電解池課堂實驗探究
電解池課堂實驗探究
王胤潔
摘要：隨著社會的發(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生？”這樣一個問題。同時，教學環(huán)境和設施也在不斷地改進，新媒體技術進入課堂。利用好這些資源成為課堂升級的關鍵。我們通過改良電解氯化銅裝置和設計創(chuàng)新實驗相結合的方法，對“電解池實驗探究”這節(jié)課進行了改進嘗試。改進后的實驗裝置，具有藥品用量少、裝置簡單、價格低廉，產(chǎn)生有害氣體少等優(yōu)點，符合“綠色化學”的理念。對課本上傳統(tǒng)實驗進行改進，有利于激發(fā)學生的創(chuàng)新思維，充分激發(fā)學生對化學這門學科的興趣。利用多媒體手段，可以方便同學們上傳實驗結果，實時討論產(chǎn)生實驗結果的原因。問題式教學有利于調(diào)動學生學習的積極性，培養(yǎng)思考問題和解決問題的能力。
關鍵詞：電解池，綠色化學，創(chuàng)新教育
正文：
化學是高中重要的基礎學科之一，學習化學最好的途徑是實驗。隨著教育經(jīng)驗的積累，一些老師發(fā)現(xiàn)教課書上的實驗還存在一些改進的空間。同時，近些年來，國家大力倡導培養(yǎng)創(chuàng)新精神，《普通高中化學課程標準（2017年版2020年修訂）》指出要重視開展“素養(yǎng)為本”的教學，倡導真實問題情境的創(chuàng)設，開展以化學實驗為主的多種探究活動，重視教學內(nèi)容的結構化設計，激發(fā)學生學習化學的興趣，促進學生學習方式的轉變，培養(yǎng)他們的創(chuàng)新精神和實踐能力[1]。對教科書上的實驗進行改進，無疑是培養(yǎng)創(chuàng)新精神一個比較好的途徑。目前已經(jīng)有很多老師致力于對教科書上的實驗進行改進。王宇鳳等老師。通過觀察選修5《有機化學基礎》（人教版）濃硫酸催化乙醇消去反應制備乙烯實驗現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)并明確實驗不足之處，并對其進行了改進[2]。糜蘭老師對氯氣相關實驗加以綠色化改進，使得實驗的安全性更高[3]。鐵粉與水蒸氣反應是人教版高中化學必修一的重要探究實驗之一，但此反應成功率不高、現(xiàn)象不明顯，因此王志薇等老師對其進行了改進，提高了實驗的成功率[4]。但是我們發(fā)現(xiàn)，對點解池實驗改進還是較少。
教科書上傳統(tǒng)的電解池實驗[5]，存在這實驗藥品用量大、實驗裝置復雜、實驗產(chǎn)生的氯氣多以及沒有尾氣處理裝置等弊端。針對這些問題，我們把“電解池實驗”課程設計成了一堂開放式的探究課。我們首先提出問題，向同學們征集對電解氯化銅實驗改進的方法（如圖1所示）。同學們的方案各有千秋，方案一、二、三的同學都在教材原本的基礎上添加了尾氣處理裝置好檢驗裝置一體化設計，但是并沒有脫離U形管。方案四和五都簡化了電解池裝置，方案四用剪裁過的塑瓶子進行電解，做到了廢物利用。方案五用倒置的膠頭滴管進行電解，這樣藥品使用更加微量，更加綠色環(huán)保。同學們經(jīng)過討論，最后達成一致用方案五進行課堂實驗。
圖1. 學生的實驗改進方案： a)方案一，b)方案二，c)方案三，d)方案四，e)方案五
實驗需要用到的相關儀器及試劑包括：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。分別將兩根導線的一端夾在銅絲和碳棒伸出來的部分。再將銅絲一側的導線接在電池的負極。隨后用注射器吸出事先準備好的氯化銅溶液，并注入到倒立放置的膠頭滴管當中。將碳棒一側的導線接在電源的正極，接通的電源。整個實驗過程在空氣流通的窗臺前進行，避免氯氣泄露可能帶來的危害。實驗開始后，可以明顯的看到陰極有紅色的固體（如圖2b所示）。這是由于電池的負極通過導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，用濕潤的淀粉碘化鉀試紙放在膠頭滴管的出口處檢驗產(chǎn)生的氣體，發(fā)現(xiàn)氣體能使淀粉碘化鉀試紙變藍（如圖2d所示）。這是由于溶液中的Cl-失去電子，化合價升高，產(chǎn)生單質(zhì)氯氣（如圖2e所示）。
圖2. 實驗過程：a)實驗裝置，b)陰極銅絲表面產(chǎn)生的實驗現(xiàn)象，c)陰極實驗原理，d)陽極生成的氯氣檢驗實驗現(xiàn)象
這樣改進方案的意義在哪里呢？通過查閱相關文獻我們知道氯氣可影響人體的健康，使用不當可引起爆炸。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]。在我們設計的實驗裝置中，需要用到的藥品是十分微量的，這樣不僅做不僅不會造成藥品浪費，而且產(chǎn)生的氯氣也是十分微量的，降低了實驗操作的危險性。膠頭滴管是實驗室常見的物品，相較于U形管更加簡單易得，價格也更加便宜。用這樣的方式設計實驗課程，最主要的目的是充分激發(fā)同學們的想象力和創(chuàng)新性思維。
為了進一步探究微粒的放電順序和電極材料對電解池的影響，我們又設計一個創(chuàng)新實驗-電解硫酸銅溶液實驗。為了引入這個探究課題，我們從生活中得到啟發(fā)，我們先是同時準備兩個燒杯，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。提出問題讓同學思考，同時培養(yǎng)同學們保護水資源的意識。
圖3. 水質(zhì)電解電解自來水和純凈水的實驗現(xiàn)象
實驗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）、帶夾子的導線、鉛筆（石墨）、銅絲、pH試紙。將pH試紙放在培養(yǎng)皿當中，倒入硫酸鈉溶液直到完全浸沒pH試紙。用導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，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，作為陰極的銅絲側的pH試紙變藍，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，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. 實驗過程：a)實驗裝置，b)A組同學的實驗現(xiàn)象，c)B組同學的實驗現(xiàn)象，d)C組同學的實驗現(xiàn)象
并且任然有pH試紙變藍的情況。為什么會產(chǎn)生這樣的現(xiàn)象呢？C組同學經(jīng)過討論認為會不會是pH試紙造成的影響呢？于是C組同學，重復B組同學的實驗，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。但是電解一段時間后發(fā)現(xiàn)銅電極周圍的溶液變成了藍色，搖晃溶液最終形成了藍色絮狀沉淀（如圖4d所示）。
那么究竟是什么導致A組同學和B、C兩組同學實驗現(xiàn)象的差別呢？
同學們經(jīng)過討論發(fā)現(xiàn)，銅做陰極對電解硫酸鈉沒有影響，而銅做陽極時，會參與反應，失去電子生成銅離子，與另一極生成的氫氧根離子結合生成氫氧化銅沉淀。為什么銅做陽極的時候會優(yōu)先于氫氧根離子放電呢？同學們繼續(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，整個教學過程中，教學手段上采用了問題式教學法，學生通過問題遞進展開思考，先通過改進教材實驗來解決教材中實驗裝置缺陷的問題，電解原理之后又產(chǎn)生了新的問題，圍繞新的問題又設計了電解硫酸鈉溶液的實驗，不斷的通過實驗改進解決問題，達到了實驗探究的目的。同時，本課的實驗改進也都遵循了綠色化學、微量、方便易操作的準則，讓學生在實驗探究的同時培養(yǎng)創(chuàng)新意識和環(huán)保意識。為了能確保學生實驗探究的順利完成，課前應該先將學生進行分類，慎重選擇每個小組的組長，確保在探究實驗的過程中小組成員之間通力合作、準確分工，在實驗中，分工到個人，爭取做到人人動手，并且遇到問題可以及時的討論和反思，并用表格的形式記錄下來。
參考文獻：
[1]中華人民共和國教育部.普通高中化學課程標準（2017年版2020年修訂）[S].人民教育出版社,2020.
[2]王宇鳳，敬鰻力.高中化學實驗的項目式教學-乙醇消去反應制備乙烯的實驗探究[J].化學教育,2021.
[3]糜蘭.高中化學氯氣相關實驗的綠色化改進[J].教育研究與評論.2020(1)
[4]王志薇,閆秀玲,劉成國.磁化改進鐵粉與水蒸氣反應實驗[J].中學生數(shù)理化·教與學.2021.
[5]你參考的化學書（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
