基于學科核心素養培養的高中化學課堂教學設計
——以“水的電離和溶液的pH”為例

徐 璐

(湖北省宜昌市第一中學,湖北 宜昌 443099)

《普通高中化學課程標準(2017年版)》要求學生能從宏觀和微觀結合、定性與定量結合上收集證據,能依據證據從不同視角分析問題,并推出合理的結論[1].現以“水的電離和溶液的pH”一課為例,探討學科核心素養的培養在中學教學中的具體實施.

1 教材分析

“水的電離和溶液的pH”是人教版高中化學選擇性必修1第三章第二節第一課時的內容.本課時內容包括:水的電離,溶液的酸堿性與pH.本節內容是對“電解質的電離”學習的進一步深化,也是對“電離平衡”相關知識的鞏固,同時為學習“鹽類的水解”提供知識儲備.

2 課時目標

(1)學會書寫水的電離方程式,理解水的離子積含義及適用范圍;知道pH的意義及數學表達式,并能進行簡單計算;

(2)利用已有知識進行證據推理,理解溫度、外加酸堿對水的電離平衡的影響;

(3)通過分組實驗培養動手能力和合作學習能力,進一步了解科學探究的一般方法,養成勤于實踐,善于合作,勇于創新的科學探究精神;

(4)了解pH在生活生產中的應用,體會化學科學的發展對提高人類生活質量的積極作用,培養科學態度和社會責任.

教學重點:水的離子積常數、影響水的電離平衡的因素、溶液的酸堿性與pH.

教學難點:水的離子積常數適用范圍、影響水的電離平衡的因素.

3 教學用品

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

4 教法學法

教法:情境激學法、任務驅動法、推理歸納法等;

學法:實驗探究法、類比歸納法、合作學習法等.

5 教學過程

環節一:創設情境,矛盾凸現.

【情境引入】展示圖1:蔚藍色的波濤拍打著兩岸的巖壁,在水面上撲騰起一簇簇浪花,這一望無際的海洋孕育了美麗富饒的寶島臺灣.圖2:長江三峽滋養了一代代華夏兒女,孕育了璀璨的中華文明.以“共抓大保護、不搞大開發”為導向,推動長江經濟帶發展的戰略部署,更是強調了“水”資源不容小覷的意義和價值.水不僅重要,水還有特殊的一面.讓我們走上探索之旅,一起學習水的電離和溶液的pH.

【疑激導學】水為何特殊?例如:水作為一種共價化合物在液態時卻能導電,為什么?

設計意圖:通過介紹長江三峽的江水,使學生從多個角度認識水,了解水的重要性和“共抓大保護,不搞大開發”戰略部署的重大意義,培養社會責任感.通過水的特殊性引發思維沖突,激發學習興趣.

環節二:科學史話,模型認知.

【科學史話】1806年,化學家格羅特斯提出:水分子通過氧原子將質子從一個水分子傳遞給另一個水分子,如同分子接力賽.2016年,耶魯大學化學教授馬克約翰遜團隊對水分子中發生的電子遷移拍攝了光譜快照,證實了格羅特斯理論,認為水發生了電離.

【知識建構】水分子之間相互作用而電離出水合氫離子與氫氧根,可簡寫為水電離出氫離子和氫氧根.

【任務驅動】請在學案上寫出水的電離平衡常數表達式.

【教師講解】常溫下,1 L水中只有1×10-7mol水發生了電離.

【任務驅動】請求出此時水中的c(H+)和c(OH-).

【學生回答】均為1×10-7mol/L.

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

設計意圖:科學史話拓展學生視野,使學生了解科學研究的重大意義.書寫水的電離平衡常數表達式,回顧舊知并為引入Kw做鋪墊,Kw的引入為后續微觀探析中證據推理提供知識儲備.

環節三:微觀探析,證據推理.

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

【學生回答】1. 溫度;2.c(H+) 、c(OH-)

【微觀探析一】測定不同溫度時蒸餾水的電導率

【教師提問】觀察到什么實驗現象?得出什么結論?

【學生回答】溫度升高,蒸餾水的電導率呈增大趨勢.升高溫度,水的電離平衡正向移動,水的離子積常數增大.

【教師講解】請看表格,了解不同溫度時水的離子積常數.已知純水在某溫度下的Kw,將Kw開平方即可得此時純水中的c(H+).這些數值很小,不方便表示,故引入pH,即c(H+)的負對數表示溶液中c(H+)的大小來表示.

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

【學生回答】逆向移動.

【問題凸現】加入酸堿的濃度不同對水電離的抑制程度如何?

【微觀探析二】測量常溫時一定濃度的鹽酸或NaOH溶液的pH.

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

【實驗探究】分組實驗:用pH計平行測定三次,計算平均值.

【數據分析】

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】對比第一、二組實驗數據,思考問題1:向水中加入堿的濃度不同對水電離的抑制程度如何?

【學生回答】堿的濃度越大,對水電離的抑制程度越大;

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

【學生回答】對水電離的抑制程度相等.

設計意圖:數字化實驗儀器可以將不易觀察的實驗現象進行數據呈現,可提高學生證據意識.

環節四:遷移應用,歸納演繹.

【任務驅動】結合所學知識完成遷移應用練習題.學生分組匯報練習題答案.

【教師提問】只有酸溶液中才存在H+,堿溶液中才存在OH-,對嗎?

【學生回答】不對.任何水溶液中都存在H+和OH-.

【教師追問】溶液的酸堿性由什么決定?

【學生回答】c(H+)和c(OH-)的相對大小.

【教師追問】能否根據pH判斷溶液酸堿性?

【學生回答】可以.

【教師講解】25 ℃時,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】純水顯中性.為什么此時pH<7?

【學生回答】因為溫度不是25 ℃.

【教師追問】用pH判斷溶液酸堿性時必須考慮什么外界條件?

【學生回答】溫度.

【模型認知】1.溶液的酸堿性由c(H+)和c(OH-)相對大小決定

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系(常溫)

pH<7 酸性;pH=7 中性;pH>7 堿性

設計意圖:對比歸納總結判斷溶液酸堿性的依據,強調“根據pH判斷溶液酸堿性必須考慮溫度”,培養學生嚴謹求實的科學態度.

環節五:拓展視野,整合提高.

【教師講解】pH在日常生活生產中應用也很廣泛.閱讀教材,回答問題:洗完頭發后需要涂抹護發素,為什么?

【學生回答】護發素具有調節頭發pH使之達到適宜酸堿度的功能.

【知識建構】組織學生進行知識整理.

【教師總結】本節課通過科學史話認識了水的電離過程;進而通過微觀探析探究影響水的電離的因素及不同濃度酸或堿對水電離的抑制程度;通過對比數據掌握判斷溶液酸堿性的依據;通過拓展視野了解pH在生活生產中的應用.

【作業設計】完成教材P68第1、2、3、6題

6 結束語

本節課由自然界的水展開,了解水的重要性,引發學生共情,使學生從生活世界走進化學世界.了解pH在日常生活生產中的應用時,以學生熟悉的問題展開,激發學生學習欲望,并在這一過程中體會化學科學的社會價值.

本節課通過科學史話、動畫模擬等引導學生從宏觀(水能導電)到微觀(水能電離),從理論(水的電離平衡移動方向)到實際(溶液酸堿性的變化)視角進行原理揭示,并用框圖的形式對這一認識思路顯性化,學生按此認識思路就能夠進行遷移.