Có đến 80% HS đặt mục tiêu của học tập là thi ĐH – CĐ nên tình trạng học lệch cao, Có 45% HS cho rằng học mà không vận dụng thì coi như không học, tuy nhiên vận dụng của các em đa phần tập trung vào luyện thi ĐH và tranh thủ đi học thêm để bổ xung kiến thức rèn kỹ năng giải nhanh. Có khoảng 61% HS cho biết kiến thức học trên lớp là xa rời thực tế, chỉ dùng để kiểm tra và làm bài thi. Có khoảng 85% HS cảm thấy rất thích thú khi được học theo chủ đề.
23
KẾT LUẬN CHƯƠNG 1
Có thể nói không có một phương pháp dạy học nào là vạn năng, không có một phương pháp nào là tối ưu. Để đạt được hiệu quả dạy học giáo viên phải biết sử dụng phối hợp nhiều phương pháp dạy học. Giáo viên cần căn cứ vào điều kiện cụ thể, đặc điểm học sinh, nội dung kiến thức để lựa chọn phương pháp dạy học thích hợp sao cho có thể phát triển được hoạt động nhận thức tích cực, tự lực, sáng tạo của học sinh.
Trên cơ sở nghiên cứu lí luận và thực tiễn của việc vận dụng quan điểm tích hợp vào trong dạy học. Chúng tôi nhận thấy rằng việc lựa chọn nội dung kiến thức có liên quan đến nhiều môn học để tổ chức thành các chủ đề tích hợp thực sự mang lại nhiều lợi ích thiết thực: tránh được sự trùng lặp trong việc giảng dạy các kiến thức, tiết kiệm thời gian, hơn nữa lại dễ dàng hơn để gắn kết lí thuyết với thực tiễn.
Tất cả cơ sở lí luận và thực tiễn trên sẽ giúp tôi vận dụng để xây dựng tài liệu và tổ chức dạy học tích hợp theo chủ đề “Dòng điện trong chất điện phân”- Vật lí 11”, với hy vọng nhằm phát triển năng lực giải quyết vấn đề cho HS.
24 CHƯƠNG 2
THIẾT KẾ TIẾN TRÌNH DẠY HỌC TÍCH HỢP CHỦ ĐỀ “DÒNG ĐIỆN TRONG CHẤT ĐIỆN PHÂN” – VẬT LÝ 11 2.1. Phân tích nội dung chủ đề “Dòng điện trong chất điện phân”
2.1.1. Nội dung kiến thức chủ đề “Dòng điện trong chất điện phân ” trong chương trình Vật lí 11 – THPT chương trình Vật lí 11 – THPT
Trong bài “Dòng điện trong chất điện phân” của chương trình Vật lí 11, học sinh được nghiên cứu các kiến thức liên quan đến thuyết điện li, bản chất dòng điện trong chất điện phân, các hiện tượng diễn ra ở điện cực, các định luật Fa-ra-đây, các ứng dụng của hiện tượng điện phân trong thực tiễn cuộc sống.
Nội dung các kiến thức của chủ đề “ Dòng điện trong chất điện phân” cụ thể như sau:
+ Thuyết điện li:
- Trong dung dịch, các axit, bazơ và muối bị phân li thành ion: Anion mang điện âm là gốc axit hoặc nhóm (OH-), còn cation mang điện dương là ion kim loại, ion H+ hoặc một số nhóm nguyên tử khác.
+Bản chất dòng điện trong chất điện phân:
- Dòng chuyển dời có hướng của các ion trong điện trường.
- Độ dẫn điện của các chất điện li khác nhau là khác nhau: Khi nhiệt độ tăng thì độ dẫn điện tăng; độ dẫn điện còn phụ thuộc vào nồng độ chất điện li.
- Ăn mòn kim loại là một quá trình xẩy ra phản ứng oxi hóa khử trên mặt giới hạn tiếp xúc giữa kim loại và môi trường chất điện li nó gắn liền chuyển kim loại thành ion kim loại đồng thời kèm theo sự khử một thành phần của môi trường sinh ra một dòng điện. Trong quá trình xẩy ra hiện tượng ăn mòn điện hóa luôn xuất hiện phản ứng anot và phản ứng catot gắn liền với sự trao đổi electron của phản ứng oxi hóa. Dòng electron này được truyền từ anot sang catot và sinh ra dòng điện.
25
- Cầu muối có tác dụng làm kín mạch điện: Hai cốc thủy tinh, một cốc chứa 50 ml dung dịch CuSO4 1M, cốc kia chứa 50 ml dung dịch ZnSO4 1M. Nhúng một lá Cu (Đồng) vào dung dịch CuSO4, một lá Zn (Kẽm)vào dung dịch ZnSO4. Nối hai dung dịch bằng một hình chữ U đựng dung dịch Na2SO4 (hoặc KNO3). Ống này được gọi là cầu muối. Thiết bị nói trên được gọi là pin điện hóa vì khi nối hai lá kim loại bằng một dây dẫn sẽ đo được một dòng điện đi từ lá Cu (điện cực +) đến lá Zn (điện cực –)
Di chuyển ion SO2-4 từ cực dương sang cực âm, Cầu muối di chuyển ion để mạch kín; cầu muối là thủy tinh xôp 2 mặt; Khi hết muối đồng Pin ngừng hoạt động; Cu là kim loại yếu hơn nên bị đẩy ra và bám vào điện cực, Zn nhường e nên tan vào trong dung dịch. Zn2+ sang dung dịch .. để trung hòa điện tích
Mạ Zn lên Fe do Zn là kim loại mạnh hơn Fe (Zn là cực âm bị ăn mòn) bảo vệ Fe; Zn bền với môi trường nên bảo vệ kim loại tốt hơn các kim loại khác. Các định luật Fa-ra-đây:
- Định luật Fa-ra-đây thứ nhất. Khối lượng vật chất được giải phóng ra ở điện cực của bình điện phân tỉ lệ thuận với điện lượng chạy qua bình đó.
m = kq = kIt
26
- Định luật Fa-ra-đây thứ hai: Đương lượng điện hóa k của một nguyên tố tỉ lệ với đương lượng gam A/n của nguyên tố đó. Hệ số tỉ lệ 1/F, trong đó F gọi là số Fa - ra - đây.
+ Một số ứng dụng của Dòng điện trong chất điện phân:
- Luyện nhôm: Dùng dòng điện cực mạnh,với sự có mặt của Cryolith (Na3AlF6) và các muối Florua (để hạ nhiệt độ nóng chảy của Oxit nhôm Al2O3 từ 20540C xuống 9500C), thực hiện điện phân Al2O3 nóng chảy ở 9590C, tạo ra nhôm kim loại. Các bước quy trình điện phân như sau: 1. Bể điện phân thường là hình hộp chữ nhật. Đáy bể lót than chì, nối với cực âm (-). Khối than chì ở phía trên là cực dương (+), nhúng vào chất lỏng điện phân. Giữa 2 cực điện phân là bể chứa chất điện phân
Alumin nóng chảy trong Criolit. Dưới tác dụng của dòng điện một chiều, Al2O3 nóng chảy bị điện phân, tạo ra Al kim loại: 2Al2O3= 4Al + 3O2
Nhôm được tách ra và tập trung ở đáy bể, O2 bay ra phía cực dương (c) tạo ra hỗn hợp khí CO và CO2 bay ra ngoài. 2. Cực dương: Quá trình điện phân tiến hành ở 9500C , cực (+) bằng than chì bị ăn mòn nên phải định kì, cho thêm hồ than và ấn cực dương xuống.
Điều chế clo, xút:
+ Xút và khí clo được sản xuất từ nguyên liệu vô cùng rẻ là muối ăn.
Catot: Anot:
Hay: 2NaCl + 2H2O Cl2↑ + H2↑ + 2NaOH
27
+ Với điện phân có màng ngăn, hai sản phẩm thu được đồng thời với NaOH là Cl2 và H2. Với điện phân không có màng ngăn, sản phẩm tạo thành là nước Gia- ven có ý nghĩa trong đời sống sinh hoạt và công nghiệp giấy, vải,…
+Mạ điện: Dùng phương pháp điện phân để kết tủa trên lớp kim loại hoặc hợp kim mỏng, để chống sự ăn mòn, trang trí bề mặt, tăng tính dẫn điện, tăng kích thước, tăng độ cứng bề mặt.
- Trong mạ điện, yếu tố quan trọng nhất không phải là tiết kiệm năng lượng, tăng hiệu suất mà là chất lượng mạ. Vì vậy, phải tìm thành phần dung dịch, điều kiện điện phân, để đảm bảo lớp mạ có những tính chất sau:
- Bám chắc vào kim loại nền, không bong.
- Lớp mạ có kết tinh nhỏ mịn, độ xốp nhỏ, độ bóng, dẻo, cứng phải cao. - Lớp mạ có đủ độ dày nhất định.
Cấu tạo tinh thể giữ vai trò quyết định đến chất lượng lớp mạ. Tinh thể càng nhỏ mịn thì lớp mạ càng tốt.
+ Đúc điện (kết tủa điện phân kim loại): để chế tạo những sản phẩm có hình dạng phức tạp và thành mỏng (khuôn ép tinh vi, bản kẽm in, mạch điện tử…
- Trước tiên, ta làm khuôn của vật định đúc bằng sáp ong hay bằng một chất khác dễ nặn, rồi quét lên đó một lớp than chì (graphit) mỏng để cho bề mặt khuôn trở nên dẫn điện. Khuôn này được dùng làm cực âm, còn cực dương được làm bằng kim loại mà ta muốn đúc và dung dịch điện phân là muối của kim loại đó.
- Khi đặt một hiệu điện thế vào 2 điện cực đó, kim loại sẽ kết thành một lớp trên khuôn đúc, dày hay mỏng là tùy thuộc vào thời gian điện phân. Sau đó người ta tách lớp kim loại ra khỏi khuôn và được vật cần đúc. Muốn vậy, người ta chế tạo mẫu vật, chẳng hạn bằng nhôm rồi mạ lên nó lớp đồng có chiều dày cần thiết, sau đó hòa tan mẫu vật trong axit clohidric hay kiềm, nhôm tan đi để lại sản phẩm bằng đồng có hình dạng và chiều dày mong muốn.
28
2.1.2. Một số đặc điểm khi nghiên cứu tích hợp chủ đề “ Dòng điện trong chất điện phân” chất điện phân”
Trong thực tế cuộc sống có nhiều hiện tượng mà chúng ta không hiểu hoặc chủ quan. Ví dụ: Bình nóng lạnh rò điện ra nước; hiện tượng người dân ngăn cản thợ điện chặt phát cây dưới đường dây điện; dùng điện bẫy chuột, đánh cá..Những hiện tượng trên đều bị chi phối bởi dòng điện trong chất điện phân.
Cùng kiến thức về thuyết điện li: Đối với vật lý thí nghiệm chứng tỏ chất điện li dẫn điện thì mạch điện dùng Ampe kế, còn đối với hóa học 11 ban cơ bản bài 1 dùng bóng đèn thay cho Ampe kế dẫn tới độ tin cậy của hai thí nghiệm khác nhau. SGK vật lý 11 không yêu cầu giáo viên dạy về thuyết điện li, mà coi như kiến thức đó học sinh đã được học ở những bài đầu của SGK hóa học 11.
Pin và Acquy thì chương trình lý 11 đã giảm tải chuyển thành phần đọc thêm; Trong SGK hóa học ban cơ bản cũng không nói tới, SGK hóa 12 nâng cao trong bài 20 học sinh được học về pin điện hóa và cầu muối .
Có nhiều hiện tượng thực tế liên quan tới sự ăn mòn kim loại học sinh được học ở bài 20 SGK hóa 12 ban cơ bản, bài 23 SGK hóa 12 nâng cao.
2.1.3. Mối quan hệ giữa kiến thức chủ đề “ Dòng điện trong chất điện phân”–Vật lí 11 với các kiến thức thuộc các môn học khác phân”–Vật lí 11 với các kiến thức thuộc các môn học khác
Dòng điện trong chất điện phân có nhiều ảnh hưởng trong tự nhiên và cuộc sống. Đây cũng là cơ sở để nghiên cứu trong các lĩnh vực Hóa học , Sinh học Đối với môn Hóa học, khi nhiệt độ tăng thì độ dẫn điện của chất điện li tăng; độ dẫn điện còn phụ thuộc vào nồng độ chất điện li.
Khi nhúng một tấm kim loại vào nước, dưới tác dụng của lưỡng cực nước, từ bề mặt kim loại tiếp xúc với nước và các ion kim loại được chuyển vào mặt nước. Việc chuyển đó gây nên bới xu hướng của hệ muốn đạt đến trạng thái hỗn loạn nhất. Tấm kim loại vì thế có dư electron và tích điện âm. Các ion kim loại ở trong nước bị tấm kim loại tích điện âm đó hút trở lại và một cân bằng động được thiết lập nhanh chóng, nghĩa là tốc độ chuyển ion
29
dương từ tấm kim loại vào nước bằng tốc độ chuyển chuyển ion dương từ nước vào tấm kim loại
Kim loại( ở tấm kim loại) ion kim loại (hidrat hóa) + electron(ở tấm kim loại)
Do lực hút tĩnh điện, các ion kim loại trong dung dịch được sắp xếp ở lớp nước tiếp xúc với tấm kim loại và một lớp điện kép được tạo thành. Giữa kim loại và và dung dịch bao quanh kim loại sinh ra một hiệu điện thế cân bằng gọi là thế điện hóa kim loại. Thế điện hóa của các kim loại khác nhau là khác nhau.
Nếu nhúng kim loại vào dung dịch muối của kim loại đó, thì thế của nó bị biến đổi. Hệ gồm một tấm kim loại nhúng trong dung dịch muối của kim loại đó được gọi là điện cực và hiệu điện thế cân bằng sinh ra giữa mặt kim loại và lớp dung dịch bao quanh kim loại được gọi là thế điện cực.
Đối với môn Sinh học, sự truyền xung thần kinh được xem là yếu tố sinh thái có ảnh hưởng lớn nhất đối với sự vận động của động vật, và con người. Điện áp ngoài cưỡng bức tạo ra dòng điện đã truyền trong cơ thể người có thể khôi phục lại chức năng của một số dây thần kinh hình thành nên ngành y học châm cứu, đồng thời nếu cường độ lớn sự cưỡng bức này sẽ làm cho bơm Na, Ka không hoạt động dẫn đến thần kinh bị tê liệt, não không chỉ đạo được hoạt động. Nghiên cứu này đã được ứng dụng trong quy tắc về an toàn lao động trong ngành điện lực và viễn thông.
Từ mối quan hệ kiến thức của các môn học trong cùng chương trình trung học phổ thông, ta có thể tổ chức cho HS học tập theo chủ đề bằng phương pháp DHTH liên môn nhằm phát huy được khả năng vận dụng kiến thức để giải quyết các tình huống thực tế của HS.
2.2. Tổ chức dạy học tích hợp chủ đề “Dòng điện trong chất điện phân”-Vật lí 11
2.2.1.Xây dựng nội dung kiến thức tích hợp chủ đề “Dòng điện trong chất điện phân-Vật lí 11”
30
2.2.2. Mục tiêu dạy học 2.2.2.1.Kiến thức 2.2.2.1.Kiến thức
+ Môn Vật lí
- Nêu được bản chất dòng điện trong chất điện phân. Từ đó liên hệ được với các kiến thức liên hệ với thực tế.
- Phát biểu được định luật Fa-ra-đây, vận dụng giải thích được một số ứng dụng của định luật.
Dòng điện trong chất điện phân
Thuyết điện li Bản chất dòng điện trong chất điện phân Định luật Fa- ra-đây Pin và ắc quy Sự điện phân Sự ăn mòn kim loại Ứng dụng vào sản xuất Sức khỏe con người
Môi trường Sinh vật
Sản xuất: Nhôm, đồng, xút, mạ điện.. An toàn trong lao động Dư lượng thuốc sâu, phân bón Bảo vệ môi trường Truyền sung thần kinh Tác dụng sinh lý của dòng điện Phản ứng oxi hóa khử
31
-Viết được công thức định luật Fa-ra-đây và vận dụng giải một số bài toán liên quan tới mạ điện.
+ Môn Sinh học
- Nêu được tác dụng sinh lý của dòng điện sự ảnh hưởng điện đối với sự truyền xung thần kinh.
+Môn Hóa học
- Nêu được thuyết điện ly, phản ứng oxi hóa khử
- Nêu được bản chất của phản ứng oxi hóa khử, vận dụng giải thích hiện tượng cực dương tan.
Địa chỉ nội dung tích hợp Môn Lớp Vật lý Hóa học Sinh học 10 Bài 17 Phản ứng oxi hóa khử 11 Bài 7 Dòng điện
không đổi Nguồn điện Bài 14 Dòng điện trong chất điện phân. Bài 1 Sự điện li Bài 3 Sự điện li của nước. Ph. Chất chỉ thị axit – bazơ. Bài 28. Điện thế nghỉ. Bài 29. Điện thế hoạt động và sự lan truyền xung thần kinh.
2.2.2.2. Kĩ năng
-Vận dụng được các công thức của định luật Fa –ra-đây về hiện tượng điện phân để giải các bài tập đơn giản
-Giải thích được bản chất dòng điện trong chất điện phân.
-Lập được phương trình của phản ứng oxi hóa khử, phân biệt được phản ứng oxi hóa khử.
- Rèn kỹ năng quan sát, thực hành, so sánh, khả năng lập luận logic.
32
-Tư duy phân tích, tổng hợp (lựa chọn, tổng hợp các dữ liệu để giải quyết nhiệm vụ, vấn đề), đánh giá (tranh luận giữa các thành viên trong nhóm).
-Tư duy logic: liên kết các kiến thức của các môn học khác nhau để giải quyết vấn đề.
-Tư duy biện chứng: chấp nhận, phân tích các phương án giải quyết của các nhóm khác ...
2.2.2.4. Phát triển thái độ tình cảm
-Yêu thích môn Vật lí.
- Hợp tác, tích cực trong hoạt động nhóm.
- Có ý thức vận dụng kiến thức của các môn học để giải quyết các vấn đề trong thực tiễn.
2.2.3. Bộ câu hỏi định hướng dạy học chủ đề “Dòng điện trong chất điện phân”
Câu hỏi khái quát
Theo em nguyên nhân dẫn điện của các dung dịch axit, bazơ và muối trong nước là gì? Hãy kể một số hiện tượng thực tế liên quan tới sự dẫn điện của