电解池装置微型化改进及教学探究

陈秀娟

摘要：基于电解池的工作原理进行装置微型化改进，结合苏教版《化学反应原理》中“电解池的工作原理及应用”的具体知识，设计4个探究活动。实现知识获取、能力形成及素养发展三者的有机结合。

关键词：电解装置;微型化;实验教学探究

文章编号：1008-0546（2019）12-0090-003 中图分类号：G632.41 文献标识码：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2019.12.028

一、问题的提出

电解池的工作原理是高中重要的理论知识之一。多数学生在接触这部分知识时感觉内容繁多，晦涩难懂，容易与原电池的相关知识混淆。2017年版普通高中化学课程标准明确指出，“充分认识化学实验的独特价值，精心设计实验探究活动”“引导学生通过实验探究活动学习化学”。因此依托电化学生动、形象的实验现象，帮助学生理解和掌握抽象的电解原理，发展相应的化学学科核心素养，设计合适的实验探究活动很有必要。

纵观三个版本的教材，电解装置如图1所示，均为u型管中装电解溶液，插入两根石墨棒作为电极，接通直流电源。该装置需要的药品多，离子在两极迁移的距离长，整个电路的电阻较大，导致实验收集气体所需的时间较长，同时生成的有毒气体量大容易逸出造成空气污染。所以u型管的电解装置适合演示实验，不利于学生进行分组实验。不少同行对电解装置进行改进，也取得较好的效果，避免了有害气体的逸出。但是所需药品仍然比较多，耗时比较长。基于以上情况，笔者在教材实验的基础上进行装置微型化改进，结合苏教版《化学反应原理》中“电解池的工作原理及应用”的具体知识，设计4个探究活动。旨在帮助学生获取新知识的同时提高科学探究创新能力。

二、实验设计

1.实验器材

饱和NaCl溶液，饱和CuCl2溶液，酚酞，pH试纸，淀粉KI试纸，滤纸，海绵宝宝球，2B铅笔芯，铜丝，铜片，9V电池，表面皿，滴管。

2.装置改进

用9V电池代替直流电源，2B铅笔芯或铜丝取代石墨棒，pH试纸、滤纸、海绵宝宝球替代u型管。

三、实验探究及教学设计

【问题情境】工业上如何获得金属钠？分析原理。如果电解的是饱和NaCl溶液，又可获得什么物质？

回顾工业电解饱和食盐水，写出化学方程式。

实验1重温电解饱和食盐水，初探电解原理

【学生实验】如图2，2B铅笔芯分别固定在9V电池正负极上，表面皿中的pH试纸用饱和NaCl溶液润湿，电解，观察现象。

【宏观现象】见图3，阳极有气泡产生，pH试纸迅速变红中间少许变白;阴极有气泡产生，pH试纸变蓝。

【微观探析】从离子迁移的角度及电解产物分析解释原因。

【符号表征】阳极电极反应式之一：2Cl^--2e^-=Cl2↑，阴极电极反应式：H2O+2e^-=H2↑+2OH^-

實验2电解CuCl2溶液，再识电解本质

【问题情境】cuCl2溶液中有哪些离子？通电后离子的移动方向？预测两极可能有哪些产物？如何验证生成的产物？

小组讨论后提出猜想，根据实验器材设计方案，验证猜想。

【实验方案】如图4，表面皿中的滤纸用CuCl2溶液润湿，接有2B铅笔芯的9V电池电解CuCl2溶液，阳极附近用湿润的淀粉-KI试纸检验生成的气体，观察现象。

【宏观现象】见图5，阳极有气泡产生，湿润的淀粉-KI试纸变蓝;阴极有紫红色物质析出。

【微观探析】湿润的淀粉-KI试纸变蓝说明Cl^-放电生成Cl2;紫红色物质是Cu²⁺放电生成的Cu。

【符号表征】阳极电极反应式：2Cl^--2e^-=Cl2↑，阴极电极反应式：Cu²⁺+2e^-=Cu

引导学生结合实验1、2总结：阳离子氧化性大小：Cu²⁺>H⁺+>Na⁺;阴离子还原性大小：CI->OH^-。

设计意图：通过实验1、2现象的不同，综合分析，使学生发现电解质溶液的种类对电极反应会产生影响。在分析讨论中把这种影响上升到离子的放电顺序。并能够根据氧化性、还原性大小初步认识离子放电顺序。

实验3再探电解饱和食盐水，深化电解本质理解

【问题情境】如果采用铜丝作电极电解饱和食盐水？现象会与实验1的一致吗？

【学生实验】如图6，海绵宝宝球实验前用滴有酚酞的饱和NaCl溶液浸泡数小时。铜丝分别固定在9V电池正负极上，插入海绵宝宝球中，电解观察现象。

【宏观现象】见图7，阳极有蓝色物质析出;阴极酚酞溶液变红。

【微观探析】阳极的蓝色微粒是cu²⁺;酚酞溶液遇OH-变红。

【符号表征】阳极电极反应式：Cu-2e^-=Cu²⁺，阴极电极反应式：HzO+2e^-=H2↑+2OH^-

设计意图：分析该实验与实验1现象不同的原因;认识电极材料不同对电解结果的影响。帮助学生从氧化还原反应的角度理解活性材料作阳极时优先参与反应失电子，为金属的精炼和电镀提供证据意识。

实验4三探电解饱和食盐水，提升电解本质认识

【学生实验】如图8，表面皿中的pH试纸用饱和NaCl溶液润湿，试纸中间放一块铜片，用接有铜丝的9V电池电解，观察现象。

【宏观现象】见图9，a，b两处的pH试纸迅速变蓝。

【课后思考】实验4中a，b两处pH试纸为什么均变蓝？你能从离子迁移的角度及电解产物分析解释实验现象？

设计意图：通过新情境问题的设计，学会对观察到的实验信息进行加工，进一步培养学生的分析能力，做到举一反三，贴近高考。

四、教后反思

普通高中化学课程标准（2017年版）“鼓励实验的绿色化设计，开展微型实验。本课例亮点一是通过电解装置的微型化，使改进后的装置轻巧实用、便于携带;而且所需药品量少，生成的污染性气体量微，既体现了节约环保、绿色化学的教育理念，又可培养学生可持续发展的理念。同时用微型化后的装置电解各种溶液，一般5秒内即可观察到明显现象。快捷省时，实验耗时短，有效解决了学科周课时安排少和学生活动探究多的实际矛盾。适合学生的分组实验。

亮点二在于利用教材内容和4个探究活动的有机结合，使学生在“做中学”，亲身体会到化学是“真实的、有效的”。即有利于学生化学学科核心素养的落实，又避免了学生在学习电化学知识时的枯燥乏味感，获得更好的教学效果。

当然本课也存在不足之处：微型化后的装置不适于课堂的演示;对于实验1电解饱和NaCl溶液，与阳极接触的pH试纸迅速变红的原因没有从本质上探析解决。可在学生具有一定的理论知识后引导学生继续开展后续的探究活动：如在pH试纸上直接滴加新制氯水，直接滴加饱和NaCl溶液，通过对比实验区别其中的差异;接下来再探究同浓度下C1^-与OH^-的放电能力大小。总之，通过实验探究让学生真正认识电解原理的本质，避免通过“纸上化学”获取知识。从而达到以实验为载体，实现知识获取、能力形成及素养发展三者的有机结合。