電解飽和食鹽水微型化學實驗案例的設計

林捷

摘要：利用注射器針筒及鉛筆芯和充電寶設計微型實驗，實驗儀器常見，節約實驗成本，操作簡單方便，反應迅速，現象明顯，利于課堂分組，也方便學生家庭實驗，使學生實驗的動手率達到百分百成為可能。

關鍵詞：電解飽和食鹽水；漂白液；化學工業；實驗改進

一、設計思路

1.問題提出

氯堿工業是課標要求的五大基本化學工業之一。在實際教學中發現學生對化工技術知識存在學習障礙，容易產生“懂化學原理，不懂化工技術”的現象。為追求化學原理的真實性，化工題成為近年高考新寵，如交換膜技術。但此類題得分率均不高，這就要求我們在教學中要幫助學生建立相應化工模型。筆者認為可嘗試先從解決生活實際問題出發，再回歸教材實驗分析，再分析化工生產與實驗室的不同點。克服學生對化工分析的認知恐懼障礙心理。

電解飽和食鹽水是氯堿工業的主要反應，也是電解原理的一個重要應用。不同版本的電解飽和食鹽水裝置有所不同，魯科版《化學反應原理》教材中“電解飽和食鹽水”實驗使用u型管做發生裝置，并要求學生設法檢驗兩極附近溶液組成的變化并判斷氣體產物。筆者認為該裝置有兩個缺點：電極距離太遠，離子移動速度慢，電解過程緩慢；教材中強調實驗現象的過程和結果的分析，忽略了有毒氣體的控制和處理。氯氣有毒對人體有強烈刺激性，若檢驗時有部分氯氣泄漏在教室空氣中將危害人體健康、污染空氣，這與綠色化學的理念不符合，將此裝置進行分組實驗更是不現實。

2.本實驗案例的設計思路

以小明家辦喜事，不小心把染紅雞蛋的有機染料弄到襯衫上，如何通過自己制備漂白液這樣的生活實景導入。通過前面學習，學生已經掌握了電解的原理，聯系已有知識容易想到可以用電解食鹽水的方法，通過產生的氯氣與氫氧化鈉反應可以制備次氯酸鈉溶液。生活化問題要生活化方法解決，藥品和儀器應在家里隨手可得，所以筆者想到的電解儀器和藥品該是手機充電頭或者充電寶、鉛筆芯、USB數據線、碗、飽和食鹽水，就可以指導學生在家里自己動手制備次氯酸鈉漂白液。

在課堂上除了制備漂白液外，該實驗主要目的是設法檢驗兩極附近溶液組成的變化并判斷氣體產物。所以應從以下角度對教材裝置進行改進：①針對實驗效果，力求裝置簡單，反應迅速，現象明顯；②產物檢驗操作簡單；③實驗微型化，原料用量少，產生氯氣量微少，實驗安全，對學生身心健康無影響。

所以將u型管替換成10mL塑料針筒做電解發生裝置，電解過程中只會產生極少量氯氣和氫氣，學生分組過程中根本不會聞到氯氣刺激性氣味，既安全又健康環保。在飽和食鹽水中預先滴加酚酞檢驗陰極產物氫氧根，用濕潤藍色石蕊試紙和濕潤淀粉KT試紙塞入到導氣管中檢驗氯氣性質，用肥皂水收集一黃豆顆粒大小混合氣體點燃驗證氫氣。

用學生平常使用的充電寶替代學生電源；用廢棄帶USB頭的數據線或鼠標線做電源和電極連接線；用小刀把鉛筆破開取出鉛筆芯做陽極材料；用銅導線芯做陰極材料；用輸液軟管連接在針筒末端做導氣管檢驗陰陽極產物氫氣氯氣。導線連接兩電極時應使用膠布包裹防止短路。

3.一與化工接軌

課堂時間價值曲線規律指出：在45分鐘內，前20分鐘是興奮區，是第一個黃金時區，學生的興奮點已轉移到主題上；20-40分鐘是學生心理過渡期，是波谷，教師必須不失時機地把學生的思維重新引入上升境界，并盡可能延長興奮時間。

學生在前20分鐘內通過自己動手實驗，分析電解飽和食鹽水的原理，頭腦形成已有的知識經驗f假如沒有使用u型管陰陽極產物氫氣氯氣不好分離，陽極產生的氯氣和陰極產生的OH-很容易反應生成次氯酸鈉而得不得純凈的氫氧化鈉。）與新問題情景（化工生產無法使用u型管，燒堿比次氯酸鈉用途更廣）之間存在矛盾而產生認知沖突。學生為消除認知沖突以實現新的認知平衡而迅速激活舊的認知結構，從中選擇和接受相關信息（離子交換膜技術）并對信息進行有目的的加工。這樣能夠有效地喚起學生的思維注意，激起學生思維的興奮點，讓學生以飽滿的激情重新投入到新知識學習中。學生產生的認知沖突可以幫助提高課堂教學中教師的教和學生的學的針對性和指向性。幫助學生明白離子交換膜的必要性和工作原理。

二、具體實施

1.實驗儀器、藥品及裝置簡介

儀器：10mL注射器2支、充電寶1個、3-4cm鉛筆芯1條、硬芯銅導線1截、帶USB頭數據線一段、輸液軟管一段、小布條、火柴、點滴板

藥品：飽和食鹽水、酚酞試劑、淀粉碘化鉀試紙、藍色石蕊試紙、品紅溶液、肥皂水

裝置簡介：去掉注射器的塑料把手-將鉛筆芯和銅芯穿過注射器的橡膠塞中-兩電極下端用數據線導線連接-將橡膠塞塞入注射器末段-注入滴有酚酞的飽和食鹽水-將輸液管-端與針筒頭部相連-連接充電寶開始通電

2.實驗步驟和現象

按照圖1安裝實驗裝置。取另一只10mL潔凈帶針頭的注射器，往圖1裝置中注入10mL滴有酚酞的飽和食鹽水，將潔凈的輸液軟管連接到注射器出口處，連接電源觀察現象。

（1）氯氣的檢驗

在塑料導管末端輕輕塞入小半段濕潤的KT淀粉試紙，30秒后試紙變深藍色或紫色；取出KT淀粉試紙再塞人小半段濕潤的藍色石蕊試紙，30秒后試紙先變紅后褪色。均可證明混合氣體中有氯氣。

（2）氫氣的檢驗

化學實驗中一般用小試管收集氫氣然后燃燒來檢驗氫氣，該操作要求氫氣氣流速度較快，且比較麻煩。可采用吹肥皂泡的方法：將塑料軟管末端插入盛放肥皂水的點滴板中，待氫氣和氯氣的混合氣體把肥皂泡脹成黃豆大小后，用火柴點燃。觀察實驗現象：點燃肥皂泡時有尖銳的爆鳴聲，說明氫氣和氯氣混合氣體在點燃條件下發生爆炸。

實驗說明：因為混合氣體量非常少，點燃時不會產生安全隱患，但筆者操作過程中發現有時候因爆炸時產生向后沖擊力會使針筒的橡皮塞炸飛，液體流出導致后續實驗無法繼續，所以點燃前一定要先將軟管中間對折，隔絕針筒與肥皂泡的連通。

（3）陰極顏色變化分析

電解滴有酚酞的飽和食鹽水，通電后陰極銅棒周圍溶液顏色很快變紅，隨即顏色擴散整個針筒，測其溶液pH為9-10左右；繼續通電30秒左右后顏色變淺至無色，測其溶液pH為13-14左右。此實驗充分展現出酚酞的整個變色過程和范圍。酚酞變色機理如圖2、3所示。

酚酞是一種有機弱酸，它在酸性溶液中，H+濃度較高時，形成無色分子。但隨著溶液中OH-濃度的增大，酚酞結構發生改變，并進一步電離成紅色離子，如圖2所示。