“宏微視角”下的電解飽食鹽水一體化、數字化實驗設計

(合肥師范學院化學與化學工程學院 安徽 合肥 230601)

電解飽和食鹽水實驗是人教版高中化學選修四[1]中非常重要的實驗，在各種復習資料中也經常出現。傳統的實驗只是單一的檢測陰陽極氣體種類、電極反應和電解質溶液酸堿度變化。本次實驗從宏觀氣體產量、微觀離子運動兩個方面培養學生 “宏觀辨識與微觀探析”核心素養[2]。改進后的實驗又探究了氫氣、氯氣的相關化學性質，現象明顯實驗安全，充分調動學生學習積極性。

一、實驗儀器與藥品

儀器：具支U行管，4節一號電池及電池盒，碳棒兩根，壓強傳感器，數據采集器，100ml燒杯,干燥管，棉花,保鮮膜,六孔井穴板,小木條等。

藥品與試劑：飽和NaCl溶液，酚酞指示劑，甲基紅指示劑，品紅溶液，0.5mol/L Na2S溶液，0.5mol/L NaOH溶液

二、實驗裝置及原理

(一)實驗裝置

實驗裝置圖如圖1所示。

圖1 實驗裝置圖

(二)電解飽和食鹽水原理：

陽極：2Cl--2e-=Cl2↑ 陰極：2H2O+2e-=H2↑+OH-

三、實驗探究

(一)利用酚酞指示劑，氣體壓強傳感器探究電解陽極變化

1.配置飽和食鹽水40ml，滴加3-4滴酚酞指示劑，震蕩，轉移至具支U行管中，切記液面高度要低于具支管一厘米左右。

2.將與電源導線連接的兩支碳棒分別浸入具支U行管中，在與電源正極相連的碳棒上方放置一團浸有Na2S的棉花團。把氣體壓強傳感器進氣端放置在與電源正極連接的碳棒上方。最后用保鮮膜將兩極密封，防止漏氣。

3.在電解陰極那端具支管外接一導管，將陰極產生的氫氣導入盛有肥皂水的六孔井穴板中。待氫氣通入肥皂水產生的氣泡布滿液面，用帶火星的木條接觸，觀察氫氣爆鳴。

4.電解陽極那端具支管外界一干燥管，在其中放入一浸有品紅溶液的棉花團，在干燥管末端塞入一團浸有NaOH溶液的棉花做尾氣處理。

(二)利用甲基紅指示劑，氣體壓強傳感器探究電解陰極變化

與實驗3.1相比，將酚酞指示劑改成甲基紅指示劑，將氣體壓強傳感放置在與電源負相連接的碳棒上方，其余操作與實驗3.1相同。

四、實驗現象及討論

1.實驗3.1中，接通電源后，陰陽極碳棒上很快有大量氣泡產生，陰極區溶液逐漸變成淺紅色。一段時間以后可以觀察到淺紅色逐漸擴散到陽極區一側(如圖2)，裝置內部氣壓發生變化。

陰極區變紅，是因為水得電子，產生H2和OH-，在酚酞指示劑作用下，將溶液中存在的OH-染色，方便學生觀察微觀離子運動。在圖中，可以發現OH-只運動到陽極區下方，在此可引導學生思考原因，培養學生設計實驗，動手試驗的能力。

圖2

2.實驗3.2中，可以觀察到陽極區溶液開始變紅色，一段時間以 后紅色褪去，部分溶液呈無色透明(如圖3)。裝置內部氣壓發生改變，但變化不穩定。

電解飽和食鹽水陽極生成Cl2，在甲基紅指示劑的作用下可以發現生成的Cl2有部分溶解在水中，生成HCl和HClO。HCl電離產生 的H+使溶液呈紅色，一段時間以紅色褪去是因為HClO的漂白作用，將有機物甲基紅氧化，從而使溶液呈無色透明。

實驗結束以后，將浸有Na2S的棉花團取出，可以發現棉花上出現了黃色的硫單質即發生了Na2S+Cl2=S+2NaCl反應。干燥管中一浸有品紅溶液的棉花團紅色褪去，是因為Cl2溶于水生成HCl和HClO，HClO有漂白作用(見圖4)。

圖3

圖4

五、結語

綜上所述，本次實驗借助兩種指示劑從宏觀到微觀解釋了電解氯化鈉時，OH-、H+的運動狀態，利用壓強傳感器分別檢測陰陽兩級電解氣壓。同時也對氫氣的爆鳴實驗、氯氣的氧化性，次氯酸的漂白性，鹽酸的酸性進行了探究，從多方面、多角度深刻認識電解原理。幫助學生對該部分知識點的理解，培養學生“宏觀辨識與微觀探析”的學科核心素養。