電解池裝置微型化改進及教學探究

陳秀娟

摘要：基于電解池的工作原理進行裝置微型化改進，結合蘇教版《化學反應原理》中“電解池的工作原理及應用”的具體知識，設計4個探究活動。實現知識獲取、能力形成及素養發展三者的有機結合。

關鍵詞：電解裝置;微型化;實驗教學探究

文章編號：1008-0546（2019）12-0090-003 中圖分類號：G632.41 文獻標識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2019.12.028

一、問題的提出

電解池的工作原理是高中重要的理論知識之一。多數學生在接觸這部分知識時感覺內容繁多，晦澀難懂，容易與原電池的相關知識混淆。2017年版普通高中化學課程標準明確指出，“充分認識化學實驗的獨特價值，精心設計實驗探究活動”“引導學生通過實驗探究活動學習化學”。因此依托電化學生動、形象的實驗現象，幫助學生理解和掌握抽象的電解原理，發展相應的化學學科核心素養，設計合適的實驗探究活動很有必要。

縱觀三個版本的教材，電解裝置如圖1所示，均為u型管中裝電解溶液，插入兩根石墨棒作為電極，接通直流電源。該裝置需要的藥品多，離子在兩極遷移的距離長，整個電路的電阻較大，導致實驗收集氣體所需的時間較長，同時生成的有毒氣體量大容易逸出造成空氣污染。所以u型管的電解裝置適合演示實驗，不利于學生進行分組實驗。不少同行對電解裝置進行改進，也取得較好的效果，避免了有害氣體的逸出。但是所需藥品仍然比較多，耗時比較長。基于以上情況，筆者在教材實驗的基礎上進行裝置微型化改進，結合蘇教版《化學反應原理》中“電解池的工作原理及應用”的具體知識，設計4個探究活動。旨在幫助學生獲取新知識的同時提高科學探究創新能力。

二、實驗設計

1.實驗器材

飽和NaCl溶液，飽和CuCl2溶液，酚酞，pH試紙，淀粉KI試紙，濾紙，海綿寶寶球，2B鉛筆芯，銅絲，銅片，9V電池，表面皿，滴管。

2.裝置改進

用9V電池代替直流電源，2B鉛筆芯或銅絲取代石墨棒，pH試紙、濾紙、海綿寶寶球替代u型管。

三、實驗探究及教學設計

【問題情境】工業上如何獲得金屬鈉？分析原理。如果電解的是飽和NaCl溶液，又可獲得什么物質？

回顧工業電解飽和食鹽水，寫出化學方程式。

實驗1重溫電解飽和食鹽水，初探電解原理

【學生實驗】如圖2，2B鉛筆芯分別固定在9V電池正負極上，表面皿中的pH試紙用飽和NaCl溶液潤濕，電解，觀察現象。

【宏觀現象】見圖3，陽極有氣泡產生，pH試紙迅速變紅中間少許變白;陰極有氣泡產生，pH試紙變藍。

【微觀探析】從離子遷移的角度及電解產物分析解釋原因。

【符號表征】陽極電極反應式之一：2Cl^--2e^-=Cl2↑，陰極電極反應式：H2O+2e^-=H2↑+2OH^-

實驗2電解CuCl2溶液，再識電解本質

【問題情境】cuCl2溶液中有哪些離子？通電后離子的移動方向？預測兩極可能有哪些產物？如何驗證生成的產物？

小組討論后提出猜想，根據實驗器材設計方案，驗證猜想。

【實驗方案】如圖4，表面皿中的濾紙用CuCl2溶液潤濕，接有2B鉛筆芯的9V電池電解CuCl2溶液，陽極附近用濕潤的淀粉-KI試紙檢驗生成的氣體，觀察現象。

【宏觀現象】見圖5，陽極有氣泡產生，濕潤的淀粉-KI試紙變藍;陰極有紫紅色物質析出。

【微觀探析】濕潤的淀粉-KI試紙變藍說明Cl^-放電生成Cl2;紫紅色物質是Cu²⁺放電生成的Cu。

【符號表征】陽極電極反應式：2Cl^--2e^-=Cl2↑，陰極電極反應式：Cu²⁺+2e^-=Cu

引導學生結合實驗1、2總結：陽離子氧化性大小：Cu²⁺>H⁺+>Na⁺;陰離子還原性大小：CI->OH^-。

設計意圖：通過實驗1、2現象的不同，綜合分析，使學生發現電解質溶液的種類對電極反應會產生影響。在分析討論中把這種影響上升到離子的放電順序。并能夠根據氧化性、還原性大小初步認識離子放電順序。

實驗3再探電解飽和食鹽水，深化電解本質理解

【問題情境】如果采用銅絲作電極電解飽和食鹽水？現象會與實驗1的一致嗎？

【學生實驗】如圖6，海綿寶寶球實驗前用滴有酚酞的飽和NaCl溶液浸泡數小時。銅絲分別固定在9V電池正負極上，插入海綿寶寶球中，電解觀察現象。

【宏觀現象】見圖7，陽極有藍色物質析出;陰極酚酞溶液變紅。

【微觀探析】陽極的藍色微粒是cu²⁺;酚酞溶液遇OH-變紅。

【符號表征】陽極電極反應式：Cu-2e^-=Cu²⁺，陰極電極反應式：HzO+2e^-=H2↑+2OH^-

設計意圖：分析該實驗與實驗1現象不同的原因;認識電極材料不同對電解結果的影響。幫助學生從氧化還原反應的角度理解活性材料作陽極時優先參與反應失電子，為金屬的精煉和電鍍提供證據意識。

實驗4三探電解飽和食鹽水，提升電解本質認識

【學生實驗】如圖8，表面皿中的pH試紙用飽和NaCl溶液潤濕，試紙中間放一塊銅片，用接有銅絲的9V電池電解，觀察現象。

【宏觀現象】見圖9，a，b兩處的pH試紙迅速變藍。

【課后思考】實驗4中a，b兩處pH試紙為什么均變藍？你能從離子遷移的角度及電解產物分析解釋實驗現象？

設計意圖：通過新情境問題的設計，學會對觀察到的實驗信息進行加工，進一步培養學生的分析能力，做到舉一反三，貼近高考。

四、教后反思

普通高中化學課程標準（2017年版）“鼓勵實驗的綠色化設計，開展微型實驗。本課例亮點一是通過電解裝置的微型化，使改進后的裝置輕巧實用、便于攜帶;而且所需藥品量少，生成的污染性氣體量微，既體現了節約環保、綠色化學的教育理念，又可培養學生可持續發展的理念。同時用微型化后的裝置電解各種溶液，一般5秒內即可觀察到明顯現象。快捷省時，實驗耗時短，有效解決了學科周課時安排少和學生活動探究多的實際矛盾。適合學生的分組實驗。

亮點二在于利用教材內容和4個探究活動的有機結合，使學生在“做中學”，親身體會到化學是“真實的、有效的”。即有利于學生化學學科核心素養的落實，又避免了學生在學習電化學知識時的枯燥乏味感，獲得更好的教學效果。

當然本課也存在不足之處：微型化后的裝置不適于課堂的演示;對于實驗1電解飽和NaCl溶液，與陽極接觸的pH試紙迅速變紅的原因沒有從本質上探析解決。可在學生具有一定的理論知識后引導學生繼續開展后續的探究活動：如在pH試紙上直接滴加新制氯水，直接滴加飽和NaCl溶液，通過對比實驗區別其中的差異;接下來再探究同濃度下C1^-與OH^-的放電能力大小。總之，通過實驗探究讓學生真正認識電解原理的本質，避免通過“紙上化學”獲取知識。從而達到以實驗為載體，實現知識獲取、能力形成及素養發展三者的有機結合。