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        基于學科核心素養(yǎng)的化學概念教學
        ——以“離子反應”第一課時為例

        2019-05-21 05:46:32袁君亞
        教師博覽 2019年5期
        關鍵詞:離子反應電離水溶液

        袁君亞

        (江蘇省江陰長涇中學,江蘇 無錫 214411)

        化學概念是中學化學最基礎、最關鍵、最核心的內(nèi)容,是學生學好化學知識的首要前提,它是人們對化學研究最本質(zhì)的概括和認識,深刻反映了過程中最本質(zhì)的化學特征。[1]

        一、教學內(nèi)容分析

        “離子反應”是人教版化學必修1第二章第二節(jié)內(nèi)容,是中學化學重要的基礎概念之一。《普通高中化學課程標準(2017年)》中對本節(jié)內(nèi)容的要求是:認識酸、堿、鹽等電解質(zhì)在水溶液中或熔融狀態(tài)下能發(fā)生電離。此前,在九年級化學教學中介紹了常見的酸、堿、鹽的組成及其性質(zhì),并且學習了復分解反應,知道復分解反應的條件是生成沉淀、氣體和水,這是對水溶液中復分解反應的宏觀認識,但是,學生對電解質(zhì)在水溶液中的存在狀態(tài)及行為還缺乏足夠的理解和認識,對水溶液中物質(zhì)的認識還沒有深入到微觀這一層面,對復分解反應的微觀實質(zhì)還不太清楚,不能從微觀的角度分析離子的存在以及離子之間的相互作用,欠缺研究微觀問題的方法和思路。因此本節(jié)內(nèi)容在此基礎之上,由宏觀到微觀,揭示酸、堿、鹽在水溶液中的變化本質(zhì)——電離,從微觀粒子作用觀的角度剖析復分解反應的實質(zhì),從微粒的存在到離子之間的相互作用再到離子之間相互作用的結(jié)果,深刻理解水溶液中物質(zhì)發(fā)生復分解反應的微觀實質(zhì),建立研究水溶液中物質(zhì)反應的新思路和新視角。

        二、基于化學核心素養(yǎng)的教學目標分析

        高中化學學科核心素養(yǎng)包括“宏觀辨識與微觀探析”“變化觀念與平衡思想”“證據(jù)推理與模型認知”“科學探究與創(chuàng)新意識”“科學態(tài)度與社會責任”5個方面:

        1.通過“電離理論”化學史的學習,了解酸、堿、鹽電離成自由移動離子的過程。

        2.通過概括總結(jié),形成酸、堿、鹽及電解質(zhì)的概念,從能否電離的角度對化合物進行分類。

        3.通過手持技術實驗探究了解復分解型離子反應的微觀本質(zhì)是離子濃度的減少。

        這些教學目標與核心素養(yǎng)的關系具體定位如圖1所示。

        圖1 核心素養(yǎng)目標轉(zhuǎn)化為課時教學目標

        三、基于化學核心素養(yǎng)的教學過程

        (一)通過“電離理論”化學史的學習,了解酸、堿、鹽在水溶液中的電離

        播放視頻,人在劇烈運動之后需要喝運動飲料,運動飲料中含有電解質(zhì),揭示電解質(zhì)在人體內(nèi)的作用,在細胞內(nèi)外靠電解質(zhì)維持滲透壓,如圖2所示。

        圖2 電解質(zhì)在人體內(nèi)維持滲透壓示意圖

        師:電解質(zhì)在人體內(nèi)發(fā)揮巨大的作用,與我們?nèi)梭w的健康息息相關,那么什么是電解質(zhì)呢?下面我們一起來加以研究。

        師:剛才視頻中提到我們最熟悉的食鹽,在人體內(nèi)產(chǎn)生離子。氯化鈉晶體中有離子,氯化鈉溶液中也有離子,它們都能導電嗎?為什么?

        師:在化學發(fā)展過程中存在兩種觀點,觀點1:法拉第認為溶液中的離子是在通電的條件下產(chǎn)生的。

        鏈接史料:1832—1834年,法拉第首次假定電流能使鹽溶液產(chǎn)生帶電物質(zhì),這種物質(zhì)可使溶液導電。就把這種能輸送電流的帶電物質(zhì)稱為離子,即法拉第認為溶液中的離子是通電后產(chǎn)生的。

        師:觀點2:阿累尼烏斯認為導電性溶液的溶質(zhì)在水的作用下自行解離為自由移動的離子。到底誰的觀點是正確的呢?

        鏈接史料:1882—1883年期間,瑞典化學家阿累尼烏斯發(fā)現(xiàn)“水”是將電解質(zhì)離解成陰、陽離子的因素。阿累尼烏斯形成了“電離理論”的基本觀點。這一學說與當時化學界所認同的法拉第的觀點(“通電后產(chǎn)生離子”)截然不同。

        實驗:測定NaCl固體、水和NaCl溶液的導電性。

        用電導率便攜式傳感器測定NaCl 固體和NaCl 溶液的導電性如表1所示。

        表1 不同物質(zhì)的電導率

        師:從表中可以看出,氯化鈉固體雖然含有離子但不導電;氯化鈉溶液很容易導電,而且隨著氯化鈉固體的不斷加入,電導率在不斷升高。有人懷疑,是否是水在導電呢?經(jīng)過測定,水幾乎不導電。充分說明是水將氯化鈉離解成陰陽離子。

        師:我們通過實驗獲得的宏觀證據(jù),還需要從微觀角度獲得解釋,請看動畫。

        動畫:模擬氯化鈉溶于水的電離過程。

        師:有沒有其他方法使氯化鈉導電?

        鏈接史料:1807年,英國化學家戴維嘗試用電解法從苛性鉀(KOH)中分離出鉀。但是存在這樣一個化學事實,金屬鉀遇水就會強烈地反應,同時生成氫氧化鉀和氫氣。他改用電解熔融態(tài)苛性鉀的方法制得活潑金屬鉀。

        結(jié)論:物質(zhì)(化合物)能導電是因為電離而產(chǎn)生自由移動的離子。

        師:歸納一下,什么是電離?

        生:物質(zhì)在水溶液中或熔融狀態(tài)下自行解離為離子的過程。

        (二)用化學符號表征電離的過程

        師:請大家根據(jù)氯化鈉的電離過程,推測硫酸、氫氧化鈉、氯酸鉀、氫氧化鋇、氯化銨、硫酸氫鈉和硫酸鐵在水溶液中的存在形式,并寫出它們的電離方程式。

        學生書寫電離方程式,同一學習小組的同學相互糾錯。

        師:書寫電離方程式必須遵循質(zhì)量守恒,電離方程式的兩端原子個數(shù)必須相等;必須遵循電荷守恒,右側(cè)的離子電荷總數(shù)應該為零。

        師:結(jié)合上面的分析,如何從電離角度重新認識酸、堿、鹽?

        生:酸:電離時,生成的陽離子全部是H+的化合物。堿:電離時,生成的陰離子全部是OH-的化合物。鹽:電離時,生成金屬陽離子(或NH4+)和酸根離子的化合物。

        設計意圖:本節(jié)課從化學史中阿累尼烏斯與法拉第觀點的不同入手,激發(fā)學生探究的興趣。以電導率傳感器測定出的實驗數(shù)據(jù)作為證據(jù)推理說明水使Na-Cl發(fā)生電離,微觀模擬NaCl的電離過程幫助學生加深理解。根據(jù)學生的電離方程式典型錯誤進行適當?shù)闹v解和說明,強化質(zhì)量守恒定律和電荷守恒原理。

        師:酸堿鹽是電解質(zhì),如何定義電解質(zhì)?

        生:電解質(zhì):在水溶液中或熔融狀態(tài)下能導電的化合物。

        師:根據(jù)電導率數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn),水也能極其微弱地電離,所以水也是一種電解質(zhì)。

        師:相同體積、相同濃度的不同電解質(zhì)溶液的導電能力都相同嗎?以等濃度、等體積的HCl、CH3COOH溶液為例。

        實驗:用便攜式電導率傳感器測定HCl 和CH3COOH溶液的電導率。

        師:根據(jù)電導率的差異請大家猜測其中可能的原因。

        生:兩種溶液中離子濃度大小不同,HCl中離子濃度比較大,CH3COOH中離子濃度比較小。

        師:通過微觀模擬HCl 和CH3COOH 的電離過程,如圖3所示,從中可以得出什么結(jié)論?

        圖3 HCl與CH3COOH電離情況示意圖

        生:HCl 完全電離,CH3COOH 部分電離,CH3COOH分子和H+和CH3COO-共存。

        設計意圖:根據(jù)酸堿鹽的定義,由學生歸納總結(jié)出電解質(zhì)的定義,促使學生將概念內(nèi)化,深刻理解化學的核心概念。通過測定相同濃度的HCl 和CH3COOH 的電導率,讓學生了解HCl 完全電離,CH3COOH 部分電離,目的不是要講強弱電解質(zhì),而是為后面離子方程式中物質(zhì)是否拆解成離子埋下伏筆。

        (三)離子反應的本質(zhì)

        教師與學生活動

        師:我們已經(jīng)知道酸和堿等電解質(zhì)能在水溶液中發(fā)生電離,如果將酸和堿混合將會發(fā)生復分解反應(中和反應),那么復分解反應的微觀實質(zhì)是什么呢?我們以HCl和Ba(OH)2溶液的反應來探究。

        師:以你的知識,設計實驗說明二者發(fā)生了反應?

        生:向氫氧化鋇溶液中滴加酚酞,然后逐滴滴加鹽酸,觀察溶液顏色的變化。

        學生實驗:液體量取1~2 mL;不要將滴管伸入試管內(nèi),邊加邊振蕩。

        演示實驗:利用電導率傳感器探究中和反應的微觀實質(zhì)。如圖4所示。

        圖4 HCL和Ba(OH)2溶液反應情況示意圖

        師:思考問題:1.BC 段是在加入比原溶液離子濃度大的溶液,為什么離子濃度不升反降?用化學方程式表示其原理。2.C點為什么不為0,且遠大于純水的電導率300us/cm?

        生:BC 段說明離子之間在發(fā)生反應,導致離子濃度減?。籋++OH-=H2O;C 點時溶液中仍然存在大量離子,所以其電導率遠大于純水的電導率300us/cm。

        師:由上述實驗我們清楚地“看到”:鹽酸和氫氧化鋇在水溶液中混合所發(fā)生的復分解反應的實質(zhì)就是:鹽酸電離生成的H+和氫氧化鋇電離生成的OH-結(jié)合生成水的反應,而Cl-和Ba2+并沒有參與反應,所以這個反應可表示為:H++OH-=H2O。

        師:像這樣的離子之間的反應我們稱之為:離子反應。

        師:我們可以按照本實驗的思路,探究其他復分解反應的實質(zhì)(如:AgNO3與NaCl,Na2CO3與HCl),不難得出:復分解反應的實質(zhì)就是離子之間的反應,而這類離子反應所發(fā)生的條件是:生成沉淀、氣體和水。

        師:其實復分解型的離子反應的發(fā)生條件可以歸為一點就是使溶液中的離子濃度減小。

        師:龍江河發(fā)生鎘污染,鎘元素以Cd2+的形式存在,鎘離子有毒,嚴重影響廣大人民群眾的安全。

        師:學習了離子反應,請你們幫他們想想辦法,如何處理鎘污染。

        生:讓鎘離子沉淀下來。

        資料:鎘離子沉淀所需的pH。

        生:投放燒堿或石灰,提高河水的pH 值讓水呈弱堿性,使Cd2+形成Cd(OH)2沉淀不溶于水并從水中分離。

        視頻:實際處理過程,除沉淀法外還采用聚合氯化鋁產(chǎn)生氫氧化鋁膠體吸附Cd(OH)2。

        師:大家提到化學不要談虎色變,其實化學不是產(chǎn)生問題,學好化學可以幫助人們解決問題。

        設計意圖:離子反應的傳統(tǒng)實驗教學中,教師往往是引導學生通過肉眼觀察沉淀、氣體等的生成來反推溶液中離子數(shù)目的減少。在教學中引入手持技術,學生除了直接觀察以外,還可以通過手持技術實驗系統(tǒng)觀察到溶液其他數(shù)據(jù)的變化,比如導電率、pH等,且手持技術實驗系統(tǒng)還可以直接形成圖像,可以更直觀地表征化學反應的進程。在曲線表征方面,手持技術實驗比傳統(tǒng)實驗的可觀察角度更多、更全面,也更細致。通過龍江河的污染治理,讓學生知道學有所用,能夠解決生產(chǎn)、生活中的實際問題,讓學生產(chǎn)生責任感和使命感,學習化學知識必須為人類、為社會服務。

        抽象的概念離不開感性材料的支撐,通過創(chuàng)設真實合理的問題情境提出問題,利用實驗手段讓學生觀察、感受、分析、推理,從微觀角度進行分析,解釋宏觀現(xiàn)象,最后抽象概括而引出概念。

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