电解水实验的应用

电解水实验的应用

实验是帮助学生体验学习过程、建立科学概念的重要手段。在教学中实验的呈现无疑使得抽象的问题得以具体化、形象化。教学中怎样通过实验来进一步阐释概念的深层内涵,培养学科的观念和方法呢?例如,在初、高中课程的不同阶段均出现了电解水的实验(见图1所示),下面结合不同阶段的教学内容来探索电解水实验的具体应用。1中学理解物质组成和变化的理解初中教材第三单元课题1中通过电解水实验来帮助学生认识水的组成,从教材内容的设置上,在教学中所起的作用有如下三个方面。1.1元素不是组成元素水是生活中不可缺少的物质,但是化学史上对于水组成的认识却经历了很长的时间。18世纪末,在前人探索的基础上拉瓦锡通过对水的生成、让水蒸气通过烧红的枪管得到“易燃空气”的实验,才得出“水不是由一种元素组成的”。后来人们通过电解水实验进一步证实了拉瓦锡的结论。人们到17～18世纪才逐渐明确了元素的概念——不能分解成更简单物质的东西。对水组成认识过程的介绍,可以启发学生了解不断分解物质直到不能再分解为止,是人类认识物质组成的一种方法,为学生分析物质组成提供借鉴。1.2化学反应的本质通电后电极上出现气泡,收集后经证实分别为氢气和氧气,说明水在通电时发生了变化,试管中生成了完全不同于水的新物质,但是在通电前后参与反应的元素种类并没有改变,从而揭示出化学反应的实质:组成水的元素在反应过程中进行了重组,形成了新物质。多次实验两试管中所收集的气体体积比总是约为1∶2,这个比例关系与组成水的氢、氧元素间一定存在着某种联系,为日后高中气体摩尔体积的教学打下伏笔。1.3从学生实际出发,以化学视角认识水实验中可以得出在宏观上水由氢、氧两种元素组成,从元素的角度为物质分类奠定了基础。从微观的角度来看,显然水的分解不同于水的蒸发,在通电的条件下水能被分解,说明水分子是由更小的微粒组成的,即氢原子和氧原子,此二者是这个化学变化中不能再分的最小粒子;氢原子间、氧原子间重新结合,生成氢气、氧气,进一步呼应化学反应的实质是组成物质的元素进行了重新组合形成了新物质。水虽然是学生非常熟悉的物质,但怎样以化学的视角来认识水,学生是陌生的。以电解水的实验为载体,通过对水认知过程的分析,渗透了物质组成认识过程和方法的教育。2气体摩尔体积的特点高中必修1第一章第二节中以电解水实验作为气体摩尔体积概念教学的引入。通过实验观察不同时间试管内气体体积的变化和推算得出在相同温度和压强下,1molO2和1molH2体积相同的结论,从而引出气体摩尔体积的概念,教学思路见图2所示。电解水的实验将气体摩尔体积概念的形成过程直观化,变抽象的宏观气体体积与微粒数目间的关系形象化,进一步搭建了宏观与微观的桥梁,为科学研究和实际生产中气体间的定量关系作了更为明确的阐释,关系见图3所示。3电解水帮助学生感受电能的转化高中必修2第二章第二节化学能与电能的教材中,以居我国发电总量首位的火电为能量转化的线索开展教学,过程中能量的转化关系如下:化学能→燃烧→燃烧热能→蒸气→蒸气机械能→发电机→发电机电能火力发电多次的能量转换中,人们不得不思考能源的利用效率并面对日益严重的污染,于是势必引出化学能是否可以直接转化为电能的问题,而电解水实验的引入可以帮助学生直观地感受化学能与电能间直接进行转化的过程。实验过程先是电解水,学生感知电能向化学能转变的过程。关闭电源后,变化连接的电路,观察到在没有外接电源的闭合电路中二极管发光,引导学生分析此现象产生的原因,是由于附着在电极上的H2、O2分别在两个不同的区域发生了氧化、还原反应,化学能向电能发生了转化。电解水实验的引入,于二者的对比中突出了能量间的转化过程,成为促使学生形成能量转化观念的重要例证。4反应原理步骤1-能量转化的深化化学反应原理第四章第三节电解池的概念教学更是电解水这一实验内涵的拓展和深化。4.1水发生分解h水发生分解反应的热化学方程式为:2H2O(l)=2H2(g)+O2(g),ΔH=+571.6kJ/mol,因为ΔH>0,所以必需提供能量才能使水发生分解。在研究如何使水分解的过程中可以采用多种方法来提供能量,如高温、太阳能、电解等,其中电解是在通常情况下强制水发生分解的有力手段,但由于能耗较大,因此水的分解技术尚待进一步研发。4.2阴、阳两极上微粒得电子能力的测定电解质的水溶液中同时存在着溶质与溶剂的电离,在一定条件下给予相同的电压,阴、阳两极上哪种微粒放电,是电极材料与溶质、溶剂电离出的阴、阳离子得失电子难易比较之后的结果。阴、阳两极上微粒得失电子能力由强到弱的顺序为:得电子:Ag+>Fe3+>Hg2+>Cu2+>H+>Pb2+>Sn2+>Fe2+>Zn2+>Al3+>Mg2+>Na+>Ca2+>K+失电子:金属阳极>S2->I->Br->Cl->OH->SO2−442->NO-3>F-当微粒的放电能力均强于水电离出的H+、OH-时,水不参加电解;反之,水电离出的H+或OH-必然参加电解的过程,因此电解质在水溶液中进行的电解在一定条件下是微粒得失电子难易程度比较的过程体现。5三个审查阶段的概念整合电解水实验的内涵随着学生基本知识的积累、基本技能的提高,化学的学科观念逐步渗透。5.1电解水实验内涵的诠释宏观与微观的结合是化学学科不同于其他科学的最具特征性的思维方式,在初、高中化学学习的不同阶段,电解水实验内涵的诠释不但体现了宏观与微观的思想,而且将认识物质的两个角度有机地结合了起来。5.2以“不断重要的教学环节”的环节教学和实践以培养学生的核心能力引导学生透过现象,深入理解学科知识的内涵是一个非常重要的教学环节。化学学科的魅力所在是在“变化”中渗透着“不变”,即守恒的思想,因此需要透过实验表象,深入挖掘学科的核心思想。5.3从学生的知识、能力和观念来认识的整合在学生学习化学的不同时期,电解水实验出现时的内涵各有侧重,是一个随着学生知识与能力的增长而不断“变化和发展”的实验。由最初揭示物质组成时的质变,发展到从电解水阴阳两极气体体积量的变化来学习摩尔体积概念;透过一个常见氧化还原反应发生的过程,深入到化学变化中旧键的断裂与新键的生成,并最终表现为能量的转化,究其实质化学反应发生的过程中能量变化起着重要作用,量变和质变是能量变化的部分宏观表象。纵观电解水实验在不同教学阶段的应用,可以看出化学学科对学生知识、能力和观念的培养是一个由浅入深的过程,不是单一的“谁变成谁”的过程,而是一个由内及外、从能变到质变、量变的过程,并且在宏观物质和能量的变化中蕴涵着微粒