陳劍松

（福州第一中學(xué)，福建福州350108）

詮釋理論與實(shí)驗(yàn)結(jié)合 培養(yǎng)學(xué)生化學(xué)學(xué)科的探究素養(yǎng)

陳劍松

（福州第一中學(xué)，福建福州350108）

化學(xué)作為一門(mén)重要的實(shí)驗(yàn)學(xué)科，以實(shí)驗(yàn)為本，在高中化學(xué)課堂教學(xué)過(guò)程中，要研究化學(xué)現(xiàn)象和化學(xué)反應(yīng)，就離不開(kāi)化學(xué)實(shí)驗(yàn)，離不開(kāi)化學(xué)理論的運(yùn)用和運(yùn)用理論解釋現(xiàn)象的思維過(guò)程。理論思維與實(shí)驗(yàn)教學(xué)的有機(jī)結(jié)合，能夠有效地培養(yǎng)學(xué)生的觀察能力和思維能力；培養(yǎng)學(xué)生求實(shí)的實(shí)驗(yàn)精神和嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度，促進(jìn)學(xué)生在化學(xué)學(xué)科上科學(xué)思維（質(zhì)樸性、辯證性、創(chuàng)新性）的全面發(fā)展。

理論與實(shí)驗(yàn) 電化學(xué) 化學(xué)平衡 科學(xué)思維

實(shí)驗(yàn)與理論思維相結(jié)合是科學(xué)方法論中的基本方法之一，化學(xué)作為一門(mén)重要的實(shí)驗(yàn)學(xué)科，以實(shí)驗(yàn)為本，在高中化學(xué)課堂教學(xué)過(guò)程中，離不開(kāi)化學(xué)實(shí)驗(yàn)［1］。德國(guó)化學(xué)家維勒曾經(jīng)說(shuō)過(guò)：“離開(kāi)化學(xué)實(shí)驗(yàn)室，我的心臟就無(wú)法跳動(dòng)?！睂?duì)于化學(xué)課堂教學(xué)來(lái)說(shuō)，實(shí)驗(yàn)與理論的運(yùn)用具有同等的重要性。通過(guò)探究實(shí)驗(yàn)來(lái)詮釋電化學(xué)的重要應(yīng)用，將應(yīng)用融入到平時(shí)的課堂教學(xué)中來(lái)，以激發(fā)學(xué)生們探索學(xué)習(xí)化學(xué)并熱愛(ài)化學(xué)的積極性。

一、鋅—空氣燃料電池——思維的質(zhì)樸性

利用原電池的工作原理可以設(shè)計(jì)滿足日常生活和工業(yè)生產(chǎn)需要的各種化學(xué)電源，如用于“神六”的太陽(yáng)能電池、筆記本電腦專(zhuān)用電池等。在中國(guó)科學(xué)院海西研究院教師的指導(dǎo)下引進(jìn)一種新型電池：鋅—空氣燃料電池，以期讓學(xué)生們接觸到科學(xué)院的頂尖科研技術(shù)，拓展學(xué)生們的視野。

電池構(gòu)成：

負(fù)極——鋅片。

正極——表面覆蓋有催化劑的碳片。

電解液——6 mol·L-1的KOH溶液。

絕緣和密封襯墊——尼龍材料。

隔離層——用于隔離兩級(jí)間固體粉粒的移動(dòng)。

電池外表面——有機(jī)玻璃外殼，具有良好的抗酸堿腐蝕性。

總反應(yīng)為： 2Zn+O2+4OH-+2H2O ＝2Zn（OH）42-。

利用這種新型電池連接發(fā)光二極管供電，當(dāng)發(fā)光二極管發(fā)出炫目的七彩顏色時(shí)，學(xué)生們立刻被課堂上的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象所吸引，感嘆科學(xué)知識(shí)在實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用所帶來(lái)的魅力。由于電極反應(yīng)式的書(shū)寫(xiě)始終是高中化學(xué)的一個(gè)重難點(diǎn)，此時(shí)通過(guò)師生討論共同完成鋅—空氣燃料電池電極反應(yīng)式的書(shū)寫(xiě)。

【板書(shū)】負(fù)極：2Zn-4e-+8OH-＝2Zn（OH）42-

正極：O2+4e-+2H2O＝4OH-

通過(guò)電極方程式的書(shū)寫(xiě)發(fā)現(xiàn)其實(shí)海西科學(xué)研究院的頂尖科研技術(shù)產(chǎn)品原理并不難，從而揭去高端科研產(chǎn)品的神秘面紗，引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識(shí)其實(shí)令人眼花繚亂的諸多新型化學(xué)電源工作原理與書(shū)上最普通的鋅銅原電池并無(wú)兩樣，萬(wàn)變不離其宗，復(fù)雜是外表，核心原理卻是質(zhì)樸的！這樣的訓(xùn)練既鞏固課本的原電池原理，深化理論與實(shí)踐的整合，培養(yǎng)學(xué)生思維的質(zhì)樸性，更重要的是增強(qiáng)學(xué)生科學(xué)探究的信心。

二、原電池中化學(xué)平衡的移動(dòng)——思維的辯證性

化學(xué)平衡移動(dòng)的知識(shí)與日常生活、工業(yè)生產(chǎn)關(guān)系十分密切，也是高中化學(xué)教學(xué)的重難點(diǎn)，在思維上，化學(xué)平衡是培養(yǎng)辯證思維的最佳素材，以往平衡歸平衡，電池歸電池，能否將電池與平衡結(jié)合呢？通過(guò)摸索尋找適合的素材。

【提供可選的試劑】

0.8 mol·L-1FeSO4（aq）、 0.2mol·L-1K2Cr2O7（aq）、

1 mol·L-1H2SO4（aq）、 6 mol·L-1KOH（aq）

根據(jù)以上所提供的藥品設(shè)計(jì)一個(gè)原電池裝置：

6Fe2++Cr2O72-+14H+=6Fe3++2Cr3++7H2O

如右圖：U形管內(nèi)填充的是飽和KCl溶液和瓊脂，兩極均使用惰性電極石墨，連接一個(gè)靈敏電流計(jì)，U形管左側(cè)注入約4mL 0.8mol·L-1FeSO4溶液，U形管右側(cè)注入約 3mL 0.2mol·L-1K2Cr2O7和1mL 1mol·L-1H2SO4的混合液。連接好電路后，將兩根石墨電極共同放入到U形管的兩側(cè)。此時(shí)電流計(jì)指針發(fā)生偏轉(zhuǎn)，說(shuō)明產(chǎn)生電流，指針偏轉(zhuǎn)指向的正是作為原電池的正極石墨棒（浸有 K2Cr2O7和稀H2SO4的混合液）。

接下來(lái)通過(guò)外加試劑使平衡發(fā)生逆向移動(dòng)，此時(shí)電流計(jì)指針?lè)聪蚱D(zhuǎn)，然后觀察一段時(shí)間后電流計(jì)指針是否指向“0”位置？如何使平衡逆向移動(dòng)呢？通過(guò)反應(yīng)式正向反應(yīng)時(shí)消耗掉H+，H+的對(duì)立面是OH-，反應(yīng)若逆向進(jìn)行會(huì)不會(huì)加堿呢？實(shí)驗(yàn)是證明的最有力手段！接下來(lái)逐滴滴加6 mol·L-1KOH（aq），果真電流計(jì)指針?lè)聪蚱D(zhuǎn)，一段時(shí)間后電流計(jì)指針回流至“0”位置，說(shuō)明反應(yīng)在一定條件下達(dá)到平衡狀態(tài)。

將原電池與化學(xué)平衡結(jié)合，不僅拓展學(xué)生對(duì)原電池原理與化學(xué)平衡移動(dòng)原理的認(rèn)識(shí)，更重要的是引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識(shí)事物的兩面性，學(xué)會(huì)辯證看問(wèn)題，培養(yǎng)思維的辯證性，提升思維的品質(zhì)。

三、高鐵酸鉀的電解制備原理——思維的創(chuàng)新性

目前關(guān)于電解的應(yīng)用主要集中在四個(gè)方面：①氯堿工業(yè)生產(chǎn)；②活潑金屬的冶煉；③電鍍；④粗銅的電解精煉。除了電解的四大應(yīng)用外，可以通過(guò)高鐵酸鉀的電化學(xué)合成實(shí)驗(yàn)探究，啟迪學(xué)生的的觀察能力和思維能力，培養(yǎng)求實(shí)精神和嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度。

兩極均使用鐵電極，采用5V的直流電源，電解6mol·L-1KOH溶液，一段時(shí)間后觀察現(xiàn)象，分析原因？

大多數(shù)學(xué)生預(yù)測(cè)的現(xiàn)象是：因?yàn)殛?yáng)極上鐵電極的放電造成在KOH溶液中會(huì)出現(xiàn)白色沉淀Fe（OH）2，迅速變成灰綠色最終變成紅褐色；陰極表面有大量氣泡產(chǎn)生。然而事實(shí)卻大大出乎學(xué)生們的預(yù)料，除了在陰極表面看見(jiàn)預(yù)測(cè)的氣泡外，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中自始至終并沒(méi)有看到沉淀，取而代之的是溶液逐漸變成紫色（見(jiàn)左圖），這個(gè)“新”現(xiàn)象激發(fā)了學(xué)生們的探究欲望，怎么會(huì)這樣呢？

當(dāng)出現(xiàn)理論思維與實(shí)驗(yàn)教學(xué)的矛盾對(duì)立時(shí)，應(yīng)該怎么辦？學(xué)生們都異口同聲地說(shuō)要尊重實(shí)驗(yàn)結(jié)果和現(xiàn)象，這體現(xiàn)了一種科學(xué)探索的實(shí)驗(yàn)素養(yǎng)，也正是這堂課所要給學(xué)生們傳送的一種理念：求真務(wù)實(shí)，詮釋理論與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的一種探索實(shí)驗(yàn)精神。那么出現(xiàn)的紫色物質(zhì)是什么呢？通過(guò)查閱文獻(xiàn)資料發(fā)現(xiàn)高鐵酸鉀是一種能夠使溶液呈現(xiàn)紫色的物質(zhì)，思考高鐵酸鉀生成的思路并書(shū)寫(xiě)電解過(guò)程中兩極電極反應(yīng)式。

負(fù)極：2Fe-12e-+16OH-＝2FeO42-+8H2O

正極：12H2O+12e-＝6H2↑+12OH-

PPT展示高鐵酸鉀的重要應(yīng)用：已作為新一代的綠色環(huán)保水處理劑而被廣泛關(guān)注。

①高鐵酸鉀可用于工業(yè)廢水與城市生活污水的處理。

②高鐵酸鉀可用于魚(yú)塘水產(chǎn)養(yǎng)殖類(lèi)水處理。

③高鐵酸鉀可用于海洋防污處理。

④高鐵酸鉀可用于游泳池水的再生使用等。

為什么高鐵酸鉀可作為新一代的綠色環(huán)保水處理劑？結(jié)合高中課堂教學(xué)對(duì)于凈水劑的認(rèn)知進(jìn)行交流與討論：FeO42-具有強(qiáng)氧化性，可使水中菌體蛋白質(zhì)變性而起到殺菌的功效，同時(shí)還原產(chǎn)物Fe3+會(huì)水解生成Fe（OH）3膠體，可使水中的懸浮物被膠體粒子吸附而沉降下來(lái)。而凈水劑本身對(duì)水凈化處理的原理通過(guò)就是這兩點(diǎn)：①膠體的吸附沉降；②殺菌消毒；高鐵酸鉀水處理劑在這兩點(diǎn)上都能發(fā)揮作用，通過(guò)激光筆照射高鐵酸鉀溶液顯示光亮的通路（丁達(dá)爾現(xiàn)象）進(jìn)一步驗(yàn)證了膠體的生成。

用鐵做電極電解KOH溶液本該生成Fe（OH）2能預(yù)期的“舊”現(xiàn)象，可實(shí)際看到的卻是生成紫色溶液的“新”現(xiàn)象，這個(gè)案例揭示電解過(guò)程的復(fù)雜性，引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識(shí)電極材料、反應(yīng)溫度、電解質(zhì)溶液濃度、電壓高低等因素都會(huì)影響電解產(chǎn)物，解決“新”現(xiàn)象需要新思維，故“新”“舊”現(xiàn)象的解決無(wú)疑拓展了學(xué)生的視野，活化了學(xué)生的思維，提升思維的創(chuàng)新性。

綜上所述，在課堂實(shí)驗(yàn)上構(gòu)建實(shí)驗(yàn)探究課堂，不但提升了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，而且發(fā)展了學(xué)生探索和解決問(wèn)題的能力，當(dāng)出現(xiàn)理論思維與實(shí)驗(yàn)教學(xué)的矛盾對(duì)立時(shí)，其實(shí)理論與實(shí)驗(yàn)是矛盾的兩極，只有將兩者能動(dòng)地聯(lián)系在一起，才能真正培養(yǎng)學(xué)生求實(shí)的實(shí)驗(yàn)精神和嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度，促進(jìn)學(xué)生整體素質(zhì)的全面發(fā)展。因此，采用實(shí)驗(yàn)探究模式開(kāi)展的化學(xué)趣味性教學(xué)，變學(xué)生的被動(dòng)性學(xué)習(xí)為主動(dòng)性學(xué)習(xí)，變苦學(xué)為樂(lè)學(xué)［2］，使學(xué)生在學(xué)習(xí)中體會(huì)到化學(xué)的生動(dòng)有趣和魅力，可收到意想不到教學(xué)效果。

［1］倪德芳.淺談化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中如何做到理論與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合［J］.吉林教育，2012（1）.

［2］徐慧紅.精心設(shè)計(jì)點(diǎn)亮課堂 促進(jìn)學(xué)生全面發(fā)展——以復(fù)習(xí)課“二氧化硫的性質(zhì)”教學(xué)為例［J］.化學(xué)教與學(xué)，2015（4）.

G633.6

A

1673-9884（2017）08-0094-03

2017-06-15

陳劍松，男，福建福州第一中學(xué)二級(jí)教師。