1、淺析“電解水實驗”在不同教學(xué)階段的應(yīng)用實驗是幫助學(xué)生體驗學(xué)習(xí)過程、構(gòu)建科學(xué)觀念的重要手段。在教學(xué)中實驗的呈現(xiàn)無疑使得抽象的問題得以具體化、形象化。教學(xué)中怎樣通過實驗來進一步闡釋概念的深層內(nèi)涵, 培養(yǎng)學(xué)科的觀念和方法呢?例如 , 在初、高中課程的不同階段均出現(xiàn)了電解水的實驗 ( 見圖 1 所示 ), 下面結(jié)合不同階段的教學(xué)內(nèi)容來探索電解水實驗的具體應(yīng)用。圖 1 電解水實驗原理示意圖1 初中階段有關(guān)物質(zhì)組成及變化的?鮮丟?初中教材第三單元課題1 中通過電解水實驗來幫助學(xué)生認(rèn)識水的組成 , 從教材內(nèi)容的設(shè)置上, 在教學(xué)中所起的作用有如下三個方面。1.1以史實啟發(fā)學(xué)生認(rèn)識研究物質(zhì)組成的方法水是生活中不

2、可缺少的物質(zhì), 但是化學(xué)史上對于水組成的認(rèn)識卻經(jīng)歷了很長的時間。18 世紀(jì)末 , 在前人探索的基礎(chǔ)上拉瓦錫通過對水的生成、 讓水蒸氣通過燒紅的槍管得到“易燃空氣”的實驗 , 才得出“水不是由一種元素組成的”。后來人們通過電解水實驗進一步證實了拉瓦錫的結(jié)論。人們到 1718 世紀(jì)才逐漸明確了元素的概念不能分解成更簡單物質(zhì)的東西。對水組成認(rèn)識過程的介紹, 可以啟發(fā)學(xué)生了解不斷分解物質(zhì)直到不能再分解為止, 是人類認(rèn)識物質(zhì)組成的一種方法 , 為學(xué)生分析物質(zhì)組成提供借鑒。1.2在變化中揭示化學(xué)反應(yīng)的實質(zhì)通電后電極上出現(xiàn)氣泡, 收集后經(jīng)證實分別為氫氣和氧氣,說明水在通電時發(fā)生了變化, 試管中生成了完全不同

3、于水的新物質(zhì), 但是在通電前后參與反應(yīng)的元素種類并沒有改變 , 從而揭示出化學(xué)反應(yīng)的實質(zhì) : 組成水的元素在反應(yīng)過程中進行了重組 , 形成了新物質(zhì)。多次實驗兩試管中所收集的氣體體積比總是約為12, 這個比例關(guān)系與組成水的氫、氧元素間一定存在著某種聯(lián)系 , 為日后高中氣體摩爾體積的教學(xué)打下伏筆。1.3 從宏觀與微觀的角度認(rèn)識物質(zhì)的組成實驗中可以得出在宏觀上水由氫、氧兩種元素組成, 從元素的角度為物質(zhì)分類奠定了基礎(chǔ)。從微觀的角度來看 , 顯然水的分解不同于水的蒸發(fā) , 在通電的條件下水能被分解 , 說明水分子是由更小的微粒組成的 , 即氫原子和氧原子 , 此二者是這個化學(xué)變化中不能再分的最小粒子

4、; 氫原子間、氧原子間重新結(jié)合 , 生成氫氣、氧氣 , 進一步呼應(yīng)化學(xué)反應(yīng)的實質(zhì)是組成物質(zhì)的元素進行了重新組合形成了新物質(zhì)。水雖然是學(xué)生非常熟悉的物質(zhì) , 但怎樣以化學(xué)的視角來認(rèn)識水, 學(xué)生是陌生的。 以電解水的實驗為載體 , 通過對水認(rèn)知過程的分析 , 滲透了物質(zhì)組成認(rèn)識過程和方法的教育。2 必修 1 階段搭建宏觀與微觀的橋梁高中必修 1 第一章第二節(jié)中以電解水實驗作為氣體摩爾體積概念教學(xué)的引入。 通過實驗觀察不同時間試管內(nèi)氣體體積的變化和推算得出在相同溫度和壓強下,1 mol O2和1 mol H2體積相同的結(jié)論, 從而引出氣體摩爾體積的概念, 教學(xué)思路見圖2 所示。圖 2 氣體摩爾體積概

5、念教學(xué)思路電解水的實驗將氣體摩爾體積概念的形成過程直觀化, 變抽象的宏觀氣體體積與微粒數(shù)目間的關(guān)系形象化, 進一步搭建了宏觀與微觀的橋梁 , 為科學(xué)研究和實際生產(chǎn)中氣體間的定量關(guān)系作了更為明確的闡釋, 關(guān)系見圖 3 所示。圖 3 宏觀氣體體積與微粒數(shù)目關(guān)系3 必修 2 階段能量轉(zhuǎn)化的例證高中必修 2 第二章第二節(jié)化學(xué)能與電能的教材中, 以居我國發(fā)電總量首位的火電為能量轉(zhuǎn)化的線索開展教學(xué), 過程中能量的轉(zhuǎn)化關(guān)系如下 :化學(xué)能燃燒熱能蒸氣機械能發(fā)電機電能火力發(fā)電多次的能量轉(zhuǎn)換中, 人們不得不思考能源的利用效率并面對日益嚴(yán)重的污染, 于是勢必引出化學(xué)能是否可以直接轉(zhuǎn)化為電能的問題 , 而電解水實驗的

6、引入可以幫助學(xué)生直觀地感受化學(xué)能與電能間直接進行轉(zhuǎn)化的過程。表 1 化學(xué)能與電能的轉(zhuǎn)化實驗名稱電解水氫氧燃料電池實驗過程示意閉合 S1, 打開 S2, 進行電解打開 S1, 閉合 S2, 二級管發(fā)光能量轉(zhuǎn)化電能化學(xué)能化學(xué)能電能電極反應(yīng)陰極 :4H+4e- =2H2陽極 :4OH-4e- =O2+2H2O負極 :2H2-4e-=4H+ 正極 :O2+2H2O+4e-=4OH-化學(xué)反應(yīng) 2H2O通電 2H2+O22H2+O2=2H2O實驗過程先是電解水 , 學(xué)生感知電能向化學(xué)能轉(zhuǎn)變的過程。關(guān)閉電源后 , 變化連接的電路 , 觀察到在沒有外接電源的閉合電路中二極管發(fā)光 , 引導(dǎo)學(xué)生分析此現(xiàn)象產(chǎn)生的原

7、因 , 是由于附著在電極上的 H2、O2分別在兩個不同的區(qū)域發(fā)生了氧化、還原反應(yīng), 化學(xué)能向電能發(fā)生了轉(zhuǎn)化。 電解水實驗的引入 , 于二者的對比中突出了能量間的轉(zhuǎn)化過程 , 成為促使學(xué)生形成能量轉(zhuǎn)化觀念的重要例證。4 化學(xué)反應(yīng)原理階段能量轉(zhuǎn)化的深化化學(xué)反應(yīng)原理第四章第三節(jié)電解池的概念教學(xué)更是電解水這一實驗內(nèi)涵的拓展和深化。4.1 電解是外界提供電能使氧化還原反應(yīng)發(fā)生的過程水發(fā)生分解反應(yīng)的熱化學(xué)方程式為:2H2O(l)=2H2(g)+O2(g),H=+571.6 kJ/mol,因為H>0,所以必需提供能量才能使水發(fā)生分解。在研究如何使水分解的過程中可以采用多種方法來提供能量, 如高溫、太陽

8、能、 電解等 , 其中電解是在通常情況下強制水發(fā)生分解的有力手段, 但由于能耗較大, 因此水的分解技術(shù)尚待進一步研發(fā)。4.2電解的過程體現(xiàn)了微粒得失電子的難易程度電解質(zhì)的水溶液中同時存在著溶質(zhì)與溶劑的電離, 在一定條件下給予相同的電壓, 陰、陽兩極上哪種微粒放電, 是電極材料與溶質(zhì)、溶劑電離出的陰、陽離子得失電子難易比較之后的結(jié)果。陰、陽兩極上微粒得失電子能力由強到弱的順序為:得電子:Ag+>Fe3+>Hg2+>Cu2+>H+>Pb2+>Sn2+>Fe2+>Zn2+>Al3+>Mg2+>Na+>Ca2+>K+失電子

9、: 金屬陽極 >S2->I->Br->Cl->OH->SO2-4>NO-3>F-當(dāng)微粒的放電能力均強于水電離出的H+、OH-時 , 水不參加電解 ; 反之 , 水電離出的H+或 OH-必然參加電解的過程, 因此電解質(zhì)在水溶液中進行的電解在一定條件下是微粒得失電子難易程度比較的過程體現(xiàn)。5 高三復(fù)習(xí)階段學(xué)科觀念的整合電解水實驗的內(nèi)涵隨著學(xué)生基本知識的積累、 基本技能的提高, 化學(xué)的學(xué)科觀念逐步滲透。5.1宏觀與微觀結(jié)合的思想宏觀與微觀的結(jié)合是化學(xué)學(xué)科不同于其他科學(xué)的最具特征性的思維方式 , 在初、高中化學(xué)學(xué)習(xí)的不同階段, 電解水實驗內(nèi)涵的詮釋不但體

10、現(xiàn)了宏觀與微觀的思想, 而且將認(rèn)識物質(zhì)的兩個角度有機地結(jié)合了起來。表 2 不同學(xué)習(xí)階段電解水實驗體現(xiàn)的宏觀與微觀結(jié)合的思想教學(xué)階段化學(xué)概念宏觀概念微觀概念初中物質(zhì)組成元素分子、原子化學(xué) 1 氣體摩爾體積氣體體積氣體分子數(shù)目化學(xué) 2 能量轉(zhuǎn)化化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能電子轉(zhuǎn)移化學(xué)反應(yīng)原理電解池電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能微粒得失電子能力的強弱5.2守恒與變化的思想引導(dǎo)學(xué)生透過現(xiàn)象 , 深入理解學(xué)科知識的內(nèi)涵是一個非常重要的教學(xué)環(huán)節(jié)。 化學(xué)學(xué)科的魅力所在是在“變化”中滲透著“不變” , 即守恒的思想 , 因此需要透過實驗表象 , 深入挖掘?qū)W科的核心思想。表 3 不同學(xué)習(xí)階段電解水實驗體現(xiàn)的守恒與變化的思想教學(xué)階段化學(xué)概

11、念過程變化守恒初中化學(xué)變化有新物質(zhì)生成反應(yīng)前后元素守恒、原子守恒化學(xué) 1 氣體摩爾體積溫度、 壓強影響氣體體積大小溫度、 壓強不變分子間距不變化學(xué) 2 能量轉(zhuǎn)化能量轉(zhuǎn)化方式的多樣性能量守恒化學(xué)反應(yīng)原理電解池電能轉(zhuǎn)變?yōu)榛瘜W(xué)能電子轉(zhuǎn)移守恒5.3能變、質(zhì)變與量變的思想在學(xué)生學(xué)習(xí)化學(xué)的不同時期 , 電解水實驗出現(xiàn)時的內(nèi)涵各有側(cè)重 , 是一個隨著學(xué)生知識與能力的增長而不斷“變化和發(fā)展”的實驗。由最初揭示物質(zhì)組成時的質(zhì)變 , 發(fā)展到從電解水陰陽兩極氣體體積量的變化來學(xué)習(xí)摩爾體積概念 ; 透過一個常見氧化還原反應(yīng)發(fā)生的過程 , 深入到化學(xué)變化中舊鍵的斷裂與新鍵的生成 , 并最終表現(xiàn)為能量的轉(zhuǎn)化 , 究其實質(zhì)化學(xué)反應(yīng)發(fā)生的過程中能量變化起著重要作用 , 量變和質(zhì)變是能量變化的部分宏觀表象?？v觀電解水實驗在不同教學(xué)階段的應(yīng)用, 可以看出化學(xué)學(xué)科對學(xué)生知識、能力和觀念的培養(yǎng)是一個由淺入深的過程 , 不是單一的“誰變成誰”的過程 , 而是一個由內(nèi)及外、從能變到質(zhì)變