒有看到很明顯的溶解。②滴入2滴酚酞試劑振蕩，發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)了明顯的紅色。圖2驗證Mg(OH)2存在溶解過程現(xiàn)象實驗結(jié)論：氫氧化鎂作為難溶電解質(zhì)還是能夠溶解在水中的，只是同學(xué)們猜測溶解的程度不大?？偨Y(jié)歸納：難溶的氫氧化鎂能夠使水體呈堿性評價2：根據(jù)學(xué)生實驗設(shè)計和操作過程，評價學(xué)生設(shè)計、動手實驗?zāi)芰σ约靶〗M合作的能力。（設(shè)計意圖：通過學(xué)生設(shè)計實驗證實氫氧化鎂存在溶解過程Mg(OH)2(s)?Mg2+(aq)+2OH-(aq)，幫助學(xué)生認識難溶電解質(zhì)氫氧化鎂能夠使水體呈堿性。同時引導(dǎo)學(xué)生重新理解沉淀的概念，體會沉淀是難溶物，但不是絕對的不溶，只是溶解度比較小而已。）問題3：既然大家猜測氫氧化鎂在水中的溶解程度不大，如何進行直觀驗證？活動3：教師介紹pH傳感器的工作原理-連接電腦的pH傳感器可以將溶液中的pH變化情況以曲線的形式顯示在電腦屏幕上。稍后老師將向盛有蒸餾水的燒杯中加入1藥匙氫氧化鎂粉末充分攪拌，檢測氫氧化鎂懸濁液的pH。請同學(xué)們注意觀察①溶液pH曲線的變化情況。②燒杯中氫氧化鎂固體的溶解情況。學(xué)生仔細觀察實驗現(xiàn)象，并結(jié)合數(shù)據(jù)分組討論，小組代表交流討論結(jié)果，互相評價。實驗現(xiàn)象：pH曲線不斷上升，最后維持在pH約為10的水平。數(shù)字化實驗1檢測氫氧化鎂懸濁液的pH①向盛有蒸餾水的燒杯中加入1藥匙氫氧化鎂粉末充分攪拌。②使用pH傳感器進行數(shù)據(jù)采集。表3測定Mg(OH)2懸濁液pH的數(shù)字化實驗圖3氫氧化鎂懸濁液pH計讀數(shù)變化實驗結(jié)論：pH曲線不斷上升說明難溶電解質(zhì)氫氧化鎂可以溶解于水中，并電離產(chǎn)生OH-。后來曲線維持在pH約為10的水平，也就是溶液中OH-的濃度約為10-4mol?L-1，而此時燒杯中仍有大量氫氧化鎂粉末未見溶解。這一點恰恰驗證了剛才同學(xué)們的猜測-難溶電解質(zhì)氫氧化鎂在水中的溶解程度不大。評價3：在學(xué)生結(jié)合實驗數(shù)據(jù)分析宏觀現(xiàn)象背后的微觀原因時診斷學(xué)生從微觀角度分析問題的能力?？偨Y(jié)歸納：難溶的氫氧化鎂能夠使水體呈弱堿性（pH約為10）（設(shè)計意圖：通過數(shù)字化實驗驗證同學(xué)們的猜測-難溶電解質(zhì)氫氧化鎂在水中的溶解程度不大，解決了難溶的氫氧化鎂能夠使水體呈弱堿性的問題。引導(dǎo)學(xué)生從宏微兩個角度認識沉淀的溶解過程，幫助學(xué)生樹立宏微結(jié)合的探究思想，同時為后續(xù)學(xué)習(xí)活動的展開做好鋪墊。）問題4：分析pH曲線中出現(xiàn)的平臺的意義?；顒?：分組討論，小組代表交流討論結(jié)果，并互相評價。討論結(jié)果：①氫氧化鎂溶解形成飽和溶液時，OH-離子濃度不再改變。②在前面化學(xué)平衡的學(xué)習(xí)中，由c-t圖像某一時刻各物質(zhì)濃度不再改變，得出一個可逆反應(yīng)達到了平衡狀態(tài)。而這里的平臺表示OH-的濃度不變，通過類推猜測可能是氫氧化鎂的溶解達到了動態(tài)平衡。評價4：評價學(xué)生對數(shù)據(jù)的分析能力。（設(shè)計意圖：通過深挖平臺的意義，將學(xué)生從對觀察現(xiàn)象的低階思維轉(zhuǎn)化為解釋說明的高階思維，引導(dǎo)學(xué)生思考pH曲線中出現(xiàn)的平臺可能意味著存在平衡過程，激發(fā)學(xué)生進一步探究的欲望。）問題5：活動探究（二）設(shè)計實驗證實Mg(OH)2存在沉淀溶解平衡活動5：小組討論，互相評價。分工合作，根據(jù)提供的儀器和藥品，共同完成氫氧化鎂存在溶解平衡的探究。表4Mg(OH)2存在沉淀溶解平衡的實驗步驟學(xué)生實驗2Mg(OH)2存在沉淀溶解平衡實驗對照實驗①取4mL氫氧化鎂懸濁液的上層清液于試管中。①取5mL氫氧化鎂懸濁液的上層清液于試管中做對比。②向其中滴加1mL氫氧化鈉溶液，振蕩觀察現(xiàn)象。實驗現(xiàn)象：取4mL氫氧化鎂懸濁液的上層清液于試管中，向其中滴加1mL氫氧化鈉溶液，振蕩后發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)渾濁現(xiàn)象。圖4證實Mg(OH)2存在溶解平衡現(xiàn)象實驗結(jié)論：溶液中的Mg2+和OH-生成了沉淀氫氧化鎂，即Mg2+(aq)+2OH-(aq)?Mg(OH)2(s)評價5：根據(jù)學(xué)生交流討論情況，評價學(xué)生對化學(xué)平衡移動原理的掌握程度，診斷學(xué)生利用平衡移動原理解決平衡驗證的遷移應(yīng)用能力。（設(shè)計意圖：以對具體問題的討論分析帶動原理的學(xué)習(xí)，引導(dǎo)學(xué)生利用平衡移動的一般規(guī)律進一步揭示沉淀溶解平衡現(xiàn)象，診斷并發(fā)展學(xué)生對難溶電解質(zhì)的溶解平衡的認識進階。）沉淀溶解平衡：（1）定義：在一定溫度下，難溶電解質(zhì)溶于水時，固體溶解的速率與溶液中離子生成該固體的速率相等時，即達到沉淀溶解平衡狀態(tài)。（2）符號表征：（設(shè)計意圖：相對于直接給出沉淀溶解平衡的概念，讓學(xué)生通過分析pH曲線中出現(xiàn)的平臺背后的意義，創(chuàng)設(shè)問題引發(fā)學(xué)生深度思考，引導(dǎo)學(xué)生自己提出疑問、設(shè)計實驗驗證，進而得出沉淀溶解平衡的定義。更能進一步加深學(xué)生對該平衡的理解，同時培養(yǎng)學(xué)生學(xué)會分析數(shù)據(jù)、處理數(shù)據(jù)的能力。）環(huán)節(jié)三：定量表征難溶電解質(zhì)的沉淀溶解平衡問題6：在前面化學(xué)平衡的學(xué)習(xí)中，我們知道平衡過程都存在平衡常數(shù)，試著寫出沉淀溶解平衡常數(shù)的表達式活動6：書寫沉淀溶解平衡常數(shù)表達式，理解其含義。（3）溶度積：Ksp=cm()cn()評價6：通過學(xué)生回答情況，診斷學(xué)生遷移化學(xué)平衡認知模型的能力。（設(shè)計意圖：通過引導(dǎo)學(xué)生將化學(xué)平衡認知模型遷移到新的沉淀溶解平衡上，完成對沉淀溶解平衡從定性認識層面上升到定量分析層面的轉(zhuǎn)化，發(fā)展了學(xué)生的定量觀念。）問題7：常溫下氫氧化鎂的溶度積為多少?活動7：小組討論如何計算。學(xué)以致用：經(jīng)測定，常溫下氫氧化鎂懸濁液中的c(OH)為2.0×10-4mol?L-1，試著計算氫氧化鎂的溶度積。Mg(OH)2OH-Mg2+21∵2.0×10-4mol?L-1∴1.0×10-4mol?L-1Ksp=c(Mg2+)c2(OH-)=(1.0×10-4mol?L-1)×(2.0×10-4mol?L-1)2=4.0×10-12mol3?L-3評價7：根據(jù)學(xué)生的回答，診斷學(xué)生通過認知模型解決問題的能力。（設(shè)計意圖：從化學(xué)平衡常數(shù)到溶度積常數(shù)的延申，發(fā)展了學(xué)生的知識關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)化水平，使學(xué)生進一步認識到平衡問題可以借助定量工具進行分析，為后續(xù)探究Mg(OH)2為何能使酸性廢水保持弱堿性pH約為9做好鋪墊。）環(huán)節(jié)四：體會難溶電解質(zhì)溶解平衡的應(yīng)用問題8：經(jīng)過前面的探究，我們已經(jīng)知道氫氧化鎂水溶液本身具有弱堿性（pH為10左右）那么它是如何使酸性廢水保持一定的弱堿性（pH為9左右）？活動8：活動探究（三）模擬Mg(OH)2處理酸性廢水過程。表5模擬Mg(OH)2處理酸性廢水的實驗步驟學(xué)生實驗3模擬Mg(OH)2處理酸性廢水過程向?qū)W生實驗1后的試管中滴加少許稀硫酸，振蕩，觀察現(xiàn)象。實驗現(xiàn)象：向?qū)W生實驗1后的氫氧化鎂懸濁液中滴加少許稀硫酸，振蕩后紅色褪去。靜置一段時間后又變成了紅色，但這次的紅色較之前淺了一些。圖5模擬Mg(OH)2處理酸性廢水現(xiàn)象實驗結(jié)論：溶液的堿性較之前有所減弱。評價8：診斷學(xué)生實驗驗證能力以及分析問題、解決問題的能力。（設(shè)計意圖：通過直觀的實驗現(xiàn)象，建立氫氧化鎂進入酸性廢水中體系pH有所下降的概念，為后續(xù)探究做好鋪墊。）問題9：如何從微觀角度認識氫氧化鎂處理酸性廢水過程？活動9：學(xué)生仔細觀察實驗現(xiàn)象，結(jié)合數(shù)據(jù)分析討論。數(shù)字化實驗2檢測模擬Mg(OH)2處理酸性廢水后溶液的pH向數(shù)字化實驗1后的氫氧化鎂懸濁液中滴加少許稀硫酸，檢測pH。表6檢測Mg(OH)2處理酸性廢水后pH的數(shù)字化實驗實驗現(xiàn)象：向數(shù)字化實驗1后的氫氧化鎂懸濁液中滴加少許稀硫酸以后，pH曲線急劇下降后又逐漸上升，最后維持在pH約為9附近。圖6模擬Mg(OH)2處理酸性廢水后溶液pH計讀數(shù)變化實驗結(jié)論：向氫氧化鎂懸濁液中加入少許稀硫酸以后，H+中和溶液中的OH-，導(dǎo)致溶液中OH-濃度急劇下降，溶液pH急劇下降。后來由于溶液中OH-的濃度下降，使得氫氧化鎂固體的溶解平衡正向移動，直到在新的條件下建立起一個新的平衡。在這個過程中，由于溫度不變，氫氧化鎂的溶度積Ksp不變，新條件下由于溶液中Mg2+的濃度上升，所以O(shè)H-的濃度較之前有所下降，這樣就出現(xiàn)了pH曲線平臺由10向9移動的趨勢。歸納總結(jié)：難溶的氫氧化鎂能夠使酸性廢水呈弱堿性（pH約為9）評價9：診斷學(xué)生宏微結(jié)合的探究能力以及數(shù)據(jù)分析能力。（設(shè)計意圖：通過實驗驗證，使學(xué)生了解到氫氧化鎂可以通過溶解平衡的移動使酸性廢水保持在弱堿性（pH約為9），體會到化學(xué)對于“碧水實現(xiàn)”的重要貢獻，發(fā)展了學(xué)生對化學(xué)學(xué)科價值的認知水平。）問題10：水體在存放過程中如果再次被酸化污染，氫氧化鎂粉末的存在還能否保持水體的這種弱堿性？活動10：向上述氫氧化鎂懸濁液中再次滴加少許稀硫酸，觀察溶液pH曲線的變化情況。實驗現(xiàn)象：再次向氫氧化鎂懸濁液中滴加少量稀硫酸以后，由于H+消耗了溶液中的OH-，使得pH曲線急劇下降。后來氫氧化鎂在新條件下再次建立起溶解平衡。而我們發(fā)現(xiàn)pH曲線平臺與第一次滴加稀硫酸達到的平臺基本一致。圖7模擬處理后的水體再次酸化后溶液pH計讀數(shù)變化實驗結(jié)論：在水體存放過程中，若再次被酸化，氫氧化鎂粉末的存在是能夠繼續(xù)保持水體的弱堿性（pH約為9）的。同時猜測氫氧化鎂粉末的存在能夠長時間保持酸性廢水的弱堿性。評價10：根據(jù)學(xué)生交流討論情況，評價學(xué)生對化學(xué)平衡移動原理的掌握程度，診斷學(xué)生利用平衡移動原理解決實際問題的能力。問題11：氫氧化鎂粉末的存在是如何長時間保持酸性廢水這種弱堿性的？活動11：學(xué)習(xí)相關(guān)資料、組內(nèi)討論。①緩沖溶液：由弱酸及其鹽、弱堿及其鹽組成的混合溶液，能在一定程度上抵消、減輕外加酸、堿對溶液酸堿度的影響，從而保持溶液的pH相對穩(wěn)定。②氫氧化鎂在溶液pH為9時能夠形成緩沖溶液。結(jié)論：由于氫氧化鎂在溶液pH為9時能夠形成緩沖溶液，所以可以在較長時間里保持酸性廢水這種弱堿性（pH約為9）?？偨Y(jié)歸納：難溶的氫氧化鎂能夠