1、淺析“電解水實(shí)驗(yàn)”在不同教學(xué)階段的應(yīng)用實(shí)驗(yàn)是幫助學(xué)生體驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)來進(jìn)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(shí)驗(yàn)（ 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(shí)驗(yàn)的具體應(yīng)用。圖 1 電解水實(shí)驗(yàn)原理示意圖1初中階段一一有關(guān)物質(zhì)組成及變化的？T鮮丟？初中教材第三單元課題1 中通過電解水實(shí)驗(yàn)來幫助學(xué)生認(rèn)識(shí)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(gè)方面。1.1 以史實(shí)啟發(fā)學(xué)生認(rèn)識(shí)研究物質(zhì)組成的方法水是生活中

2、不可缺少的物質(zhì), 但是化學(xué)史上對(duì)于水組成的認(rèn)識(shí)卻經(jīng)歷了很長(zhǎng)的時(shí)間。18 世紀(jì)末 , 在前人探索的基礎(chǔ)上拉瓦錫通過對(duì)水的生成、讓水蒸氣通過燒紅的槍管得到“易燃空氣”的實(shí)驗(yàn) , 才得出“水不是由一種元素組成的”。后來人們通過電解水實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步證實(shí)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(jiǎn)單物質(zhì)的東西。對(duì)水組成認(rèn)識(shí)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(shí)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(shí)質(zhì)通電后電極上出現(xiàn)氣泡, 收集后經(jīng)證實(shí)分別為氫氣和氧氣,說明水在通電時(shí)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(shí)質(zhì): 組成水的元素在反應(yīng)過程中進(jìn)行了重組, 形成了新物質(zhì)。多次實(shí)驗(yàn)兩試管中所收集的氣體體積比總是約為1 ： 2，這個(gè)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(shí)物質(zhì)的組成實(shí)驗(yàn)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(gè)化學(xué)變化中不能再分的最小粒子; 氫原子間、

4、氧原子間重新結(jié)合, 生成氫氣、氧氣, 進(jìn)一步呼應(yīng)化學(xué)反應(yīng)的實(shí)質(zhì)是組成物質(zhì)的元素進(jìn)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(shí)水 , 學(xué)生是陌生的。以電解水的實(shí)驗(yàn)為載體, 通過對(duì)水認(rèn)知過程的 分析 , 滲透了物質(zhì)組成認(rèn)識(shí)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(shí)驗(yàn)作為氣體摩爾體積概念教學(xué)的引入。通過實(shí)驗(yàn)觀察不同時(shí)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(qiáng)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 氣體摩爾體積概念教學(xué)思路電解水的

5、實(shí)驗(yàn)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(jìn)一步搭建了宏觀與微觀的橋梁, 為科學(xué)研究和實(shí)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)化的例證一能量專專化的例證高中必修2 第二章第二節(jié)化學(xué)能與電能的教材中, 以居我國(guó)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(jī)械能發(fā)電機(jī)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(duì)日益嚴(yán)重的污染, 于是勢(shì)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(shí)驗(yàn)的引入可以幫

6、助學(xué)生直觀地感受化學(xué)能與電能間直接進(jìn)行轉(zhuǎn)化的過程。表 1 化學(xué)能與電能的轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)名稱電解水氫氧燃料電池實(shí)驗(yàn)過程示意閉合S1, 打開 S2, 進(jìn)行電解打開 S1, 閉合 S2, 二級(jí)管發(fā)光能量轉(zhuǎn)化電能-化學(xué)能化學(xué)能一電能電極反應(yīng)陰極：4H+4e-=2H2T陽極:4OH-4e- =O2f +2H2O 負(fù)極:2H2-4e-=4H+正極 :O2+2H2O+4e-=4OH-化學(xué)反應(yīng) 2H2OS 電 2H2T +O2f 2H2+O2=2H2O實(shí)驗(yàn)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)生的原因, 是

7、由于附著在電極上的H2、O2分別在兩個(gè)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(shí)驗(yàn)的引入, 于二者的對(duì)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(shí)驗(yàn)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), A H=+571.6 kJ/mol,因?yàn)?A 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、 太陽能

8、、 電解等 , 其中電解是在通常情況下強(qiáng)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(jìn)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(shí)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(qiáng)到弱的順序?yàn)?得電子 :Ag+>Fe3+>Hg2+>Cu2+>H+>Pb2+>Sn2+>Fe2+>Zn2+>Al3+>Mg2+> Na+>Ca2+>K+

9、失電子 : 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(qiáng)于水電離出的H+、OH田水不參加電解；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(jìn)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(shí)驗(yàn)的內(nèi)涵隨著學(xué)生基本知識(shí)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(shí)驗(yàn)內(nèi)涵的詮釋不但體現(xiàn)了宏觀與

10、微觀的思想, 而且將認(rèn)識(shí)物質(zhì)的兩個(gè)角度有機(jī)地結(jié)合了起來。表 2 不同學(xué)習(xí)階段電解水實(shí)驗(yàn)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(qiáng)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(shí)的內(nèi)涵是一個(gè)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)體現(xiàn)的守恒與變化的思想教學(xué)階段化學(xué)概念過程變化守恒初中化

11、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(qiáng)影響氣體體積大小溫度、壓強(qiáng)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(shí)期, 電解水實(shí)驗(yàn)出現(xiàn)時(shí)的內(nèi)涵各有 側(cè)重 , 是一個(gè)隨著學(xué)生知識(shí)與能力的增長(zhǎng)而不斷“變化和發(fā)展”的實(shí)驗(yàn)。由最初揭示物質(zhì)組成時(shí)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(gè)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(shí)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。縱觀電解水實(shí)驗(yàn)在不同教學(xué)階段的應(yīng)用, 可以看出化學(xué)學(xué)科對(duì)學(xué)生知識(shí)、能力和觀念的培養(yǎng)是一個(gè)由淺入深的過程, 不是單一的“誰變成誰”的過程 , 而是一個(gè)由內(nèi)及外、從