第二节 探究水的化学变化（教学设计） 化学北京版2024九年级上册

第三章 探究水的奥秘 第二节 探究水的化学变化 一、知识目标 1.通过氢气燃烧实验和电解水实验认识水的组成，了解探究物质组成的一般思想和方法; 2.了解氢气的物理性质和化学性质，知道氢气验纯的必要性和方法; 3. 了解并体验科学家认识水的组成的过程和方法。 二、核心素养目标 1.化学观念：能通过电解水生成氢气和氧气的宏观实验现象，推断水由氢、氧两种元素组成的微观本质。 结合氢气燃烧生成水的实验，建立“宏观物质变化与微观粒子重新组合”的关联认知。 2.科学思维：基于电解水实验中“正负极气体体积比2:1”等证据，推理氢气的元素组成及水的化学式（H2O），形成“证据→结论”的科学推理逻辑。通过水组成的发展史，理解科学模型是基于实验证据不断修正、完善的过程。 3.科学探究与实践：能根据水的电解和氢气燃烧实验现象，提出合理的假设和猜想，并通过分析、推理等方法进行验证，得出结论，辅以微观动画，解释水的化学变化过程，建立起化学变化的微观模型认知，提升实验探究的基本技能。 4.科学态度与责任：通过水组成的发展史，认识科学家严谨的定量研究方法，体会科学研究需尊重事实、敢于突破传统认知的态度。结合氢气的性质，了解氢气在新能源领域的应用前景，树立“化学研究服务于解决能源、环境问题”的社会责任意识。 一、教学重点 1.了解探究物质组成的一般思想和方法。 二、教学难点 1.电解水实验认识水。 本节教学内容源于北京版初中化学九年级上册第三章《探究水的奥秘》第二节《探究水的化学变化》。探究水的化学变化是初中化学重要的知识，从宏观实验现象关联微观粒子变化，化学反应前后元素种类不变，内容承接物质性质知识，为后续化学方程式书写、物质分类学习奠定基础，对学生构建化学认知体系至关重要。 教材以“实验探究”为核心展开。内容上，先通过了解水的性质和水的组成发展历史，系统介绍氢气的物理性质（无色无味、难溶于水、密度远小于空气）、化学性质（可燃性，燃烧生成水），并强调氢气点燃前验纯的必要性及操作方法，最后通过电解水实验，引导学生观察两极产生气体（正极氧气、负极氢气，体积比1:2），结合气体检验推导水的元素组成，教材辅以微观动画，帮助理解化学变化中分子拆分、原子重组的过程，深化学生对水的结构和组成的认识。教材内容编排由浅入深，知识层面，让学生明确水的组成及氢气性质；能力层面，通过实验观察与分析，提升逻辑推理和实验操作能力；情感层面，渗透科学探究精神，让学生体会实验对化学研究的重要性。 教学对象为初三的学生。在之前的学习中，学生已掌握水的净化知识，知晓水的常见性与状态变化，且接触过物质物理、化学性质的基本概念（如氧气性质），能区分物质的外观属性与反应特性，为学习氢气性质、电解水实验奠定基础，但对“水的化学组成”“物质反应与元素组成的关联”等深层知识无认知。 从认知能力看，学生正从形象思维向抽象思维过渡，对电解水的气泡、氢气燃烧的火焰等实验现象兴趣浓厚，但难以理解“电解水生成H2和O2推导水的元素组成”的微观逻辑，易混淆“氢气燃烧与电解水是否为可逆反应”，对拉瓦锡定量实验推导水组成的科学原理理解困难。从学习方法上看，多数学生习惯被动记忆结论（如氢气物理性质、电解水气体体积比），自主探究和归纳能力弱，难以从实验现象自主总结气体检验方法或分析氢气验纯的原因。 此外，学生虽具备一定观察和分析能力，但在探究物质组成的一般思想和方法，总结归纳方面经验不足。因此，教学中应充分发挥学生的主体性，通过实验探究、案例分析等方式，引导学生主动思考、积极探究，逐步提升学生的化学学科素养和解决实际问题的能力，增强学生学习化学的实用性和价值感。 教学环节一 新课导入 【提问】同学们，大家都知道水是生命的源泉，哪里有水，哪里就有生命。对于我们熟悉的水，你知道它的组成吗？我们已经研究了存在于混合物体系中的水，接下来将研究纯净物——水，在日常生活和物理课上经常见到水的物态变化，那么水会发生化学变化吗？水的化学变化有什么应用？ 【讲解】这节课，我们从认识水的物理性质和物理变化、水的组成发现历史、氢气的性质、认识水的化学变化和化学性质角度学习本节课。 设计意图 1.关联生活与旧知，降低认知门槛：以“水是生命的源泉”这一学生熟悉的生活常识开篇，快速唤起其对水的感性认知；同时提及“已研究混合物中的水（水的净化）”“物理课水的物态变化”，精准衔接学生已有知识，搭建新旧知识桥梁，让学生在熟悉的语境中自然进入新课，减少对“水的组成”这一抽象主题的陌生感。 2.  通过问题链驱动思维，激发探究兴趣：连续抛出“水的组成是什么”“水会发生化学变化吗”“水的化学变化有什么应用”三个递进式问题，从“物质组成”到“变化类型”再到“实际应用”，逐步引导学生从宏观认知走向微观探究、从理论学习走向实际价值思考。问题贴合学生认知水平，促使学生主动思考“水的化学本质”，为后续电解水实验、氢气性质等内容的学习埋下探究伏笔。 教学环节二 认识水的物理性质和物理变化 活动一：水在自然界的循环 【引入】同学们，请大家思考一个问题：说一说水在自然界的循环经历了怎样的状态变化过程？一起看图片来说一说，在温度及压强改变时，水的状态会发生三态变化。 【学生回答】液态水汽化成气态水蒸气，水蒸气凝华成固态冰，固态冰熔化成液态水，液态水会凝固成固态冰升华成气态水蒸气，气态水蒸气液化液态水。 【讲解】同学们，说的没错，正是因为水的三态变化，才促成了自然界中水的循环，能调节地表温度，为地球生物分配淡水资源的功能。若无三态变化，会出现降水减少、‌生态系统崩溃‌、‌气候极端化‌、‌淡水资源短缺，所以，我们要保护好水资源。 设计意图 通过直观呈现水循环环节，传递信息，帮助理解原理，科普科学知识。 活动二：水的物理性质和物理变化 【提问】同学们知道水有哪些特殊的物理性质吗？ 【学生回答】物理学过，水的比热容最大。 【讲解】说的没错，水具有某些特殊的物理性质：和绝大多数物质凝固时体积缩小、密度增大的情况不同，水结冰时体积变大，密度减小，这些现象都与构成水的微观粒子有关，水分子间氢键的作用以及由此导致的晶体结构疏松和分子排列变化。 【提问】由此，可知水的三态密度大小关系？ 【学生回答】气态水（水蒸气）< 固态水< 液态水‌ 【讲解】说的非常好，我们在物理中学过水的比热容是指单位质量的水温度升高或降低1℃所吸收或放出的热量。水的比热容为4.2×10³J/(kg·℃)，是常见物质中最大的。请同学一起看个比热容的实验视频，正是因为水分子间的氢键作用以及其独特的分子结构，造就水的比热容是最大的，有兴趣的同学可以查阅相关资料进一步了解更多。 【提问】同学们，我们每天都会接触到水，哪位同学能说一说水的物理性质有哪些？完成表格 颜色 气味 状态 密度 凝固点 沸点 4℃时密度最大为 . 【学生回答】无色无味，液体状态，4℃时密度最大为1g/mL，凝固点为0℃，沸点为1000℃。 【讲解】非常好。要知道，水是所有固体液体中比热容最大。在0℃-4℃范围内，冷胀热缩，但在4℃以上遵循热胀冷缩。 设计意图 通过联系物理知识、提问和展示表格，巩固旧知识建立学习体系，研读资料拓宽视野，观察和总结能力。 教学环节三 水的组成发现历史 活动三：水的组成发现历史 【讲解】我们已经比较全面地认识了水的物理变化和物理性质，水的化学变化及其反映出的化学性质，我们将在科学家的引领下进行探究水的发现。请同学们一起阅读书本史实在线的3个资料。 【提问】科学家们为了水的组成发现，做出了哪些贡献？ 【学生回答】普里斯特利、家卡文迪许、拉瓦锡做了实验 【讲解】是的呢，我们一起来了解，从古希腊开始，从 18 世纪到 19 世纪初，人们一直认为水是由一种元素——水元素组成。后来普利斯特里首次发现并研究了“可燃空气”，卡文迪什则是通过实验确认了水和氢气的生成，但未能完全理解其组成。最后拉瓦锡通过实验验证了水的组成，并命名了氢气。我们如今采用的电解法正是卡里斯尔和尼科尔森，使用电解法进一步证明了水的组成。 【阅读资料】资料 1：18 世纪末，英国科学家普里斯特利（1733—1804）把“易燃空气”（后证实是氢气）和空气混合后，用电火花点火时产生明显的爆鸣声，容器壁上出现了“露珠”。另一位英国科学家卡文迪许（1731—1810）用纯氧代替空气进行实验，发现大约2份体积的“易燃空气”与1份体积的氧气恰好完全化合，并确认所得“露珠”是水。 资料2：法国科学家拉瓦锡进行了一个以水为反应物的实验：他让水蒸气通过一根烧红的铁管，发现有“易燃气体”产生。 由此，他认为水是“易燃空气”和氧的化合物，并把“易燃空气”命名为Hydrogène（法语），意思是“来自于水”，这种气体就是氢气。 资料 3：1800 年，英国科学家尼科尔森（1753—1815）和卡里斯尔（1768—1840）用伏打电池电解水获得成功，进一步证明了拉瓦锡的结论。（注：1799年，意大利物理学家伏打发明了世界上第一个电池——伏打电池，即原电池。科学界将他的姓简化成Volt（伏特），作为电压单位的命名。） 【提问】阅读资料，思考以下问题，通过以上实验可推测出水能发生哪些化学变化？ 【学生回答】资料1：是氢气与氧气化合生成水，资料2：是水在高温下与铁反应，生成氢气和四氧化三铁。资料3：水通电。 【讲解】非常好，同学们分析得很到位，我们可以这样书写：H2 和O2在点燃的条件生成水 ，H2 + O2 H2O ，Fe和水在高温的条件下生成Fe3O4 和 H2，Fe+水 Fe3O4 + H2，那水通电条件下生成什么呢？ 【提问】资料3中用伏打电池电解水，可能产生什么物质？你推测的依据是什么？ 【学生回答】资料3拉瓦锡的结论：水是由氢元素和氧元素组成的化合物，所以根据在化学反应前后元素种类不变，推测物质是氧气和氢气。 【提问】那如果认为产物是氧气和氢气，我们要如何验证？利用我们之前学习氧气的知识去思考。 【学生回答】氧气可以使带火星的木条复燃，我们可以用带火星的木条检测氧气。 设计意图 通过化学史，让“水的组成”知识更有逻辑性，复刻科学思维，培养化学探究能力，传递科学精神，降低学习门槛，拓宽学生的知识面。 教学环节四 氢气的性质 活动四：氢气的性质 【讲解】看样子对氧气的性质已经学习到位了，对于氢气，多数同学只听过，但是对氢气了解不多，通过以上史实资料，我们又认识了一种新物质——氢气。阅读书本，请位同学上来讲述氢气的性质。 【学生回答】在标准状况下，氢气无色、无味，难溶于水，密度比空气小。氢气具有可燃性，能在空气或氧气中燃烧生成水，可书写为：氢气 + 氧气 水，H2 + O2 H2O  【演示实验】请同学们一起观看氢气验纯这个视频，对于混有一定量空气或氧气的氢气遇到明火会爆炸。因此，做氢气性质实验前一定要检验其纯度。 设计意图 通过阅读资料和提问，让学生深入理解氢气的性质，培养学生的分析能力。 活动五：氢气的验纯 【提问】那同学们知道如何判断氢气纯度？请同学观看视频。 【学生回答】用试管收集满氢气，用拇指堵住试管口，接近火焰， 移开拇指。若听到尖锐的爆鸣声，则证明氢气不纯，若声音很小，则证明氢气较纯。 【演示实验】说的非常好，待确定氢气较纯后，继续观看实验：在导气管尖嘴处直接点燃氢气，观察火焰的颜色，然后在火焰上方罩一个干冷的小烧杯。 设计意图 通过问题和视频激发学生的学习兴趣，引导学生主动思考，为后续学习做铺垫。 活动六：氢气燃烧的产物 【提问】哪些实验现象可以证明氢气燃烧生成水？ 【学生回答】通过视频，可以知道点燃氢气会产生淡蓝色的火焰，罩一个干冷的小烧杯，干燥的烧杯内壁上有水珠出现，由此可以证明氢气燃烧生成水。 【讲解】根据在化学反应前后元素种类不变，可以知道氢气在氧气中燃烧生成水，氢气是由氢元素组成，氧气是由氧元素组成的，因此可以推出水是由氢、氧元素组成的。 【提问】那氢气燃烧只能生成水吗？在空气中燃烧是否可能生成二氧化碳 ？请小组讨论设计实验验证猜想。 【设计实验】猜想：氢气在空气中燃烧不生成二氧化碳；验证：在导气管尖嘴处直接点燃氢气，后在火焰上方罩一个内壁蘸有澄清石灰水的小烧杯。二氧化碳能使澄清石灰水变浑浊，请同学们认真观察现象。 【提问】蘸有澄清石灰水的小烧杯有什么变化？可以证明有无二氧化碳生成？ 【学生回答】石灰水保持清澈，说明没有二氧化碳生成。 【总结】观察的很细致，通过实验，我们可以知道氢气在空气中燃烧不能生成二氧化碳。 设计意图 通过演示实验和实验设计，让学生直观地认识氢气的相关内容，加深对氢气性质、验纯等知识的理解。 教学环节五 认识水的化学性质和化学变化 活动七：水通直流电实验 【讲解】氢气的发现为研究水的变化提供了思路。水的化学性质比较稳定，在 2 000 ℃以上才有少量可以分解。下面我们一起用电解的方法探究水的化学变化。实验的目的是探究水在通直流电条件下发生的化学变化。依据“史实在线”中的资料，分析水通直流电后可能生成的物质及其可能具有什么性质，该如何检验？ 【学生回答】结合前面学习的内容，氢气点燃，有淡蓝色的火焰出现；氧气则用带火星的木条伸入气体中，木条复燃。 【演示实验】请同学们一起观看实验装置霍夫曼水电解器和微型电解器。我们今天以霍夫曼水电解器为例演示视频，在这个装置的玻璃管中加满了水，并且为了增强水的导电性，还加入了少量的硫酸钠溶液。现在，接通直流电源，请同学们仔细观察两个电极附近和玻璃管内会发生什么变化，小组合作讨论，分析与解释，完成书本表格。 操作步骤 实验现象 分析与解释 1. 给注满水的装置接通直流电源，观察现象。 2. 分别打开两极玻璃管上的活塞，用燃着的木条检验两极产生的气体。 正极端玻璃管： 负极端玻璃管： 3. 分别打开两极玻璃管上的活塞，用带火星的木条检验两极产生的气体。 正极端玻璃管： 负极端玻璃管： 4. 通电一段时间后，观察两极玻璃管中的液面。 【学生回答】看到电极上有气泡产生，并且两个玻璃管内的气泡产生的速率不同，正极慢，负极快。 【讲解】有气泡的产生，证明了有气体生成。 【演示实验】用燃着的木条分别在两个玻璃管尖嘴口检验反应中产生的气体，观察现象。 【学生回答】观察到正极木条燃得更旺，负极气体能够燃烧，火焰呈淡蓝色。 【提问】非常好，同学们观察得很仔细。那么，根据我们观察到的现象，谁能推测一下正负极产生的气体分别是什么呢？ 【学生回答】思考并回答，正极产生的可能是氧气，因为氧气能使带木条燃得更旺，有助燃性；负极产生的可能是氢气，因为氢气具有可燃性，燃烧时火焰呈淡蓝色。 【演示实验】用带火星的木条分别在两个玻璃管尖嘴口检验反应中产生的气体，观察现象。 【学生回答】观察到正极木条复燃，负极木条不复燃。 【提问】说的对，同学们观察得很认真。那么，根据我们观察到的现象，谁能推测一下正负极产生的气体分别是什么呢？ 【学生回答】思考并回答，正极产生的可能是氧气，因为氧气能使带火星的木条复燃；负极产生的可能是氢气，因为气体点燃，仍发出淡蓝色火焰，确认该气体为氢气。 【讲解】完全正确，同学们的推理能力很强。通过这个实验，我们可以得出水在通电的条件下会分解生成氢气和氧气 【演示实验】通电一段时间后，观察两极玻璃管中的液面变化。 【学生回答】两极玻璃管中的液面开始下降，负极下降速度快一倍。 【讲解】是的，并且正极与负极生成气体的体积比为 1:2。因此，我们可以知道水在通电条件下可分解成氢气和氧气，且体积比为2:1，书写文字表达式为：水氢气 + 氧气，水的化学式为H2O。 【提问】基于实验得出的结论，同学们还能推测出其他结论吗？（例如，水的组成与结构、水的其他应用等） 【学生回答】水是由氢元素和氧元素组成的。化学式为H2O。 【提问】哪还有吗？ 【学生回答】氢气可以做清洁能源，生成物没污染。 【讲解】说的非常好，其实从水的组成可知水由氢、氧元素组成，化学式为H2O；从‌水的结构‌，水分子由2个氢原子和1个氧原子构成；氢气燃烧生成水，对环境没污染，在‌应用拓展方面，氢气可用于燃料电池等清洁能源领域；对我们未来科学的发展而言，促进对电解性质及能源转换的深入研究。 【提问】以小组为单位，讨论以下问题，请同学代表上来回来。问题一：两极玻璃管的液面都下降，证明氢气和氧气的什么性质？问题二：水在通电条件下可以发生化学变化，其变化类型是化合反应还是分解反应？问题三：有的同学提出质疑：水通电是否只生成了氢气和氧气两种物质？是否可能有其他物质生成且溶解在水中？如何验证这个猜想？ 【学生回答1】问题一：氢气和氧气难溶于水。 【学生回答2】问题二：分解反应是指由一种物质生成两种或两种以上其他物质的化学反应，水在通电条件下生成氢气和氧气，其变化类型是分解反应。 【学生回答3】pH试纸可以吗？ 【讲解】使用pH试纸检测水的酸碱性；或进行其他化学滴定实验来检测是否存在其他溶解物质。如果电解后的水与纯水的化学性质相同，则可以认为没有其他物质生成。 设计意图 通过演示实验视频、讲解、提问、小组讨论，完成表格，让学生清晰地了解水的电解过程、实验现象的分析及讨论，引导学生主动思考，有助于培养学生的观察和总结能力。 活动八：水的分解微观过程 【讲解】 科学家通过对水化学变化的探究，发现水可以分解成组成更简单的物质——氢气和氧气，水由氢、氧两种元素组成，打破了以往人们对水的组成的认知。现在让我们一起观看水的分解微观过程，我们可以知道水分子在通电的条件下分裂成氢原子和氧原子，氢原子重新组合成氢分子，氧原子重新组合成氧分子。 设计意图 通过观看水的分解微观过程，将抽象微观过程转化可视化动态画面，帮助学生建立“宏观现象对应微观本质”的认识，强化核心概念，培养微观意识。 活动九：探究物质组成的一般思路 【提问】我们如何通过水的电解及氢气的燃烧实验推导出水由H、O元素组成？ 【学生回答】探究水的组成时，可通过电解水实验，得到氢气和氧气两种产物；检验电解水得到的气体，能燃烧产生水的是氢气（含H元素），能使带火星木条复燃的是氧气（含O元素）；电解水的反应物只有水，产物含H、O元素，因此推导出水由H、O元素组成。 【讲解】说的非常好，探究物质组成的一般思路是先通过实验分解或转化物质，得到可检验的产物，再根据产物的种类和元素组成，反向推导原物质的组成，核心是基于“化学反应前后元素种类不变”的原则。通过检验产物，确定元素；利用物质的特性检验产物的种类，进而确定产物中含有的元素。进一步推导原物质组成，根据“化学反应前后元素种类不变”，判断原物质中一定含有产物中的所有元素，再结合其他信息排除无关元素，最终确定原物质的组成，因此，借助化学反应探究某物质的组成的方法有2种，分别为合成法：可以利用已知组成的物质发生化合反应来确定生成物的组成；分解法：可以让某物质发生分解反应，生成已知组成的物质来逆向推断反应物的组成。 【讲解】 基于水的化学变化，我们又发现了水的更多应用。例如，可通过电解水制取氢气和氧气；制作氢氧燃料电池（将在高中化学继续学习）等。本节课的学习内容到此为止，我们一起来总结本节课的学习内容。 设计意图 通过“实验现象--产物分析--组成推断”的思维链，培养学生证据推理与模型认知的能力，强化“物质组成可通过化学实验探究”的科学观念。 3.2 探究水的化学变化 一、水循环 1.三态变化 2.作用 3.水的物理性质 2、 水的组成发现历史 依据：在化学反应前后元素种类不变 3、 氢气的性质 1. 物理性质：无色、无味、气态，密度比空气小，难溶于水 2. 化学性质：可燃性 3. 验纯 4、 电解水 1. 实验现象：V正：V负= 1:2 2. 气体检验：带火星的木条 正氧负氢 3. 结论： 4. 1.电解水的简易实验装置如图所示。下列说法不正确的是（　　） A．甲管中的电极连接的是电源正极 B．乙管中的气体能使带火星的木条复燃 C．该实验生成的氢气与氧气的体积比为2：1 D．该实验可证明水是由氢、氧两种元素组成的 2.下列关于氢气在空气中燃烧的说法，错误的是（　　） A．发出淡蓝色火焰 B．放出大量的热 C．产生浓烈的刺激性气味 D．燃烧前一定要检验其纯度 3.下列有关水的组成和构成说法正确的是（　　） A．水是由水分子构成的 B．水是由氢气和氧气组成的 C．水是由氢原子和氧原子构成的 D．水是由两个氢元素和一个氧元素组成的 4.下列事实中，与氢气密度比空气小的性质无关的是（　　） A．用氢气吹肥皂泡时，肥皂泡迅速上升 B．充满氢气的集气瓶应将瓶口朝下放在桌上 C．可用排水法收集氢气 D．可用向下排空气法收集氢气 5.如图是自然界中水的天然循环简图，请据此回答下列问题： （1）水通过 变化，实现了自身的天然循环。 （2）驱动水循环的能量来自于 。（填“地球”、“太阳”或“海洋”） （3）水通过天然循环，既实现了 ，又完成了 。 在本次教学中，通过实验探究和问题引导，在知识学习上，学生易混淆氢气化学性质与电解水反应原理，需用“反应前后元素不变”主线串联，结合微观动帮学生理解。知识应用中，学生解决实际问题时，难以关联实验现象与物质性质，应增加生活化案例，如氢能源应用场景分析。教学环节上，发展史部分易流于形式，可设计角色扮演活动，让学生模拟科学家探究过程。整体需更注重实验探究与理论推导结合，通过小组合作提升学生动手与思维能力，同时关注学生对抽象概念的理解难点，及时调整教学节奏和方法，以更好地达成教学目标。 / 学科网（北京）股份有限公司 $