离子可视化定向移动在教学中的应用

◇ 天津 付延芳 安徽 徐 泓

1 问题的提出

问题可视化策略侧重于解决学生在解决问题时的困难．在课堂上使用充分的视觉冲击解决学生的困难,直接反映了教师优化课堂教学的水平．面对新课程,教师需要有创新意识,能够对教材进行深度加工,重构适合学生思考的教学策略．运用可视化策略在课堂上展示思维过程,帮助教师快速有效地引导学生认知过程,大大提高了课堂教学效率．

宏观辨识与微观探析、证据推理与模型认知等维度是《普通高中化学课程标准(2017年版)》提出的化学学科核心素养内容．然而,吉尔伯特等归纳出了学生运用、理解化学核心知识能力欠缺的原因:学生宏观经历缺乏,没有适当实践经历,不清楚学好三重表征有什么意义,迷惑于物质微粒性,或是持有大量微观特征的错误观念,因而无法想象如何表征这些实体(即原子、分子、离子等)．如何解决教学过程中有关宏观辨识和微观探析问题,是教师比较头痛的问题．微观的可视化实验可以解决这一问题,但是如何设计出课堂教学中可演示、易观察、易操作、简捷和高效的实验过程非常重要．

例如,在教授有关离子的内容时,对于离子的定向移动,学生很难理解,但根据文献调研结果表明,有离子迁移运动创新实验的相关报道．本文主要是举例说明如何借助离子定向化移动的可视化来降低教学难度．笔者首先买全了相关材料进行实验验证,然后在各个年级的相应教学中又发动学生自备相关材料进行课外趣味实验,对相关概念有了深度理解,解决了思维上的困惑的同时,也是在肯定这种教学实践的有效性．

尽管中学课本中有关于离子部分的传统实验,但很难从宏观现象来观察离子运动．为便于学生了解和掌握酸、碱、盐相关知识及原电池和电解池工作原理,笔者将课本相关实验加以创新,对九年级下册(人教版)第56页“实验溶液的导电性实验”;《必修1》(人教版)第36页“原电池实验”以及《选修4》(人教版)第71页“铜锌原电池实验”;《选修4》(人教版)第79页“电解CuCl2溶液以及通电后离子在溶液里的移动实验”等实验分别进行了改进,可直接观察离子定向运动,改进后的实验有利于引导学生从对宏观现象识别中获得离子运动证据,有助于学生研究和分析水溶液中离子行为．目前,可视化的离子定向移动实验已成功应用于初、高中年级的教学实践中．

2 离子可视化定向移动在教学中的应用举隅

1)九年级下册(人教版)第56页:“改进实验溶液的导电性实验”．

实验仪器及试剂:橡皮筋若干、鳄鱼夹导线、透明输液管、注射器针筒、防水胶布、锌片、铜片、铁架台、酒精溶液、蒸馏水、盐酸、硫酸、蔗糖溶液、Ca(OH)2溶液、NaOH 溶液、KNO3溶液、碳酸钠溶液、氯化铵溶液、NaCl溶液、酚酞溶液、紫色石蕊溶液(改装的音乐贺卡、喜之郎果冻备用)．

将两注射器针头固定在同一高度平台上,用输液管连接两个注射器下端,将橡皮筋固定在注射器上端,加入氯化钠溶液,两边注射器内分别滴几滴紫色石蕊溶液并使液面相平,把铜片和锌片移入到溶液中(移动皮筋)．用注射器吸取稀硫酸(滴有紫色石蕊试液),从输液管中间注入,观察实验现象．对比观察针筒中溶液颜色．然后更换溶液,重复上述操作:加入滴有紫色石蕊试液的盐酸溶液、滴有无色酚酞的氢氧化钠溶液、含有有色离子的盐溶液等依次进行实验．同时可以使用音乐贺卡,其动态可视化效果很好地激发了学生学习兴趣,喜之郎果冻可以作为简易的电解质溶液,可以将两个电极插在喜之郎果冻上做简易导电性实验．

通过上述溶液导电性和离子定向移动的实验,在带领学生学习酸、碱、盐知识时,通过离子定向移动可视化现象很好地总结出了规律,降低了概念学习的难度．借助溶液导电性和离子定向移动讲解酸碱盐概念．

点拨1首先应该带领学生搞清楚如下问题:电流是怎样形成的? 为什么一些物质的水溶液能够导电? 氯化钠固体能导电吗,为什么? 金属能否导电,为什么? 要搞清它们之间的区别,搞清物质导电的条件．

点拨2做实验观察现象填表1(没有颜色的试剂可以验证溶液导电性实验,有颜色的试剂可以通过离子的定向移动推导出酸溶液中含有H＋,碱溶液中含有OH－,阳离子向电源负极定向移动,阴离子向电源正极定向移动)．

表1

在传统的教学过程中,教师在借助传统的实验演绎离子的定向化移动时只能靠一张嘴来描述,学生仅仅是靠想象力分析,因此难以理解,学生学习起来比较枯燥,借助本改进实验,滴有紫色石蕊的酸性溶液中因为其中含有大量的H＋,会移动到电源的负极,在电源的负极显示红色,就不难理解阳离子向阴极定向移动．同样滴有无色酚酞的碱性溶液因为含有大量的OH－,会移动到电源的正极,在电源的正极显示红色,可见阴离子是向阳极定向移动的．在这里需要注意的是,在验证盐电离的离子规律时可以借助有颜色的高锰酸钾溶液(最好不要借助强酸弱碱盐和强碱弱酸盐水解产生的酸碱性来观察,因为初中学生理解起来比较困难,反而容易画蛇添足)．

点拨3对于电离规律首先应该让学生明确:将某种物质溶解于水会离解成自由移动的离子,这与通电无关,通电后与通电前最大的区别是,自由移动的离子发生了定向移动,借助定向移动规律研究酸这类物质规律是电离出了H＋和酸根离子,碱这类物质规律是电离出了金属阳离子和OH－,在溶液中,所有阳离子所携带的正电荷总数等于所有阴离子所携带的负电荷总数．

2)《必修1》(人教版)第36页“改进原电池实验”以及《选修4》(人教版)第71 页“改进铜锌原电池实验”．

实验仪器及试剂:硫酸溶液、注射器、橡皮筋(若干)、鳄鱼夹导线、输液管、防水胶布、锌片、铜片、铁架台、高锰酸钾溶液、硫酸(改装的音乐贺卡、喜之郎果冻备用)．

将两个注射器针头固定在同一高度平台上,用输液管连接两个注射器下端,将橡皮筋固定在注射器上端．加入硫酸,待注射器针筒内液面相平时,把铜片和锌片移入溶液中(移动皮筋)．用注射器吸取高锰酸钾,在输液管中间注入,观察实验现象．对比观察两边溶液的颜色．还可以使用pH 传感器进一步佐证推导验证离子的定向移动．将pH 传感器探针头同时插入两个电极附近,利用数字实验系统测量出原电池运行过程中铜锌电极附近溶液pH 的变化曲线．发现锌电极附近溶液的pH 逐渐升高．从铜片上产生的气体宏观现象出发,论证了H＋向铜片移动,电子在铜片上与H＋结合产生H2．同时我们可以采取画图法来进一步思考为什么会产生这种现象．世界上普遍存在的规律就是“异性相吸”,因为负极锌失去的电子沿着导线移动到正极铜,吸引溶液中带正电的H＋来获得电子生成H2．原电池和电解池中的阴、阳离子移动规律都可以这样来思考,可以说是举一反三、触类旁通的经典案例．

点拨借助该创新实验可以很好地理解以下内容:在原电池外电路中电子从负极向正极流动;在内电路中阴离子向阳极迁移,阳离子向阴极迁移．高锰酸钾溶液滴加在输液管中有两个作用,一是增强溶液的导电性,二是通过紫色高锰酸根离子的颜色来更好地观察离子的定向移动,有利于理解原电池相关原理概念．K＋移向插有铜片的注射器内,移向插有锌片的注射器内．

下面我们可以举几个例子,从另一个角度来强化训练理解离子定向移动:Cu＋2Fe3＋＝Cu2＋＋2Fe2＋,将该反应设计成带有盐桥的原电池装置,思考盐桥中的离子移动方向．

因为有了上面离子定向移动的感性认识和深度分析,所以在设计这个装置时并不困难,Cu失电子后沿着导线到了另一极,另一极中含有Fe3＋获得电子,这样在有Cu电极的烧杯里放Cu2＋溶液(元素相同且不和Cu反应),另一极烧杯中应该是石墨C(或比Cu不活泼的金属)和含有Fe3＋的溶液,两个电极用导线连接,两个烧杯溶液可以用不与两边溶液反应的盐桥(一般含KCl或琼脂－饱和KNO3)连接．显然因为电子沿着导线移向了石墨C,吸引盐桥中的K＋向含有Fe3＋的烧杯方向移动,Cl－向反方向移动．因此,由于阴、阳离子在电极放电,在盐桥与溶液接触处肯定有离子的迁移．

小试牛刀:微型按钮电池广泛应用于现代生活中．有一种银锌电池,其电极分别是Ag2O 和Zn,电解质溶液为KOH,电极反应为:

根据上述反应式完成以下问题．

(1)判断正、负极材料．

(2)写出总反应．

(3)判断电池工作时,电子的移动方向和电解质溶液中离子的移动方向．

(4)在电池使用过程中,电解质溶液中KOH 的物质的量怎样变化?

(5)当电池工作时通过电路对外提供了1mol电子,计算消耗的负极的质量．

(6)在使用过程中,电池负极区溶液的pH 如何变化?

3)《选修4》(人教版)第79页“CuCl2溶液电解以及通电后溶液里离子移动”实验改进．

实验仪器及试剂:塑料注射器针筒、透明输液管、铁架台、若干橡皮筋、胶布(防水)、鳄鱼夹导线、锌片、铜片、硫酸溶液、高锰酸钾溶液、5号电池(音乐贺卡、喜之郎果冻备用)、2B铅笔芯．

将塑料注射器等高固定在同一高度平台上,用输液管与两个注射器的下端连接．鳄鱼夹导线的两端夹住2B铅笔芯,另一端分别与5号电池的两端连接,将橡皮筋固定在塑料注射器的顶部．组装装置,加入硫酸溶液,待注射器内液面相平时,移动橡皮筋使2B铅笔芯进入溶液中,用注射器吸取高锰酸钾,在输液管中间注入,观察实验现象．对比观察两边溶液的颜色．对比观察连接5号电池的锌皮一端和连接5号电池炭棒一端溶液的颜色．

点拨1电路分析:电子沿着导线从5号电池锌极流出,最终流入炭棒极;我们可以观察到5 号电池炭棒一端颜色(紫色)加深,因为5号电池炭棒一端连接着电解池的阳极,高锰酸根离子向阳极移动,进一步验证了溶液中阴离子向阳极迁移,阳离子向阴极迁移．

利用该实验我们可以很好地分析更多的外延化学知识,也可以引导我们去创新一些新的未知领域．例如,氯碱工业阳极材料只能为惰性电极(Cl－失电子生成氯气),阴极材料一般为钢网,在氯碱工业里引入了阳离子交换膜,我们如何来剖析阳离子交换膜的作用呢? 根据氯碱工业的名字不难得出产物有氯气、有碱,但是产物在一起会发生反应而得不到氯气和碱,因此阳离子交换膜的作用是把产物隔开,因为在电解池中阳离子向阴极移动,这样阳离子交换膜就可以根据这个原理允许阳离子(Na＋、H＋)移动过去来设计．所以在阳极室里有高浓度的饱和NaCl溶液,Cl－失电子生成Cl2后阴离子大量减少(饱和NaCl溶液浓度足够大才能够确保产生足够多的Cl2),为保持溶液平衡,阳极室中Na＋、H＋透过阳离子交换膜移到阴极室,阴极室有提前放入的NaOH 溶液,阴极室中H＋会不断生成氢气,这样阴极室中产物NaOH 浓度就会越来越大．所以阳离子交换膜的作用有两个,一个是允许阳极室中的Na＋、H＋进入阴极室,二是阻止阴极室中的OH－进入阳极室．

点拨2例如,在电解池原理的应用中,我们想完成在Zn棒上镀铜的任务,就不难想出Zn棒应该作阴极,Cu作阳极,电解质用含Cu2＋的溶液,这样,阳极Cu失电子生成Cu2＋,阳离子(Cu2＋)会移向阴极Zn棒,在阴极上Cu2＋得到电子生成铜,这样就完成了在锌棒上镀铜的任务．

我们可以总结一下电镀池的特点:镀层金属作阳极;镀件作阴极;阳极与电镀液中所含阳离子元素相同,电镀液浓度不变．明白了根源,分析起来就能娓娓道来,就不再会被新情境所迷惑了．

点拨3同样的道理,我们来分析粗铜提纯,粗铜含有Zn、Fe、Cu、Ag、Pt、Au,若金属 比Cu活泼,会失去电子进入溶液,若金属不如Cu活泼,会沉积在阳极变成阳极泥,对于Cu 本身,因为失去电子生成Cu2＋,Cu2＋定向移动到阴极后又在阴极得到电子生成Cu,显然溶液中应该放入Cu2＋而且其浓度不会发生变化．

点拨4我们再来分析电解法制备金属,例如,使用电解法制备金属铝．一般用炭棒作阴、阳电极,溶液中应该有熔融的Al2O3为电镀液,熔融冰晶石为溶剂,阴离子O2－移向阳极,阳极反应为2O2－－4e－＝O2,阳离子移向阴极,阴极反应为Al3＋＋3e－＝Al．

通过原电池和电解池几个案例的点拨不难发现,无论原电池还是电解池本质都是氧化还原反应,而电子和离子的定向移动是氧化还原反应在一定条件下的外在表现,只有理解了氧化还原本质,才能正确分析电子和离子的定向移动,而电子和离子定向移动的正确分析又有利于我们明晰装置内到底发生了什么反应,能帮助我们正确书写电极反应式,理解复杂情境中存在的隐形氧化剂或还原剂．

3 离子定向移动可视化应用的评价与反思

在教学过程中,教师经常用语言解释肉眼无法直接观察到的微观离子迁移现象,教师告诉学生“溶液中自由移动的离子,在电场的影响下定向运动,阴离子失去电子移动到阳极,阳离子得到电子移动到阴极”．学生处于被动接受的状态,了解离子的运动只是停留在记忆水平,而不是主动思考探索．显然,这不利于学生化学学科核心素养的培养．

通过以上创新实验,将微观离子的移动转化为宏观颜色的迁移,实现了离子定向运动过程的可视化,给学生提供了可视化的思维方法,有利于解决学生学习三维表征等内容时的困惑,有利于解决原电池和电解池原理出现的复杂情境干扰．例如,铜电极电解不仅观察到Cu2＋的定向迁移,而且为后续学习电镀和粗铜精炼铺平了道路;另外在解决离子放电顺序,电极材料对电解影响、电解产物检验等重、难点时有了可视化思维模式．

该装置使微观领域可视化,可以应用在初三到高三有关内容的各个教学环节中,降低了教学难度,学生可以获得扎实的基础知识,可以应对和识别各级复杂学习情境的机遇和挑战．在动手实验过程中,学生兴趣盎然,积极参与课堂教学,借助可视化离子定向运动较好地掌握了与之相关的深度教学内容,学生可以自主探索和突破教学中的误区,思维也得到了发展与锻炼．通过该装置在教学中的应用,更着眼于学生探索知识以及学习方法的培训,以此力求形成求学所必需的质疑态度、批判精神,以促进创新意识和创造能力的发展．

总之,化学实验的重要作用之一是通过宏观现象揭示物质的组成、结构、性质以及化学反应内部变化的微观本质．化学实验的宏观现象与微观结构密切相关,宏观现象将更清楚地显示微观本质,并能极大地促进学生思维能力的发展,有助于理解在不同学习阶段有不同的要求,使学生在跨越式学习和探索中逐步形成清晰的思维模式．