電解池課堂實(shí)驗(yàn)探究

電解池課堂實(shí)驗(yàn)探究

         王胤潔

摘要：隨著社會(huì)的發(fā)展，教育也在不斷的改革，身處教育一線的教師們也不斷地探討著“什么樣的的課堂最適合學(xué)生？”這樣一個(gè)問題。同時(shí)，教學(xué)環(huán)境和設(shè)施也在不斷地改進(jìn)，新媒體技術(shù)進(jìn)入課堂。利用好這些資源成為課堂升級(jí)的關(guān)鍵。我們通過改良電解氯化銅裝置和設(shè)計(jì)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法，對(duì)“電解池實(shí)驗(yàn)探究”這節(jié)課進(jìn)行了改進(jìn)嘗試。改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)裝置，具有藥品用量少、裝置簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉，產(chǎn)生有害氣體少等優(yōu)點(diǎn)，符合“綠色化學(xué)”的理念。對(duì)課本上傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行改進(jìn)，有利于激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維，充分激發(fā)學(xué)生對(duì)化學(xué)這門學(xué)科的興趣。利用多媒體手段，可以方便同學(xué)們上傳實(shí)驗(yàn)結(jié)果，實(shí)時(shí)討論產(chǎn)生實(shí)驗(yàn)結(jié)果的原因。問題式教學(xué)有利于調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，培養(yǎng)思考問題和解決問題的能力。

關(guān)鍵詞：電解池，綠色化學(xué)，創(chuàng)新教育

正文：

化學(xué)是高中重要的基礎(chǔ)學(xué)科之一，學(xué)習(xí)化學(xué)最好的途徑是實(shí)驗(yàn)。隨著教育經(jīng)驗(yàn)的積累，一些老師發(fā)現(xiàn)教課書上的實(shí)驗(yàn)還存在一些改進(jìn)的空間。同時(shí)，近些年來，國(guó)家大力倡導(dǎo)培養(yǎng)創(chuàng)新精神，《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》指出要重視開展“素養(yǎng)為本”的教學(xué)，倡導(dǎo)真實(shí)問題情境的創(chuàng)設(shè)，開展以化學(xué)實(shí)驗(yàn)為主的多種探究活動(dòng)，重視教學(xué)內(nèi)容的結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)化學(xué)的興趣，促進(jìn)學(xué)生學(xué)習(xí)方式的轉(zhuǎn)變，培養(yǎng)他們的創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力^[1]。對(duì)教科書上的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行改進(jìn)，無疑是培養(yǎng)創(chuàng)新精神一個(gè)比較好的途徑。目前已經(jīng)有很多老師致力于對(duì)教科書上的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行改進(jìn)。王宇鳳等老師。通過觀察選修5《有機(jī)化學(xué)基礎(chǔ)》（人教版）濃硫酸催化乙醇消去反應(yīng)制備乙烯實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)并明確實(shí)驗(yàn)不足之處，并對(duì)其進(jìn)行了改進(jìn)^[2]。糜蘭老師對(duì)氯氣相關(guān)實(shí)驗(yàn)加以綠色化改進(jìn)，使得實(shí)驗(yàn)的安全性更高^[3]。鐵粉與水蒸氣反應(yīng)是人教版高中化學(xué)必修一的重要探究實(shí)驗(yàn)之一，但此反應(yīng)成功率不高、現(xiàn)象不明顯，因此王志薇等老師對(duì)其進(jìn)行了改進(jìn)，提高了實(shí)驗(yàn)的成功率^[4]。但是我們發(fā)現(xiàn)，對(duì)點(diǎn)解池實(shí)驗(yàn)改進(jìn)還是較少。

教科書上傳統(tǒng)的電解池實(shí)驗(yàn)^[5]，存在這實(shí)驗(yàn)藥品用量大、實(shí)驗(yàn)裝置復(fù)雜、實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生的氯氣多以及沒有尾氣處理裝置等弊端。針對(duì)這些問題，我們把“電解池實(shí)驗(yàn)”課程設(shè)計(jì)成了一堂開放式的探究課。我們首先提出問題，向同學(xué)們征集對(duì)電解氯化銅實(shí)驗(yàn)改進(jìn)的方法（如圖1所示）。同學(xué)們的方案各有千秋，方案一、二、三的同學(xué)都在教材原本的基礎(chǔ)上添加了尾氣處理裝置好檢驗(yàn)裝置一體化設(shè)計(jì)，但是并沒有脫離U形管。方案四和五都簡(jiǎn)化了電解池裝置，方案四用剪裁過的塑瓶子進(jìn)行電解，做到了廢物利用。方案五用倒置的膠頭滴管進(jìn)行電解，這樣藥品使用更加微量，更加綠色環(huán)保。同學(xué)們經(jīng)過討論，最后達(dá)成一致用方案五進(jìn)行課堂實(shí)驗(yàn)。

圖1. 學(xué)生的實(shí)驗(yàn)改進(jìn)方案： a)方案一，b)方案二，c)方案三，d)方案四，e)方案五

實(shí)驗(yàn)需要用到的相關(guān)儀器及試劑包括：氯化銅溶液（自配）、堿性電池（南孚 9V）、帶夾子的導(dǎo)線、銅絲、碳棒、膠頭滴管、10 mL注射器支管（如圖2a所示）。首先，將銅絲和碳棒分別從兩邊插入膠頭滴管的頭部空腔中，并做好密封。分別將兩根導(dǎo)線的一端夾在銅絲和碳棒伸出來的部分。再將銅絲一側(cè)的導(dǎo)線接在電池的負(fù)極。隨后用注射器吸出事先準(zhǔn)備好的氯化銅溶液，并注入到倒立放置的膠頭滴管當(dāng)中。將碳棒一側(cè)的導(dǎo)線接在電源的正極，接通的電源。整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程在空氣流通的窗臺(tái)前進(jìn)行，避免氯氣泄露可能帶來的危害。實(shí)驗(yàn)開始后，可以明顯的看到陰極有紅色的固體（如圖2b所示）。這是由于電池的負(fù)極通過導(dǎo)線向插入溶液中銅絲輸送電子，溶液中的Cu2+在銅絲的表面得到電子，生成紅色的單質(zhì)銅（如圖2c所示）?？梢悦黠@的觀察到陽極產(chǎn)生氣泡，用濕潤(rùn)的淀粉碘化鉀試紙放在膠頭滴管的出口處檢驗(yàn)產(chǎn)生的氣體，發(fā)現(xiàn)氣體能使淀粉碘化鉀試紙變藍(lán)（如圖2d所示）。這是由于溶液中的Cl-失去電子，化合價(jià)升高，產(chǎn)生單質(zhì)氯氣（如圖2e所示）。

 

 

圖2. 實(shí)驗(yàn)過程：a)實(shí)驗(yàn)裝置，b)陰極銅絲表面產(chǎn)生的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，c)陰極實(shí)驗(yàn)原理，d)陽極生成的氯氣檢驗(yàn)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象

這樣改進(jìn)方案的意義在哪里呢？通過查閱相關(guān)文獻(xiàn)我們知道氯氣可影響人體的健康，使用不當(dāng)可引起爆炸。氯氣是粘膜及呼吸系統(tǒng)的刺激劑。氯氣與人體的水分反應(yīng)形成鹽酸，吸人人體后產(chǎn)生以呼吸系統(tǒng)損傷為主的中毒表現(xiàn)^[6]。在我們?cè)O(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)裝置中，需要用到的藥品是十分微量的，這樣不僅做不僅不會(huì)造成藥品浪費(fèi)，而且產(chǎn)生的氯氣也是十分微量的，降低了實(shí)驗(yàn)操作的危險(xiǎn)性。膠頭滴管是實(shí)驗(yàn)室常見的物品，相較于U形管更加簡(jiǎn)單易得，價(jià)格也更加便宜。用這樣的方式設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)課程，最主要的目的是充分激發(fā)同學(xué)們的想象力和創(chuàng)新性思維。

為了進(jìn)一步探究微粒的放電順序和電極材料對(duì)電解池的影響，我們又設(shè)計(jì)一個(gè)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)-電解硫酸銅溶液實(shí)驗(yàn)。為了引入這個(gè)探究課題，我們從生活中得到啟發(fā)，我們先是同時(shí)準(zhǔn)備兩個(gè)燒杯，分別加入自來水和純凈水，放入電解器。電解兩者的現(xiàn)象有所不同（如圖3所示），電解后的自來水產(chǎn)生了紅褐色沉淀，而純凈水依然是澄清透明。提出問題讓同學(xué)思考，同時(shí)培養(yǎng)同學(xué)們保護(hù)水資源的意識(shí)。

 

圖3. 水質(zhì)電解電解自來水和純凈水的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象

實(shí)驗(yàn)需要用到的儀器和試劑包括：硫酸鈉溶液、培養(yǎng)皿、電池（南孚 9V）、帶夾子的導(dǎo)線、鉛筆（石墨）、銅絲、pH試紙。將pH試紙放在培養(yǎng)皿當(dāng)中，倒入硫酸鈉溶液直到完全浸沒pH試紙。用導(dǎo)線分別將兩端削好的鉛筆和銅絲跟電池的兩極連接。它們分別作為兩極來電解硫酸鈉溶液（如圖4a所示）。A組同學(xué)，用銅絲作為陰極，石墨作為陽極，放在pH試紙兩端電解硫酸鈉。電解開始之后，作為陰極的銅絲側(cè)的pH試紙變藍(lán)，而作為陽極的石墨一端，pH試紙變?yōu)榧t色。兩極均有明顯的氣泡產(chǎn)生（如圖4b所示）。B組同學(xué)，用石墨作為陰極，銅絲作為陽極，按照同樣的方式電解硫酸鈉。電解開始后，產(chǎn)生了不同的現(xiàn)象。銅作為陽極的時(shí)候，沒有氣泡冒出，而且pH試紙沒有顏色的變化（如圖4c所示）。而在作為陰極的石墨一端產(chǎn)生了明顯的氣泡，

 

圖4. 實(shí)驗(yàn)過程：a)實(shí)驗(yàn)裝置，b)A組同學(xué)的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，c)B組同學(xué)的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，d)C組同學(xué)的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象

并且任然有pH試紙變藍(lán)的情況。為什么會(huì)產(chǎn)生這樣的現(xiàn)象呢？C組同學(xué)經(jīng)過討論認(rèn)為會(huì)不會(huì)是pH試紙?jiān)斐傻挠绊懩兀坑谑荂組同學(xué)，重復(fù)B組同學(xué)的實(shí)驗(yàn)，但是沒有使用pH試紙。電解開始后，作為銅絲的陽極仍然沒有產(chǎn)生氣泡。作為石墨的陰極產(chǎn)生大量氣泡。但是電解一段時(shí)間后發(fā)現(xiàn)銅電極周圍的溶液變成了藍(lán)色，搖晃溶液最終形成了藍(lán)色絮狀沉淀（如圖4d所示）。

那么究竟是什么導(dǎo)致A組同學(xué)和B、C兩組同學(xué)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的差別呢？

同學(xué)們經(jīng)過討論發(fā)現(xiàn)，銅做陰極對(duì)電解硫酸鈉沒有影響，而銅做陽極時(shí)，會(huì)參與反應(yīng)，失去電子生成銅離子，與另一極生成的氫氧根離子結(jié)合生成氫氧化銅沉淀。為什么銅做陽極的時(shí)候會(huì)優(yōu)先于氫氧根離子放電呢？同學(xué)們繼續(xù)分析發(fā)現(xiàn)，銅的還原性是優(yōu)先于氫氧根離子的，不僅是銅，金屬單質(zhì)的還原性都是優(yōu)先于溶液中的陰離子的，因此金屬單質(zhì)做陽極被稱為金屬活性電極而優(yōu)先放電。

     綜上所述，整個(gè)教學(xué)過程中，教學(xué)手段上采用了問題式教學(xué)法，學(xué)生通過問題遞進(jìn)展開思考，先通過改進(jìn)教材實(shí)驗(yàn)來解決教材中實(shí)驗(yàn)裝置缺陷的問題，電解原理之后又產(chǎn)生了新的問題，圍繞新的問題又設(shè)計(jì)了電解硫酸鈉溶液的實(shí)驗(yàn)，不斷的通過實(shí)驗(yàn)改進(jìn)解決問題，達(dá)到了實(shí)驗(yàn)探究的目的。同時(shí)，本課的實(shí)驗(yàn)改進(jìn)也都遵循了綠色化學(xué)、微量、方便易操作的準(zhǔn)則，讓學(xué)生在實(shí)驗(yàn)探究的同時(shí)培養(yǎng)創(chuàng)新意識(shí)和環(huán)保意識(shí)。為了能確保學(xué)生實(shí)驗(yàn)探究的順利完成，課前應(yīng)該先將學(xué)生進(jìn)行分類，慎重選擇每個(gè)小組的組長(zhǎng)，確保在探究實(shí)驗(yàn)的過程中小組成員之間通力合作、準(zhǔn)確分工，在實(shí)驗(yàn)中，分工到個(gè)人，爭(zhēng)取做到人人動(dòng)手，并且遇到問題可以及時(shí)的討論和反思，并用表格的形式記錄下來。        

     

 

參考文獻(xiàn)：

[1]中華人民共和國(guó)教育部.普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）[S].人民教育出版社,2020.

[2]王宇鳳，敬鰻力.高中化學(xué)實(shí)驗(yàn)的項(xiàng)目式教學(xué)-乙醇消去反應(yīng)制備乙烯的實(shí)驗(yàn)探究[J].化學(xué)教育,2021.

[3]糜蘭.高中化學(xué)氯氣相關(guān)實(shí)驗(yàn)的綠色化改進(jìn)[J].教育研究與評(píng)論.2020(1)

[4]王志薇,閆秀玲,劉成國(guó).磁化改進(jìn)鐵粉與水蒸氣反應(yīng)實(shí)驗(yàn)[J].中學(xué)生數(shù)理化·教與學(xué).2021.

[5]你參考的化學(xué)書（書籍后面的字母是[M])

[6]劉琦,王冰.氯氣的危害及其治理[J].安全.2005.

撰文： 王胤潔

圖片：鄒濤

審核：劉旭

上傳：鄒濤