电解池课堂实验探究

电解池课堂实验探究

         王胤洁

摘要：随着社会的发展，教育也在不断的改革，身处教育一线的教师们也不断地探讨着“什么样的的课堂最适合学生？”这样一个问题。同时，教学环境和设施也在不断地改进，新媒体技术进入课堂。利用好这些资源成为课堂升级的关键。我们通过改良电解氯化铜装置和设计创新实验相结合的方法，对“电解池实验探究”这节课进行了改进尝试。改进后的实验装置，具有药品用量少、装置简单、价格低廉，产生有害气体少等优点，符合“绿色化学”的理念。对课本上传统实验进行改进，有利于激发学生的创新思维，充分激发学生对化学这门学科的兴趣。利用多媒体手段，可以方便同学们上传实验结果，实时讨论产生实验结果的原因。问题式教学有利于调动学生学习的积极性，培养思考问题和解决问题的能力。

关键词：电解池，绿色化学，创新教育

正文：

化学是高中重要的基础学科之一，学习化学最好的途径是实验。随着教育经验的积累，一些老师发现教课书上的实验还存在一些改进的空间。同时，近些年来，国家大力倡导培养创新精神，《普通高中化学课程标准（2017年版2020年修订）》指出要重视开展“素养为本”的教学，倡导真实问题情境的创设，开展以化学实验为主的多种探究活动，重视教学内容的结构化设计，激发学生学习化学的兴趣，促进学生学习方式的转变，培养他们的创新精神和实践能力^[1]。对教科书上的实验进行改进，无疑是培养创新精神一个比较好的途径。目前已经有很多老师致力于对教科书上的实验进行改进。王宇凤等老师。通过观察选修5《有机化学基础》（人教版）浓硫酸催化乙醇消去反应制备乙烯实验现象，发现并明确实验不足之处，并对其进行了改进^[2]。糜兰老师对氯气相关实验加以绿色化改进，使得实验的安全性更高^[3]。铁粉与水蒸气反应是人教版高中化学必修一的重要探究实验之一，但此反应成功率不高、现象不明显，因此王志薇等老师对其进行了改进，提高了实验的成功率^[4]。但是我们发现，对点解池实验改进还是较少。

教科书上传统的电解池实验^[5]，存在这实验药品用量大、实验装置复杂、实验产生的氯气多以及没有尾气处理装置等弊端。针对这些问题，我们把“电解池实验”课程设计成了一堂开放式的探究课。我们首先提出问题，向同学们征集对电解氯化铜实验改进的方法（如图1所示）。同学们的方案各有千秋，方案一、二、三的同学都在教材原本的基础上添加了尾气处理装置好检验装置一体化设计，但是并没有脱离U形管。方案四和五都简化了电解池装置，方案四用剪裁过的塑瓶子进行电解，做到了废物利用。方案五用倒置的胶头滴管进行电解，这样药品使用更加微量，更加绿色环保。同学们经过讨论，最后达成一致用方案五进行课堂实验。

图1. 学生的实验改进方案： a)方案一，b)方案二，c)方案三，d)方案四，e)方案五

实验需要用到的相关仪器及试剂包括：氯化铜溶液（自配）、碱性电池（南孚 9V）、带夹子的导线、铜丝、碳棒、胶头滴管、10 mL注射器支管（如图2a所示）。首先，将铜丝和碳棒分别从两边插入胶头滴管的头部空腔中，并做好密封。分别将两根导线的一端夹在铜丝和碳棒伸出来的部分。再将铜丝一侧的导线接在电池的负极。随后用注射器吸出事先准备好的氯化铜溶液，并注入到倒立放置的胶头滴管当中。将碳棒一侧的导线接在电源的正极，接通的电源。整个实验过程在空气流通的窗台前进行，避免氯气泄露可能带来的危害。实验开始后，可以明显的看到阴极有红色的固体（如图2b所示）。这是由于电池的负极通过导线向插入溶液中铜丝输送电子，溶液中的Cu2+在铜丝的表面得到电子，生成红色的单质铜（如图2c所示）。可以明显的观察到阳极产生气泡，用湿润的淀粉碘化钾试纸放在胶头滴管的出口处检验产生的气体，发现气体能使淀粉碘化钾试纸变蓝（如图2d所示）。这是由于溶液中的Cl-失去电子，化合价升高，产生单质氯气（如图2e所示）。

图2. 实验过程：a)实验装置，b)阴极铜丝表面产生的实验现象，c)阴极实验原理，d)阳极生成的氯气检验实验现象

这样改进方案的意义在哪里呢？通过查阅相关文献我们知道氯气可影响人体的健康，使用不当可引起爆炸。氯气是粘膜及呼吸系统的刺激剂。氯气与人体的水分反应形成盐酸，吸人人体后产生以呼吸系统损伤为主的中毒表现^[6]。在我们设计的实验装置中，需要用到的药品是十分微量的，这样不仅做不仅不会造成药品浪费，而且产生的氯气也是十分微量的，降低了实验操作的危险性。胶头滴管是实验室常见的物品，相较于U形管更加简单易得，价格也更加便宜。用这样的方式设计实验课程，最主要的目的是充分激发同学们的想象力和创新性思维。

为了进一步探究微粒的放电顺序和电极材料对电解池的影响，我们又设计一个创新实验-电解硫酸铜溶液实验。为了引入这个探究课题，我们从生活中得到启发，我们先是同时准备两个烧杯，分别加入自来水和纯净水，放入电解器。电解两者的现象有所不同（如图3所示），电解后的自来水产生了红褐色沉淀，而纯净水依然是澄清透明。提出问题让同学思考，同时培养同学们保护水资源的意识。

图3. 水质电解电解自来水和纯净水的实验现象

实验需要用到的仪器和试剂包括：硫酸钠溶液、培养皿、电池（南孚 9V）、带夹子的导线、铅笔（石墨）、铜丝、pH试纸。将pH试纸放在培养皿当中，倒入硫酸钠溶液直到完全浸没pH试纸。用导线分别将两端削好的铅笔和铜丝跟电池的两极连接。它们分别作为两极来电解硫酸钠溶液（如图4a所示）。A组同学，用铜丝作为阴极，石墨作为阳极，放在pH试纸两端电解硫酸钠。电解开始之后，作为阴极的铜丝侧的pH试纸变蓝，而作为阳极的石墨一端，pH试纸变为红色。两极均有明显的气泡产生（如图4b所示）。B组同学，用石墨作为阴极，铜丝作为阳极，按照同样的方式电解硫酸钠。电解开始后，产生了不同的现象。铜作为阳极的时候，没有气泡冒出，而且pH试纸没有颜色的变化（如图4c所示）。而在作为阴极的石墨一端产生了明显的气泡，

图4. 实验过程：a)实验装置，b)A组同学的实验现象，c)B组同学的实验现象，d)C组同学的实验现象

并且任然有pH试纸变蓝的情况。为什么会产生这样的现象呢？C组同学经过讨论认为会不会是pH试纸造成的影响呢？于是C组同学，重复B组同学的实验，但是没有使用pH试纸。电解开始后，作为铜丝的阳极仍然没有产生气泡。作为石墨的阴极产生大量气泡。但是电解一段时间后发现铜电极周围的溶液变成了蓝色，摇晃溶液最终形成了蓝色絮状沉淀（如图4d所示）。

那么究竟是什么导致A组同学和B、C两组同学实验现象的差别呢？

同学们经过讨论发现，铜做阴极对电解硫酸钠没有影响，而铜做阳极时，会参与反应，失去电子生成铜离子，与另一极生成的氢氧根离子结合生成氢氧化铜沉淀。为什么铜做阳极的时候会优先于氢氧根离子放电呢？同学们继续分析发现，铜的还原性是优先于氢氧根离子的，不仅是铜，金属单质的还原性都是优先于溶液中的阴离子的，因此金属单质做阳极被称为金属活性电极而优先放电。

     综上所述，整个教学过程中，教学手段上采用了问题式教学法，学生通过问题递进展开思考，先通过改进教材实验来解决教材中实验装置缺陷的问题，电解原理之后又产生了新的问题，围绕新的问题又设计了电解硫酸钠溶液的实验，不断的通过实验改进解决问题，达到了实验探究的目的。同时，本课的实验改进也都遵循了绿色化学、微量、方便易操作的准则，让学生在实验探究的同时培养创新意识和环保意识。为了能确保学生实验探究的顺利完成，课前应该先将学生进行分类，慎重选择每个小组的组长，确保在探究实验的过程中小组成员之间通力合作、准确分工，在实验中，分工到个人，争取做到人人动手，并且遇到问题可以及时的讨论和反思，并用表格的形式记录下来。        

参考文献：

[1]中华人民共和国教育部.普通高中化学课程标准（2017年版2020年修订）[S].人民教育出版社,2020.

[2]王宇凤，敬鳗力.高中化学实验的项目式教学-乙醇消去反应制备乙烯的实验探究[J].化学教育,2021.

[3]糜兰.高中化学氯气相关实验的绿色化改进[J].教育研究与评论.2020(1)

[4]王志薇,闫秀玲,刘成国.磁化改进铁粉与水蒸气反应实验[J].中学生数理化·教与学.2021.

[5]你参考的化学书（书籍后面的字母是[M])

[6]刘琦,王冰.氯气的危害及其治理[J].安全.2005.

撰文： 王胤洁

图片：邹涛

审核：刘旭

上传：邹涛