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电解水实验可以确定水的组成

更新时间:2012-3-11:  来源:毕业论文

义务教育阶段的化学课程“可以帮助学生理解化学对社会发展的作用,能从化学的视角去认识科学、技术、社会和生活方面的有关问题……”;高中新课程标准指出:“高中化学课程是科学教育的重要组成部分,它对提高学生的科学素养、促进学生全面发展有着不可替代的作用”。从中不难悟出,化学教学不单是传授化学知识,更重要的是引导学生去体会知识内容中所蕴含的化学思想观念以及具有化学学科特点的认识论和方法论。
化学研究物质的组成、结构、性质、变化规律以及变化过程中的定量关系。对于物质的认识是一个由宏观到微观、由定性到定量、由个别到一般的逐步深化的过程。化学作为一门以实验为基础的学科,实验是帮助学生体验学习过程的、构建学科观念的重要手段。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?在初、高中课程的不同阶段均出现了电解水的实验(如图1所示),下面结合不同教学阶段的具体内容探索电解水实验的应用。论文网 
1  初中阶段——物质组成观念的建立
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如下:
1.1 以史实启发学生认识研究物质组成的方法
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、让水蒸气通过烧红枪管得到“易燃空气”的实验,才得出了水不是由一种元素组成的结论。后来人们通过电解水的实验进一步证实了拉瓦锡的结论。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,为今后学生对物质进行分析提供借鉴的方法。
1.2 在变化中揭示化学反应的实质
通电后电极上出现气泡,经收集后证实分别为氢气和氧气,说明水在通电前后发生了变化,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变化,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。http://www.lwfree.com/  
由通电一段时间后试管1和试管2中所收集的气体体积比总是约为1:2,不难得出组成水的元素间一定存在确定的比例关系,这个比例关系与1:2之间一定有着某种联系,从而为日后高中的气体摩尔体积的教学打下伏笔。
1.3 从宏观与微观的角度认识物质的组成
实验中可以得出在宏观上水由氢、氧两种元素组成的结论,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,在通电的条件下水又被分解了,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  必修1阶段——架构宏观与微观的桥梁
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H2体积相同的结论,从而引出气体摩尔体积的概念,教学过程如下图所示。
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,进一步架构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。关系如下:
3  必修2阶段——能量转化观念的例证
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:
在如此复杂的能量过程转换之余,人们不得不面对较低的能源利用率和日益严重的污染问题。若能在此处引入电解水实验作为原电池概念教学的铺垫,将帮助学生更直观地体会化学能与电能间的相互转化过程。
实验名称 电解水 氢氧燃料电池
实验过程示意图

能量转化 电能→化学能 化学能→电能化学反应 

实验过程先是电解水,学生感知电能向化学能转变的过程。然后变化连接的电路,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和O2发生反应,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  化学反应原理阶段——能量转化观念的深化
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 电解是强制发生氧化还原反应过程的体现
水发生分解反应的热化学方程式为:2H2O(l)= 2H2(g)+ O2(g),△H=571.6kJ/mol,因为△H>0,所以必需提供能量才能使水发生分解。科学家们在研究如何使水分解的过程中采用各种方法来提供能量,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,从能量利用而言得不偿失,因此水的分解技术尚待进一步研发。
4.2 电解是微粒得失电子难易过程的体现
电解质溶液中一定同时存在着溶质与溶剂的电离,在相同的条件下给予电压,阴、阳两极上哪种微粒获得或失去电子,是电极材料与溶质、溶剂电离出的阴、阳离子得失电子难易的较量。
阴、阳两极上微粒得失电子能力由强到弱的顺序为:
Ag+>Fe3+>Hg2+>Cu2+>  H+  >Pb2+ >Sn2+>Fe2+>Zn2+>Al3+>Mg2+>Na+ >Ca2+>K+
 金属阳极>S2->I->Br->Cl-> OH- >SO42->NO3->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,因此在水溶液中进行的电解离不开水的电解,其实质是微粒得失电子难易过程的体现。
5  高三复习阶段——学科观念的整合
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,化学的学科观念在逐步进行渗透。
5.1宏观与微观的思想
宏观与微观的联系是化学学科不同于其他科学的最特征的思维方式,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。
教学阶段 化学概念 宏观概念 微观概念
初中 物质组成 元素 分子、原子2369

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