張運(yùn)飛 張忠孝 閆君

數(shù)字化實(shí)驗(yàn)因其具有可視化、數(shù)據(jù)采集及智能化等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中。本文是數(shù)字化手持技術(shù)在化學(xué)概念教學(xué)中的有效嘗試，筆者采用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)測定純水電導(dǎo)率，證明了水是極弱的電解質(zhì)。

一、教材分析

《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》在“水溶液中的離子反應(yīng)與平衡”中指出：“認(rèn)識水的電離，了解水的離子積常數(shù)，認(rèn)識溶液的酸堿性及pH，掌握檢測溶液pH的方法?！彼碾婋x及電離平衡移動(dòng)知識對學(xué)生了解溶液的酸堿性、pH具有重要的意義，為學(xué)生學(xué)習(xí)鹽類的水解，以及第四章電化學(xué)知識奠定了基礎(chǔ)。

人教版化學(xué)選擇性必修一第三章“水溶液中的離子反應(yīng)與平衡”第2節(jié)“水的電離和溶液的pH”第1課時(shí)分為三個(gè)部分：水的電離、溶液的酸堿性與pH、酸堿中和滴定。教材以水的電離為突破口，直接以一句“精確的導(dǎo)電性實(shí)驗(yàn)表明，純水絕大部分以H2O的形式存在，但其中也存在極少量的H3O+和OH–”，說明水是一種極弱的電解質(zhì)，能發(fā)生微弱的電離。概念的生成平鋪直敘，學(xué)生核心素養(yǎng)無法得到有效培養(yǎng)和發(fā)展。

二、學(xué)情分析

1.已知點(diǎn)。學(xué)習(xí)本課前，學(xué)生通過學(xué)習(xí)必修二、本冊第二章、本章第一節(jié)“電離平衡”已經(jīng)知道了化學(xué)平衡狀態(tài)的意義及特征，掌握了弱電解質(zhì)的電離平衡、化學(xué)平衡常數(shù)、影響平衡移動(dòng)因素等知識。

2.障礙點(diǎn)。由于水的電離平衡比較抽象，學(xué)生理解水的電離平衡及水的離子積常數(shù)適應(yīng)范圍有一定的難度。

3.發(fā)展點(diǎn)。在教學(xué)過程中，筆者以弱電解質(zhì)的電離為基礎(chǔ)，以水的電離為突破口，基于實(shí)驗(yàn)事實(shí)，為學(xué)生介紹水的電離、水的離子積常數(shù)適應(yīng)范圍、溶液的酸堿性與pH的關(guān)系等，并幫助學(xué)生樹立微粒觀、變化觀、平衡觀等。

三、教學(xué)目標(biāo)

1.讓學(xué)生使用數(shù)字傳感器測水的電導(dǎo)率，了解水是一種極弱的電解質(zhì)，可以發(fā)生微弱的電離。

2.讓學(xué)生使用數(shù)字傳感器測水在不同溫度下的pH，了解弱電解質(zhì)的電離平衡狀態(tài)及平衡常數(shù)，認(rèn)識水的電離平衡，掌握水的離子積常數(shù)的適應(yīng)范圍。

3.讓學(xué)生利用水的離子積常數(shù)計(jì)算酸堿溶液中c（H+）和c（OH–）的值，構(gòu)建溶液的酸堿性與c（H+）和c（OH–）的關(guān)系模型。

四、重難點(diǎn)

1.重點(diǎn)。本課重點(diǎn)知識包括兩個(gè)方面：一是水的電離及水的離子積常數(shù)，二是溶液的酸堿性與pH。

2.難點(diǎn)。本課的難點(diǎn)是水的電離平衡的證明，以及水的離子積常數(shù)的應(yīng)用。

五、教法學(xué)法

1.教法。在日常教學(xué)過程中，筆者一般會(huì)采用情境創(chuàng)設(shè)、實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新、師評解惑的教法。

2.學(xué)法。在學(xué)習(xí)過程中，學(xué)生一般會(huì)采取實(shí)驗(yàn)探究、合作交流、閱讀歸納的學(xué)法。

六、課堂教學(xué)創(chuàng)新點(diǎn)

在本課教學(xué)中，筆者以分析冰醋酸稀釋過程的數(shù)字化實(shí)驗(yàn)曲線圖為教學(xué)起點(diǎn)，為學(xué)生創(chuàng)設(shè)真實(shí)而有價(jià)值的問題情境，讓學(xué)生直觀地感受實(shí)驗(yàn)的操作過程，形成學(xué)科核心素養(yǎng)（詳見圖1）。

七、教學(xué)過程

提出問題：在一定溫度下，冰醋酸未加水前導(dǎo)電能力幾乎為零的原因是什么？最終幾乎不變的原因可能是什么？

學(xué)生分析：未加水前醋酸以分子形式存在，不存在自由移動(dòng)的離子，導(dǎo)電能力為零。最后趨于定值，是水可能發(fā)生電離，使溶液中的離子濃度幾乎不變，電導(dǎo)率幾乎不變。

設(shè)計(jì)意圖：通過前一節(jié)《電離平衡》的學(xué)習(xí)，學(xué)生已經(jīng)掌握了弱電解質(zhì)的電離及電離平衡相關(guān)知識，知道醋酸是弱電解質(zhì)，了解了其在加水稀釋過程中溶液導(dǎo)電能力的變化趨勢。筆者根據(jù)學(xué)生已有認(rèn)知，以前一課課后習(xí)題為素材創(chuàng)設(shè)情境，用真實(shí)而有效的問題情境引發(fā)學(xué)生猜想，激發(fā)學(xué)生探究欲望。

任務(wù)1：設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)證明水能電離

學(xué)生實(shí)驗(yàn)：室溫下，使用數(shù)字傳感器測量純水的電導(dǎo)率（詳見圖2）。

教師總結(jié)：水是一種極弱的電解質(zhì)，能發(fā)出微弱的電離。

設(shè)計(jì)意圖：通過醋酸稀釋實(shí)驗(yàn)，學(xué)生很自然就會(huì)想到可以測定純水電導(dǎo)率驗(yàn)證水是否能發(fā)生電離，并使用數(shù)字化傳感器測定純水的電導(dǎo)率，驗(yàn)證猜想，感受水的微弱電離。在此過程中，學(xué)生的實(shí)驗(yàn)探究能力、創(chuàng)新意識、證據(jù)推理與模型認(rèn)知等核心素養(yǎng)能夠得到很大的提升。

提出問題：水可以電離出哪些離子？寫出水的電離方程式。

學(xué)生回答：H2O + H2O[]H3O+ +OH–；簡寫：H2O[]H+ +OH– 。

提出問題：為何使用可逆符號？

學(xué)生回答：水分子電離成氫離子和氫氧根離子，而氫離子和氫氧根離子又重新結(jié)合成水分子，過程可逆，說明水是弱電解質(zhì)，存在電離平衡。

提出問題：純水的電導(dǎo)率測定實(shí)驗(yàn)?zāi)芊裾f明水是弱電解質(zhì)呢？

學(xué)生回答：純水的電導(dǎo)率數(shù)值很小，水的導(dǎo)電性很弱，水電離出的離子很少，說明水為弱電解質(zhì)。

設(shè)計(jì)意圖：水的電離微觀不可視，學(xué)生無法感知其電離過程。筆者借助視頻讓學(xué)生直觀感受水的電離過程，總結(jié)水的電離方程式，以此培養(yǎng)學(xué)生觀察、分析及表達(dá)能力。

任務(wù)2：還有哪些方法可以證明水是弱電解質(zhì)呢？

提出問題：電離程度究竟如何呢？

信息1：25℃時(shí)，測得1L的H2O（約55.6 mol）中c（H+）和c（OH–）都是1.0×10-7mol·L-1 。

信息2：H2O[]H+ + OH–，△H＞O。

學(xué)生回答：可以測不同溫度下純水的pH，證明水是弱電解質(zhì)，因?yàn)樗碾婋x是吸熱過程，溫度升高，水的電離程度增大，氫離子濃度增大，pH減小。

演示實(shí)驗(yàn)：使用數(shù)字傳感器探究溫度對水pH的影響（詳見圖3）。

提出問題：實(shí)驗(yàn)結(jié)果和大家預(yù)測的一樣嗎？什么現(xiàn)象說明水中存在電離平衡呢？

學(xué)生回答：剛開始溫度不變，水的pH不變，說明水中的氫離子濃度不變。加熱后pH隨著溫度升高而減小，說明隨著溫度的升高水中的氫離子濃度逐漸增大，水的電離正向進(jìn)行，證明水中存在電離平衡。

設(shè)計(jì)意圖：根據(jù)學(xué)生已知信息，從變化觀和能量觀角度讓學(xué)生通過數(shù)字化實(shí)驗(yàn)探究水中存在電離平衡，以此培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)能力，發(fā)展學(xué)生的“變化觀念與平衡思想、證據(jù)推理與模型認(rèn)知”等核心素養(yǎng)。

任務(wù)3：了解水的離子積及適應(yīng)范圍。

學(xué)生根據(jù)弱電解質(zhì)的電離平衡相關(guān)知識，寫出了水的離子積常數(shù)：K電離= [c（H+）·c（OH-）c（H2O）]。

教師分析：室溫下與未電離的H2O相比，發(fā)生電離的H2O可以忽略不計(jì)，c（H2O）不變，可以視為常數(shù)，K電離·c（H2O）也是常數(shù)，稱作水的離子積常數(shù)，記作Kw=c（H+）·[c]（OH–）。

數(shù)據(jù)分析：不同溫度下水的電離差異（詳見表1）。

教師總結(jié)：與其他平衡常數(shù)一樣，水的離子積常數(shù)也是溫度常數(shù)，溫度升高，水的離子積增大，水的離子積常數(shù)不僅適用于純水，也適用于稀的電解質(zhì)溶液。

設(shè)計(jì)意圖：讓學(xué)生根據(jù)已有電離平衡知識，寫出水的電離積常數(shù)表達(dá)式，掌握水的離子積常數(shù)概念，知道水的離子積常數(shù)不僅適用于純水，還適用于稀的電解質(zhì)溶液。

任務(wù)4：構(gòu)建溶液的酸堿性與c（H+）和c（OH–）的關(guān)系模型。

數(shù)據(jù)處理：室溫下，請根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)填寫表2空缺的數(shù)據(jù)。

學(xué)生活動(dòng)：依據(jù)水的離子積常數(shù)，計(jì)算出酸堿溶液中c（H+）和c（OH–）的值。

提出問題：從表中數(shù)據(jù)你們發(fā)現(xiàn)了什么？

教師分析：不管酸性溶液還是堿性溶液，都存在氫離子和氫氧根離子：酸溶液中Kw=c（H+）酸·c（OH–）水（忽略水電離出的H+）；堿溶液中Kw=c（H+）水c（OH–）堿（忽略水電離出的OH–）。在其他條件不變時(shí)，向水中加入酸或堿，水的電離受到抑制。

設(shè)計(jì)意圖：讓學(xué)生根據(jù)水的離子積常數(shù)計(jì)算酸堿溶液中c（H+）和c（OH–）的值，觀察數(shù)據(jù)，分析數(shù)據(jù)，構(gòu)建溶液的酸堿性與c（H+）和c（OH–）的關(guān)系模型，培養(yǎng)學(xué)生分析歸納、模型構(gòu)建的能力。

這是一節(jié)基于數(shù)字化實(shí)驗(yàn)開展的深度教學(xué)，無論是教法上的情境創(chuàng)設(shè)、實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新、師評解惑，還是學(xué)法上的實(shí)驗(yàn)探究、合作交流、分析歸納，都是為了培養(yǎng)和發(fā)展學(xué)生的核心素養(yǎng)，讓學(xué)生真正理解水的電離平衡及水的離子積常數(shù)的含義。在本課教學(xué)過程中，筆者多次使用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)，充分激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，有效培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力，培育了學(xué)生的學(xué)科核心素養(yǎng)。

作者單位? ?西安市第七十中學(xué)? ?西安市創(chuàng)新港中學(xué)