以创新实验为切入点促进化学概念的深度学习——以“水的电离”教学为例

陕西省西安市第七十中学(710002) 张运飞 张忠孝

陕西省宝鸡市斗鸡中学 (721004) 李红英

1 教学内容及现状分析

本节课是人教版化学选修4《化学反应原理》[1](2007年2月第3版)第三章“水溶液中的离子平衡”第二节“水的电离和溶液的酸碱性”的第1课时。《普通高中化学课程标准(2017年版2020年修订)》[2]关于水的电离和溶液的酸碱性的内容要求为：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。教材设计的认知脉络是：①以“精确的导电性实验”的结果来说明水的微弱电离；②书写水的电离方程式，列出水的电离平衡常数，进而分析归纳出水的离子积常数；③通过分析不同温度下水的离子积常数，了解水的离子积大小受温度变化的影响，认定水的电离是一个吸热过程，阐明水的离子积影响因素。有关水的电离过程及离子积常数的影响因素及适用范围未安排实验探究，仅以一句“精确的导电性实验表明，纯水大部分以H2O的分子形式存在，但其中也存在着极少量的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，学生真正理解起来有一定困难。

在中国知网以“水的电离”为关键词检索2015年1月至2021年1月期间公开发表的文章，共搜索到相关论文7篇，其中基于人教版教材进行教学设计的2篇[3-4]，其教学思路与教材的主线基本一致：导电性实验验证水的微弱电离，类比弱电解质的电离平衡分析水的电离平衡及水的离子积常数，分析数据，归纳水的离子积影响因素及适应范围，教学设计注重理论讲解。

分析人教版教材“水的电离”的认知脉络和现有教学设计，在教学中还有5个问题值得研究：①如何创新实验验证水能电离；②如何通过实验验证温度对Kw的影响；③如何理论分析水的离子积常数适应范围并辅以实验验证；④如何构建“溶液的酸碱性与溶液中的c(H+)和c(OH-)大小关系”模型；⑤如何在化学概念课教学中有效发展学生学科素养？

2 教学思想及设计创新

1976年，瑞典教育心理学专家Ference Marton和Roger Saljo基于现象分析学的研究，最先提出了“深度学习”的概念，其内涵是指在教师的引领下，学生围绕具有挑战性的学习主题，全身心积极参与、体验成功、获得发展的学习过程[5]。卢天宇认为化学概念教学下的深度学习是一种学习方式：目的是为了构建新的化学概念，基于已有认知结构，通过实验探究、分析宏观现象、探析微观符号表征或基于证据推理分析等学习活动，进行概念的归纳与初步构建、理解与运用，批判性地接收和学习新概念，建立新旧概念之间的相互联系，深入概念的高阶思维层级的学习[6]。由此可见，实验在化学概念的形成和发展过程中的独特作用，创新化学实验，且巧妙地运用在课堂教学中，能促进学生对化学概念的深度学习。

立足深度学习的出发点，本节教学从实验方面进行创新，共有5个探究实验。

(1)分组实验1“纯水的导电性实验”和演示实验1“纯水电导率测定实验”证明水是极弱的电解质，可以发生微弱的电离。

(2)演示实验2“探究温度对pH的影响”证明水的电离过程为吸热过程，水的离子积常数也是温度常数。分组实验2“用广泛pH试纸分别测0.1 mol/L、0.01 mol/L及0.001 mol/L NaOH溶液的pH”验证了水的离子积适应范围，即其不仅适用于纯水，也适用于稀的电解质溶液。

(3)分组实验要求“用广泛pH试纸、精密pH试纸和pH计测量苏打水的pH”，让学生掌握用不同方法测量溶液的pH，分析碳酸氢钠溶液呈碱性的原因，初步建立水的电离平衡影响因素模型。

3 学情分析及教学目标

通过本章第一节“弱电解质的电离”的学习，学生已经知道弱电解质溶于水能够部分电离，并了解了电离平衡常数的含义。但学生尚未能从水溶液中存在的粒子、粒子间的相互影响、粒子间建立的平衡等视角认识水溶液中的粒子行为，没有形成认识水溶液中离子反应与平衡的基本思路。基于内容要求和学业要求，结合实际学情，确定本节教学目标：①通过使用数字传感器测量水的电导率实验，知道水是一种极弱的电解质，可以微弱电离；②借助对弱电解质的电离平衡状态及平衡常数的了解，去理解水的电离平衡及电离常数，进而了解水的离子积常数的含义及其适应范围；③通过了解pH与c(H+)之间的关系，认识溶液的酸碱性及pH，并能进行简单计算；④通过分别使用广泛pH试纸、精密pH试纸和pH计测量稀溶液的pH，掌握检测溶液pH的方法。

4 教学流程

教学流程见图1。

图1 教学流程

5 教学过程

5.1 实验探究，了解纯水的微弱电离

[提出问题]水是应用最广泛的溶剂，在水分子的作用下，各种电解质都会发生不同程度的电离(见图2)，这表明，在水分子与各种电解质的结构粒子之间存在着较强的相互作用。并且，在相对分子质量接近的化合物中，水是熔、沸点较高的物质，这表明水分子间也存在着较强的相互作用。那么水分子彼此间的作用是否可能导致水分子也发生电离呢？如何证明？

图2 NaCl在水中的溶解和电离示意图

[学生分析]在必修1学习电解质的电离时，用导电性实验验证电解质在水溶液中可以电离出自由移动的离子，因此也可以通过导电性实验验证水分子自身是否也可以发生电离。

[学生实验]纯水的导电性实验，灯泡不亮，见图3。

图3 纯水导电性实验

[提出问题]灯泡不亮，纯水真不能导电吗?

[演示实验]室温下，使用数字传感器测量纯水的电导率为0.023 ms/cm。

[师生归纳]水是一种极弱的电解质，能发出微弱的电离。

[设计意图]学生在必修1已经学习过酸、碱和盐等物质属于电解质，知道可以使用导电实验验证其在水溶液中的电离行为。学生从此认知出发，很自然的想到可以使用“灯泡实验”探究纯水是否可以发生电离，并动手实验验证，发现灯泡不亮，得出纯水不发生电离的结论。此时，教师演示使用数字化传感器测定纯水的电导率实验，对比分析实验现象，学生恍然大悟，纯水可以发生电离，但其电离程度太弱，其导电性不足以使灯泡发光，需要更精确的导电实验才可以测定其可以发生电离。本环节的设计依靠学生已有认知，结合学生分组实验和教师演示实验产生认知冲突，进而引发学生深度思考，最终发展新的概念。

5.2 概念建立，了解水的离子积涵义

投影展示水分子的电离过程，如图4所示。

图4 水分子电离过程示意图

说明水是一种极弱的电解质，能发出微弱的电离，电离出等量的H+和OH-。

[师生分析]与化学平衡一样，当电离达到平衡时，电离产物H+与OH-浓度之积与未电离的H2O浓度之比也是一个常数K电离。

[师生分析]室温下，55.6 mol H2O(1 L)中只有1.0×10-7mol H2O电离，与未电离的H2O相比，发生电离的H2O可以忽略不计，因此c(H2O)不变，可以视为常数。

[思维发展]K电离·c(H2O) =c(H+)·c(OH-)，其中常数K电离与常数c(H2O)的积为一种新的常数，叫做水的离子积常数，记作Kw，Kw=c(H+)·c(OH-)。

[提出问题]我们学习过的平衡常数皆为温度常数，温度会影响水的离子积常数Kw吗？已知：pH=- lgc(H+)，如当pH=1.0时，c(H+)=

0.1 mol/L。

[学生分析]可以将水加热，测量不同温度下水的pH。

[演示实验]使用数字传感器探究温度对水的pH的影响。

[深度思考]温度升高，水的pH减小，依据pH=-lgc(H+)可知水电离出的c(H+)增大，因为水电离出H+的同时，也电离出等量的OH-，则c(OH-)也增大，Kw=c(H+)·c(OH-)，所以Kw随着温度的升高而增大。

阅读教材，了解不同温度下水的电离差异，见表1。

表1 不同温度下水的离子积常数

[师生归纳]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，在使用水的离子积常数时须指明温度，25 ℃时，Kw=1.0×10-14；水的电离是吸热过程，升高温度平衡正向移动。

[提出问题]室温下，向1 L纯水中加入4.0 g NaOH固体(液体体积变化忽略不计，恢复至室温)，水的电离平衡如何移动？K电离如何变化？与药品加入前相比，c(H+)和c(OH-)如何变化？c(H+)·c(OH-)如何变化？

[提出问题]室温下，向1 L纯水中滴加几滴浓盐酸(液体体积变化忽略不计)，水的电离平衡如何移动？K电离如何变化？与药品加入前相比，c(H+)和c(OH-)如何变化？c(H+)·c(OH-)如何变化？

[深度思考]加入几滴浓盐酸后，溶液中的c(H+)增大，水的电离平衡逆向移动。但K电离只和温度有关，所以K电离不变。与药品加入前相比，c(H+)增大，c(OH-)减小，又因为变化前后c(H2O)基本不变，所以Kw不变。

[提出问题]如何设计实验证实你的分析？

[深度思考]测量已知浓度的稀碱溶液的pH，计算c(H+)·c(OH-)的大小。

[学生实验]室温下，用广泛pH试纸分别测0.1 mol/L、0.01 mol/L及0.001 mol/L NaOH溶液的pH。

[数据处理]室温下，实验结果及数据处理见表2。

表2 不同浓度NaOH溶液的pH及数据处理

[师生归纳]水的离子积不仅适用于纯水，也适用于稀的电解质溶液；室温下，向水中加入酸或碱，水的电离平衡逆向移动，电离程度减弱。

[设计意图]将水的离子积常数的含义及适应范围教学拆分为三个阶段：第一个阶段通过观察水分子电离过程示意图，提炼出水的电离方程式，书写电离常数表达式，进而归纳出水的离子积常数，以此培养学生观察能力、类比分析以及推理归纳能力；第二个阶段通过数字化实验探究温度对水的pH的影响，引发学生深度思考，归纳出Kw为温度常数，温度升高，水的电离平衡正向移动，使用时必须指明温度，以此培养学生实验设计及探究能力，发展学科素养；第三个阶段通过问题链引发学生对Kw的适应范围进行深度思考，理论分析、实验验证，归纳出水的离子积不仅适用于纯水，也适用于稀的电解质溶液。至此，本节课的教学任务的关键环节“水的离子积的含义”顺利完成。此处对Kw的适应范围实验探究，学生还有了意外收获，一是在稀酸或稀碱溶液中，水的电离受到抑制，电离程度减弱；二是室温下，不同浓度的稀氢氧化钠溶液中，都有c(H+)·c(OH-) = 1.0×10-14，进一步说明了Kw为温度常数，只受温度影响。

5.3 模型构建，认识溶液的酸碱性及pH

[数据处理]25 ℃时，纯水中的c(H+) =c(OH-)≈1.0×10-7mol/L，将其带入坐标轴，并将O、A两点连接起来，在直线上取B、C两点，见图5。

图5 c(H+)-c(OH-)关系图㈠

[提出问题]点A表示什么意思，直线OA表示什么意义？与A点所处温度相比，B、C两点所处温度大小如何？

[深度思考]点A表示在25 ℃时，纯水中c(H+)=c(OH-)=1.0×10-7mol/L，溶液呈中性；直线OA上的每一个点所对应的c(H+)=c(OH-)，溶液都呈中性。通过计算，B点对应的Kw大于A点对应的Kw，而Kw是温度常数，随着温度的升高而增大，所以B点所处的温度高于A点，同理A点高于C点。

[提出问题]直线OA把坐标系分成两个区域，直线上的每一个点对应的c(H+)都等于c(OH-)，溶液呈中性。直线左上部分和右下部分对应点的c(H+)和c(OH-)孰大孰小，酸碱性如何？

[数据处理]25 ℃，当溶液中的c(H+)=1.0×10-8mol/L时，对应的c(OH-)=1.0×10-6mol/L；当c(H+)=1.0×10-6mol/L时，对应的c(OH-)=1.0×10-8mol/L。在坐标系中画出对应的点，并连线，见图6。

图6 c(H+)-c(OH-)关系图㈡

[提出问题]A、B、C、D、E对应的Kw大小关系如何？曲线DAE表示的意义？

[深度思考]Kw是温度常数，温度相同，Kw相同，温度越高Kw越大，反之Kw则越小，所以A、B、C、D、E对应的Kw大小关系为：B>A=D=E>C。25 ℃时，曲线任意一点的Kw=1.0×10-14，且以A点为分界线，左半部分c(H+)>c(OH-)，溶液显酸性；右半部分c(H+)c(OH-)，溶液显酸性；坐标系右下部分的每一点对应的c(H+)

[提出问题]水是生命之源，滋养万物，生活中还有一些被称为“某某水”的饮料，比如苏打水。酸碱性如何，实验室如何测定其pH？

[学生实验]用广泛pH试纸、精密pH试纸和pH计分别测量苏打水的pH。

[提出问题]苏打水，其中的小苏打为NaHCO3，为何NaHCO3溶液显碱性？对水的电离有何影响？

[深度思考]分析NaHCO3溶液中的微粒种类及相关微粒之间的相互作用。

[师生归纳]初步建立水的电离平衡影响因素模型，见表4。

表3 溶液的酸碱性与c(H+)和c(OH-)的大小关系

表4 水的电离平衡的影响因素

[设计意图]25 ℃时，Kw=1.0×10-14，以此为基础，分析水溶液中c(H+)和c(OH-)的对应数据，绘制c(H+)～c(OH-)关系图，构建溶液的酸碱性与c(H+)和c(OH-)的大小关系模型。此时，学生体会到水溶液中H+与OH-之间是互相依存、互相制约的关系，实现了对学生进行矛盾的对立统一的辩证唯物主义观点教育的意义。溶液pH是本节教学的又一个重点，通过分组实验使用广泛pH试纸、精密pH试纸和pH计测量NaHCO3溶液的pH，让学生体会引进pH的意义以及常见的测定方法。分析NaHCO3溶液显碱性的原因，获知NaHCO3对水的电离起到促进作用，给后续学习盐类的水解知识打下基础。结合前一环节酸、碱对水的电离平衡的影响，初步建立水的电离平衡影响因素模型。

6 结语

实验是最直接的探究方法，是发展学生化学学科核心素养的重要载体。水的电离过程微观不可视，水的离子积适应范围抽象难懂，这些都是学生学习水的电离的难点所在。为了让学生真正理解水的电离平衡及水的离子积常数的含义，在本节课教学中使用了创新实验，实现了水的电离的过程可视化教学目标，并促进了学生对其电离过程进行深度思考，有效拓展了学生的思维层次，促使学生知识的增长和探究能力的提升，促进学生从水的电离的概念深度学习向学科素养发展的转化。