基于价态分析的化学核心概念...究性教学——氧化剂和还原剂_温美凤.pdf

*2 0 2 2年度广东省教育科学“十四五”规划课题“基于手持技术数字化创新实验的混合式教学范式的实践研究 以高中化学大单元教学为例”(课题编号:2 0 2 2 Y Q J K 0 0 8)*通信联系人,E-m a i l:1 8 7 1 8 8 8 3 8 3 7 1 2 6.c o m基于价态分析的化学核心概念探究性教学*氧化剂和还原剂温美凤1*陈谦明2 钱扬义3(1.广东番禺中学 广东广州 5 1 1 4 0 0;2.广州市番禺区教师进修学校 广东广州 5 1 1 4 0 0;3.华南师范大学化学学院 广东广州 5 1 1 4 0 0)摘要 在教学实践中,学生在判断哪些物质具有氧化性、哪些物质具有还原性方面存在困难,以及较难理解同一物质既能做氧化剂又能做还原剂,到底什么时候表现出何种性质。针对此现象,本教学设计提出核心元素 化合价二维图,帮助学生理解氧化剂和还原剂概念的本质,建立起元素化合价与物质氧化性、还原性的关系;并通过科学探究过程,培养学生在陌生情境中运用本节课所学知识,进行物质氧化性、还原性预测与验证的关键能力,巩固本节课所学的规律。本节课教学效果良好,有效地突破了概念教学的难点,帮助学生建立起价态观,发展了学生的科学探究素养。关键词 氧化剂和还原剂 概念教学 价态分析 科学探究 核心元素 化合价二维图D O I:1 0.1 3 8 8 4/j.1 0 0 3-3 8 0 7 h x j y.2 0 2 2 0 2 0 0 8 1 1 教学主题内容与教学现状分析教育部最新发布的 普通高中化学课程标准(2 0 1 7年版)明确提出1:物质中元素的价态是学习元素及其化合物性质的重要视角。要求学生能够基于元素价态可以预测物质的氧化性、还原性,还可以设计物质间转化的途径。科学探究与创新意识是化学学科核心素养之一,要求学生能发现和提出有探究价值的问题,能从问题和假设出发,依据探究目的,设计探究方案,运用化学实验等方法进行实验探究。“氧化还原反应”是高中化学课程中的核心概念之一,根据其重要性,在1 0 0个化学学科关键词中排名4,另外,“氧化性、还原性”排名2 7,可见其重要程度2。本节课是鲁科版化学必修第一册中第二章第三节第2课时内容3,是在学生已经建立氧化和还原概念的基础上学习,具体有2个核心:(1)氧化性和还原性与价态以及电子转移的关系;(2)怎样通过实验研究物质具有氧化性、还原性,让学生通过亲身体验,形成过程方法,从而在理解的基础上深化对氧化还原反应的认识,发现氧化剂、还原剂的判断规律及其运用4。结合一线教师的教学体会,发现学生在如何判断物质的氧化性、还原性方面的掌握情况不理想。本研究以中国知网为数据来源,以“氧化还原反应”为主题词,搜索2 0 1 0年至今所有的文献,初步分析发现现阶段关于氧化还原反应的教学文献,主要集中在以下几个方面:(1)氧化还原反应第一课时新授课,即氧化还原反应概念的建立5;(2)学生对氧化还原反应概念的认知特点及相应教学策略6-7;(3)氧化还原反应高三复习8。尚未发现有教学研究将价态分析和科学探究应用于氧化剂和还原剂的新授课中解决学生判断物质的氧化性、还原性的问题。因此,为了实现“氧化剂和还原剂”核心概念的有效教学,本文思考化学核心概念教学设计中的2个主要问题:(1)概念教学的基本思路及设计;(2)如何突破氧化剂和还原剂概念的辨析、应用与巩固。2 教学思想新课程重视开展“素养为本”的教学,课堂教学是发展学生核心素养的关键环节,教学中要立足学科核心素养、优化教学设计、改进教学活动、关注思维过程、促进目标达成。本教学案例,通过分析物质变化过程中核心元素的化合价变化,从而形成元素化合价与物质氧化性、还原性的关联,并构建起核心元素 化合价二维图模型,见图1,发展63化 学 教 育(中英文)(h t t p:/w w w.h x j y.c h e m s o c.o r g.c n)2 0 2 3年第4 4卷第1 3期学生的“模型认知”核心素养;通过科学探究活动,发展学生的“科学探究”“证据推理”核心素养;通过将知识应用于解释生活现象,发展学生的“科学态度”核心素养。F i g.1 T w o d i m e n s i o n a l d i a g r a m o f c o r e e l e m e n t-v a l e n c e图1 核心元素 化合价二维图3 教学目标(1)通过分析氧化还原反应方程式,学生归纳氧化剂、还原剂的概念。(2)通过运用核心元素 化合价二维图分析物质元素化合价变化,学生构建起元素化合价与物质氧化性、还原性的关系。(3)通过探究H2O2性质,学生能依据核心元素化合价的升降趋势预测物质的氧化性或还原性,并设计实验进行初步验证。(4)通过解决生活中的化学问题,巩固概念,树立“化学源于生活,用于指导生活”的化学学科观念。4 教学流程本研究结合概念教学的特点,设计了“34”教学流程9,见图2,“3”指课堂教学的3个步骤,分别是:设置情境提出问题学习活动解决问题课堂应用评价问题;“4”指概念课堂教学4个环节,分别是:概念引入概念辨析概念应用概念巩固提升。F i g.2 T e a c h i n g p r o c e s s图2 教学流程 同时,研究者创造性地提出核心元素 化合价二维图(图1)并贯穿整节课各个教学环节,帮助学生建构价态观。在概念辨析阶段,首先通过运用核心元素 化合价二维图,学生分析物质变化过程中核心元素的化合价变化,从而形成元素化合价与物质氧化性、还原性的关联。在概念应用阶段,学生运用二维图预测H2O2的氧化性、还原性,提出方案并进行实验验证。在概念巩固提升阶段,回归生活中“8 4”消毒液和洁厕精的使用说明,再次运用二维图分析解释次氯酸钠与氯化氢不能混用的原因。5 教学实录5.1 概念引入【教师】展示世界钢铁产量排名,以及工业上高炉炼铁的真实情境。【学生】用双线桥分析上述方程式。【教师】引导:在上述过程中,一氧化碳能够将氧化铁还原成铁单质,我们将它定义为还原剂;氧化铁可以将一氧化碳进一步氧化成二氧化碳,我们将它定义为氧化剂。大家能总结氧化剂、还原剂在氧化还原反应中的特点吗?732 0 2 3年第4 4卷第1 3期 化 学 教 育(中英文)(h t t p:/w w w.h x j y.c h e m s o c.o r g.c n)【学生】根据学案,总结:在反应中,失去电子,化合价升高,被氧化,具有还原性,是还原剂;得到电子,化合价降低,被还原,具有氧化性,是氧化剂。5.2 概念辨析【教师】展示部分元素常见化合价,见表1。表1 部分元素常见化合价表T a b l e 1 C o m m o n v a l e n c e l i s t o f s o m e e l e m e n t s元素 元素符号常见化合价元素元素符号常见化合价氢H0,+1,-1钠N a+1氧O0,-1,-2铁F e0,+2,+3硫S-2,0,+4,+6锰M n+2,+4,+6,+7碳C0,+2,+4碘I-1,0,+5 已有物质:N a,F e,O2,C,CO,SO2,K Mn O4,F e2+,I-,S2-,浓H2SO4,F e3+(标.的是核心元素)。提出学习任务:1-4组学生,结合核心元素常见化合价分析,以上物质中哪些可做还原剂?对应的产物可能是什么?5-8组学生,结合核心元素常见化合价分析,以上物质中哪些可做氧化剂?对应的产物可能是什么?示范二维图使用方法,以S O2为例,标出其在图中位置及其反应产物S O2-4在图中的位置,在此过程中S O2的硫元素失去电子,化合价升高,做还原剂(图1)。【学生】独立思考,分析物质转化过程中化合价的变化。小组讨论合作,根据物质转化路径,做出不同物质核心元素 化合价二维图。小组展示,分享小组的讨论成果,见图3和图4。F i g.3 C o r e e l e m e n t v a l e n c e t w o-d i m e n s i o n a l d i a g r a m o f d e o x i d i z e r图3 学生分享还原剂反应过程中核心元素 化合价二维图F i g.4 C o r e e l e m e n t v a l e n c e t w o-d i m e n s i o n a l d i a g r a m o f o x i d a n t图4 学生分享氧化剂反应过程中核心元素 化合价二维图 【教师】点评分析,提炼概括:(1)还原剂在转化过程中化合价都升高,氧化剂在转化过程中化合价都降低。(2)部分物质如S O2,F e2+在反应过程中既能升价又能降价,因此可以做氧化剂,又可以做还原剂。【学生】领悟感受:(1)还原剂元素化合价需要有升高趋势,氧化剂元素化合价需要有降低趋势。(2)学习从元素化合价角度分析预测物质的氧83化 学 教 育(中英文)(h t t p:/w w w.h x j y.c h e m s o c.o r g.c n)2 0 2 3年第4 4卷第1 3期化性、还原性。5.3 概念应用【教师】提出探究问题:从氧化还原角度分析H2O2可能具有什么性质?【学生】运用二维图(图5),根据元素化合价与物质氧化性、还原性的关系,提出猜想与假设:猜想:H2O2可 能 具 有 还 原 性,原 因 是H2O2中O元素为-1价,可以升到0价生成O2。猜想:H2O2可 能 具 有 氧 化 性,原 因 是 H2O2中O元素为-1价,可以降到-2价生成H2O或者OH-。H2O2中H元素为+1价,可以降到0价生成H2。F i g.5 C o r e e l e m e n t v a l e n c e t w o-d i m e n s i o n a l d i a g r a m o f H2O2图5 过氧化氢核心元素 化合价二维图【教师】实验方案设计引导:根据氧化还原反应规则,如果预测物质具有氧化性,就需要寻找具有还原性的另一种物质,通过实验检验两者能否发生氧化还原反应,以验证预测。相应地,如果预测某物质具有还原性,就需要寻找具有氧化性的另一物质,通过实验来验证预测。展示可选试剂:H2O2溶液、KM n O4溶液、稀H2S O4、N a OH溶液、淀粉溶液、K I溶液、F e C l2溶液、C u C l2溶液。实验提示:I2遇淀粉溶液显蓝色,此反应常用于I2与淀粉溶液的相互检验。提出设计方案的任务:请选择合适的试剂证明以上猜想。【学生】根据实验试剂及实验提示,小组讨论,提出实验方案。小组分享讨论结果。实验方案设计:实验:用 KM n O4溶液(试剂)与H2O2反应,验证猜想,选择该试剂的原因:KM n O4具有强氧化性,若H2O2具有还原性,二者可反应。实验:用K I溶液或F e C l2溶液(试剂)与H2O2反应,验证猜想,选择该试剂的原因:I-、F e2+具有还原性,若H2O2具有氧化性,二者可反应。【教师】点评学生实验方案,展示实验步骤进行实验引导。实验步骤实验现象 实验结果往试管中加入2 m L H2O2溶液,加1 m L硫酸酸化,再滴加1 0滴高锰酸钾溶液,振荡并观察现象往试管中加入2 m L碘化钾溶液,加入2滴淀粉溶液,再滴加5滴H2O2溶液,振荡并观察现象 【学生】学生分组实验验证方案。小组分享实验结果1:高锰酸钾溶液紫色退去,发现试管壁上有微量气体产生。小组分享实验结果2:溶液由无色变蓝,无气体产生。【教师】引导学生分析实验现象。【学生】根据对实验现象分析,得出结论:元素处于最高价物质有氧化性,如高锰酸钾;元素处于最低价物质具有还原性,如碘化钾;元素处于中间价态,物质既具有氧化性又具有还原性,如过氧化氢。【教师】提问:过氧化氢的氧化性为什么是由O元素体现而不是由H元素体现?引导:同学们可以思考,H、O元素在自然界中主要是以什么物质什么价态存在的,说明H、O元素哪个价态是更稳定的?【学生】思考,回答问题:H元素在自然界中主要以H2O形式存在,是+1价的;O元素在自