水的组成

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【目的要求】

1.了解水的物理性质。

2.通过电解水的实验，了解水是由氢、氧两种元素组成的，它的化学式是H2O。

【重点】

根据电解水的实验确定组成水的成分元素，引出氢气。

【教材分析和教法建议】

这一节教材大体上分为水的物理性质和水的组成两部分。

关于水物理性质的描述完全可以依照氧气物理性质的叙述顺序，以逐步使学生学会如何比较全面地观察、概括物质的物理性质。

值得注意的是，用热胀冷缩的普遍规律，解释不了4 °Ｃ时水的密度最大的现象，但在教学中我们还是希望有的学生能够提出这个问题来。因为热胀冷缩和水的三态变化本来是他们在小学自然课上已经学过的内容，水结冰时体积膨胀也是应有的常识，现在又讨论水的物理性质，只有肯于把有关知识联系起来(或者说把已有的知识在需要的时候及时地检索出来加以运用)深入思考才能注意到这个问题的存在。

这个问题要涉及到氢键和水分子的缔合，一时难给初中水平的学生以合适的解答。但如果有学生提出后却应该给予鼓励，说他这个问题提得好!有钻研精神。可以向全班同学说明，这个问题在今后学到分子结构、分子间力等知识时才好解释。还可引导学生了解，正是由于冰的密度比水小，它才浮于水面。设想冰的密度若大于水，那么冬季结冰时冰都沉在江河湖泊乃至池塘的底部，并且由底层向上逐步冻结，那将会给水生生物和周围环境造成什么后果?冰的密度小于水恰恰就是自然界生态平衡的一个客观条件。

依照认识氧气性质的顺序，本应该继续讨论水的化学性质。但物质的化学性质总是要通过化学变化才能表现出来。水能跟哪些物质起反应，虽然可以通过实验来观察，只是学生刚刚开始接触化学课，对反应物和反应生成物都是陌生的，只看到一些现象尚难推论其本质，这对他们了解水的化学性质并没有多少补益，不如在以后研讨其他物质时，再去逐渐认识水的化学性质为好。本节课的教学重点应放在水的组成上。

通过电解水的实验，不仅能从宏观上了解到水的定性和定量组成，而且还能为推断出水的分子构成和化学式，以及讲授氢、氧化合价提供有说服力的感性材料。

电解水的实验事实，确切地告诉学生，水是由氢和氧两种元素所组成的。教学还可以做以下的引申：

电解水生成的氢气和氧气的体积比是2∶1，从课本上可以查到氢气和氧气的密度(在标准状况下分别是0.089 9 g/L和1.429 g/L)，根据二者密度和二者体积比就可计算出组成水的氢和氧的质量比为1∶8。再让学生从相对原子质量表中查到氢和氧的相对原子质量(分别取1和16的整数)，从而推断出水中氢原子和氧原子的个数比应为2∶1。

以上的简单数学推导过程，可以启示学生，一切物质的化学式都是根据定量的实验结果测定出来的，而不是凭空臆造的。在课本中并没有介绍以上的简单的算术推导过程，只说明“根据精确的实验测定，每个水分子是由2个氢原子和1个氧原子构成的，因而水的化学式是H2O”这样一句话。

本节教学究竟是启发或带领学生做以上的算术推导，还是只按课文讲述一句，这要由教师和学生的具体水平而定，当然也应由本节课与前一节课是共占用一课时，还是共占用两课时而定。

本节课教学还有一个问题，要由教师根据情况来决定：本节课是在学生已经学习了原子、分子、元素、单质、化合物、化学式、相对原子质量和相对分子质量等知识的基础上，结合实验进行的。教学中是否随时注意运用和复习这些基本概念，还是留在全章总复习时再去总结，这要在全章备课时就计划好、考虑周到。与本节课教学可以直接联系起来的有：

1.单质和化合物的区分：单质是同种元素组成的，如氧气和氢气。化合物是由不同种元素组成的，如水。

2.原子、分子、单质、化合物之间的关系：

(1) 从微观的角度分析，由分子构成的化合物，其分子是由不同种原子构成的。从宏观的角度分析，水这种化合物是由氢元素和氧元素组成的，而不是由氢气和氧气组成的。氢气和氧气分别是氢元素和氧元素组成的单质。

(2) 电解水是水在电流作用下，发生了化学变化(分解反应)使水分解成氢气和氧气。变化时水分子分解成氢原子和氧原子，两种原子分别两两结合成单质分子(氢气分子、氧气分子)。很多氢分子、氧分子分别聚集成氢气、氧气。

3.水的化学式、相对分子质量和计算水中氢、氧元素的质量比和各元素的质量分数。

【演示实验建议】

讨论水的组成是从电解水的实验开始的，实验现象为探讨水的组成提供了感性知识，因此，做好电解水的实验是本节课的一个关键。如若实验结果出现误差过大(主要是氢气、氧气的体积比远不是2∶1)，就很难有说服力(万一有失误必须重做，才是科学态度)。

教材中图3-3是电解水的简易装置，用这套装置进行实验，演示实验开始前，首先要介绍实验装置各部件和电解液的作用，通电前交待清所用电压和正、负极。通电后引导学生观察电极上所发生的现象，注意两种气体的体积比。切断电源后，分别定性地检验两管中的气体，在证明是氢气、氧气的同时，说明氢气体积约是氧气体积的二倍，氢气产生于负极而氧气产生于正极。

为了加强直观性，电解水所用的集气试管以改用带塞的两根等内径的粗玻璃管为好，因后者在两管中集气的高度比，正好对应两者的体积比，而圆底试管就很难做到这一点。有关这个问题即使是学生没想到，教师也应该加以提示。

当然学校中原有霍夫曼水电解器的，还是以充分利用它为好。因为它有较准确的容积刻度和质量较好的电极。

【习题分析和答案】

第1题  (1) 不正确。氢气和氧气都是单质。水是由氢、氧两种元素所组成的。

(2) 正确。这是从微观角度来描述水分子组成的正确说法。

(3) 不正确。海水由于溶有盐和其他物质，是混合物，它的颜色和透明度随地而异。(在我国，大多数学生未见过大海，但他们通过学习、生活都积累了这方面的知识，也都具备产生想象表象的条件。)

第2题(1) 选择题的答案应该正确地满足于命题的要求范围，本题的答案有A、C两个。但当教师未指明之前，学生往往囿于习惯势力(即一般选择题只出一个正确答案)，在自己对基础知识、基本概念掌握程度缺乏自信时，不敢做出一定选择两个答案的判断，这是对学生掌握知识程度和思考问题能力的一种考验。

(2) D

【资料】

1.深水的“颜色”

水分子对于可见光中各种波长不同的光线(指红、橙、黄、绿、青、蓝、紫)所发生的散射作用(指光束在媒质中前进时，部分光线偏离原方向而分散传播的现象)强弱不同，对于波长短的(如绿、青、蓝等)色光，其散射作用远比波长长的光(如红、橙色)的散射作用强。再加上散射作用的强弱与光程的长短也有关。在水层较浅时，可见光中各种波长的光几乎都能透过，散射作用也不显著，因此，水是无色透明的。当水较深时，由于散射作用显著，水就显出浅蓝绿色。另外水中溶有空气越多越偏绿色。水更深时会出现深蓝色甚至显黑色。

2.水在4 ℃时密度最大，冰的密度反而比水小。

由于水分子有很强的极性，能通过氢键结合成缔合分子，如以下的结构式(虚线表示氢键)。

C—H…O—H…O—H
         
H     H     H

液态水，除含有简单的水分子(H2O)外，同时还含有缔合分子(H2O)2和(H2O)3等，当温度在0 ℃水未结冰时，大多数水分子是以(H2O)3的缔合分子存在，当温度升高到3.98 ℃(101 kPa)时水分子多以(H2O)2缔合分子形式存在，分子占据空间相对减小，此时水的密度最大。如果温度再继续升高在3.98 ℃以上，一般物质热胀冷缩的规律即占主导地位了。水温降到0 ℃时，水结成冰，水结冰时几乎全部分子缔合在一起成为一个巨大的缔合分子，在冰中水分子的排布是每一个氧原子有四个氢原子为近邻(两个共价键，两个氢键)，如图3-2。这样一种排布导致成一种敞开结构，也就是说冰的结构中有较大的空隙，所以冰的密度反比同温度的水小。

图3-2 水分子间以氢键连接

另外，拆散缔合分子需要消耗一定的能量，这也足以说明为什么水有较大的比热容的缘故。

3.电解水的演示实验

除教材上图3-3的装置外，还可以自己设计简便易行的装置供演示或学生实验使用。

图3-3  自制电解水装置

用一个大瓶子，截去瓶底，留瓶口一段约高8 cm～10 cm。瓶口配一胶塞，由里向外塞紧。用镀铬曲别针伸直一段由塞子上扎出，在瓶塞露头处联接导线，做成电解槽如图3-3Ⅰ。

也可用普通玻璃杯(或烧杯)作电解槽。把硬导线跟镀铬曲别针用焊锡焊牢，导线用塑料管套起来，管口可以用蜡或沥青封住。把做好的电极固定在一块木板上，如图3-3Ⅱ，电极的硬导线可以架在玻璃杯(电解槽)的壁上，测气管倒放在木板上。

用这样的简易装置做电解水的实验，其结果常是氢气和氧气的体积比不是2∶1，一般总是氧气的体积偏小，这主要的原因可能是初生的氧气还没成氧气从电极上成气泡逸出之前就氧化了电极所致。为了避免电极被氧化，以选用铂或金做电极为理想。但在实验室中做这样以定性为主的半定量实验选择比较不易被氧化的材料做电极也就可以了。镀铬的材料可以用，其他如不锈钢、废电炉丝等也可以用。

由于在酸性介质中阳极更容易被氧化的缘故，建议用质量分数为10%～15%的氢氧化钠溶液做电解液。它的缺点是容易在测气管的液面上产生泡沫，因此要求所用电解装置要充分洁净，氢氧化钠要比较纯净，测气管的直径不要太细。