基于學(xué)科核心素養(yǎng)培養(yǎng)的高中化學(xué)課堂教學(xué)設(shè)計(jì)
——以“水的電離和溶液的pH”為例

徐 璐

(湖北省宜昌市第一中學(xué),湖北 宜昌 443099)

《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)(2017年版)》要求學(xué)生能從宏觀和微觀結(jié)合、定性與定量結(jié)合上收集證據(jù),能依據(jù)證據(jù)從不同視角分析問(wèn)題,并推出合理的結(jié)論[1].現(xiàn)以“水的電離和溶液的pH”一課為例,探討學(xué)科核心素養(yǎng)的培養(yǎng)在中學(xué)教學(xué)中的具體實(shí)施.

1 教材分析

“水的電離和溶液的pH”是人教版高中化學(xué)選擇性必修1第三章第二節(jié)第一課時(shí)的內(nèi)容.本課時(shí)內(nèi)容包括:水的電離,溶液的酸堿性與pH.本節(jié)內(nèi)容是對(duì)“電解質(zhì)的電離”學(xué)習(xí)的進(jìn)一步深化,也是對(duì)“電離平衡”相關(guān)知識(shí)的鞏固,同時(shí)為學(xué)習(xí)“鹽類(lèi)的水解”提供知識(shí)儲(chǔ)備.

2 課時(shí)目標(biāo)

(1)學(xué)會(huì)書(shū)寫(xiě)水的電離方程式,理解水的離子積含義及適用范圍;知道pH的意義及數(shù)學(xué)表達(dá)式,并能進(jìn)行簡(jiǎn)單計(jì)算;

(2)利用已有知識(shí)進(jìn)行證據(jù)推理,理解溫度、外加酸堿對(duì)水的電離平衡的影響;

(3)通過(guò)分組實(shí)驗(yàn)培養(yǎng)動(dòng)手能力和合作學(xué)習(xí)能力,進(jìn)一步了解科學(xué)探究的一般方法,養(yǎng)成勤于實(shí)踐,善于合作,勇于創(chuàng)新的科學(xué)探究精神;

(4)了解pH在生活生產(chǎn)中的應(yīng)用,體會(huì)化學(xué)科學(xué)的發(fā)展對(duì)提高人類(lèi)生活質(zhì)量的積極作用,培養(yǎng)科學(xué)態(tài)度和社會(huì)責(zé)任.

教學(xué)重點(diǎn):水的離子積常數(shù)、影響水的電離平衡的因素、溶液的酸堿性與pH.

教學(xué)難點(diǎn):水的離子積常數(shù)適用范圍、影響水的電離平衡的因素.

3 教學(xué)用品

NaOH溶液(0.01 mol/L、0.1 mol/L)、鹽酸(0.1 mol/L)、pH計(jì)、濾紙、磁力加熱攪拌器、溫度傳感器、電導(dǎo)率傳感器.希沃授課助手、LAB-PORT2數(shù)據(jù)采集器、Lab-Studio數(shù)據(jù)分析軟件.

4 教法學(xué)法

教法:情境激學(xué)法、任務(wù)驅(qū)動(dòng)法、推理歸納法等;

學(xué)法:實(shí)驗(yàn)探究法、類(lèi)比歸納法、合作學(xué)習(xí)法等.

5 教學(xué)過(guò)程

環(huán)節(jié)一:創(chuàng)設(shè)情境,矛盾凸現(xiàn).

【情境引入】展示圖1:蔚藍(lán)色的波濤拍打著兩岸的巖壁,在水面上撲騰起一簇簇浪花,這一望無(wú)際的海洋孕育了美麗富饒的寶島臺(tái)灣.圖2:長(zhǎng)江三峽滋養(yǎng)了一代代華夏兒女,孕育了璀璨的中華文明.以“共抓大保護(hù)、不搞大開(kāi)發(fā)”為導(dǎo)向,推動(dòng)長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶發(fā)展的戰(zhàn)略部署,更是強(qiáng)調(diào)了“水”資源不容小覷的意義和價(jià)值.水不僅重要,水還有特殊的一面.讓我們走上探索之旅,一起學(xué)習(xí)水的電離和溶液的pH.

【疑激導(dǎo)學(xué)】水為何特殊?例如:水作為一種共價(jià)化合物在液態(tài)時(shí)卻能導(dǎo)電,為什么?

設(shè)計(jì)意圖:通過(guò)介紹長(zhǎng)江三峽的江水,使學(xué)生從多個(gè)角度認(rèn)識(shí)水,了解水的重要性和“共抓大保護(hù),不搞大開(kāi)發(fā)”戰(zhàn)略部署的重大意義,培養(yǎng)社會(huì)責(zé)任感.通過(guò)水的特殊性引發(fā)思維沖突,激發(fā)學(xué)習(xí)興趣.

環(huán)節(jié)二:科學(xué)史話,模型認(rèn)知.

【科學(xué)史話】1806年,化學(xué)家格羅特斯提出:水分子通過(guò)氧原子將質(zhì)子從一個(gè)水分子傳遞給另一個(gè)水分子,如同分子接力賽.2016年,耶魯大學(xué)化學(xué)教授馬克約翰遜團(tuán)隊(duì)對(duì)水分子中發(fā)生的電子遷移拍攝了光譜快照,證實(shí)了格羅特斯理論,認(rèn)為水發(fā)生了電離.

【知識(shí)建構(gòu)】水分子之間相互作用而電離出水合氫離子與氫氧根,可簡(jiǎn)寫(xiě)為水電離出氫離子和氫氧根.

【任務(wù)驅(qū)動(dòng)】請(qǐng)?jiān)趯W(xué)案上寫(xiě)出水的電離平衡常數(shù)表達(dá)式.

【教師講解】常溫下,1 L水中只有1×10-7mol水發(fā)生了電離.

【任務(wù)驅(qū)動(dòng)】請(qǐng)求出此時(shí)水中的c(H+)和c(OH-).

【學(xué)生回答】均為1×10-7mol/L.

【教師講解】可見(jiàn)水的電離程度極其微弱,c(H2O)可視為常數(shù),K電離也是常數(shù),故c(H+)與c(OH-)的乘積為常數(shù),稱(chēng)為水的離子積常數(shù),用Kw表示,它與溫度有關(guān).常溫Kw為1×10-14.Kw不僅適用于純水,也適用于稀的電解質(zhì)水溶液,且Kw表達(dá)式中c(H+)與c(OH-)表示的是溶液中總的c(H+)與總的c(OH-).

設(shè)計(jì)意圖:科學(xué)史話拓展學(xué)生視野,使學(xué)生了解科學(xué)研究的重大意義.書(shū)寫(xiě)水的電離平衡常數(shù)表達(dá)式,回顧舊知并為引入Kw做鋪墊,Kw的引入為后續(xù)微觀探析中證據(jù)推理提供知識(shí)儲(chǔ)備.

環(huán)節(jié)三:微觀探析,證據(jù)推理.

【教師提問(wèn)】根據(jù)影響弱電解質(zhì)電離平衡的因素思考:水的電離平衡可能受什么因素影響?

【學(xué)生回答】1. 溫度;2.c(H+) 、c(OH-)

【微觀探析一】測(cè)定不同溫度時(shí)蒸餾水的電導(dǎo)率

【教師提問(wèn)】觀察到什么實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象?得出什么結(jié)論?

【學(xué)生回答】溫度升高,蒸餾水的電導(dǎo)率呈增大趨勢(shì).升高溫度,水的電離平衡正向移動(dòng),水的離子積常數(shù)增大.

【教師講解】請(qǐng)看表格,了解不同溫度時(shí)水的離子積常數(shù).已知純水在某溫度下的Kw,將Kw開(kāi)平方即可得此時(shí)純水中的c(H+).這些數(shù)值很小,不方便表示,故引入pH,即c(H+)的負(fù)對(duì)數(shù)表示溶液中c(H+)的大小來(lái)表示.

【教師講解】改變c(H+)或c(OH-)會(huì)使水的電離平衡如何移動(dòng)?增大c(H+)或c(OH-)會(huì)使水的電離平衡中生成物濃度增大,此時(shí)平衡如何移動(dòng)?

【學(xué)生回答】逆向移動(dòng).

【問(wèn)題凸現(xiàn)】加入酸堿的濃度不同對(duì)水電離的抑制程度如何?

【微觀探析二】測(cè)量常溫時(shí)一定濃度的鹽酸或NaOH溶液的pH.

【教師講解】本實(shí)驗(yàn)使用到的實(shí)驗(yàn)儀器及用品有:pH計(jì)(精確度:0.1),濾紙,小燒杯等.

【實(shí)驗(yàn)探究】分組實(shí)驗(yàn):用pH計(jì)平行測(cè)定三次,計(jì)算平均值.

【數(shù)據(jù)分析】

第一組:c(H+)=c水(H+)=c水(OH-)=1×10-12mol/L,c(OH-)=1×10-2mol/L;

第二組:c(H+)=c水(H+)=c水(OH-)=1×10-13mol/L,c(OH-)=1×10-1mol/L;

第三組:c(H+)=1×10-1mol/L,c(OH-)=1×10-13mol/L=c水(H+)=c水(OH-)=1×10-13mol/L.

【教師提問(wèn)】對(duì)比第一、二組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),思考問(wèn)題1:向水中加入堿的濃度不同對(duì)水電離的抑制程度如何?

【學(xué)生回答】堿的濃度越大,對(duì)水電離的抑制程度越大;

【教師追問(wèn)】問(wèn)題2:向水中加入的酸中c(H+) 或加入的堿中c(OH-)相等時(shí),對(duì)水電離的抑制程度如何?

【學(xué)生回答】對(duì)水電離的抑制程度相等.

設(shè)計(jì)意圖:數(shù)字化實(shí)驗(yàn)儀器可以將不易觀察的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行數(shù)據(jù)呈現(xiàn),可提高學(xué)生證據(jù)意識(shí).

環(huán)節(jié)四:遷移應(yīng)用,歸納演繹.

【任務(wù)驅(qū)動(dòng)】結(jié)合所學(xué)知識(shí)完成遷移應(yīng)用練習(xí)題.學(xué)生分組匯報(bào)練習(xí)題答案.

【教師提問(wèn)】只有酸溶液中才存在H+,堿溶液中才存在OH-,對(duì)嗎?

【學(xué)生回答】不對(duì).任何水溶液中都存在H+和OH-.

【教師追問(wèn)】溶液的酸堿性由什么決定?

【學(xué)生回答】c(H+)和c(OH-)的相對(duì)大小.

【教師追問(wèn)】能否根據(jù)pH判斷溶液酸堿性?

【學(xué)生回答】可以.

【教師講解】25 ℃時(shí),pH<7溶液顯酸性,pH=7溶液顯中性,pH>7溶液顯堿性.

【教師追問(wèn)】純水顯中性.為什么此時(shí)pH<7?

【學(xué)生回答】因?yàn)闇囟炔皇?5 ℃.

【教師追問(wèn)】用pH判斷溶液酸堿性時(shí)必須考慮什么外界條件?

【學(xué)生回答】溫度.

【模型認(rèn)知】1.溶液的酸堿性由c(H+)和c(OH-)相對(duì)大小決定

c(H+)=c(OH-):中性;c(H+)>c(OH-):酸性;c(H+)

2.pH的大小與溶液酸堿性的關(guān)系(常溫)

pH<7 酸性;pH=7 中性;pH>7 堿性

設(shè)計(jì)意圖:對(duì)比歸納總結(jié)判斷溶液酸堿性的依據(jù),強(qiáng)調(diào)“根據(jù)pH判斷溶液酸堿性必須考慮溫度”,培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)求實(shí)的科學(xué)態(tài)度.

環(huán)節(jié)五:拓展視野,整合提高.

【教師講解】pH在日常生活生產(chǎn)中應(yīng)用也很廣泛.閱讀教材,回答問(wèn)題:洗完頭發(fā)后需要涂抹護(hù)發(fā)素,為什么?

【學(xué)生回答】護(hù)發(fā)素具有調(diào)節(jié)頭發(fā)pH使之達(dá)到適宜酸堿度的功能.

【知識(shí)建構(gòu)】組織學(xué)生進(jìn)行知識(shí)整理.

【教師總結(jié)】本節(jié)課通過(guò)科學(xué)史話認(rèn)識(shí)了水的電離過(guò)程;進(jìn)而通過(guò)微觀探析探究影響水的電離的因素及不同濃度酸或堿對(duì)水電離的抑制程度;通過(guò)對(duì)比數(shù)據(jù)掌握判斷溶液酸堿性的依據(jù);通過(guò)拓展視野了解pH在生活生產(chǎn)中的應(yīng)用.

【作業(yè)設(shè)計(jì)】完成教材P68第1、2、3、6題

6 結(jié)束語(yǔ)

本節(jié)課由自然界的水展開(kāi),了解水的重要性,引發(fā)學(xué)生共情,使學(xué)生從生活世界走進(jìn)化學(xué)世界.了解pH在日常生活生產(chǎn)中的應(yīng)用時(shí),以學(xué)生熟悉的問(wèn)題展開(kāi),激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)欲望,并在這一過(guò)程中體會(huì)化學(xué)科學(xué)的社會(huì)價(jià)值.

本節(jié)課通過(guò)科學(xué)史話、動(dòng)畫(huà)模擬等引導(dǎo)學(xué)生從宏觀(水能導(dǎo)電)到微觀(水能電離),從理論(水的電離平衡移動(dòng)方向)到實(shí)際(溶液酸堿性的變化)視角進(jìn)行原理揭示,并用框圖的形式對(duì)這一認(rèn)識(shí)思路顯性化,學(xué)生按此認(rèn)識(shí)思路就能夠進(jìn)行遷移.