張蕊+張寧+許燕紅

摘要：通過解讀電離理論的發(fā)展史，挖掘“酸、堿、鹽在水溶液中的電離”教學(xué)中的難點(diǎn)，探尋教學(xué)迷思，認(rèn)為解決好酸、堿、鹽在水溶液中電離的自發(fā)性問題和酸、堿、鹽發(fā)生電離時能量的來源問題是突破本節(jié)課教學(xué)難點(diǎn)的關(guān)鍵。并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了教學(xué)設(shè)計。

關(guān)鍵詞：電離理論；化學(xué)史；電解質(zhì)；教學(xué)難點(diǎn)

文章編號：1005–6629（2017）4–0039–06 中圖分類號：G633.8 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)指出，化學(xué)課程應(yīng)結(jié)合探索物質(zhì)及其變化的歷史與化學(xué)科學(xué)發(fā)展的趨勢，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)一步學(xué)習(xí)化學(xué)的基本原理和基本方法，形成科學(xué)的世界觀[1]。也就是說，立足化學(xué)史構(gòu)建的化學(xué)課堂，重現(xiàn)了科學(xué)家探索科學(xué)奧秘的思維歷程，有助于學(xué)生理解化學(xué)知識，掌握科學(xué)方法，提升學(xué)科素養(yǎng)。

1 追溯化學(xué)史，探尋教學(xué)迷思

1.1 電離理論的歷史變革

19世紀(jì)中葉，道爾頓和阿伏伽德羅的原子——分子論打開了微觀化學(xué)之門，使越來越多的化學(xué)家渴望探尋化學(xué)反應(yīng)的本質(zhì)，電離理論也呼之欲出。

電離理論的建立與電化學(xué)的發(fā)展息息相關(guān)。早在19世紀(jì)初期，尼科爾森和卡里斯?fàn)栆呀?jīng)成功完成了水的電解實(shí)驗(yàn)，法拉第等許多科學(xué)家也已經(jīng)通過實(shí)驗(yàn)認(rèn)識到酸、堿、鹽溶液的導(dǎo)電作用。但當(dāng)時的科學(xué)界普遍認(rèn)為，電解質(zhì)只有在電流的作用下才能夠解離。正是由于科學(xué)家們無法正確區(qū)別原子和離子，也不能合理分析溶液導(dǎo)電的原理，使得電離理論在很長一段時間內(nèi)無法被科學(xué)界所接受。

1882至1887年間，阿倫尼烏斯致力于研究電離理論?；趯λ帷A、鹽稀溶液在滲透壓、沸點(diǎn)、蒸氣壓方面出現(xiàn)偏差情況的分析和對這些溶液電導(dǎo)率的測定，阿倫尼烏斯創(chuàng)造性地提出了溶液的電離理論。他認(rèn)為，酸、堿、鹽在溶于水的過程中，自動地離解成為帶有不同電荷的離子，電離與電流的作用無關(guān)。這一理論的出現(xiàn)，雖然遭受了各國科學(xué)家的反對，但也解釋了很多當(dāng)時無法解釋的問題。隨著阿倫尼烏斯電離理論的問世，不僅使希托夫的電解溶液導(dǎo)電時的離子遷移數(shù)和科爾勞施的離子導(dǎo)電的加合性得到了解釋，而且也很好地解釋了范霍夫觀測到的滲透異?，F(xiàn)象。因此，阿倫尼烏斯的電離理論得到了奧斯特瓦爾德和范霍夫的認(rèn)可，在這兩位科學(xué)家的推廣下，1890年，電離理論終于得到科學(xué)界廣泛認(rèn)可。

1.2 電離理論的教學(xué)迷思

通過分析電離理論的爭論，不難看出困擾科學(xué)家的問題有二：一是無法正確區(qū)分原子與離子，從而無法正確認(rèn)識酸堿鹽在水溶液中導(dǎo)電的原因；二是無法正確判斷使電解質(zhì)在水溶液中自發(fā)電離的能量的來源。

科學(xué)家們對于電離理論的爭論與探索不僅體現(xiàn)了科學(xué)歷史的發(fā)展規(guī)律，也揭示了中學(xué)化學(xué)課堂學(xué)生學(xué)習(xí)新理論的思維發(fā)展過程。

“酸、堿、鹽在水溶液中的電離”主題出自高中化學(xué)必修1第二章“化學(xué)物質(zhì)及其變化”第二節(jié)，筆者試圖著眼于電離理論發(fā)展史，聯(lián)系教學(xué)實(shí)際，從三個方面分析教學(xué)難點(diǎn)。

人教版化學(xué)教材對電解質(zhì)進(jìn)行了如下定義：在水溶液里或熔融狀態(tài)下能夠?qū)щ姷幕衔锝凶鲭娊赓|(zhì)[2]。此定義只從導(dǎo)電性角度規(guī)定了電解質(zhì)的屬性，屬于表層概念。在此概念中，沒有指明電解質(zhì)的本質(zhì)，即自發(fā)電離出可以自由移動的離子。追溯化學(xué)史，法拉第等化學(xué)家即是通過電解質(zhì)溶液的導(dǎo)電性直接得出“電離是電流作用的結(jié)果”這一錯誤結(jié)論的。在教學(xué)中，若教師未從本質(zhì)上解釋電解質(zhì)溶液導(dǎo)電的原因，將會對學(xué)生正確獲取電解質(zhì)概念產(chǎn)生強(qiáng)大阻力。因此，使學(xué)生學(xué)會從微觀角度理解電解質(zhì)的本質(zhì)屬性是知識與技能維度的教學(xué)難點(diǎn)。

對比許多教案和教學(xué)實(shí)錄，對于電解質(zhì)概念的教學(xué)有兩種策略。其一，通過例舉鹽酸、NaOH溶液、NaCl固體、石墨、蔗糖溶液、酒精溶液、K2SO4溶液、Cu等不同種類的物質(zhì)，讓學(xué)生判斷其能否導(dǎo)電，從而從導(dǎo)電性角度引出電解質(zhì)的表層概念；另一種方法則是先給出電解質(zhì)的定義，強(qiáng)調(diào)定義中的關(guān)鍵詞，再給出以上物質(zhì)，讓學(xué)生自主判斷哪幾種物質(zhì)是電解質(zhì)。這兩種教學(xué)策略均未能較好地引導(dǎo)學(xué)生形成學(xué)習(xí)概念本質(zhì)的一般方法。因此，使學(xué)生掌握形成概念的分析方法是過程與方法維度的教學(xué)難點(diǎn)。

學(xué)習(xí)“酸、堿、鹽在水溶液中的電離”這一內(nèi)容，就是透過電解質(zhì)溶液可以導(dǎo)電的表層現(xiàn)象來認(rèn)識電解質(zhì)在水溶液中自動離解的實(shí)質(zhì)。縱觀歷史，從格羅圖斯到阿倫尼烏斯，科學(xué)家們的主要區(qū)別就在于是否能夠透過現(xiàn)象看到物質(zhì)的本質(zhì)屬性。因此，使學(xué)生樹立透過現(xiàn)象看本質(zhì)的唯物主義世界觀是情感態(tài)度與價值觀維度的教學(xué)難點(diǎn)。

縱觀上述分析，學(xué)生無法理解電解質(zhì)的本質(zhì)屬性，是因?yàn)闆]有正確理解電離的自發(fā)性以及電離過程中能量的來源。也正如此，學(xué)生無法獲得通過分析核心問題形成概念的基本方法，無法樹立透過現(xiàn)象看本質(zhì)的唯物主義世界觀。所以，解決好酸、堿、鹽在水溶液中電離的自發(fā)性問題和酸、堿、鹽發(fā)生電離時能量的來源問題是突破本節(jié)課教學(xué)難點(diǎn)的關(guān)鍵。

2 立足化學(xué)史，突破教學(xué)難點(diǎn)

任何科學(xué)理論的發(fā)展都是曲折向前的。從對電解質(zhì)溶液導(dǎo)電的偏頗認(rèn)識，到電離理論的初步提出，再到利用電離理論解釋科學(xué)現(xiàn)象，然后通過他人的不斷修正、補(bǔ)充，最后才得到完善的理論。也就是說，理論的建立其實(shí)是科學(xué)家反復(fù)實(shí)驗(yàn)、突破思維障礙的過程。在化學(xué)教學(xué)中，學(xué)生學(xué)習(xí)新概念也經(jīng)過類似的歷程。首先，在實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象中獲得感性認(rèn)識；而后，通過理性分析修正感性認(rèn)識中的錯誤，探究概念本質(zhì)屬性；再次，嘗試遷移應(yīng)用新概念，最終完成新概念的學(xué)習(xí)。

在“酸、堿、鹽在水溶液中的電離”一節(jié)中，學(xué)生需要突破的思維障礙，即教師突破教學(xué)難點(diǎn)需要解決的問題有以下兩個。一是酸、堿、鹽在水溶液中電離的自發(fā)性。二是酸、堿、鹽發(fā)生電離時能量的來源。

2.1 探究電離的自發(fā)性——理解電離概念的本質(zhì)

在九年級化學(xué)下冊第十單元“酸和堿”中，學(xué)生已經(jīng)知道酸溶液中都含有氫離子，堿溶液中都含有氫氧根離子?！八?、堿、鹽在水溶液中的電離”這節(jié)課是在學(xué)生已有經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上展開的。在以往的教學(xué)中，教師是通過電解質(zhì)溶液導(dǎo)電性實(shí)驗(yàn)來引入電解質(zhì)的概念，而對于電解質(zhì)概念本質(zhì)的解讀，卻缺乏事實(shí)佐證，因此學(xué)生常常在書寫電離方程式時加上“通電”條件。

在本節(jié)教學(xué)中，教師可以借用初中的實(shí)驗(yàn)（稀強(qiáng)酸與活潑金屬反應(yīng)）加深學(xué)生的感性認(rèn)識。再由“不同的酸溶液都含有氫離子，所以，酸有一些相似的性質(zhì)[3]”為切入點(diǎn)進(jìn)行提問：稀強(qiáng)酸溶液中的氫離子來自哪里？學(xué)生思考并猜測：可能來自酸，也可能來自水。此時，我們引入化學(xué)史中關(guān)于溶液中離子來源的內(nèi)容：在英國化學(xué)家尼科爾森和卡里斯?fàn)柾瓿呻娊馑畬?shí)驗(yàn)后，科學(xué)家們推測水溶液中是存在離子的。格羅特斯和法拉第將水溶液中離子的來源歸結(jié)于電流的作用。而拉烏爾由“鹽溶液的凝固點(diǎn)下降值比相同摩爾濃度的非電解質(zhì)溶液高”這一實(shí)驗(yàn)事實(shí)提出“鹽分子解離不需要電流作用”，但這并未撼動法拉第的權(quán)威。真正向舊觀念提出挑戰(zhàn)的是阿倫尼烏斯，他在完成了大量的實(shí)驗(yàn)后，寫了“電解質(zhì)的導(dǎo)電性研究”一文，提出電解質(zhì)在水溶液中自發(fā)解離為正負(fù)離子，并用電離理論很好地解釋了沸點(diǎn)升高和凝固點(diǎn)下降的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。在奧斯特瓦爾德和范霍夫的支持和幫助下，阿倫尼烏斯終于結(jié)束了電離理論的爭端，并在1903年因提出電離學(xué)說而榮獲諾貝爾化學(xué)獎，成為全世界第三位獲得諾貝爾獎的化學(xué)家。

本環(huán)節(jié)教學(xué)流程如圖1所示。

在此過程中，通過實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象學(xué)生直觀地感受到在不通電的情況下，強(qiáng)酸依舊可以自動解離出氫離子，獲得了電解質(zhì)溶液電離的感性認(rèn)識，避免了由于通電而引起的認(rèn)識誤區(qū)。同時也可以類推出，堿、鹽在水溶液中也可以自發(fā)電離出自由移動的離子。然后通過解讀化學(xué)史，經(jīng)過理性分析修正感性認(rèn)識中的錯誤，獲得概念本質(zhì)屬性。在此基礎(chǔ)上引導(dǎo)學(xué)生思考：使酸或水解離出氫離子的能量來自哪里，進(jìn)入第二個障礙點(diǎn)的學(xué)習(xí)。

2.2 探究電離的能量來源——理解電解質(zhì)的兩重屬性，形成概念的分析方法

認(rèn)識酸、堿、鹽在水溶液中電離時能量的來源是解讀電解質(zhì)概念本質(zhì)的關(guān)鍵。在學(xué)生猜測酸溶液中的氫離子來自酸分子或水分子時，教師可以先展示科學(xué)家們在創(chuàng)建電離學(xué)說時所構(gòu)建的電離理論相關(guān)圖示（圖2 [4]、圖3 [5]、圖4 [6]），讓學(xué)生在腦海中形成初步印象，再通過教師構(gòu)建的HCl分子電離的微觀示意圖（圖5）和NaCl在水中的電離示意圖（圖6 [7]），分析不同物質(zhì)在水溶液中電離的能量來源。

1個氯化氫分子是由1個氫原子和1個氯原子構(gòu)成的。將氯化氫氣體通入水中，水分子與氫原子、氯原子之間的作用力比氫原子與氯原子之間作用力更強(qiáng)，使得氫原子與氯原子分離，氯原子奪走了氫原子最外層的一個電子，形成能夠自由移動的水合氯離子與水合氫離子。氯化氫在水中發(fā)生了電離。氯化氫在水溶液中存在可以自由移動的離子，這也是氯化氫水溶液可以導(dǎo)電的根本原因。

氯化氫水溶液中有很小一部分氫離子來源于水。在水中，也存在水分子對氫原子和氫氧原子團(tuán)的作用，形成自由移動的水合氫離子和氫氧根離子，所以水也發(fā)生了電離，但電離的程度很小。

類似氯化鈉那樣的物質(zhì)，又是什么能量使它在水溶液中電離的呢？如圖6所示，在溶于水前，氯離子與鈉離子在靜電引力的作用下有序地緊密排列，將氯化鈉固體加入水中，水分子強(qiáng)烈吸引著氯離子和鈉離子，克服了氯離子和鈉離子之間存在的靜電引力，形成自由移動的水合氯離子和水合鈉離子。氯化鈉在水中發(fā)生了電離。氯化鈉溶液導(dǎo)電的根本原因即存在有自由移動的離子。

那么，在熔融的氯化鈉中，又是什么能量使之電離的呢？在加熱至熔融狀態(tài)過程中，加熱所提供的能量使鈉離子和氯離子克服了相互的靜電作用，變成了可以自由移動的鈉離子和氯離子，熔融狀態(tài)下的氯化鈉發(fā)生了電離。

本環(huán)節(jié)教學(xué)流程如圖7所示。

通過以上對酸堿鹽在水溶液中電離能量來源的分析，使學(xué)生掌握電解質(zhì)在水溶液或熔融狀態(tài)下能導(dǎo)電的原因，落實(shí)了對電解質(zhì)概念本質(zhì)的認(rèn)識；再以課上練習(xí)與課后習(xí)題作為工具，使學(xué)生應(yīng)用概念解決問題，完成概念的遷移應(yīng)用。

這樣一來，在電解質(zhì)概念的教學(xué)過程中，不僅突破了知識維度的教學(xué)難點(diǎn)，還突破了方法維度的教學(xué)難點(diǎn)，使學(xué)生掌握了形成概念的方法：觀察現(xiàn)象，形成表象概念；理性分析，獲得概念本質(zhì)；遷移應(yīng)用，掌握概念內(nèi)涵。

2.3 回顧化學(xué)發(fā)展歷程——提升學(xué)生學(xué)科素養(yǎng)

對于學(xué)生而言，化學(xué)不僅僅是精彩紛呈的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象、高深奧妙的科學(xué)原理，還有發(fā)人深省的科學(xué)獻(xiàn)身精神。因此，將化學(xué)史素材引入課堂，是提升學(xué)生學(xué)科素養(yǎng)的不二法寶。

在電離理論的發(fā)展過程中，阿倫尼烏斯敢于直面著名科學(xué)家們的質(zhì)疑與挑戰(zhàn)，捍衛(wèi)真理的精神令人動容；奧斯特瓦爾德、范霍夫?yàn)閭鞑フ胬韯?chuàng)辦《物理化學(xué)雜志》的精神也令人敬佩。在中學(xué)化學(xué)課堂中，教師應(yīng)培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題，敢于求真，善于求證，不隨波逐流，盲目跟從的科學(xué)精神。而科學(xué)精神的養(yǎng)成比知識技能的獲得更需要智慧和耐心，化學(xué)史的引入恰是當(dāng)下化學(xué)課堂的良好補(bǔ)給。

除了培養(yǎng)科學(xué)精神，化學(xué)史還有助于引導(dǎo)學(xué)生用發(fā)展的眼光看待事物和人，辯證地看待化學(xué)理論發(fā)展的階段性和相對性。因?yàn)槿魏沃R都是在特定時期、特定情境下才成立的，沒有絕對的正確與錯誤。人類信服科學(xué)理論，是因?yàn)閷?shí)踐證實(shí)了這些理論的正確性。但是科學(xué)理論的發(fā)展具有一定的階段性，它還需要后人的修正與補(bǔ)充。例如，在電離理論形成以前，科學(xué)家們將“只有外加電解電壓時電解質(zhì)才會分解成正負(fù)離子[7]”當(dāng)做真理，電離理論則被視為無稽之談。在電離理論被實(shí)踐所檢驗(yàn)后，許多科學(xué)家也還在不斷研究電離理論，并對其進(jìn)行修正和補(bǔ)充。可見，即使教科書中的知識經(jīng)過了重重檢驗(yàn)，但仍有需要探索的空間，學(xué)生不應(yīng)成為教科書的奴隸，而應(yīng)成為教科書的主人。