離子可視化定向移動(dòng)在教學(xué)中的應(yīng)用

◇ 天津 付延芳 安徽 徐 泓

1 問題的提出

問題可視化策略側(cè)重于解決學(xué)生在解決問題時(shí)的困難．在課堂上使用充分的視覺沖擊解決學(xué)生的困難,直接反映了教師優(yōu)化課堂教學(xué)的水平．面對(duì)新課程,教師需要有創(chuàng)新意識(shí),能夠?qū)滩倪M(jìn)行深度加工,重構(gòu)適合學(xué)生思考的教學(xué)策略．運(yùn)用可視化策略在課堂上展示思維過程,幫助教師快速有效地引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)知過程,大大提高了課堂教學(xué)效率．

宏觀辨識(shí)與微觀探析、證據(jù)推理與模型認(rèn)知等維度是《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)(2017年版)》提出的化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)內(nèi)容．然而,吉爾伯特等歸納出了學(xué)生運(yùn)用、理解化學(xué)核心知識(shí)能力欠缺的原因:學(xué)生宏觀經(jīng)歷缺乏,沒有適當(dāng)實(shí)踐經(jīng)歷,不清楚學(xué)好三重表征有什么意義,迷惑于物質(zhì)微粒性,或是持有大量微觀特征的錯(cuò)誤觀念,因而無法想象如何表征這些實(shí)體(即原子、分子、離子等)．如何解決教學(xué)過程中有關(guān)宏觀辨識(shí)和微觀探析問題,是教師比較頭痛的問題．微觀的可視化實(shí)驗(yàn)可以解決這一問題,但是如何設(shè)計(jì)出課堂教學(xué)中可演示、易觀察、易操作、簡(jiǎn)捷和高效的實(shí)驗(yàn)過程非常重要．

例如,在教授有關(guān)離子的內(nèi)容時(shí),對(duì)于離子的定向移動(dòng),學(xué)生很難理解,但根據(jù)文獻(xiàn)調(diào)研結(jié)果表明,有離子遷移運(yùn)動(dòng)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)的相關(guān)報(bào)道．本文主要是舉例說明如何借助離子定向化移動(dòng)的可視化來降低教學(xué)難度．筆者首先買全了相關(guān)材料進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,然后在各個(gè)年級(jí)的相應(yīng)教學(xué)中又發(fā)動(dòng)學(xué)生自備相關(guān)材料進(jìn)行課外趣味實(shí)驗(yàn),對(duì)相關(guān)概念有了深度理解,解決了思維上的困惑的同時(shí),也是在肯定這種教學(xué)實(shí)踐的有效性．

盡管中學(xué)課本中有關(guān)于離子部分的傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn),但很難從宏觀現(xiàn)象來觀察離子運(yùn)動(dòng)．為便于學(xué)生了解和掌握酸、堿、鹽相關(guān)知識(shí)及原電池和電解池工作原理,筆者將課本相關(guān)實(shí)驗(yàn)加以創(chuàng)新,對(duì)九年級(jí)下冊(cè)(人教版)第56頁“實(shí)驗(yàn)溶液的導(dǎo)電性實(shí)驗(yàn)”;《必修1》(人教版)第36頁“原電池實(shí)驗(yàn)”以及《選修4》(人教版)第71頁“銅鋅原電池實(shí)驗(yàn)”;《選修4》(人教版)第79頁“電解CuCl2溶液以及通電后離子在溶液里的移動(dòng)實(shí)驗(yàn)”等實(shí)驗(yàn)分別進(jìn)行了改進(jìn),可直接觀察離子定向運(yùn)動(dòng),改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)有利于引導(dǎo)學(xué)生從對(duì)宏觀現(xiàn)象識(shí)別中獲得離子運(yùn)動(dòng)證據(jù),有助于學(xué)生研究和分析水溶液中離子行為．目前,可視化的離子定向移動(dòng)實(shí)驗(yàn)已成功應(yīng)用于初、高中年級(jí)的教學(xué)實(shí)踐中．

2 離子可視化定向移動(dòng)在教學(xué)中的應(yīng)用舉隅

1)九年級(jí)下冊(cè)(人教版)第56頁:“改進(jìn)實(shí)驗(yàn)溶液的導(dǎo)電性實(shí)驗(yàn)”．

實(shí)驗(yàn)儀器及試劑:橡皮筋若干、鱷魚夾導(dǎo)線、透明輸液管、注射器針筒、防水膠布、鋅片、銅片、鐵架臺(tái)、酒精溶液、蒸餾水、鹽酸、硫酸、蔗糖溶液、Ca(OH)2溶液、NaOH 溶液、KNO3溶液、碳酸鈉溶液、氯化銨溶液、NaCl溶液、酚酞溶液、紫色石蕊溶液(改裝的音樂賀卡、喜之郎果凍備用)．

將兩注射器針頭固定在同一高度平臺(tái)上,用輸液管連接兩個(gè)注射器下端,將橡皮筋固定在注射器上端,加入氯化鈉溶液,兩邊注射器內(nèi)分別滴幾滴紫色石蕊溶液并使液面相平,把銅片和鋅片移入到溶液中(移動(dòng)皮筋)．用注射器吸取稀硫酸(滴有紫色石蕊試液),從輸液管中間注入,觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象．對(duì)比觀察針筒中溶液顏色．然后更換溶液,重復(fù)上述操作:加入滴有紫色石蕊試液的鹽酸溶液、滴有無色酚酞的氫氧化鈉溶液、含有有色離子的鹽溶液等依次進(jìn)行實(shí)驗(yàn)．同時(shí)可以使用音樂賀卡,其動(dòng)態(tài)可視化效果很好地激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)興趣,喜之郎果凍可以作為簡(jiǎn)易的電解質(zhì)溶液,可以將兩個(gè)電極插在喜之郎果凍上做簡(jiǎn)易導(dǎo)電性實(shí)驗(yàn)．

通過上述溶液導(dǎo)電性和離子定向移動(dòng)的實(shí)驗(yàn),在帶領(lǐng)學(xué)生學(xué)習(xí)酸、堿、鹽知識(shí)時(shí),通過離子定向移動(dòng)可視化現(xiàn)象很好地總結(jié)出了規(guī)律,降低了概念學(xué)習(xí)的難度．借助溶液導(dǎo)電性和離子定向移動(dòng)講解酸堿鹽概念．

點(diǎn)撥1首先應(yīng)該帶領(lǐng)學(xué)生搞清楚如下問題:電流是怎樣形成的? 為什么一些物質(zhì)的水溶液能夠?qū)щ? 氯化鈉固體能導(dǎo)電嗎,為什么? 金屬能否導(dǎo)電,為什么? 要搞清它們之間的區(qū)別,搞清物質(zhì)導(dǎo)電的條件．

點(diǎn)撥2做實(shí)驗(yàn)觀察現(xiàn)象填表1(沒有顏色的試劑可以驗(yàn)證溶液導(dǎo)電性實(shí)驗(yàn),有顏色的試劑可以通過離子的定向移動(dòng)推導(dǎo)出酸溶液中含有H＋,堿溶液中含有OH－,陽離子向電源負(fù)極定向移動(dòng),陰離子向電源正極定向移動(dòng))．

表1

在傳統(tǒng)的教學(xué)過程中,教師在借助傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)演繹離子的定向化移動(dòng)時(shí)只能靠一張嘴來描述,學(xué)生僅僅是靠想象力分析,因此難以理解,學(xué)生學(xué)習(xí)起來比較枯燥,借助本改進(jìn)實(shí)驗(yàn),滴有紫色石蕊的酸性溶液中因?yàn)槠渲泻写罅康腍＋,會(huì)移動(dòng)到電源的負(fù)極,在電源的負(fù)極顯示紅色,就不難理解陽離子向陰極定向移動(dòng)．同樣滴有無色酚酞的堿性溶液因?yàn)楹写罅康腛H－,會(huì)移動(dòng)到電源的正極,在電源的正極顯示紅色,可見陰離子是向陽極定向移動(dòng)的．在這里需要注意的是,在驗(yàn)證鹽電離的離子規(guī)律時(shí)可以借助有顏色的高錳酸鉀溶液(最好不要借助強(qiáng)酸弱堿鹽和強(qiáng)堿弱酸鹽水解產(chǎn)生的酸堿性來觀察,因?yàn)槌踔袑W(xué)生理解起來比較困難,反而容易畫蛇添足)．

點(diǎn)撥3對(duì)于電離規(guī)律首先應(yīng)該讓學(xué)生明確:將某種物質(zhì)溶解于水會(huì)離解成自由移動(dòng)的離子,這與通電無關(guān),通電后與通電前最大的區(qū)別是,自由移動(dòng)的離子發(fā)生了定向移動(dòng),借助定向移動(dòng)規(guī)律研究酸這類物質(zhì)規(guī)律是電離出了H＋和酸根離子,堿這類物質(zhì)規(guī)律是電離出了金屬陽離子和OH－,在溶液中,所有陽離子所攜帶的正電荷總數(shù)等于所有陰離子所攜帶的負(fù)電荷總數(shù)．

2)《必修1》(人教版)第36頁“改進(jìn)原電池實(shí)驗(yàn)”以及《選修4》(人教版)第71 頁“改進(jìn)銅鋅原電池實(shí)驗(yàn)”．

實(shí)驗(yàn)儀器及試劑:硫酸溶液、注射器、橡皮筋(若干)、鱷魚夾導(dǎo)線、輸液管、防水膠布、鋅片、銅片、鐵架臺(tái)、高錳酸鉀溶液、硫酸(改裝的音樂賀卡、喜之郎果凍備用)．

將兩個(gè)注射器針頭固定在同一高度平臺(tái)上,用輸液管連接兩個(gè)注射器下端,將橡皮筋固定在注射器上端．加入硫酸,待注射器針筒內(nèi)液面相平時(shí),把銅片和鋅片移入溶液中(移動(dòng)皮筋)．用注射器吸取高錳酸鉀,在輸液管中間注入,觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象．對(duì)比觀察兩邊溶液的顏色．還可以使用pH 傳感器進(jìn)一步佐證推導(dǎo)驗(yàn)證離子的定向移動(dòng)．將pH 傳感器探針頭同時(shí)插入兩個(gè)電極附近,利用數(shù)字實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)測(cè)量出原電池運(yùn)行過程中銅鋅電極附近溶液pH 的變化曲線．發(fā)現(xiàn)鋅電極附近溶液的pH 逐漸升高．從銅片上產(chǎn)生的氣體宏觀現(xiàn)象出發(fā),論證了H＋向銅片移動(dòng),電子在銅片上與H＋結(jié)合產(chǎn)生H2．同時(shí)我們可以采取畫圖法來進(jìn)一步思考為什么會(huì)產(chǎn)生這種現(xiàn)象．世界上普遍存在的規(guī)律就是“異性相吸”,因?yàn)樨?fù)極鋅失去的電子沿著導(dǎo)線移動(dòng)到正極銅,吸引溶液中帶正電的H＋來獲得電子生成H2．原電池和電解池中的陰、陽離子移動(dòng)規(guī)律都可以這樣來思考,可以說是舉一反三、觸類旁通的經(jīng)典案例．

點(diǎn)撥借助該創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)可以很好地理解以下內(nèi)容:在原電池外電路中電子從負(fù)極向正極流動(dòng);在內(nèi)電路中陰離子向陽極遷移,陽離子向陰極遷移．高錳酸鉀溶液滴加在輸液管中有兩個(gè)作用,一是增強(qiáng)溶液的導(dǎo)電性,二是通過紫色高錳酸根離子的顏色來更好地觀察離子的定向移動(dòng),有利于理解原電池相關(guān)原理概念．K＋移向插有銅片的注射器內(nèi),移向插有鋅片的注射器內(nèi)．

下面我們可以舉幾個(gè)例子,從另一個(gè)角度來強(qiáng)化訓(xùn)練理解離子定向移動(dòng):Cu＋2Fe3＋＝Cu2＋＋2Fe2＋,將該反應(yīng)設(shè)計(jì)成帶有鹽橋的原電池裝置,思考鹽橋中的離子移動(dòng)方向．

因?yàn)橛辛松厦骐x子定向移動(dòng)的感性認(rèn)識(shí)和深度分析,所以在設(shè)計(jì)這個(gè)裝置時(shí)并不困難,Cu失電子后沿著導(dǎo)線到了另一極,另一極中含有Fe3＋獲得電子,這樣在有Cu電極的燒杯里放Cu2＋溶液(元素相同且不和Cu反應(yīng)),另一極燒杯中應(yīng)該是石墨C(或比Cu不活潑的金屬)和含有Fe3＋的溶液,兩個(gè)電極用導(dǎo)線連接,兩個(gè)燒杯溶液可以用不與兩邊溶液反應(yīng)的鹽橋(一般含KCl或瓊脂－飽和KNO3)連接．顯然因?yàn)殡娮友刂鴮?dǎo)線移向了石墨C,吸引鹽橋中的K＋向含有Fe3＋的燒杯方向移動(dòng),Cl－向反方向移動(dòng)．因此,由于陰、陽離子在電極放電,在鹽橋與溶液接觸處肯定有離子的遷移．

小試牛刀:微型按鈕電池廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代生活中．有一種銀鋅電池,其電極分別是Ag2O 和Zn,電解質(zhì)溶液為KOH,電極反應(yīng)為:

根據(jù)上述反應(yīng)式完成以下問題．

(1)判斷正、負(fù)極材料．

(2)寫出總反應(yīng)．

(3)判斷電池工作時(shí),電子的移動(dòng)方向和電解質(zhì)溶液中離子的移動(dòng)方向．

(4)在電池使用過程中,電解質(zhì)溶液中KOH 的物質(zhì)的量怎樣變化?

(5)當(dāng)電池工作時(shí)通過電路對(duì)外提供了1mol電子,計(jì)算消耗的負(fù)極的質(zhì)量．

(6)在使用過程中,電池負(fù)極區(qū)溶液的pH 如何變化?

3)《選修4》(人教版)第79頁“CuCl2溶液電解以及通電后溶液里離子移動(dòng)”實(shí)驗(yàn)改進(jìn)．

實(shí)驗(yàn)儀器及試劑:塑料注射器針筒、透明輸液管、鐵架臺(tái)、若干橡皮筋、膠布(防水)、鱷魚夾導(dǎo)線、鋅片、銅片、硫酸溶液、高錳酸鉀溶液、5號(hào)電池(音樂賀卡、喜之郎果凍備用)、2B鉛筆芯．

將塑料注射器等高固定在同一高度平臺(tái)上,用輸液管與兩個(gè)注射器的下端連接．鱷魚夾導(dǎo)線的兩端夾住2B鉛筆芯,另一端分別與5號(hào)電池的兩端連接,將橡皮筋固定在塑料注射器的頂部．組裝裝置,加入硫酸溶液,待注射器內(nèi)液面相平時(shí),移動(dòng)橡皮筋使2B鉛筆芯進(jìn)入溶液中,用注射器吸取高錳酸鉀,在輸液管中間注入,觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象．對(duì)比觀察兩邊溶液的顏色．對(duì)比觀察連接5號(hào)電池的鋅皮一端和連接5號(hào)電池炭棒一端溶液的顏色．

點(diǎn)撥1電路分析:電子沿著導(dǎo)線從5號(hào)電池鋅極流出,最終流入炭棒極;我們可以觀察到5 號(hào)電池炭棒一端顏色(紫色)加深,因?yàn)?號(hào)電池炭棒一端連接著電解池的陽極,高錳酸根離子向陽極移動(dòng),進(jìn)一步驗(yàn)證了溶液中陰離子向陽極遷移,陽離子向陰極遷移．

利用該實(shí)驗(yàn)我們可以很好地分析更多的外延化學(xué)知識(shí),也可以引導(dǎo)我們?nèi)?chuàng)新一些新的未知領(lǐng)域．例如,氯堿工業(yè)陽極材料只能為惰性電極(Cl－失電子生成氯氣),陰極材料一般為鋼網(wǎng),在氯堿工業(yè)里引入了陽離子交換膜,我們?nèi)绾蝸砥饰鲫栯x子交換膜的作用呢? 根據(jù)氯堿工業(yè)的名字不難得出產(chǎn)物有氯氣、有堿,但是產(chǎn)物在一起會(huì)發(fā)生反應(yīng)而得不到氯氣和堿,因此陽離子交換膜的作用是把產(chǎn)物隔開,因?yàn)樵陔娊獬刂嘘栯x子向陰極移動(dòng),這樣陽離子交換膜就可以根據(jù)這個(gè)原理允許陽離子(Na＋、H＋)移動(dòng)過去來設(shè)計(jì)．所以在陽極室里有高濃度的飽和NaCl溶液,Cl－失電子生成Cl2后陰離子大量減少(飽和NaCl溶液濃度足夠大才能夠確保產(chǎn)生足夠多的Cl2),為保持溶液平衡,陽極室中Na＋、H＋透過陽離子交換膜移到陰極室,陰極室有提前放入的NaOH 溶液,陰極室中H＋會(huì)不斷生成氫氣,這樣陰極室中產(chǎn)物NaOH 濃度就會(huì)越來越大．所以陽離子交換膜的作用有兩個(gè),一個(gè)是允許陽極室中的Na＋、H＋進(jìn)入陰極室,二是阻止陰極室中的OH－進(jìn)入陽極室．

點(diǎn)撥2例如,在電解池原理的應(yīng)用中,我們想完成在Zn棒上鍍銅的任務(wù),就不難想出Zn棒應(yīng)該作陰極,Cu作陽極,電解質(zhì)用含Cu2＋的溶液,這樣,陽極Cu失電子生成Cu2＋,陽離子(Cu2＋)會(huì)移向陰極Zn棒,在陰極上Cu2＋得到電子生成銅,這樣就完成了在鋅棒上鍍銅的任務(wù)．

我們可以總結(jié)一下電鍍池的特點(diǎn):鍍層金屬作陽極;鍍件作陰極;陽極與電鍍液中所含陽離子元素相同,電鍍液濃度不變．明白了根源,分析起來就能娓娓道來,就不再會(huì)被新情境所迷惑了．

點(diǎn)撥3同樣的道理,我們來分析粗銅提純,粗銅含有Zn、Fe、Cu、Ag、Pt、Au,若金屬 比Cu活潑,會(huì)失去電子進(jìn)入溶液,若金屬不如Cu活潑,會(huì)沉積在陽極變成陽極泥,對(duì)于Cu 本身,因?yàn)槭ル娮由蒀u2＋,Cu2＋定向移動(dòng)到陰極后又在陰極得到電子生成Cu,顯然溶液中應(yīng)該放入Cu2＋而且其濃度不會(huì)發(fā)生變化．

點(diǎn)撥4我們?cè)賮矸治鲭娊夥ㄖ苽浣饘?例如,使用電解法制備金屬鋁．一般用炭棒作陰、陽電極,溶液中應(yīng)該有熔融的Al2O3為電鍍液,熔融冰晶石為溶劑,陰離子O2－移向陽極,陽極反應(yīng)為2O2－－4e－＝O2,陽離子移向陰極,陰極反應(yīng)為Al3＋＋3e－＝Al．

通過原電池和電解池幾個(gè)案例的點(diǎn)撥不難發(fā)現(xiàn),無論原電池還是電解池本質(zhì)都是氧化還原反應(yīng),而電子和離子的定向移動(dòng)是氧化還原反應(yīng)在一定條件下的外在表現(xiàn),只有理解了氧化還原本質(zhì),才能正確分析電子和離子的定向移動(dòng),而電子和離子定向移動(dòng)的正確分析又有利于我們明晰裝置內(nèi)到底發(fā)生了什么反應(yīng),能幫助我們正確書寫電極反應(yīng)式,理解復(fù)雜情境中存在的隱形氧化劑或還原劑．

3 離子定向移動(dòng)可視化應(yīng)用的評(píng)價(jià)與反思

在教學(xué)過程中,教師經(jīng)常用語言解釋肉眼無法直接觀察到的微觀離子遷移現(xiàn)象,教師告訴學(xué)生“溶液中自由移動(dòng)的離子,在電場(chǎng)的影響下定向運(yùn)動(dòng),陰離子失去電子移動(dòng)到陽極,陽離子得到電子移動(dòng)到陰極”．學(xué)生處于被動(dòng)接受的狀態(tài),了解離子的運(yùn)動(dòng)只是停留在記憶水平,而不是主動(dòng)思考探索．顯然,這不利于學(xué)生化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的培養(yǎng)．

通過以上創(chuàng)新實(shí)驗(yàn),將微觀離子的移動(dòng)轉(zhuǎn)化為宏觀顏色的遷移,實(shí)現(xiàn)了離子定向運(yùn)動(dòng)過程的可視化,給學(xué)生提供了可視化的思維方法,有利于解決學(xué)生學(xué)習(xí)三維表征等內(nèi)容時(shí)的困惑,有利于解決原電池和電解池原理出現(xiàn)的復(fù)雜情境干擾．例如,銅電極電解不僅觀察到Cu2＋的定向遷移,而且為后續(xù)學(xué)習(xí)電鍍和粗銅精煉鋪平了道路;另外在解決離子放電順序,電極材料對(duì)電解影響、電解產(chǎn)物檢驗(yàn)等重、難點(diǎn)時(shí)有了可視化思維模式．

該裝置使微觀領(lǐng)域可視化,可以應(yīng)用在初三到高三有關(guān)內(nèi)容的各個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)中,降低了教學(xué)難度,學(xué)生可以獲得扎實(shí)的基礎(chǔ)知識(shí),可以應(yīng)對(duì)和識(shí)別各級(jí)復(fù)雜學(xué)習(xí)情境的機(jī)遇和挑戰(zhàn)．在動(dòng)手實(shí)驗(yàn)過程中,學(xué)生興趣盎然,積極參與課堂教學(xué),借助可視化離子定向運(yùn)動(dòng)較好地掌握了與之相關(guān)的深度教學(xué)內(nèi)容,學(xué)生可以自主探索和突破教學(xué)中的誤區(qū),思維也得到了發(fā)展與鍛煉．通過該裝置在教學(xué)中的應(yīng)用,更著眼于學(xué)生探索知識(shí)以及學(xué)習(xí)方法的培訓(xùn),以此力求形成求學(xué)所必需的質(zhì)疑態(tài)度、批判精神,以促進(jìn)創(chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)造能力的發(fā)展．

總之,化學(xué)實(shí)驗(yàn)的重要作用之一是通過宏觀現(xiàn)象揭示物質(zhì)的組成、結(jié)構(gòu)、性質(zhì)以及化學(xué)反應(yīng)內(nèi)部變化的微觀本質(zhì)．化學(xué)實(shí)驗(yàn)的宏觀現(xiàn)象與微觀結(jié)構(gòu)密切相關(guān),宏觀現(xiàn)象將更清楚地顯示微觀本質(zhì),并能極大地促進(jìn)學(xué)生思維能力的發(fā)展,有助于理解在不同學(xué)習(xí)階段有不同的要求,使學(xué)生在跨越式學(xué)習(xí)和探索中逐步形成清晰的思維模式．