借助数字化实验 创新化学教学模式——以“水的电离和溶液的pH”教学设计为例.pdf

2023 9数字化实验因其具有可视化、数据采集及智能化等优点，被广泛应用于化学实验教学中。本文是数字化手持技术在化学概念教学中的有效尝试，笔者采用数字化实验测定纯水电导率，证明了水是极弱的电解质。一、教材分析普通高中化学课程标准（2017年版2020年修订）在“水溶液中的离子反应与平衡”中指出：“认识水的电离，了解水的离子积常数，认识溶液的酸碱性及pH，掌握检测溶液pH的方法。”水的电离及电离平衡移动知识对学生了解溶液的酸碱性、pH具有重要的意义，为学生学习盐类的水解，以及第四章电化学知识奠定了基础。人教版化学选择性必修一第三章“水溶液中的离子反应与平衡”第2节“水的电离和溶液的pH”第1课时分为三个部分：水的电离、溶液的酸碱性与pH、酸碱中和滴定。教材以水的电离为突破口，直接以一句“精确的导电性实验表明，纯水绝大部分以H2O的形式存在，但其中也存在极少量的H3O+和OH”，说明水是一种极弱的电解质，能发生微弱的电离。概念的生成平铺直叙，学生核心素养无法得到有效培养和发展。二、学情分析1.已知点。学习本课前，学生通过学习必修二、本册第二章、本章第一节“电离平衡”已经知道了化学平衡状态的意义及特征，掌握了弱电解质的电离平衡、化学平衡常数、影响平衡移动因素等知识。2.障碍点。由于水的电离平衡比较抽象，学生理解水的电离平衡及水的离子积常数适应范围有一定的难度。3.发展点。在教学过程中，笔者以弱电解质的电离为基础，以水的电离为突破口，基于实验事实，为学生介绍水的电离、水的离子积常数适应范围、溶液的酸碱性与pH的关系等，并帮助学生树立微粒观、变化观、平衡观等。三、教学目标1.让学生使用数字传感器测水的电导率，了解水是一种极弱的电解质，可以发生微弱的电离。2.让学生使用数字传感器测水在不同温度下的pH，了解弱电解质的电离平衡状态及平衡常数，认识水的电离平衡，掌握水的离子积常数的适应范围。3.让学生利用水的离子积常数计算酸碱溶液中c（H+）和c（OH）的值，构建溶液的酸碱性与c（H+）和c（OH）的关系模型。四、重难点1.重点。本课重点知识包括两个方面：一是水的电离及水的离子积常数，二是溶液的酸碱性与pH。2.难点。本课的难点是水的电离平衡的证明，以及水的离子积常数的应用。五、教法学法1.教法。在日常教学过程中，笔者一般会采用情境创设、实验创新、师评解惑的教法。2.学法。在学习过程中，学生一般会采取实验探究、合作交流、阅读归纳的学法。六、课堂教学创新点在本课教学中，笔者以分析冰醋酸稀释过程的数字化实验曲线图为教学起点，为学生创设真实而有价值的问题情境，让学生直观地感受实验的操作过程，形成学科核心素养（详见图1）。七、教学过程提出问题：在一定温度下，冰醋酸未加水前导电能力几乎为零的原因是什么？最终几乎不变的原因可能是什么？学生分析：未加水前醋酸以分子形式存在，不存在自由移动的离子，导电能力为零。最后趋于定值，是水可能发生电离，使溶液中的离子浓度几乎不变，电导率几乎不变。设计意图：通过前一节 电离平衡 的学习，学生已经掌握了弱电解质的电离及电离平衡相关知识，知道醋酸是弱电解质，了解了其在加水稀释过程中溶液导电能力的变化趋势。笔者根据学生已有认知，以前一课课后习题为素材创设情境，用真实而有效的问题情境引发学生猜想，激发学生探究欲望。任务1：设计实验证明水能电离学生实验：室温下，使用数字传感器测量纯水的电导率（详见图2）。图2 纯水电导率测定实验BENQI CEHUA/本期策划本期策划关注引领与借助数字化实验 创新化学教学模式以“水的电离和溶液的pH”教学设计为例文/张运飞 张忠孝闫君图1 创新思路132023 9教师总结：水是一种极弱的电解质，能发出微弱的电离。设计意图：通过醋酸稀释实验，学生很自然就会想到可以测定纯水电导率验证水是否能发生电离，并使用数字化传感器测定纯水的电导率，验证猜想，感受水的微弱电离。在此过程中，学生的实验探究能力、创新意识、证据推理与模型认知等核心素养能够得到很大的提升。提出问题：水可以电离出哪些离子？写出水的电离方程式。学生回答：H2O+H2O H3O+OH；简写：H2O H+OH。提出问题：为何使用可逆符号？学生回答：水分子电离成氢离子和氢氧根离子，而氢离子和氢氧根离子又重新结合成水分子，过程可逆，说明水是弱电解质，存在电离平衡。提出问题：纯水的电导率测定实验能否说明水是弱电解质呢？学生回答：纯水的电导率数值很小，水的导电性很弱，水电离出的离子很少，说明水为弱电解质。设计意图：水的电离微观不可视，学生无法感知其电离过程。笔者借助视频让学生直观感受水的电离过程，总结水的电离方程式，以此培养学生观察、分析及表达能力。任务2：还有哪些方法可以证明水是弱电解质呢？提出问题：电离程度究竟如何呢？信息1：25时，测得1L的H2O（约55.6 mol）中c（H+）和c（OH）都是1.010-7mol L-1。信息2：H2O H+OH，HO。学生回答：可以测不同温度下纯水的pH，证明水是弱电解质，因为水的电离是吸热过程，温度升高，水的电离程度增大，氢离子浓度增大，pH减小。演示实验：使用数字传感器探究温度对水pH的影响（详见图3）。图3 探究温度对水的pH的影响提出问题：实验结果和大家预测的一样吗？什么现象说明水中存在电离平衡呢？学生回答：刚开始温度不变，水的pH不变，说明水中的氢离子浓度不变。加热后pH随着温度升高而减小，说明随着温度的升高水中的氢离子浓度逐渐增大，水的电离正向进行，证明水中存在电离平衡。设计意图：根据学生已知信息，从变化观和能量观角度让学生通过数字化实验探究水中存在电离平衡，以此培养学生的实验设计能力，发展学生的“变化观念与平衡思想、证据推理与模型认知”等核心素养。任务3：了解水的离子积及适应范围。学生根据弱电解质的电离平衡相关知识，写出了水的离子积常数：K电离=c（H+）c（OH-）c（H2O）。教师分析：室温下与未电离的H2O相比，发生电离的H2O可以忽略不计，c（H2O）不变，可以视为常数，K电离 c（H2O）也是常数，称作水的离子积常数，记作Kw=c（H+）c（OH）。数据分析：不同温度下水的电离差异（详见表1）。表1 不同温度下水的离子积常数教师总结：与其他平衡常数一样，水的离子积常数也是温度常数，温度升高，水的离子积增大，水的离子积常数不仅适用于纯水，也适用于稀的电解质溶液。设计意图：让学生根据已有电离平衡知识，写出水的电离积常数表达式，掌握水的离子积常数概念，知道水的离子积常数不仅适用于纯水，还适用于稀的电解质溶液。任务4：构建溶液的酸碱性与c（H+）和c（OH）的关系模型。数据处理：室温下，请根据相关数据填写表2空缺的数据。表2 不同浓度的酸碱溶液学生活动：依据水的离子积常数，计算出酸碱溶液中c（H+）和c（OH）的值。提出问题：从表中数据你们发现了什么？教师分析：不管酸性溶液还是碱性溶液，都存在氢离子和氢氧根离子：酸溶液中Kw=c（H+）酸c（OH）水（忽略水电离出的H+）；碱溶液中Kw=c（H+）水c（OH）碱（忽略水电离出的OH）。在其他条件不变时，向水中加入酸或碱，水的电离受到抑制。设计意图：让学生根据水的离子积常数计算酸碱溶液中c（H+）和c（OH）的值，观察数据，分析数据，构建溶液的酸碱性与c（H+）和c（OH）的关系模型，培养学生分析归纳、模型构建的能力。这是一节基于数字化实验开展的深度教学，无论是教法上的情境创设、实验创新、师评解惑，还是学法上的实验探究、合作交流、分析归纳，都是为了培养和发展学生的核心素养，让学生真正理解水的电离平衡及水的离子积常数的含义。在本课教学过程中，笔者多次使用数字化实验，充分激发了学生的学习兴趣，有效培养了学生的创新精神和实践能力，培育了学生的学科核心素养。作者单位西安市第七十中学西安市创新港中学TEBIE BAODAO/特别报道本期策划关注引领与化合物HClNaOHH2OC/(mol L-1)1.010-21.010-2约55.6C平（H+）/(mol L-1)1.010-21.010-7C平（OH）/(mol L-1)1.010-2t/Kw/10-1400.115100.296200.687251.01402.87505.319037.110054.52023 914