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例談定量思維在判斷粒子濃度關(guān)系中的應(yīng)用

2018-11-05 09:51:36孟令福
化學(xué)教學(xué) 2018年7期
關(guān)鍵詞:學(xué)科素養(yǎng)

孟令福

摘要: 在粒子濃度的關(guān)系中運(yùn)用定量思維能避開復(fù)雜的判定過程,通過數(shù)據(jù)運(yùn)算、證據(jù)推理快速找到粒子間的本質(zhì)關(guān)系,能將抽象問題形象化。結(jié)合實(shí)例,介紹了定量思維在思維模型構(gòu)建、溶液中的質(zhì)子守恒、粒子濃度大小的比較、微粒濃度比值等判斷粒子濃度關(guān)系問題中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞: 定量思維; 粒子濃度; 質(zhì)子守恒; 學(xué)科素養(yǎng)

文章編號: 1005-6629(2018)7-0090-05 中圖分類號: G633.8 文獻(xiàn)標(biāo)識碼: B

電解質(zhì)溶液在考查思想、方法、能力和素養(yǎng)方面地位突出,一直是高考的熱點(diǎn)。電解質(zhì)溶液中的粒子濃度關(guān)系問題抽象且邏輯性強(qiáng),有些教師在教學(xué)設(shè)計(jì)中過于關(guān)注定性分析,忽略了定量思維這一重要的化學(xué)思想、學(xué)科能力、思維方法和證據(jù)推理的學(xué)科素養(yǎng)的培養(yǎng),從而導(dǎo)致了思維程序復(fù)雜化,使學(xué)生難以靈活掌握,更談不上融會貫通。靈活地運(yùn)用定量思維和簡潔明了的數(shù)學(xué)推理,能化抽象為形象,在處理粒子濃度關(guān)系問題中事半功倍。

1 在粒子濃度關(guān)系思維模型構(gòu)建中突出定量思維

不論單一溶質(zhì)溶液還是混合溶質(zhì)溶液(包括兩種或多種物質(zhì)反應(yīng)后的溶液,下同),首先,確定物質(zhì)的宏觀類別,是強(qiáng)電解質(zhì)還是弱電解質(zhì),各物質(zhì)之間具有怎樣的定量關(guān)系?通過宏觀辨識培養(yǎng)學(xué)生類別性質(zhì)意識。其次,確定溶液中存在哪些微粒,這些微粒哪些是不變的[1],例如強(qiáng)堿的陽離子: K+、 Na+等;強(qiáng)酸的酸根: Cl-、 SO2-4等,它們不會發(fā)生水解等反應(yīng),因此物質(zhì)的量或濃度不變,這是定量分析定量思維的標(biāo)準(zhǔn)、參照或依據(jù)。哪些微粒是變化的[2],例如: 弱電解質(zhì)、弱堿的陽離子NH +4、弱酸的酸根CH3COO-、 CO2-3、 HCO -3、 ClO-等,它們發(fā)生什么樣的反應(yīng)或變化,是否是可逆反應(yīng)?存在什么樣的平衡?這些變化或反應(yīng)導(dǎo)致了微粒的物質(zhì)的量或濃度發(fā)生了怎樣的變化?是變大了還是變小了?變化的過程中又有哪些是不變的?不管怎樣變化,以什么形式存在,和最初的物質(zhì)之間存在什么樣的定量關(guān)系?這是我們判斷、計(jì)算、推理的依據(jù),同時各種粒子之間一定遵守電荷守恒、物料守恒和質(zhì)子守恒等三大守恒,這也是定量的體現(xiàn)。通過微觀探析樹立和增強(qiáng)學(xué)生的微粒觀,從微粒的角度分析和解決化學(xué)問題,可以預(yù)測或探析溶液的許多性質(zhì)[3]。微觀探析培養(yǎng)學(xué)生變化觀念、平衡思想以及守恒意識,展現(xiàn)了變與不變、動態(tài)和靜態(tài)、對立與統(tǒng)一的辯證思想。第三,不管是弱電解質(zhì)的電離還是鹽類的水解都是微弱的,大多數(shù)物質(zhì)的電離度或水解程度是1%的數(shù)量級,幫助學(xué)生牢固樹立電離或水解的定量意識。通過宏觀分類、微觀變化思想梳理,明確微粒的反應(yīng)、變化、平衡及守恒,靈活運(yùn)用定量思維,通過公式推導(dǎo)、數(shù)字計(jì)算、邏輯推理確定離子濃度關(guān)系,這一思維模型能較好地體現(xiàn)證據(jù)推理和模型認(rèn)知這一學(xué)科素養(yǎng)。

2 例談定量思維粒子濃度關(guān)系中的應(yīng)用

2.1 溶液中質(zhì)子守恒的定量思維

溶液中的質(zhì)子守恒遵循的基本原理: 由水產(chǎn)生的質(zhì)子即H+和水產(chǎn)生的OH-的定量關(guān)系是物質(zhì)的量或濃度相等,只不過水溶液中的H+和OH-乘積是一個定值。H+的存在形式還有可能是和弱酸根結(jié)合成了新的微粒,比較新微粒與原酸根的組成,就可以找到新微粒和水所提供的H+之間的定量比例關(guān)系,進(jìn)而就可以用新微粒的濃度來定量表示水所提供的H+濃度。若是某種物質(zhì)電離產(chǎn)生了H+,表示質(zhì)子守恒時應(yīng)該減去這部分H+,根據(jù)電離方程式或物質(zhì)組成,同樣可以確定電離生成的離子和所產(chǎn)生H+的定量比例關(guān)系,用相應(yīng)離子的濃度來表示這部分H+濃度。用類似的方式可以表示OH-的濃度。不管是“代數(shù)推演法”“框圖分析法”“數(shù)軸解析法”[4],圖示分析法[5]、校正法[6]等推導(dǎo)質(zhì)子守恒的方法都是基于以上原理的應(yīng)用,但核心思想是定量思維。

(1) 對于單一溶質(zhì)的溶液一般的做法是,首先確定溶液的酸堿性,然后列出所有的方程式,如在NaHCO3溶液中,存在下列反應(yīng): H2OH++OH-; HCO -3H++CO2-3; HCO -3+H2OH2CO3+OH-;根據(jù)水產(chǎn)生的氫離子和氫氧根離子物質(zhì)的量或濃度相等這一定量原則: H2CO3比HCO -3多了一個來源于H2O的氫離子,兩者的定量關(guān)系是1∶1,在溶液中的粒子關(guān)系中可用c(H2CO3)表示這部分H+(同理下同)。每生成一個CO2-3使溶液中多了一個不是來自H2O的H+,所以有質(zhì)子守恒: c(OH-)=c(H+)+c(H2CO3)-c(CO2-3)。用類似的分析方法可以分析NaH2PO4的溶液中,溶液中存在的微粒為: 水解生成的H3PO4比H2PO-4多了一個來自H2O的H+,兩者的定量關(guān)系1∶1,電離生成的每一個HPO2-4使溶液中多了一個不是來自H2O的H+,電離生成的每一個PO3-4使溶液中多了2個不是來自H2O的H+,用2c(PO3-4)表示這部分H+,所以質(zhì)子守恒為c(H+)-c(HPO2-4)-2c(PO3-4)+c(H3PO4)=c(OH-),但是這種分析方法由于比較抽象,學(xué)生接受起來有難度。學(xué)生比較容易接受且不易出錯的還是電荷守恒和物料守恒(下同),例如對于NaHCO3溶液,明確存在的微粒后,學(xué)生很容易就寫出兩個等式:

c(Na+)+c(H+)=c(HCO -3)+2c(CO2-3)

+c(OH-)①

c(Na+)=c(HCO -3)+c(CO2-3)+c(H2CO3)②

(也可以說鈉離子和HCO -3的定量關(guān)系是1∶1)對于質(zhì)子守恒來講,不管是H+還是OH-的變化只與弱電解質(zhì)或其相應(yīng)的微粒有關(guān),和強(qiáng)堿的陽離子如K+、 Na+等以及強(qiáng)酸的酸根如Cl-、 SO2-4沒有關(guān)系,我們將電荷守恒中的與H+和OH-反應(yīng)無關(guān)的離子通過定量關(guān)系換算成有關(guān)的弱電解質(zhì)的微粒(下同),就能找到質(zhì)子守恒的表達(dá)式,這是推算法或代入法的理論依據(jù)。例如將②代入①就能得到質(zhì)子守恒的表達(dá)式: c(OH-)=c(H2CO3)+c(H+)-c(CO2-3)。

對于更為復(fù)雜的Na2HPO4的溶液中:

電荷守恒: c(Na+)+c(H+)=c(H2PO -4)+2c(HPO2-4)+3c(PO3-4)+c(OH-)①

c(Na+)=2c(H2PO -4)+2c(HPO2-4)+2c(PO3-4)②

(鈉離子和HPO2-4的定量關(guān)系為2∶1)將②代入①將得到質(zhì)子守恒的表達(dá)式:

c(OH-)=c(H+)+c(H2PO -4)

+2c(H3PO4)-c(PO3-4)。

(2) 對于混合溶液不管是用框圖分析法還是校正法都涉及較多的反應(yīng)歷程或步驟,涉及大量的計(jì)算或判斷,糾纏于紛繁復(fù)雜的過程,容易理不清頭緒,產(chǎn)生畏難情緒。同樣寫出電荷和物料守恒,然后想法將無關(guān)的離子通過定量關(guān)系換算成有關(guān)的弱電解質(zhì)的微粒,就能找到質(zhì)子守恒關(guān)系式。例如,將10mL 0.3mol·L-1CH3COOH溶液與20mL 0.6mol·L-1的NaOH混合,混合反應(yīng)后溶液中存在的微粒有CH3COOH、 CH3COO-,兩者的物質(zhì)的量總計(jì)為3mmol, Na+的總物質(zhì)的量為12mmol。溶液中的電荷守恒為:

c(Na+)+c(H+)=c(CH3COO-)+c(OH-)①

由于鈉離子12mmol, CH3COOH、 CH3COO-兩者總計(jì)為3mmol,在同一溶液中Na+是后兩者合計(jì)的4倍,因此有定量關(guān)系:

c(Na+)=4c(CH3COO-)+4c(CH3COOH)②

將②代入①得到質(zhì)子守恒: 3c(CH3COO-)+4c(CH3COOH)+c(H+)=c(OH-)。

定量思維在混合溶液中質(zhì)子守恒的實(shí)例如下:

例1 陽離子代換類: (2016年浙江)苯甲酸鈉(COONa,縮寫為NaA)可用作飲料的防腐劑。研究表明苯甲酸(HA)的抑菌能力顯著高于A-。已知25℃時,HA的Ka=6.25×10-5,H2CO3的Ka1=4.17×10-7, Ka2=4.90×10-11。在生產(chǎn)碳酸飲料的過程中,除了添加NaA外,還需加壓充入CO2氣體。下列說法正確的是(溫度為25℃,不考慮飲料中其他成分)。其中D選項(xiàng): 碳酸飲料中各種粒子的濃度關(guān)系為: c(H+)=c(HCO -3)+c(CO2-3)+c(OH-)-c(HA)。

解析: 溶液中微粒定量關(guān)系不管怎樣變化,HA和A-的總物質(zhì)的量和Na+相等,充入CO2產(chǎn)生的HCO -3、 CO2-3、 H2CO3由于沒有相關(guān)數(shù)據(jù),無法找到定量關(guān)系或數(shù)值,溶液中還有H+和OH-。溶液中一定存在電荷守恒: c(Na+)+c(H+)=c(HCO -3)+2c(CO2-3)+c(OH-)+c(A-),

將c(Na+)=c(A-)+c(HA)代入電荷守恒表達(dá)式即得: c(H+)=c(HCO -3)+2c(CO2-3)+c(OH-)-c(HA),所以D選項(xiàng)錯誤。

例2 陰離子代換類: 向40mL 0.1mol·L-1氨水溶液中滴加0.1mol·L-1的鹽酸,當(dāng)?shù)渭又?0mL時,請寫出質(zhì)子守恒表達(dá)式。

解析: 由微粒觀得出此時溶液中存在NH +4、 NH3·H2O、 H+、 OH-、 Cl-等微粒,Cl-是不變的定量為2mmol; NH +4、 NH3·H2O發(fā)生相互轉(zhuǎn)化,但它們總物質(zhì)的量是不變的為4mmol,是Cl-的兩倍。存在電荷守恒: c(H+)+c(NH+4)=c(OH-)+c(Cl-),將Cl-定量關(guān)系式: 0.5c(NH3·H2O)+0.5c(NH+4)=c(Cl-),代入電荷守恒式將得到c(H+)+0.5c(NH+4)=c(OH-)+0.5c(NH3·H2O),整理得到2c(H+)+c(NH+4)=2c(OH-)+c(NH3·H2O)的質(zhì)子守恒表達(dá)式。

例3 復(fù)雜反應(yīng)類: 20mL 0.4mol·L-1NaOH溶液中緩緩?fù)ㄈ?12mL標(biāo)準(zhǔn)狀況下的CO2氣體,請寫出溶液中存在的質(zhì)子守恒表達(dá)式。

解析: 傳統(tǒng)的做法,需要首先判斷并計(jì)算溶質(zhì)的成分及各自的物質(zhì)的量,然后看各微粒變化的框圖,程序繁瑣復(fù)雜,耗時長且容易出錯。溶液存在的微粒有Na+,這是個不變的定量為8mmol,通入的CO2(由消耗CO2最多時生成NaHCO3,鈉元素和碳元素之比1∶1的定量關(guān)系知道,CO2mmol不足)進(jìn)入溶液后存在的形式有三種微粒H2CO3、 HCO -3、 CO2-3,但它們的總物質(zhì)的量是守恒的5mmol。溶液中存在的電荷守恒為

c(Na+)+c(H+)=c(HCO -3)+2c(CO2-3)+c(OH-)①,由定量關(guān)系知: Na+和CO2的物質(zhì)的量之比為8∶5即得到關(guān)系式:

5c(Na+)=8c(HCO -3)+8c(CO2-3)+8c(H2CO3)②。將①左右兩邊同乘以5,然后將②代入即得到質(zhì)子守恒表達(dá)式: 3c(HCO -3)+5c(H+)+8c(H2CO3)=2c(CO2-3)+5c(OH-)。

例4 多溶質(zhì)混合溶液類(2016年天津)室溫下,用相同濃度的NaOH溶液,分別滴定濃度均為0.1mol·L-1的三種酸(HA、 HB和HD)溶液,滴定的曲線如圖所示,下列判斷錯誤的是( )。

A. 三種酸的電離常數(shù)關(guān)系: KHA>KHB>KHD

B. 滴定至P點(diǎn)時,溶液中c(B-)>c(Na+)>c(HB)>c(H+)>c(OH-)

C. pH=7時,三種溶液中: c(A-)=c(B-)=c(D-)

D. 當(dāng)中和百分?jǐn)?shù)達(dá)100%時,將三種溶液混合后:

c(HA)+c(HB)+c(HD)=c(OH-)-c(H+)

D選項(xiàng)的解析: 當(dāng)中和百分?jǐn)?shù)達(dá)100%時,最終溶質(zhì)濃度均為0.05mol·L-1NaA、NaB和NaD的三種溶液。其中0.05mol·L-1 NaA中存在微粒有HA、 A-,且兩者的物質(zhì)的量之和等于Na+的物質(zhì)的量,同理在0.05mol·L-1 NaB中,HB、 B-兩者的物質(zhì)的量之和等于Na+的物質(zhì)的量,在0.05mol·L-1 NaD中,HD、 D-兩者的物質(zhì)的量之和等于Na+的物質(zhì)的量,將三種溶液混合后,一定存在電荷守恒c(A-)+c(B-)+c(D-)+c(OH-)=c(H+)+c(Na+),將和H+、 OH-的變化沒有關(guān)系的Na+轉(zhuǎn)換成有關(guān)系的弱電解質(zhì)微粒,即c(HA)+c(HB)+c(HD)+c(A-)+c(B-)+c(D-)=c(Na+),將該式代入電荷守恒得到質(zhì)子守恒關(guān)系式: c(H+)+c(HA)+c(HB)+c(HD)=c(OH-)。

2.2 溶液中粒子濃度大小比較中的定量思維

酸堿中和后溶液中粒子濃度大小的比較,根據(jù)有關(guān)圖像,考察讀取信息,分析、整合應(yīng)用信息的能力,結(jié)合三大平衡、三大守恒考察解決問題的能力,若逐一分析存在的反應(yīng),以及反應(yīng)之后對相應(yīng)粒子濃度的影響,來考慮粒子濃度大小的比較,定性的成分更多,關(guān)系復(fù)雜,思維抽象,理不出頭緒。如果能很好地利用各種定量關(guān)系,靈活運(yùn)用定量思維,將使思路清晰,起到事半功倍的效果。該類問題常常分四種情況進(jìn)行考察,但不管哪一種情況,首先要明確作為定量參照的不變的強(qiáng)離子、可變的弱粒子的定量關(guān)系;其次存在的電荷守恒;第三,溶液中兩平衡的定量數(shù)量級為1%左右(一般等濃度時,同類對應(yīng)物質(zhì)電離大于水解)。四種情況分別為: 一是反應(yīng)進(jìn)行一半的點(diǎn),考察電離與水解程度大小,例如生成NH4Cl和剩余的NH3·H2O物質(zhì)的量相等,若不考慮水解、電離,則定量關(guān)系: c(NH+4)=c(NH3·H2O)=c(Cl-),因NH3·H2O電離大于NH+4水解,c(OH-)>c(H+),同時則有c(NH+4)>c(Cl-)>c(NH3·H2O)>c(OH-)>c(H+)。因?yàn)殡婋x程度或水解程度的定量數(shù)量級為1%左右,所以c(NH3·H2O)>c(OH-);二是恰好反應(yīng)點(diǎn),水的電離程度最大,溶液常為單一溶質(zhì),考慮水解的情況更大一些;三是溶液中性點(diǎn),此時溶液中c(OH-)=c(H+),其余陰、陽離子符合電荷守恒,以此為依據(jù)來比較離子濃度的大??;四是反應(yīng)過量點(diǎn),類似于第一種情況。

例5 關(guān)鍵定量數(shù)值的應(yīng)用: (2017年全國I 13)將NaOH溶液滴加到己二酸(H2X)溶液中,混合溶液的pH與離子濃度變化的關(guān)系如圖2所示。下列敘述錯誤的是( )。

A. Ka2(H2X)的數(shù)量級為10-6

B. 曲線N表示pH與lgc(HX-)c(H2X)的變化關(guān)系

C. NaHX溶液中c(H+)>c(OH-)

D. 當(dāng)混合溶液呈中性時,c(Na+)>c(HX-)>c(X2-)>c(OH-)=c(H+)

解析: 該電解質(zhì)溶液題目對于定量思維和數(shù)學(xué)工具的應(yīng)用非常典型,濃度比值大于1則lgc(X2-)c(HX-)或lgc(HX-)c(H2X)>0;比值小于1則lgc(X2-)c(HX-)或lgc(HX-)c(H2X)<0;圖像類題目抓住體現(xiàn)定量的關(guān)鍵點(diǎn)或關(guān)鍵值的應(yīng)用,能很快突破題目的難點(diǎn)。lgc(X2-)c(HX-)或lgc(HX-)c(H2X)的值等于0,即兩個離子濃度之比等于1就是該題的關(guān)鍵,二元弱酸(存在HX-和H2X微粒符合能證明)H2X中和程度越高則pH越大,由lgc(X2-)c(HX-)=0時,曲線M的pH數(shù)值大,則曲線M表示的是HX-+OH-X2-+H2O;則曲線N表示的是H2X+OH-HX-+H2O;所以B選項(xiàng)正確。HX-H++X2-二級電離Ka2=c(X2-)×c(H+)/c(HX-),顯然從曲線M中找,關(guān)鍵點(diǎn)lgc(X2-)c(HX-)=0,即c(X2-)=c(HX-),此時Ka2=c(H+)=10-5.4(由圖像知),所以A選項(xiàng)正確。關(guān)鍵點(diǎn)lgc(X2-)c(HX-)=0,即c(X2-)=c(HX-),此時c(H+)=10-5.4(由圖像知),溶液顯酸性說明HX-的電離大于X2-的水解,所以C選項(xiàng)正確。溶液呈中性時c(OH-)=c(H+);c(Na+)=2c(X2-)+c(HX-),c(Na+)最大,由曲線M知lgc(X2-)c(HX-)=0,即c(X2-)=c(HX-),此時c(H+)=10-5.4,pH要增大到7,必須lgc(X2-)c(HX-)>0即c(X2-)/c(HX-)濃度比值大于1,因此c(Na+)>c(X2-)>c(HX-)>c(OH-)=c(H+),所以D選項(xiàng)錯誤。強(qiáng)化定量思維意識,運(yùn)用關(guān)鍵值lgc(X2-)c(HX-)或lgc(HX-)c(H2X)=0,靈活運(yùn)用數(shù)學(xué)工具,在解決離子濃度關(guān)系問題中才能事半功倍。

例6 關(guān)鍵定量值代換(2009年江蘇高考13題)D選項(xiàng): 將濃度均為0.1mol·L-1CH3COOH和CH3COONa混合,pH=4.75,則有c(CH3COO-)+c(OH-)

解析: 溶液中電荷守恒(CH3COO-)+c(OH-)=c(Na+)+c(H+),若溶液中的三種微粒CH3COOH、 CH3COO-、 Na+均不發(fā)生變化,則三者的物質(zhì)的量相等,事實(shí)是Na+的物質(zhì)的量是唯一不變量,由題意溶液顯酸性說明CH3COOH的電離大于CH3COO-的水解[7],因此c(CH3COO-)>c(Na+)>c(CH3COOH),在電荷守恒的恒等式中將c(Na+)換成比它更小的c(CH3COOH),等式的右邊必然變小,則必有c(CH3COO-)+c(OH-)>c(CH3COOH)+c(H+),所以D選項(xiàng)錯誤。

2.3 粒子濃度比值中定量思維的應(yīng)用

在有關(guān)粒子濃度的比值中,如果分子和分母所表示粒子濃度都同時變大或是變小,比值的變化往往難以判斷。這時如果采用控制單一變量的定量思維,能解除思維的困擾,給人以“山重水復(fù)疑無路,柳暗花明又一村”之感。

例7 (2016年課標(biāo)3)下列有關(guān)電解質(zhì)溶液的說法正確的是( )。

A. 向0.1mol/L CH3COOH溶液中加入少量水,溶液中c(H+)c(CH3COOH)減小

解析: 稀釋之后,c(CH3COOH)和c(H+)濃度都減小,比值的變化不好判斷,但稀釋平衡正向移動,CH3COOH的物質(zhì)的量減小,但H+的物質(zhì)的量增大,在同一溶液中體積相等,比值自然變大?;蛘叻肿臃帜竿艘詂(CH3COO-),表達(dá)式就變成Ka/c(CH3COO-),由于溫度不變,Ka作為一個常數(shù)不變,這樣就成為單一變量,而隨著溶液的稀釋c(CH3COO-)變小,所以該比值變大。

例8 (2014年山東)已知某溫度下CH3COOH和NH3·H2O的電離常數(shù)相等,現(xiàn)向10mL濃度為0.1mol·L-1的CH3COOH溶液中滴加相同濃度的氨水,在滴加過程中:

B.c(NH+4)/c(NH3·H2O)先增大再減小。

解析: 如果考慮中和的不同階段發(fā)生的反應(yīng),再考慮相應(yīng)粒子的變化,就將糾纏于復(fù)雜的過程,難以理出清晰的思路。若將分子和分母同乘以c(OH-),就變成了Kb/c(OH-),Kb作為NH3·H2O的電離常數(shù),溫度不變不會變化,就會成為控制單一變量問題,隨著氨水的不斷滴加,c(OH-)將逐步增大,所以該比值不會先增大后減小,B選項(xiàng)錯誤。

定量研究方法是化學(xué)成為一門獨(dú)立學(xué)科的重要標(biāo)志之一,一門學(xué)科只有成功地運(yùn)用數(shù)學(xué)這門工具時,才算真正達(dá)到完美的地步。將宏觀與微觀、定性和定量充分結(jié)合,依據(jù)嚴(yán)密的邏輯推理整合相關(guān)信息形成新的知識體系,使新、舊知識體系之間通過牢固的邏輯鏈,形成結(jié)構(gòu)良好的知識樹,有助于學(xué)生的知識體系的構(gòu)建,以及知識的提取和遷移,為化學(xué)問題的解決提供基本思路,從而鍛煉學(xué)生解決問題的能力,形成學(xué)科思維方法,培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)科思想,使形成的學(xué)科素養(yǎng)落地生根開花結(jié)果。

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