問題解決能力是指能熟練地運用所掌握的學(xué)科知識、觀念、規(guī)則及一定的程序方法等對真實復(fù)雜問題進(jìn)行合理分析、提出解決方案并能實施方案的能力。關(guān)注問題解決能力的形成與發(fā)展是素養(yǎng)為本的課堂教學(xué)顯著特征之一[]。核心素養(yǎng)本質(zhì)上是在解決復(fù)雜問題的特定情境中表現(xiàn)出的能力、品格和價值觀等，需在真實的情境中、具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)中借助問題解決的實踐逐漸培育起來[2]。以真實的化工生產(chǎn)過程為研究對象，借助相關(guān)資料對化工生產(chǎn)的原理、流程進(jìn)行復(fù)原和模擬[3]，是創(chuàng)設(shè)“真實情境”的重要方法。淮南地方煤礦地處安徽省淮南市潘集區(qū)潘北鎮(zhèn)，是當(dāng)?shù)赜忻牡V業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，簡稱“潘北礦”，不少學(xué)生的家長或親戚在該礦區(qū)上班，學(xué)生對該企業(yè)較為熟悉。煤礦的大型電機(jī)設(shè)備工作時需要用地下水進(jìn)行持續(xù)的循環(huán)冷卻，涉及到水垢的生成及處理問題。其中蘊含了“水溶液中的離子反應(yīng)與平衡”知識，尤其是“沉淀溶解平衡”。本課例選擇“淮南地方煤礦生產(chǎn)水垢的去除”為真實情境，離學(xué)生的生活較近，易引起學(xué)生的問題解決興趣。1主題內(nèi)容選擇及學(xué)情分析本課例為復(fù)習(xí)課，主要以人教版普通高中教科書化學(xué)選擇性必修1第三章“水溶液中的離子反應(yīng)與平衡”第四節(jié)“沉淀溶解平衡”為知識基礎(chǔ)，著力解決三個問題：（1）工業(yè)水垢是如何形成的，有什么危害？（2）如何去除生成的工業(yè)水垢？（3）如何預(yù)防工業(yè)水垢的生成？此前，學(xué)生已經(jīng)學(xué)習(xí)了化學(xué)平衡、溶液中的電離平衡和鹽類的水解平衡等概念，同時掌握了化學(xué)平衡常數(shù)、電離平衡常數(shù)和水的離子積常數(shù)的計算，為本節(jié)課的學(xué)習(xí)奠定了一定的理論和計算基礎(chǔ)，但這些知識在新授課中仍處于散點狀態(tài)。本節(jié)課將學(xué)生置于真實應(yīng)用情境中，設(shè)計問題鏈引發(fā)學(xué)生思考，激發(fā)其內(nèi)在的學(xué)習(xí)動機(jī)，逐步深人探究，培養(yǎng)從化學(xué)的視角來分析、解決實際問題的能力，讓學(xué)生體驗從工業(yè)生產(chǎn)走進(jìn)化學(xué)，再從化學(xué)回到工業(yè)生產(chǎn)的歷程，感悟化學(xué)學(xué)科價值。2教學(xué)目標(biāo)（1）通過對工業(yè)水垢的成分探究，理解水垢的成因及去除，整合運用電離平衡、水解平衡等概念以及平衡常數(shù)的相關(guān)計算等知識，發(fā)展定性和定量結(jié)合的科學(xué)論證能力。（2）通過數(shù)字化演示實驗和小組合作實驗，準(zhǔn)確獲取實驗現(xiàn)象和數(shù)據(jù)，發(fā)展基于實驗證據(jù)的推理能力和實驗數(shù)據(jù)的分析處理能力。（3）依據(jù)“綠色化學(xué)”觀念，分析評價各種除垢方法對生產(chǎn)、社會與環(huán)境的影響，感受化學(xué)學(xué)科和工業(yè)生產(chǎn)的緊密關(guān)聯(lián)。3教學(xué)流程教師在課前拍攝淮南煤礦中的大型電機(jī)冷卻裝置和冷卻管中的水垢圖片，以此為情境載體，設(shè)計系列驅(qū)動性問題，引導(dǎo)學(xué)生問題解決能力的發(fā)展。教學(xué)流程見圖1。情境線問題線問題解決能力發(fā)展線展示淮南煤礦的大型電機(jī)冷1.工業(yè)水垢是如何形成從真實情境中發(fā)現(xiàn)問題、分析問卻裝置和冷卻管中的水垢的？題的能力工業(yè)水垢的去除及預(yù)防水垢威脅煤礦生產(chǎn)安全、增從沉淀溶解和轉(zhuǎn)化等多角度進(jìn)行2.如何去除生成的工業(yè)大能、操壞生產(chǎn)設(shè)備，需水垢？實驗設(shè)計、數(shù)處理以及基于數(shù)去除工業(yè)水垢需要停工停產(chǎn)，3.如何預(yù)防工業(yè)水垢的定性分析和定量研究相結(jié)合解決有經(jīng)濟(jì)損失生成？問題的能力水垢的去除和預(yù)防中所蘊含4.解決真實工業(yè)生產(chǎn)問題分析評價、整理歸納以及遷移應(yīng)的問題解決思路與方法的一般思路方法是什么？用的能力4教學(xué)過程4.1真實情境引人[情境]淮南煤礦的大型電機(jī)設(shè)備工作時需要用地下水進(jìn)行持續(xù)的循環(huán)冷卻，用久了電機(jī)冷卻管中會產(chǎn)生大量水垢（用PPT展示水垢圖片）。[討論］電機(jī)冷卻管中的水垢會帶來哪些危害呢？[討論結(jié)果]電機(jī)冷卻管中的水垢會損壞生產(chǎn)設(shè)備、增大能源損耗、威脅煤礦生產(chǎn)安全等。[提問]要防治水垢帶來的危害，我們需要解決哪些問題？[學(xué)生提出]水垢是如何形成的，如何去除水垢，如何預(yù)防水垢的產(chǎn)生…·設(shè)計意圖：以當(dāng)?shù)鼗茨厦旱V工業(yè)生產(chǎn)中大型電機(jī)冷卻管中水垢為真實情境，讓學(xué)生分析討論其危害，并提出需要解決的問題，建立化學(xué)學(xué)科知識與真實問題解決之間的關(guān)系。4.2探究問題1：工業(yè)水垢是如何形成的[教師]介紹水垢的形成與水質(zhì)有關(guān)，一般是硬水受到持續(xù)加熱易形成水垢。初中化學(xué)學(xué)過，硬水是含有較多可溶性鈣、鎂化合物的水。結(jié)合圖2所示淮南煤礦地下水檢測報告，你能預(yù)測電機(jī)冷卻管中水垢的主要成分有哪些嗎？你的依據(jù)是什么？［學(xué)生1]電機(jī)冷卻管中水垢的主要成分是CaCO3

和MgCO3

。依據(jù)是地下水對電機(jī)進(jìn)行持續(xù)的循環(huán)冷卻時，就相當(dāng)于給地下水持續(xù)加熱，CO2↑+H20［學(xué)生2]電機(jī)冷卻管中水垢的主要成分是CaSO4

依據(jù)是煤礦地下水檢測報告顯示含有鈣離子和硫酸根離子，會結(jié)合生成微溶物硫酸鈣。[學(xué)生3]我認(rèn)為水垢中還含有Mg（OH）2

。依據(jù)是從地下水所含主要離子看，地下水顯堿性（HCO3-

水解），且Mg（OH）2

的Ksp

比MgCO3

的Ksp

小，所以Mg2+

更易生成Mg（OH）2

沉淀。[教師]三位同學(xué)回答有理有據(jù)，非常好。水垢的主要成分正是CaCO3

、Mg（OH）2

和CaSO4

。[整理]其實我們還可以根據(jù)某溫度下難溶電解質(zhì)的溶度積（符號為Ksp

）與該溶液中離子積（符號為Q）的相對大小，判斷該溫度下的溶液中難溶電解質(zhì)的沉淀或溶解情況：Qgt;Ksp

，溶液中有沉淀析出；Q=Ksp

，沉淀與溶解處于平衡狀態(tài)；Qsp，溶液中無沉淀析出。設(shè)計意圖：學(xué)生借助地下水檢測報告中的真實數(shù)據(jù)，利用已有知識分析硬水加熱過程中的離子反應(yīng)，從而確定煤礦生產(chǎn)設(shè)備中水垢的主要成分并將已有知識初步結(jié)構(gòu)化。發(fā)展學(xué)生分析問題和歸納總結(jié)的能力。4.3探究問題2：如何去除工業(yè)水垢[過渡]水垢威脅煤礦生產(chǎn)安全、增大能耗、損壞生產(chǎn)設(shè)備，需要及時去除，那么如何去除水垢呢？請結(jié)合沉淀溶解平衡的知識去分析并設(shè)計方案。4.3.1“酸溶法”去除水垢[學(xué)生分析]加鹽酸。難溶于水的CaCO3

沉淀可以溶于鹽酸中：在上述反應(yīng)中，CO2

氣體的生成和逸出，使CaCO3

溶解平衡體系中CO32-

濃度不斷減小，溶液中CO32-

與Ca2+

的離子積—Q（CaCO3）sp（CaCO3），導(dǎo)致平衡向沉淀溶解的方向移動。只要鹽酸的量足夠，CaCO3

就可以完全溶解。［教師]理論分析完全正確，事實上是否真的能看見CaCO3

溶解和氣體放出？同學(xué)們可以通過實驗進(jìn)行探究。為了讓同學(xué)們看清楚CaCO3

溶解于鹽酸的過程本質(zhì)一—沉淀溶解平衡移動，課堂上采用多次少量的加入鹽酸，并用鈣離子傳感器和pH傳感器監(jiān)測c（Ca2+）與pH的變化，其實驗裝置如圖3所示。圖3傳感器測碳酸鈣懸濁液中滴加鹽酸的c（Ca2+）與pH的變化實驗示意圖[實驗探究]用CaCO3

懸濁液模擬工業(yè)水垢，向200mLCaCO3

懸濁液中多次分別滴加1mL0.1molL鹽酸，觀察現(xiàn)象[燒杯中懸濁液是否溶解和有無氣泡產(chǎn)生及c（Ca2+）和ΔpH曲線變化]。[學(xué)生匯報]（1）懸濁液沒有明顯變化，且無氣泡產(chǎn)生；（2）第一次和第二次加鹽酸，c（Ca2+）和pH的變化趨勢相同。加入鹽酸后，c（Ca2+）先增大后持平；pH先減小后持平（如圖4所示）。圖4碳酸鈣懸濁液中加鹽酸后c（Ca2+）和pH的變化[問題鏈]OA段表示的是碳酸鈣懸濁液中鈣離子的濃度和ΔpH隨時間變化的曲線，c（Ca2+）和pH分別是多少？為什么出現(xiàn)這種情況？第一次加入1mL0.1mol/L鹽酸（在A點時加入）后，c（Ca2+）為什么先增大，后持平？pH為什么減?。縖學(xué)生分析、討論、歸納]OA段：c（Ca2+）約為3mg/L說明CaCO3

在水中存在溶解平衡，有少量碳酸鈣溶解且電離；pH約為9.6，是碳酸根離子水解所致。AB段：加入鹽酸時，鹽酸電離出的H+

結(jié)合CO32-

，c（CO32-

減小，CaCO3

的溶解平衡被破壞，平衡正向移動，導(dǎo)致c（Ca2+））增大、pH減小。隨著時間的變化，碳酸鈣懸濁液又逐漸達(dá)到新的溶解平衡，所以c（Ca2+）和ΔpH也隨之持平。[追問]如果繼續(xù)多次加鹽酸，每次加完后，曲線都會像BC段一樣重復(fù)AB段的變化趨勢嗎？[學(xué)生]不會。當(dāng)鹽酸足量時，碳酸鈣懸濁液全部溶解，溶解平衡不復(fù)存在。[教師]Mg（OH）2

也能溶于鹽酸，原因和CaCO3

基本類似，OH-

和H+

結(jié)合，促進(jìn)Mg（OH）2

溶解平衡正向移動。[問題]CaCO3

和Mg（OH）2

都能溶于鹽酸，那么CaSO4

呢？也能溶于鹽酸嗎？[學(xué)生一致認(rèn)為]不能。[學(xué)生分組實驗]∣1mLCaSO4

懸濁液+1mL1mol/L鹽酸溶液；1mLCaSO4

懸濁液+1mL蒸餾水。[學(xué)生匯報結(jié)論]CaSO4

能溶于鹽酸，不溶于蒸餾水。[教師]為什么CaSO4

能溶于鹽酸？你能通過計算找到答案嗎？Ksp（CaSO4）=4.9×10-5Ka（HSO4-）=1.02×10-2[學(xué)生計算、歸納]①-②得③：CaSO4

（s）+H+（aq）?Ca2+（aq）+HSO4-（aq）≈4.8×10-310-55，反應(yīng)③能發(fā)生（從熱力學(xué)角度）；鹽酸濃度越大，反應(yīng)越快（從動力學(xué)角度）。[教師]鹽酸確實能去除水垢，但現(xiàn)在工業(yè)上卻很少用鹽酸去除，這又是為什么呢？[學(xué)生回答、教師補(bǔ)充]鹽酸腐蝕設(shè)備，最終污染環(huán)境中的水。設(shè)計意圖：通過數(shù)字化實驗，幫助學(xué)生感受沉淀溶解平衡是“動態(tài)”的，引導(dǎo)學(xué)生利用平衡移動原理分析沉淀溶解的本質(zhì)；利用分組實驗的現(xiàn)象引發(fā)學(xué)生認(rèn)知沖突，激發(fā)學(xué)生尋找鹽酸溶解CaSO4

的原因；最后結(jié)合環(huán)境保護(hù)和設(shè)備要求，讓學(xué)生認(rèn)識到鹽酸去除水垢的局限性，培育學(xué)生實驗探究、數(shù)據(jù)處理和證據(jù)推理的能力。4.3.2“轉(zhuǎn)化法\"去除水垢[情境]在實際工業(yè)生產(chǎn)中經(jīng)常用“堿煮”的方法去除水垢[4]，其模擬工業(yè)生產(chǎn)流程如圖5所示。水垢成分M（24號Na2CO3

跑妖疏松、脫落的水垢CaCO3

大量Mg（OH）2[問題]用Na2CO3

溶液浸泡目的是什么？[資料卡片]Ksp（CaSO4）=4.9×10-5

，Ksp（CaCO3）=3.4×109[學(xué)生1]依據(jù)沉淀轉(zhuǎn)化的一般原則——溶解度小的沉淀容易轉(zhuǎn)化為溶解度更小的沉淀。用Na2CO3

溶液浸泡目的是把CaSO4

轉(zhuǎn)化為CaCO3

。當(dāng)向工業(yè)水垢中加Na2CO3

溶液時，溶液中CO32-

與Ca2+

的離子積一Q（CaCO3）gt;Ksp（CaCO3），因此，CO32-

與Ca2+

結(jié)合生成CaCO3

沉淀，導(dǎo)致CaSO4

的沉淀溶解平衡向溶解的方向移動，直至建立新的沉淀溶解平衡：沉淀轉(zhuǎn)化的離子方程式可表示為：[學(xué)生2]可以通過上式平衡常數(shù)的計算，推算出用Na2CO3

溶液浸泡目的是把CaSO4

轉(zhuǎn)化為CaCO3從熱力學(xué)角度看，10-55，沉淀轉(zhuǎn)化能發(fā)生；從動力學(xué)角度看，Na2CO3

溶液濃度越大，轉(zhuǎn)化越快。［教師]同學(xué)們的分析有理有據(jù)，用“堿煮”的方法確實可以轉(zhuǎn)化、疏松水垢，最后用水沖洗除去。你能說出這種除垢方法的優(yōu)、缺點嗎？[學(xué)生討論、分析]優(yōu)點：成本低、環(huán)保;缺點：耗時長、浪費水且除垢不夠徹底。設(shè)計意圖：引導(dǎo)學(xué)生通過比較CaSO4

和CaCO3

的Ksp

數(shù)值和平衡常數(shù)的計算，分析Na2CO3

溶液把CaSO4

轉(zhuǎn)化為CaCO3

的原因，發(fā)展學(xué)生計算能力和分析推理能力。4.3.3“絡(luò)合法\"去除水垢[教師對比“加酸”和“堿煮”的優(yōu)缺點，如果你是化學(xué)工程師，你希望研制出具有哪些特點的除垢劑？[學(xué)生]高效、環(huán)保、經(jīng)濟(jì)的除垢劑。[過渡]現(xiàn)在有一種快速高效去除水垢的試劑——絡(luò)合劑。請同學(xué)們親自動手試試這種絡(luò)合劑的實效。[分組實驗]用CaCO3

懸濁液和CaSO4

懸濁液模擬工業(yè)水垢，然后向其中加入絡(luò)合劑，如圖6所示。圖6模擬絡(luò)合劑溶解工業(yè)水垢的實驗示意圖[學(xué)生匯報實驗現(xiàn)象]兩支試管中的懸濁液都變澄清了。[資料卡片]絡(luò)合劑主要成分是乙二胺四乙酸二鈉鹽。其HOOCCH2CHCOONa結(jié)構(gòu)簡式為NCHCHNNaOOCCH2CHCOOH可簡寫為Na2H2Y。能結(jié)合金屬陽離子，形成易溶、難電離的配合物。［學(xué)生]以工業(yè)水垢主要成分之一CaCO3

溶解于絡(luò)合劑為例進(jìn)行分析：絡(luò)合劑結(jié)合Ca2+

，生成易溶、難電離的配合物CaH2Y，促進(jìn)CaCO3

的溶解平衡正向移動。[學(xué)生歸納］三種除垢方法的優(yōu)缺點，如表1所示。表1三種除垢方法的優(yōu)缺點設(shè)計意圖：學(xué)習(xí)工業(yè)方法去除水垢的發(fā)展歷程，展示化學(xué)在工業(yè)生產(chǎn)過程中的真實應(yīng)用價值，增強(qiáng)學(xué)生的科學(xué)態(tài)度與社會責(zé)任感。4.4探究問題3：如何預(yù)防工業(yè)水垢產(chǎn)生[過渡]無論用哪種方法去除工業(yè)水垢都要停工停產(chǎn)，造成經(jīng)濟(jì)損失。怎樣才能從根本上解決水垢問題呢？預(yù)防水垢的產(chǎn)生尤為重要。[問題]如何從源頭上阻止水垢產(chǎn)生呢？[學(xué)生]要阻止工業(yè)水垢產(chǎn)生，就是要降低工業(yè)冷卻水中Ca2+

和Mg2+

的濃度。應(yīng)該將地下水軟化后再作為工業(yè)冷卻水使用。[教師介紹］一種含有軟水鹽的陽離子交換樹脂法[5]。軟化原理：Ca2++2RNa=2Na++R2CaMg2++2RNa=2Na++R2Mg[演示實驗]軟化地下水，并測軟化前后鈣離子濃度。實驗裝置如圖7和圖8所示，實驗數(shù)據(jù)如圖9所示。圖7地下水軟化裝置示意圖圖8鈣離子濃度測定裝置示意圖［教師展示]淮南煤礦的冷卻水軟化裝置（用PPT展示）軟化后地下水質(zhì)檢測報告如圖10所示。圖10地下水軟化后水質(zhì)檢測報告（來自淮南潘北二礦）設(shè)計意圖：介紹工業(yè)上軟化地下水的常用方法和煤礦真實除垢方法，旨在聯(lián)系實際、拓寬視野，展示化學(xué)學(xué)科的應(yīng)用價值，發(fā)展學(xué)生對比、推理、探究與創(chuàng)新能力。[整理歸納]工業(yè)除垢的思路和方法（如圖11所示）。5教學(xué)效果及反思從學(xué)生課堂活動的表現(xiàn)來看，本節(jié)課達(dá)到了預(yù)設(shè)的問題解決能力發(fā)展目標(biāo)。在問題發(fā)現(xiàn)階段，基于生產(chǎn)設(shè)備中水垢危害的討論，學(xué)生能夠提出需要解決的問題，三個核心問題都是由學(xué)生提出；在問題解決階段，學(xué)生能夠綜合運用沉淀溶解平衡知識找出水垢形成的原因，設(shè)計實驗探究水垢的去除方法和預(yù)防策略，并能從成本、操作、設(shè)備、環(huán)境等多角度去思考問題，評估不同方法的優(yōu)缺點；在問題解決的分析評價階段，能夠歸納出利用化學(xué)知識解決工業(yè)問題的一般思路和方法，發(fā)展整理歸納和遷移應(yīng)用能力，并將2024年全國甲卷理綜化學(xué)試題第8題進(jìn)行適當(dāng)改編，作為當(dāng)堂檢測題。［當(dāng)堂檢測]鈷在新能源、新材料領(lǐng)域具有重要用途。某煉鋅廢渣含有鋅、鉛、銅、鐵、鈷、錳的+2價氧化物及鋅和銅的單質(zhì)。從該廢渣中提取鈷的一種流程如下。稀H2SO4

（204號HSNaSO8NaOHNaClO→↓|調(diào)pH=4煉鋅酸浸沉銅沉錳沉淀沉→濾液廢渣T+↓T+浸渣CuS（204號MnO2

（204號濾渣Co（OH）2注：加沉淀劑使一種金屬離子濃度小于等于10-5mol?L-1

，其他金屬離子不沉淀，即認(rèn)為完全分離。已知：Ksp（CuS）=6.3×10-36

，Ksp（ZnS）=2.5×10-22

，Ksp（CoS）=4.0×10-21回答下列問題：（1）“酸浸”的目的是什么？（2）為什么先“沉銅”，最后“沉鈷”？（3）假設(shè)“沉銅”后得到的濾液中c（Zn2+）和c（Co2+）均為0.1mol?L-1

，向其中加入Na2S至Zn2+

沉淀完全，能否實現(xiàn)Zn2+

和Co2+

的完全分離？請寫出論證過程。該題主