立足化學史，突破“酸、堿、鹽在水溶液中的電離”教學難點

張蕊+張寧+許燕紅

摘要：通過解讀電離理論的發(fā)展史，挖掘“酸、堿、鹽在水溶液中的電離”教學中的難點，探尋教學迷思，認為解決好酸、堿、鹽在水溶液中電離的自發(fā)性問題和酸、堿、鹽發(fā)生電離時能量的來源問題是突破本節(jié)課教學難點的關鍵。并在此基礎上進行了教學設計。

關鍵詞：電離理論；化學史；電解質；教學難點

文章編號：1005–6629（2017）4–0039–06 中圖分類號：G633.8 文獻標識碼：B

普通高中化學課程標準指出，化學課程應結合探索物質及其變化的歷史與化學科學發(fā)展的趨勢，引導學生進一步學習化學的基本原理和基本方法，形成科學的世界觀[1]。也就是說，立足化學史構建的化學課堂，重現了科學家探索科學奧秘的思維歷程，有助于學生理解化學知識，掌握科學方法，提升學科素養(yǎng)。

1 追溯化學史，探尋教學迷思

1.1 電離理論的歷史變革

19世紀中葉，道爾頓和阿伏伽德羅的原子——分子論打開了微觀化學之門，使越來越多的化學家渴望探尋化學反應的本質，電離理論也呼之欲出。

電離理論的建立與電化學的發(fā)展息息相關。早在19世紀初期，尼科爾森和卡里斯爾已經成功完成了水的電解實驗，法拉第等許多科學家也已經通過實驗認識到酸、堿、鹽溶液的導電作用。但當時的科學界普遍認為，電解質只有在電流的作用下才能夠解離。正是由于科學家們無法正確區(qū)別原子和離子，也不能合理分析溶液導電的原理，使得電離理論在很長一段時間內無法被科學界所接受。

1882至1887年間，阿倫尼烏斯致力于研究電離理論?；趯λ?、堿、鹽稀溶液在滲透壓、沸點、蒸氣壓方面出現偏差情況的分析和對這些溶液電導率的測定，阿倫尼烏斯創(chuàng)造性地提出了溶液的電離理論。他認為，酸、堿、鹽在溶于水的過程中，自動地離解成為帶有不同電荷的離子，電離與電流的作用無關。這一理論的出現，雖然遭受了各國科學家的反對，但也解釋了很多當時無法解釋的問題。隨著阿倫尼烏斯電離理論的問世，不僅使希托夫的電解溶液導電時的離子遷移數和科爾勞施的離子導電的加合性得到了解釋，而且也很好地解釋了范霍夫觀測到的滲透異?，F象。因此，阿倫尼烏斯的電離理論得到了奧斯特瓦爾德和范霍夫的認可，在這兩位科學家的推廣下，1890年，電離理論終于得到科學界廣泛認可。

1.2 電離理論的教學迷思

通過分析電離理論的爭論，不難看出困擾科學家的問題有二：一是無法正確區(qū)分原子與離子，從而無法正確認識酸堿鹽在水溶液中導電的原因；二是無法正確判斷使電解質在水溶液中自發(fā)電離的能量的來源。

科學家們對于電離理論的爭論與探索不僅體現了科學歷史的發(fā)展規(guī)律，也揭示了中學化學課堂學生學習新理論的思維發(fā)展過程。

“酸、堿、鹽在水溶液中的電離”主題出自高中化學必修1第二章“化學物質及其變化”第二節(jié)，筆者試圖著眼于電離理論發(fā)展史，聯(lián)系教學實際，從三個方面分析教學難點。

人教版化學教材對電解質進行了如下定義：在水溶液里或熔融狀態(tài)下能夠導電的化合物叫做電解質[2]。此定義只從導電性角度規(guī)定了電解質的屬性，屬于表層概念。在此概念中，沒有指明電解質的本質，即自發(fā)電離出可以自由移動的離子。追溯化學史，法拉第等化學家即是通過電解質溶液的導電性直接得出“電離是電流作用的結果”這一錯誤結論的。在教學中，若教師未從本質上解釋電解質溶液導電的原因，將會對學生正確獲取電解質概念產生強大阻力。因此，使學生學會從微觀角度理解電解質的本質屬性是知識與技能維度的教學難點。

對比許多教案和教學實錄，對于電解質概念的教學有兩種策略。其一，通過例舉鹽酸、NaOH溶液、NaCl固體、石墨、蔗糖溶液、酒精溶液、K2SO4溶液、Cu等不同種類的物質，讓學生判斷其能否導電，從而從導電性角度引出電解質的表層概念；另一種方法則是先給出電解質的定義，強調定義中的關鍵詞，再給出以上物質，讓學生自主判斷哪幾種物質是電解質。這兩種教學策略均未能較好地引導學生形成學習概念本質的一般方法。因此，使學生掌握形成概念的分析方法是過程與方法維度的教學難點。

學習“酸、堿、鹽在水溶液中的電離”這一內容，就是透過電解質溶液可以導電的表層現象來認識電解質在水溶液中自動離解的實質?？v觀歷史，從格羅圖斯到阿倫尼烏斯，科學家們的主要區(qū)別就在于是否能夠透過現象看到物質的本質屬性。因此，使學生樹立透過現象看本質的唯物主義世界觀是情感態(tài)度與價值觀維度的教學難點。

縱觀上述分析，學生無法理解電解質的本質屬性，是因為沒有正確理解電離的自發(fā)性以及電離過程中能量的來源。也正如此，學生無法獲得通過分析核心問題形成概念的基本方法，無法樹立透過現象看本質的唯物主義世界觀。所以，解決好酸、堿、鹽在水溶液中電離的自發(fā)性問題和酸、堿、鹽發(fā)生電離時能量的來源問題是突破本節(jié)課教學難點的關鍵。

2 立足化學史，突破教學難點

任何科學理論的發(fā)展都是曲折向前的。從對電解質溶液導電的偏頗認識，到電離理論的初步提出，再到利用電離理論解釋科學現象，然后通過他人的不斷修正、補充，最后才得到完善的理論。也就是說，理論的建立其實是科學家反復實驗、突破思維障礙的過程。在化學教學中，學生學習新概念也經過類似的歷程。首先，在實驗現象中獲得感性認識；而后，通過理性分析修正感性認識中的錯誤，探究概念本質屬性；再次，嘗試遷移應用新概念，最終完成新概念的學習。

在“酸、堿、鹽在水溶液中的電離”一節(jié)中，學生需要突破的思維障礙，即教師突破教學難點需要解決的問題有以下兩個。一是酸、堿、鹽在水溶液中電離的自發(fā)性。二是酸、堿、鹽發(fā)生電離時能量的來源。

2.1 探究電離的自發(fā)性——理解電離概念的本質

在九年級化學下冊第十單元“酸和堿”中，學生已經知道酸溶液中都含有氫離子，堿溶液中都含有氫氧根離子?！八帷A、鹽在水溶液中的電離”這節(jié)課是在學生已有經驗基礎上展開的。在以往的教學中，教師是通過電解質溶液導電性實驗來引入電解質的概念，而對于電解質概念本質的解讀，卻缺乏事實佐證，因此學生常常在書寫電離方程式時加上“通電”條件。

在本節(jié)教學中，教師可以借用初中的實驗（稀強酸與活潑金屬反應）加深學生的感性認識。再由“不同的酸溶液都含有氫離子，所以，酸有一些相似的性質[3]”為切入點進行提問：稀強酸溶液中的氫離子來自哪里？學生思考并猜測：可能來自酸，也可能來自水。此時，我們引入化學史中關于溶液中離子來源的內容：在英國化學家尼科爾森和卡里斯爾完成電解水實驗后，科學家們推測水溶液中是存在離子的。格羅特斯和法拉第將水溶液中離子的來源歸結于電流的作用。而拉烏爾由“鹽溶液的凝固點下降值比相同摩爾濃度的非電解質溶液高”這一實驗事實提出“鹽分子解離不需要電流作用”，但這并未撼動法拉第的權威。真正向舊觀念提出挑戰(zhàn)的是阿倫尼烏斯，他在完成了大量的實驗后，寫了“電解質的導電性研究”一文，提出電解質在水溶液中自發(fā)解離為正負離子，并用電離理論很好地解釋了沸點升高和凝固點下降的實驗現象。在奧斯特瓦爾德和范霍夫的支持和幫助下，阿倫尼烏斯終于結束了電離理論的爭端，并在1903年因提出電離學說而榮獲諾貝爾化學獎，成為全世界第三位獲得諾貝爾獎的化學家。

本環(huán)節(jié)教學流程如圖1所示。

在此過程中，通過實驗現象學生直觀地感受到在不通電的情況下，強酸依舊可以自動解離出氫離子，獲得了電解質溶液電離的感性認識，避免了由于通電而引起的認識誤區(qū)。同時也可以類推出，堿、鹽在水溶液中也可以自發(fā)電離出自由移動的離子。然后通過解讀化學史，經過理性分析修正感性認識中的錯誤，獲得概念本質屬性。在此基礎上引導學生思考：使酸或水解離出氫離子的能量來自哪里，進入第二個障礙點的學習。

2.2 探究電離的能量來源——理解電解質的兩重屬性，形成概念的分析方法

認識酸、堿、鹽在水溶液中電離時能量的來源是解讀電解質概念本質的關鍵。在學生猜測酸溶液中的氫離子來自酸分子或水分子時，教師可以先展示科學家們在創(chuàng)建電離學說時所構建的電離理論相關圖示（圖2 [4]、圖3 [5]、圖4 [6]），讓學生在腦海中形成初步印象，再通過教師構建的HCl分子電離的微觀示意圖（圖5）和NaCl在水中的電離示意圖（圖6 [7]），分析不同物質在水溶液中電離的能量來源。

1個氯化氫分子是由1個氫原子和1個氯原子構成的。將氯化氫氣體通入水中，水分子與氫原子、氯原子之間的作用力比氫原子與氯原子之間作用力更強，使得氫原子與氯原子分離，氯原子奪走了氫原子最外層的一個電子，形成能夠自由移動的水合氯離子與水合氫離子。氯化氫在水中發(fā)生了電離。氯化氫在水溶液中存在可以自由移動的離子，這也是氯化氫水溶液可以導電的根本原因。

氯化氫水溶液中有很小一部分氫離子來源于水。在水中，也存在水分子對氫原子和氫氧原子團的作用，形成自由移動的水合氫離子和氫氧根離子，所以水也發(fā)生了電離，但電離的程度很小。

類似氯化鈉那樣的物質，又是什么能量使它在水溶液中電離的呢？如圖6所示，在溶于水前，氯離子與鈉離子在靜電引力的作用下有序地緊密排列，將氯化鈉固體加入水中，水分子強烈吸引著氯離子和鈉離子，克服了氯離子和鈉離子之間存在的靜電引力，形成自由移動的水合氯離子和水合鈉離子。氯化鈉在水中發(fā)生了電離。氯化鈉溶液導電的根本原因即存在有自由移動的離子。

那么，在熔融的氯化鈉中，又是什么能量使之電離的呢？在加熱至熔融狀態(tài)過程中，加熱所提供的能量使鈉離子和氯離子克服了相互的靜電作用，變成了可以自由移動的鈉離子和氯離子，熔融狀態(tài)下的氯化鈉發(fā)生了電離。

本環(huán)節(jié)教學流程如圖7所示。

通過以上對酸堿鹽在水溶液中電離能量來源的分析，使學生掌握電解質在水溶液或熔融狀態(tài)下能導電的原因，落實了對電解質概念本質的認識；再以課上練習與課后習題作為工具，使學生應用概念解決問題，完成概念的遷移應用。

這樣一來，在電解質概念的教學過程中，不僅突破了知識維度的教學難點，還突破了方法維度的教學難點，使學生掌握了形成概念的方法：觀察現象，形成表象概念；理性分析，獲得概念本質；遷移應用，掌握概念內涵。

2.3 回顧化學發(fā)展歷程——提升學生學科素養(yǎng)

對于學生而言，化學不僅僅是精彩紛呈的實驗現象、高深奧妙的科學原理，還有發(fā)人深省的科學獻身精神。因此，將化學史素材引入課堂，是提升學生學科素養(yǎng)的不二法寶。

在電離理論的發(fā)展過程中，阿倫尼烏斯敢于直面著名科學家們的質疑與挑戰(zhàn)，捍衛(wèi)真理的精神令人動容；奧斯特瓦爾德、范霍夫為傳播真理創(chuàng)辦《物理化學雜志》的精神也令人敬佩。在中學化學課堂中，教師應培養(yǎng)學生發(fā)現問題，敢于求真，善于求證，不隨波逐流，盲目跟從的科學精神。而科學精神的養(yǎng)成比知識技能的獲得更需要智慧和耐心，化學史的引入恰是當下化學課堂的良好補給。

除了培養(yǎng)科學精神，化學史還有助于引導學生用發(fā)展的眼光看待事物和人，辯證地看待化學理論發(fā)展的階段性和相對性。因為任何知識都是在特定時期、特定情境下才成立的，沒有絕對的正確與錯誤。人類信服科學理論，是因為實踐證實了這些理論的正確性。但是科學理論的發(fā)展具有一定的階段性，它還需要后人的修正與補充。例如，在電離理論形成以前，科學家們將“只有外加電解電壓時電解質才會分解成正負離子[7]”當做真理，電離理論則被視為無稽之談。在電離理論被實踐所檢驗后，許多科學家也還在不斷研究電離理論，并對其進行修正和補充?？梢?，即使教科書中的知識經過了重重檢驗，但仍有需要探索的空間，學生不應成為教科書的奴隸，而應成為教科書的主人。