適合學(xué)生探究的微型電解實驗設(shè)計.doc

適合學(xué)生探究的微型電解實驗設(shè)計 摘要：針對教科書介紹的相關(guān)電解實驗方案的不足，設(shè)計了一套借助于生活中常見物質(zhì)和材料的微型電解實驗裝置，并用該裝置進行電解硫酸鈉溶液和飽和食鹽水等研究，實踐表明該實驗宜作為學(xué)生探究實驗。/關(guān)鍵詞：微型電解；實驗設(shè)計；學(xué)生探究：1005?c6629（xx）7?c0057?c02：g633.8：b普通高中化學(xué)課程標準（實驗）中提出“教師和實驗管理人員應(yīng)開發(fā)實驗儀器，研究低成本、少污染的化學(xué)實驗。同時也鼓勵學(xué)生和教師充分利用生活中的常用品和廢棄物，設(shè)計富有特色的實驗和實踐活動1”。電解作為一種技術(shù)手段在科學(xué)研究和工業(yè)生產(chǎn)中有著非常廣泛的應(yīng)用，而其相關(guān)知識也是中學(xué)化學(xué)教學(xué)的重要內(nèi)容。筆者在日常的教學(xué)中發(fā)現(xiàn)教科書介紹的相關(guān)電解實驗方案存在試劑用量較多、實驗現(xiàn)象不易被所有學(xué)生看到、適合教師課堂演示而不太適合學(xué)生進行自主探究等不足。為克服以上不足，筆者借助于天然指示劑紫甘藍汁，利用西林瓶（一種膠塞封口的小瓶子）、飲料瓶蓋、注射針頭、電池、鉛筆芯等物質(zhì)設(shè)計了適合學(xué)生探究的微型電解實驗，在常態(tài)課堂和綜合實踐活動課中應(yīng)用效果良好，現(xiàn)介紹如下。1實驗設(shè)計1.1微型電解實驗裝置圖1為微型電解實驗裝置，2個3ml的西林瓶作為電解池，飲料瓶蓋承載西林瓶，注射針頭穿過飲料瓶蓋作為電極，連接導(dǎo)線的鱷魚夾各夾住2個注射針，并分別與9v的電源相連。需要說明的是本實驗中注射針頭應(yīng)使用全新的，不能使用已用過的醫(yī)療廢棄針頭。1.2選擇紫甘藍汁作指示劑一些電解質(zhì)溶液電解后，其酸堿性經(jīng)常發(fā)生變化，因此需要加入酸堿指示劑（如酚酞）揭示陰陽極所發(fā)生的電極反應(yīng)；紫甘藍汁可由紫甘藍（紫卷心菜）制得，所含色素的顏色會隨ph改變而有鮮明的變化，且較穩(wěn)定，可保存較長的時間，是一種天然的酸堿指示劑；已有文獻報道了紫甘藍汁遇到不同ph溶液所呈現(xiàn)的不同顏色，如表1所示。筆者將紫包菜剪碎，用熱水浸泡獲得紫甘藍汁（或直接剁碎紫包菜擠壓獲得高濃度的紫甘藍汁）。借助于ph傳感器配制了上述不同ph的溶液，發(fā)現(xiàn)溶液酸性增強，紫甘藍汁的顏色由紫青色逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榧t色，溶液堿性增強，紫甘藍汁的顏色由紫青色先變成綠色，后變?yōu)辄S色，證明了上述結(jié)論的正確性。因此我們借助紫甘藍汁來作為該微型實驗的酸堿指示劑。2實驗應(yīng)用2.1電解硫酸鈉溶液配制1mol?l-1硫酸鈉溶液，向2個西林瓶中分別加入硫酸鈉溶液至體積占大部分，然后滴加紫甘藍汁至瓶口，將盛滿液體的西林瓶反倒于瓶蓋中，與注射針頭相接觸。向飲料瓶蓋中加入少量硫酸鈉溶液，以保證整個裝置回路，用連接導(dǎo)線的的鱷魚夾各夾住2個注射針，并分別與9v的電源相連?？梢园l(fā)現(xiàn)大約12分鐘就可以觀察到下列明顯的現(xiàn)象：陽極附近有氣泡產(chǎn)生，溶液變紅色說明陽極區(qū)顯酸性，水分子失去電子，生成氧氣和h+；陰極附近有氣泡產(chǎn)生，溶液變綠色說明陰極區(qū)顯堿性，水分子得到電子，生成氫氣和oh-。學(xué)生依據(jù)上述的實驗現(xiàn)象就可以寫出該反應(yīng)的電極反應(yīng)式。隨著反應(yīng)的進行，陰極溶液堿性增強，由綠色變成黃色。筆者建議若本實驗應(yīng)用于課堂教學(xué)，只要觀察到陰極區(qū)變綠色即可，若應(yīng)用于綜合實踐活動和研究性學(xué)習(xí)，可引導(dǎo)學(xué)生進一步觀察溶液顏色的變化。陽極反應(yīng)：2h2o-4e-=o2+4h+陰極反應(yīng)：2h2o+2e-=h2+2oh-2.2電解飽和食鹽水將上述硫酸鈉溶液換成飽和食鹽水，陽極電極換成鉛筆筆芯，其余步驟同上。但該實驗進行到10分鐘時，陽極溶液才褪色，此時產(chǎn)生的氣體已把陽極的溶液排得僅剩少部分，而陰極所在西林瓶中的溶液則更是被排得所剩無幾（因為氫氣的逸出速率比氯氣大）。為了解決該問題，筆者將作為陽極的西林瓶中溶液體積減少一半，陰極溶液體積不變，可以發(fā)現(xiàn)大約5min內(nèi)陽極就可以出現(xiàn)由紫色變紅色進而褪為無色的現(xiàn)象，便于學(xué)生的自主探究。該微型實驗裝置也可以用于其他溶液電解實驗的研究，由于不同反應(yīng)的分解電壓有差別，可在電源回路中串聯(lián)一個合適的變阻器，用于調(diào)節(jié)電解電壓，實驗時逐漸增大電壓，至電極上有明顯反應(yīng)為止。3實驗特點宋心琦教授在“中學(xué)化學(xué)教學(xué)改革與微型實驗”一文中指出，微型化學(xué)實驗在中學(xué)化學(xué)中推廣艱難的原因之一是很多物質(zhì)在微量時和常量時給予觀察者的感受可能不同，使得印象或結(jié)論因此不同3。筆者認為不僅是物質(zhì)本身，化學(xué)反應(yīng)有時在微量和常量時給予觀察者的感受也不同，而本案例中的電解質(zhì)溶液雖然是“微量”（3ml），但現(xiàn)象并沒有因此打折扣，實驗現(xiàn)象明顯。以電解硫酸鈉溶液為例，陰陽兩極的溶液分別呈現(xiàn)紅色和綠色，呈現(xiàn)鮮明的顏色區(qū)別。上述介紹的實驗裝置和相關(guān)的設(shè)計除了具有現(xiàn)象明顯的特點外，還具有以下一些優(yōu)點：（1）時間較短，適合學(xué)生自主探究，探究電解硫酸鈉溶液大約1分鐘后就能觀察到明顯現(xiàn)象，而飽和食鹽水的電解則可以在5分鐘內(nèi)看到陽極先變紅后褪色的現(xiàn)象。（2）成本較低，在淘寶上購買西林瓶，僅2毛錢1個，注射器為2元，而鉛筆芯和飲料瓶蓋均可在日常生活中尋找，唯一較貴的是電池為8元左右，可重復(fù)使用多次。（3）揭示電解原理和反應(yīng)產(chǎn)物，兩極產(chǎn)生氣泡的數(shù)量和顏色變化的不同揭示了電解質(zhì)溶液的酸堿性和反應(yīng)產(chǎn)物，特別是電解飽和食鹽水，陽極顏色的變化揭示了電解產(chǎn)物氯氣、氯氣與水反應(yīng)、次氯酸具有漂白性等一系列變化。教學(xué)實踐表明：該實驗?zāi)茉谝欢ǔ潭壬暇徑鈱嶒炋骄亢徒虒W(xué)效率之間的沖突，而且能深刻地揭示反應(yīng)原理，將電化學(xué)和元素化合物知識聯(lián)系起來，具有較強的綜合性。參考文獻：1中華人民共和國教育部制定.普通高中化學(xué)課程標準（實驗）s.北京：人民教育出版社，xx：41.2陳凱，龍琪，張莉娜.一滴紫甘藍汁的微型電解實驗j.化學(xué)教育，xx，（8）：65-67.3宋心琦.中學(xué)化學(xué)教學(xué)改革與微型實驗j.內(nèi)蒙古民族大學(xué)學(xué)報，xx，（7）：12. 摘要：針對教科書介紹的相關(guān)電解實驗方案的不足，設(shè)計了一套借助于生活中常見物質(zhì)和材料的微型電解實驗裝置，并用該裝置進行電解硫酸鈉溶液和飽和食鹽水等研究，實踐表明該實驗宜作為學(xué)生探究實驗。/關(guān)鍵詞：微型電解；實驗設(shè)計；學(xué)生探究：1005?c6629（xx）7?c0057?c02：g633.8：b普通高中化學(xué)課程標準（實驗）中提出“教師和實驗管理人員應(yīng)開發(fā)實驗儀器，研究低成本、少污染的化學(xué)實驗。同時也鼓勵學(xué)生和教師充分利用生活中的常用品和廢棄物，設(shè)計富有特色的實驗和實踐活動1”。電解作為一種技術(shù)手段在科學(xué)研究和工業(yè)生產(chǎn)中有著非常廣泛的應(yīng)用，而其相關(guān)知識也是中學(xué)化學(xué)教學(xué)的重要內(nèi)容。筆者在日常的教學(xué)中發(fā)現(xiàn)教科書介紹的相關(guān)電解實驗方案存在試劑用量較多、實驗現(xiàn)象不易被所有學(xué)生看到、適合教師課堂演示而不太適合學(xué)生進行自主探究等不足。為克服以上不足，筆者借助于天然指示劑紫甘藍汁，利用西林瓶（一種膠塞封口的小瓶子）、飲料瓶蓋、注射針頭、電池、鉛筆芯等物質(zhì)設(shè)計了適合學(xué)生探究的微型電解實驗，在常態(tài)課堂和綜合實踐活動課中應(yīng)用效果良好，現(xiàn)介紹如下。1實驗設(shè)計1.1微型電解實驗裝置圖1為微型電解實驗裝置，2個3ml的西林瓶作為電解池，飲料瓶蓋承載西林瓶，注射針頭穿過飲料瓶蓋作為電極，連接導(dǎo)線的鱷魚夾各夾住2個注射針，并分別與9v的電源相連。需要說明的是本實驗中注射針頭應(yīng)使用全新的，不能使用已用過的醫(yī)療廢棄針頭。1.2選擇紫甘藍汁作指示劑一些電解質(zhì)溶液電解后，其酸堿性經(jīng)常發(fā)生變化，因此需要加入酸堿指示劑（如酚酞）揭示陰陽極所發(fā)生的電極反應(yīng)；紫甘藍汁可由紫甘藍（紫卷心菜）制得，所含色素的顏色會隨ph改變而有鮮明的變化，且較穩(wěn)定，可保存較長的時間，是一種天然的酸堿指示劑；已有文獻報道了紫甘藍汁遇到不同ph溶液所呈現(xiàn)的不同顏色，如表1所示。筆者將紫包菜剪碎，用熱水浸泡獲得紫甘藍汁（或直接剁碎紫包菜擠壓獲得高濃度的紫甘藍汁）。借助于ph傳感器配制了上述不同ph的溶液，發(fā)現(xiàn)溶液酸性增強，紫甘藍汁的顏色由紫青色逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榧t色，溶液堿性增強，紫甘藍汁的顏色由紫青色先變成綠色，后變?yōu)辄S色，證明了上述結(jié)論的正確性。因此我們借助紫甘藍汁來作為該微型實驗的酸堿指示劑。2實驗應(yīng)用2.1電解硫酸鈉溶液配制1mol?l-1硫酸鈉溶液，向2個西林瓶中分別加入硫酸鈉溶液至體積占大部分，然后滴加紫甘藍汁至瓶口，將盛滿液體的西林瓶反倒于瓶蓋中，與注射針頭相接觸。向飲料瓶蓋中加入少量硫酸鈉溶液，以保證整個裝置回路，用連接導(dǎo)線的的鱷魚夾各夾住2個注射針，并分別與9v的電源相連?？梢园l(fā)現(xiàn)大約12分鐘就可以觀察到下列明顯的現(xiàn)象：陽極附近有氣泡產(chǎn)生，溶液變紅色說明陽極區(qū)顯酸性，水分子失去電子，生成氧氣和h+；陰極附近有氣泡產(chǎn)生，溶液變綠色說明陰極區(qū)顯堿性，水分子得到電子，生成氫氣和oh-。學(xué)生依據(jù)上述的實驗現(xiàn)象就可以寫出該反應(yīng)的電極反應(yīng)式。隨著反應(yīng)的進行，陰極溶液堿性增強，由綠色變成黃色。筆者建議若本實驗應(yīng)用于課堂教學(xué)，只要觀察到陰極區(qū)變綠色即可，若應(yīng)用于綜合實踐活動和研究性學(xué)習(xí)，可引導(dǎo)學(xué)生進一步觀察溶液顏色的變化。陽極反應(yīng)：2h2o-4e-=o2+4h+陰極反應(yīng)：2h2o+2e-=h2+2oh-2.2電解飽和食鹽水將上述硫酸鈉溶液換成飽和食鹽水，陽極電極換成鉛筆筆芯，其余步驟同上。但該實驗進行到10分鐘時，陽極溶液才褪色，此時產(chǎn)生的氣體已把陽極的溶液排得僅剩少部分，而陰極所在西林瓶中的溶液則更是被排得所剩無幾（因為氫氣的逸出速率比氯氣大）。為了解決該問題，筆者將作為陽極的西林瓶中溶液體積減少一半，陰極溶液體積不變，可以發(fā)現(xiàn)大約5min內(nèi)陽極就可以出現(xiàn)由紫色變紅色進而褪為無色的現(xiàn)象，便于學(xué)生的自主探究。該微型實驗裝置也可以用于其他溶液電解實驗的研究，由于不同反應(yīng)的分解電壓有差別，可在電源回路中串聯(lián)一個合適的變阻器，用于調(diào)節(jié)電解電壓，實驗時逐漸增大電壓，至電極上有明顯反應(yīng)為止。3實驗特點宋心琦教授在“中學(xué)化學(xué)教學(xué)改革與微型實驗”一文中指出，微型化學(xué)實驗在中學(xué)化學(xué)中推廣艱難的原因之一是很多物質(zhì)在微量時和常量時給予觀察者的感受可能不同，使得印象或結(jié)論因此不同3。筆者認為不僅是物質(zhì)本身，化學(xué)反應(yīng)有時在微量和常量時給予觀察者的感受也不同，而本案例中的電解質(zhì)溶液雖然是“微量”（3ml），但現(xiàn)象并沒有因此打折扣，實驗現(xiàn)象明顯。以電解硫酸鈉溶液為例，陰陽兩極的溶液分別呈現(xiàn)紅色和綠色，呈現(xiàn)鮮明的顏色區(qū)別。上述介紹的實驗裝置和相關(guān)的設(shè)計除了具有現(xiàn)象明顯的特點外，還具有以下一些優(yōu)點：（1）時間較短，適合學(xué)生自主探究，探究電解硫酸鈉溶液大約1分鐘后就能觀察到明顯現(xiàn)象，而飽和食鹽水的電解則可以在5分鐘內(nèi)看到陽極先變紅后褪色的現(xiàn)象。（2）成本較低，在淘寶上購買西林瓶，僅2毛錢1個，注射器為2元，而鉛筆芯和飲料瓶蓋均可在日常生活中尋找，唯一較貴的是電池為8元左右，可重復(fù)使用多次。（3）揭示電解原理和反應(yīng)產(chǎn)物，兩極產(chǎn)生氣泡的數(shù)量和顏色變化的不同揭示了電解質(zhì)溶液的酸堿性和反應(yīng)產(chǎn)物，特別是電解飽和食鹽水，陽極顏色的變化揭示了電解產(chǎn)物氯