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视频标签：水的电解
所属栏目：初中化学说课视频
视频课题：第六届全国初中实验教学说课_水的电解实验改进
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2018年第六届全国初中实验教学说课_水的电解实验改进
水的电解实验改进
山西大学附属中学校 白云文
使用教材：人教版 九年级上册 第四单元 课题3《水的组成》
实验仪器： 生物球、大头针、12V干电池、电池盒、紫甘蓝；亚克力板、耐腐蚀合金、12V变压器
实验改进要点：
针对水电解实验开展的情况，通过网络和电话等方式调查了7个省市的20多位化学老师，包含重点中学和普通中学的老师。所有老师在水电解教学时均没有开展学生实验，部分老师开展演示实验，还有一部分老师因为电极损坏、漏液、电解时间久、气体体积比差距较大等原因无法进行演示。
下面对老师们在演示实验时的不便做出总结。人教版初中课本中的水电解装置如图1所示，这是以“霍夫曼水电解器”为代表的传统水电解器，在实验演示过程的不便分析如下：1. 实验装置又高又瘦，重心不稳；2. 使用的漏斗敞口，重心过高；3. 玻璃材质易碎，内部装有的酸碱性溶液洒出更不安全；4. 验证气体生成物时，气体流速过快；5. 配套使用的学生电源体积大、质量重；6. 不利于开展学生实验。人教版高中必修一中的装置如图2所示，导线浸没于电解液，放入和取出试管时手都要接触到电解液，检验气体的操作也不方便。
针对这些情况，我分别从学生实验和演示实验两个方面进行了实验的改进。
义务教育课程标准强调“做科学”、“积极探究”和“平等的学习机会”等观念，因此，尽可能设计学生实验就显得非常有意义。为了能更好的开展学生实验，我利用大号的生物球、大头针，12V干电池设计了廉价易得的水电解装置（图3）。制作生物球的凝胶是一种固—液分散系统，分散相粒子通过微粒间作用力形成连续的三维网，网中充满了大量液体，类似于海绵，使其既不像液体那样完全具有流动性，也不像固体具有明显的刚性。球形生物球有凸透镜的作用，对实验现象有放大功能，有少量气泡便可观察到明显的实验现象。当学生亲自动手实验、近距离观察到实验现象后，那种喜悦和满足的神情非常具有感染力。
紫甘蓝汁在不同pH环境下的颜色变化非常明显，是生活中常见的一种酸碱指示剂。为了增加学生实验的趣味性和拓展性，为学有余力的同学提供经紫甘蓝汁浸泡过的生物球进行课外实验，电解过程中还可以在电极周围看到明显的颜色变化（图4），利于学生理解发生在不同电极上的反应，极大的调动了学生的好奇心和求知欲。
针对课本水电解器在使用时的不变，按照“溯因——控制”的思维方法，引导学生逐一针分析改进的思路：1. 让装置矮矮的胖胖的，降低装置重心；2. 气流产生的原因是水压，水压不受人意志的控制，人为制造压力让气体按照教师预期的速度流出来；3. 采用变压器或较高电压干电池提供直流电；4.玻璃材质易碎，使用亚克力等塑料材质制作；5.为了增加知识的应用性和衔接性，利用小风车和电解装置设计了氢氧燃料电池功能。
有幸加入北师大魏锐老师的团队，设计并不断优化着“一分钟水电解器”（图4），该水电解器制作简单，利用亚克力塑料板粘合成小型方盒，共分为三个小室，小室底部相通，最左侧的小室相当于漏斗，右侧2个小室相当于2个电极管，使用镀有贵金属的钛合金棒为电极。利用小巧、轻便的12V变压器为装置供电，1分钟内就能产生20ml氢气和10ml氧气用于气体检验。用注射器抽取电极室内气体，根据需要调节气体流速验证气体成分，在火焰上方罩干冷烧杯验证有水生成，时间充裕。装置还可以初步实现氢氧燃料电池功能，电解一段时间后，将小风车与两个电极相连便能在短时间内转动。可以和学生共同完成演示实验，甚至可以在教师指导下让学生独立完成演示实验，老师在实验过程中不断提问、引导、启发学生思考即可。
装置还可以用于高中化学电解食盐水的实验，1分钟内完成实验，气体检验方便快捷，氯气密封在装置内，避免泄露污染空气，实验完成后，摇匀装置内液体即可处理氯气和氢氧化钠废液。装置同样可以实现氯气和氢气的燃料电池功能，推动小风车转动。
实验原理：
水在直流电的作用下分解 2H2O
2H2↑+O2↑ 氢气在空气中燃烧 2H2+O2
2H2O
实验教学目标：
1. 通过化学史的再现，根据氢气燃烧实验了解氢气的性质、认识水的组成，理解“化学反应前后元素种类不变”的元素观、感受科学精神。
2. 通过探究小组完成微型装置水电解实验、了解课本水电解装置、师生共同完成改进装置的水电解实验、，初步学习电解水实验以及解释水组成的探究方法，提高观察和记录实验现象的能力、对实验现象加工和处理的能力，提高由实验现象进行证据推理的学科能力。通过练习、总结等方式树立“化学反应前后元素种类不变”的元素观，建立元素角度研究物质的思维模型。
实验教学内容和过程：
| 教师行为 | 学生行为 | 设计意图 |
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【导入】宇宙中是否还存在适合人类生存的星球呢？水是生命之源，科学家常常通过寻找水来寻找答案，当星太空探测仪发回星球上有氢气、含氧物质的信息后，科学家便能作出星球可能有水的猜想，水由什么组成呢？科学家又是如何得出这个猜想的呢？一起学习《水的组成》。 【信息】向下排空气法收集一试管氢气，这种收集的方法体现出氢气的什么性质？虽然收集有氢气，试管看起来却像是空的。 【魔术】18世纪60年代英国化学家普利斯特里常常拿着这样的空试管移近火焰给朋友们变魔术，魔术再现，观察魔术后的试管。总结验纯的方法。 【信息】卡文迪许、拉瓦锡研究水组成的历史。 【过渡】读史可以使人明智。这段化学史中科学家借助了什么实验研究水的组成的？这节课我们也借鉴科学家的思路一——化合的方法推断水的组成。 【提问】回顾刚才的内容，思考学案任务一的问题。氢气的物理性质有哪些？氢气的收集方法有哪些？物理性质决定了氢气的什么用途？ 【实验】请一位同学和我共同完成趣味实验，放飞氢气泡，并用电打火机点燃氢气泡。 【评价】这个现象体现出氢气的什么性质？感谢这位心灵手巧的同学，谢谢！ 【任务】请大家完成学案任务2的内容，反应的化学方程式和基本反应类型。完成后，小组同学互相检查 【讨论】如何由氢气燃烧推断水的组成呢？从化学反应前后元素种类不变的角度进行小组讨论，时间3分钟。可参考学案上的提纲。哪个小组派代表解释下。 【评价】表达流畅，其他同学认同吗？经过精确的实验测定，每个水分子由2个1个构成，水就用H2O表示 【过渡】大家从化学史获得探究灵感，从合的角度研究了水的组成。还可以从什么角度研究水的组成呢？大家的想法和科学家不谋而合，1800年尼克尔森通过电解水，同样得到了水组成的结论。实验探究二——分解的方法研究水的组成。 【实验】给水通电真的能分解产生气体吗？阅读学案第二部分，实验1.微型水电解实验的内容。清点实验用品，了解实验步骤。 这是课本水电解装置，这套装置反应速率比较慢，让它也变个形，看这套改进装置。 完成改进装置水电解实验，正极端产生的气体是哪种呢？氧气如何检验，氢气呢？为了便于区分，用燃着的小木条来试一下，请一位小助手来帮我，如果气体被点燃了，将小烧杯罩在火焰上方，为大家描述一下实验现象，完成气体区分实验。 【任务】请大家完成学案实验2部分。完成后互相检查，没问题的同学思考如何由水电解实验推断水的组成呢？请小组代表分享 【总结】刚才大家通过氢气燃烧，水电解的实验现象获取证据，根据元素不变推断水的组成。让我们按照这种思路继续分析，一起来回顾拉瓦锡研究空气成分的经典实验，从元素角度分析，你能有什么新的发现吗？ 大家从一个全新的角度认识了这个经典实验，非常难能可贵！从不同的角度看待事物，就会有不同的收获。 【提高】石蜡中一定含有哪些元素呢。四人小组讨论，时间3min 【答疑】答案非常全面，其他小组同学你们认同吗？石蜡中到底有没有氧元素呢？大家可以参考学案课后练习第4题的思路进行分析。 【提升】 研究组成不仅是研究物质的思路和方法，也是生产物质的思路和方法。氢气被誉为最理想的清洁能源，为什么？水被认为是氢气的巨大来源，原因是什么？ 【思考】星球探测器发回发现了氢气和含氧物质的信息后，科学家为什么就可以做出了可能有水的猜想。 【评价】分析的非常精彩，大家现在分析问题的水平，已经达到了科学家的水平啦！ 【总结】本节课在分析物质元素组成时使用了哪些方法？通过称量燃烧生成物的质量，可以定量的分析物质的组成。当然还可以用先进仪器进行分析，不仅可以分析水的组成，还能分析水分子的构成，以及水分子的结构。水电解的微观实质，我们在下节课学习。 |
聆听，好奇，渴望了解 水由氢、氧元素组成 密度小于空气，氢气就是因为密度小而得名的。无色。 观看魔术。听到“啪”的一声，氢气被点燃了，试管口冲出长长的火舌，有很快熄灭了。 好奇并主动仔细观察试管，发现试管内壁有露珠样液体（“水”雾）产生。 认真倾听、思考和理解可燃性气体验纯的方法。 了解化学史，感受化学研究的智慧与挫折。这段化学史中，化学家借助氢气燃烧实验研究了水的组成，为我们的研究提供了思路，可以从氢气燃烧研究水的组成。 齐答：氢气的物理性质：通常情况下，氢气是无色无味的气体，密度小于空气，难溶于水。可以使用向下排空气法或排水法收集氢气。 填充氢气球。导管末端沾上肥皂水，出现了氢气泡，等氢气泡飞起来后用电打火机去点氢气泡，这是电打火机，先试用一下，哇！烧成了一个火球。 氢气具有可燃性。 完成氢气燃烧的式，化合反应。 前后4人小组按照学案上的提纲进行讨论，时间3分钟。 ①反应物中含有氢、氧 元素； ②依据化学反应前后元素种类不变，则生成物中含有氢、氧元素； ③基本反应类型为化合反应，所以唯一的生成物由氢、氧元素 元素组成。 还可以从分的角度研究室的组成。 ①向准备好的生物球里插入两根大头针做电极； ②将12V电池放入电池盒内，为装置接通直流电，立即观察电极周围产生气泡的速率和气体体积。 观察、记录实验现象，完成学案。 两电极上的现象是有气泡产生，一段时间后，负极端与正极端产生气体的体积比约为2:1。 切断电源，用注射器分别抽取电极室内的气体，将燃着的小木条分别放在针头处，正极端气体，小木条燃烧更剧烈；负极端气体，气体燃烧，干冷烧杯罩在火焰上方，有水雾产生。 生成物中有氢元素和氧元素，依据化学反应前后元素种类不变，反应类型为分解反应，唯一反应物水由氢、氧元素组成。 一起来回顾拉瓦锡研究空气成分的经典实验。通过汞和氧气反应生成氧化汞，以及氧化汞分解产生汞和氧气，两个实验进行研究。 氧化汞由汞元素和氧元素组成。根据刚才的经验，需要借助一个反应来解释。选择汞和氧气在加热的条件下生成氧化汞的化合反应进行分析。反应物中含有汞元素和氧元素，依据化学反应前后元素种类不变，以及化合反应。唯一生成物氧化汞由汞元素和氧元素组成。 ①推理依据：化学反应前后元素种类不变。 ②借助的化学反应石蜡和氧气点燃生成二氧化碳和水； ③反应物中含有碳氢氧元素，生成物中含有碳氢氧元素； ④石蜡中一定含有碳氢元素，可能还有氧元素。 使用化合反应的方法研究物质组成 使用分解反应的方法研究物质组成 使用物质燃烧的方法研究物质组成 结合新知，解决疑问：化学反应前后元素种类不变，氢气和含氧物质分别含有氢元素和氧元素，可能是水作为反应物生成的物质。 |
了解研究水组成的科技价值与现实意义。 通过将化学史趣味化、活灵活现的展示在学生面前，使学生在化学史的情境中，完成氢气燃烧相关知识的学习，在润物细无声的同时，强烈的激发起学生的学生兴趣和学习热情。 化学给人以知识，化学史给人以智慧，引导学生从化学史获取研究水的组成的灵感和思路 通过氢气泡燃烧在验证知识的同时增加课堂趣味性。 在学生热情高涨的同时引发的进一步思考 通过学生熟悉的生物球和生活中常见物品完成分组实验，近距离观察水电解实验现象，学习积极性高涨！ 在霍夫曼水电解器与课本水电解器的基础上进行了实验改进，该装置具有重心稳，便于操作，电解速率适中，气体检验现象明显等优点。 通过合作学习，小组内不同背景、学习能力的学生观点互碰，激发灵感，共同提高，并满足了处于青少年时期学生的情感需要。 全面的掌握研究物质元素组成的思路。 回扣导入,通过本节课学习，解决问题。 |
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