電解池+教學(xué)設(shè)計(jì) 高二上學(xué)期化學(xué)人教版（2019）選擇性必修1

如何實(shí)現(xiàn)銅置換鋅使用教材本節(jié)課為人教版新教材《選擇性必修1：化學(xué)反應(yīng)原理》第四章第二節(jié)“電解池”實(shí)驗(yàn)課。實(shí)驗(yàn)器材學(xué)生電源、燒杯、鹽橋、培養(yǎng)皿、濾紙、銅片、鋅片、飽和NaCl溶液、濃氨水、0.5mol/LZnSO4/(NH4)2SO41:1混合溶液、1mol/LZnSO4溶液、0.5mol/L(NH4)2Fe(SO4)2溶液三、實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新點(diǎn)（一）設(shè)計(jì)得到雙液電解池，可以快速（2min內(nèi)）實(shí)現(xiàn)“銅置換鋅”的反應(yīng)，陰極鋅產(chǎn)物純凈（見圖1）。（二）創(chuàng)新性結(jié)合電解池和紙色譜知識(shí)，設(shè)計(jì)得到紙色譜單液電解池，并從正反兩方面驗(yàn)證了該設(shè)計(jì)理念，從而簡(jiǎn)單、可視化、獨(dú)創(chuàng)性地實(shí)現(xiàn)了“銅置換鋅”反應(yīng)。該實(shí)驗(yàn)有三大亮點(diǎn)：（1）本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)為《選修1：化學(xué)反應(yīng)原理》一輪復(fù)習(xí)課程的提升擴(kuò)展實(shí)驗(yàn)，豐富和拓展了反應(yīng)原理和一輪復(fù)習(xí)階段的實(shí)驗(yàn)課程。（2）良好的趣味性：同學(xué)們自己動(dòng)手創(chuàng)造的鋅樹感到十分驚喜，甚至可以帶回家去成為化學(xué)課得到的“藝術(shù)品”。（見圖2）（3）極佳可推廣性：只需要鋅片、銅片、培養(yǎng)皿濾紙、學(xué)生電源和<2mL簡(jiǎn)單ZnSO4溶液，不到兩分鐘即可實(shí)現(xiàn)，方便課堂展示。操作容易、無(wú)危險(xiǎn)，適宜推廣為學(xué)生實(shí)驗(yàn)。（見圖3）圖1圖2圖3四、實(shí)驗(yàn)原理（一）設(shè)計(jì)電解池實(shí)現(xiàn)“銅置換鋅”的反應(yīng)，是一個(gè)“弱制強(qiáng)”的反應(yīng)，常溫下不能自發(fā)發(fā)生。不能自發(fā)發(fā)生不等于不能發(fā)生，將此反應(yīng)設(shè)計(jì)成電解池裝置，不斷輸入電能，即可實(shí)現(xiàn)銅置換鋅反應(yīng)。（二）從單液電解池到雙液電解池設(shè)計(jì)成單液電解池（圖4），陽(yáng)極銅失電子變成Cu2+，ZnSO4電解液中Zn2+在陰極銅上得電子變成鋅，這樣就實(shí)現(xiàn)了Cu+Zn2+==Zn+Cu2+的銅置換鋅的反應(yīng)。但是Cu2+也會(huì)移動(dòng)到陰極，而且會(huì)優(yōu)先于Zn2+放電，很快這個(gè)裝置就會(huì)變成Cu2+下Cu2+上的電鍍銅的反應(yīng)。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證確實(shí)如此。圖4圖5本質(zhì)問(wèn)題在于阻斷Cu2+移動(dòng)到陰極，聯(lián)想到雙液原電池設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)成雙液電解池，即可從根本上解決這一問(wèn)題（圖5）。陽(yáng)極溶液使用加濃氨水的NaCl溶液（陽(yáng)極溶液只需導(dǎo)電，加入濃氨水變深藍(lán)色即可快速鑒定生成了Cu2+）；陰極溶液加入銨鹽可以抑制Zn2+的水解減少氫氣生成。實(shí)驗(yàn)證實(shí)可以快速（2min內(nèi)）實(shí)現(xiàn)“銅置換鋅”的反應(yīng)，陰極鋅產(chǎn)物純凈（見圖1）。（三）從雙液電解池到紙色譜單液電解池雙液電解不夠直觀，我們思考能否更加簡(jiǎn)單、直觀地只在一個(gè)ZnSO4溶液中實(shí)現(xiàn)銅置換鋅反應(yīng)。單液電解法的本質(zhì)問(wèn)題，即銅離子會(huì)移動(dòng)到陰極放電，設(shè)計(jì)成雙液電解池即阻斷Cu2+的移動(dòng)，換一種思路，只要減慢Cu2+的移動(dòng)速度，讓其在電解的時(shí)間內(nèi)移不到陰極即可。如何減慢Cu2+的移動(dòng)速度呢？我們?cè)谶x修3有機(jī)物分離方法中的紙色譜法得到啟發(fā)：金屬陽(yáng)離子在紙色譜固定相中的移動(dòng)速度會(huì)減慢。）只要把將溶液“固定”在紙色譜上，即可設(shè)計(jì)進(jìn)行單液電解池來(lái)實(shí)現(xiàn)：培養(yǎng)皿中加入三層濾紙，滴入ZnSO4溶液剛好浸透濾紙，在濾紙兩端固定鋅片(陰極)和銅片(陽(yáng)極)進(jìn)行電解。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證可以快速實(shí)現(xiàn)：陰極區(qū)鋅離子還原長(zhǎng)成鋅樹，陽(yáng)極區(qū)滴入濃氨水變藍(lán)色生成Cu2+（下圖6）。圖6為驗(yàn)證Cu2+在紙色譜中移動(dòng)速度低，確實(shí)沒有移到陰極，我們?cè)O(shè)計(jì)了驗(yàn)證試驗(yàn)：硫酸鋅溶液中加入濃氨水重復(fù)此實(shí)驗(yàn)，這樣銅離子一旦產(chǎn)生就會(huì)顯出藍(lán)色，我們可以追蹤C(jī)u2+的移動(dòng)范圍?？梢钥吹?min、5min、10min、20min兩極情況，鋅樹在不斷生長(zhǎng)的同時(shí)，銅離子的移動(dòng)范圍也在越來(lái)越大，但是始終未到達(dá)陰極（下圖7）。這樣，即快速、簡(jiǎn)單、可視化、創(chuàng)新性地實(shí)現(xiàn)了“銅置換鋅”反應(yīng)。圖7五、實(shí)驗(yàn)教學(xué)目標(biāo)（一）我提出了“如何實(shí)現(xiàn)‘銅置換鋅’的反應(yīng)”這一有趣問(wèn)題，并試圖圍繞此構(gòu)建微課題，設(shè)計(jì)進(jìn)行一系列微項(xiàng)目化探究和學(xué)習(xí)；（二）通過(guò)讓同學(xué)們自己設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)裝置，不斷發(fā)現(xiàn)并解決問(wèn)題、擴(kuò)展研究，培養(yǎng)他們的科學(xué)探究和創(chuàng)新意識(shí)；（三）在不斷的證據(jù)推理驗(yàn)證中提升同學(xué)們對(duì)于電解池的模型認(rèn)知；（四）提高同學(xué)們的思維和動(dòng)手能力，彰顯科學(xué)態(tài)度。六、實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容：（一）問(wèn)題的提出：通過(guò)提出如何實(shí)現(xiàn)銅置換鋅這一課題，請(qǐng)同學(xué)們自己設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案；（二）問(wèn)題的初步解決——雙液電解池的設(shè)計(jì)：課堂上進(jìn)行討論，設(shè)計(jì)中最常見的單液電解法的問(wèn)題，并得到雙液電解法來(lái)初步解決此問(wèn)題；（三）問(wèn)題的創(chuàng)新性解決——紙色譜單液電解法的設(shè)計(jì)：進(jìn)一步追問(wèn)雙液電解的缺陷和單液電解的本質(zhì)問(wèn)題，開拓思路，深入思考。進(jìn)而設(shè)計(jì)出更為創(chuàng)造性地紙色譜單液電解池的設(shè)計(jì)；（四）實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)的新問(wèn)題——反饋和思考：我們關(guān)注同學(xué)們?cè)趯?shí)驗(yàn)過(guò)程中親身發(fā)現(xiàn)的新生成問(wèn)題，并及時(shí)進(jìn)行討論，得到新思考；（五）對(duì)課題進(jìn)行進(jìn)一步擴(kuò)展探究：如何實(shí)現(xiàn)“銅置換其他活潑金屬”？請(qǐng)同學(xué)們通過(guò)銅置換鋅的學(xué)習(xí)，獨(dú)立設(shè)計(jì)并實(shí)驗(yàn)探索“銅置換鐵”的實(shí)現(xiàn)。七、實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程（一）問(wèn)題的提出：通過(guò)提出如何實(shí)現(xiàn)“銅置換鋅”在上一節(jié)課對(duì)電解池的知識(shí)復(fù)習(xí)后，我給學(xué)生提出了一道思考題，同學(xué)們能否實(shí)現(xiàn)銅置換鋅的反應(yīng)。這個(gè)問(wèn)題帶來(lái)了第一個(gè)認(rèn)知沖突，同學(xué)們說(shuō)直覺感覺這個(gè)反應(yīng)不能發(fā)生。這是一個(gè)“弱制強(qiáng)”的反應(yīng)，不能自發(fā)發(fā)生，通過(guò)課堂引導(dǎo)，結(jié)合對(duì)反應(yīng)自發(fā)性的認(rèn)知，同學(xué)們理解不能自發(fā)發(fā)生不等于不能發(fā)生，只要不斷向體系輸入能量反應(yīng)即可發(fā)生，聯(lián)系到本節(jié)內(nèi)容，同學(xué)們立刻想到，電解池正是一個(gè)不斷向體系輸入能量的裝置。即將此反應(yīng)設(shè)計(jì)成電解池裝置，不斷輸入電能，即可“奇跡般”實(shí)現(xiàn)銅置換鋅反應(yīng)。結(jié)合此前做過(guò)的電鍍銅的實(shí)驗(yàn)，我請(qǐng)同學(xué)們?cè)谡n下自己來(lái)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)這一“奇跡”的過(guò)程。上課前將作業(yè)中同學(xué)們的各種實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行正式的收集歸納整理，本節(jié)課開始，我們就四人一組來(lái)討論和驗(yàn)證這些設(shè)計(jì)的優(yōu)缺點(diǎn)。（二）問(wèn)題的初步解決——雙液電解池的設(shè)計(jì)同學(xué)們最多設(shè)計(jì)是單液電解池的設(shè)計(jì)：陽(yáng)極銅失電子變成Cu2+，ZnSO4電解液中Zn2+在陰極銅上得電子變成鋅，這樣就實(shí)現(xiàn)了Cu+Zn2+==Zn+Cu2+的銅置換鋅的反應(yīng)。但是這種設(shè)計(jì)有什么問(wèn)題呢？通過(guò)小組討論同學(xué)們得出：Cu2+也會(huì)移動(dòng)到陰極，而且會(huì)優(yōu)先于Zn2+放電，很快這個(gè)裝置就會(huì)變成Cu2+下Cu2+上的電鍍銅的反應(yīng)。（見圖4）同學(xué)們立即搭建設(shè)計(jì)的裝置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，證明此問(wèn)題確實(shí)存在：溶液很快變?yōu)樗{(lán)色CuSO4溶液，陰極初期會(huì)得到鋅但很快銅出現(xiàn)且越來(lái)越多，很快成為電鍍銅實(shí)驗(yàn)（見圖8）。圖8那么如何改進(jìn)裝置來(lái)解決這一問(wèn)題，我們請(qǐng)同學(xué)們繼續(xù)討論，問(wèn)題本質(zhì)在于阻斷Cu2+移動(dòng)到陰極，有同學(xué)想到使用陰離子交換膜，更進(jìn)一步，同學(xué)們聯(lián)想到雙液原電池設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)成雙液電解池，即可從根本上解決這一問(wèn)題。非?？少F的是有同學(xué)一開始就想到了此設(shè)計(jì)。在此基礎(chǔ)上我對(duì)這位同學(xué)的設(shè)計(jì)進(jìn)行了改進(jìn)，并請(qǐng)同學(xué)們討論思考改進(jìn)的原因，為什么陽(yáng)極溶液使用加濃氨水的NaCl溶液，其實(shí)陽(yáng)極溶液只需導(dǎo)電，加入濃氨水變深藍(lán)色即可快速鑒定生成了Cu2+；為什么陰極溶液加入銨鹽？加入銨鹽可以抑制Zn2+的水解減少氫氣生成。同學(xué)們立即搭建裝置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，得到了預(yù)想的結(jié)果。實(shí)驗(yàn)快速、純凈地實(shí)現(xiàn)銅置換鋅的反應(yīng)。以下是實(shí)驗(yàn)演示。這樣同學(xué)們通過(guò)設(shè)計(jì)雙液電解池，初步實(shí)現(xiàn)了銅置換鋅的反應(yīng)。（見圖9）圖9（三）問(wèn)題的創(chuàng)新性解決——紙色譜單液電解法的設(shè)計(jì)下面我繼續(xù)追問(wèn)：這種雙液電解池是否還有問(wèn)題和改進(jìn)空間？同學(xué)們討論認(rèn)為雙液置換不夠直觀。那么能否更加簡(jiǎn)單、直觀地只在一個(gè)ZnSO4溶液中實(shí)現(xiàn)銅置換鋅反應(yīng)呢？我們請(qǐng)同學(xué)們繼續(xù)進(jìn)行思考——單液電解法的本質(zhì)問(wèn)題，即銅離子會(huì)移動(dòng)到陰極放電，設(shè)計(jì)成雙液電解池即阻斷Cu2+的移動(dòng)，我們能否換一種思路，只要減慢Cu2+的移動(dòng)速度，讓其在電解的時(shí)間內(nèi)移不到陰極即可。如何減慢Cu2+的移動(dòng)速度呢？我們鼓勵(lì)同學(xué)們大膽突破原理、有機(jī)、無(wú)機(jī)的章節(jié)限制，最終在選修3有機(jī)物分離方法中的紙色譜法得到啟發(fā)：我們知道金屬陽(yáng)離子在紙色譜固定相中的移動(dòng)速度會(huì)減慢。只要把將溶液“固定”在紙色譜上，即可設(shè)計(jì)進(jìn)行單液電解池來(lái)實(shí)現(xiàn)。同學(xué)們進(jìn)行小組討論討，得到紙色譜單液電解池設(shè)計(jì)：培養(yǎng)皿中加入三層濾紙，滴入ZnSO4溶液剛好浸透濾紙，在濾紙兩端固定鋅片(陰極)和銅片(陽(yáng)極)進(jìn)行電解。同學(xué)們搭建設(shè)計(jì)的裝置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)可以實(shí)現(xiàn)單液電解池銅置換鋅反應(yīng)，陰極區(qū)鋅離子還原長(zhǎng)成鋅樹，陽(yáng)極區(qū)滴入濃氨水變藍(lán)色生成Cu2+。（見圖10）圖10我們請(qǐng)同學(xué)們討論能否設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，銅離子移動(dòng)速度慢，沒有移動(dòng)到陰極？同學(xué)們想到了在硫酸鋅溶液中加入濃氨水，重復(fù)此實(shí)驗(yàn)，這樣銅離子一旦產(chǎn)生就會(huì)顯出藍(lán)色，我們就可以追蹤C(jī)u2+的移動(dòng)范圍。我們做了相關(guān)實(shí)驗(yàn)，可以看到1min、5min、10min、20min兩極情況，鋅樹在不斷生長(zhǎng)的同時(shí)，銅離子的移動(dòng)范圍也在越來(lái)越大，但是始終未到達(dá)陰極（見圖11）。圖11反之，我們故意調(diào)兩極間的距離，延長(zhǎng)電解時(shí)間，讓銅離子到達(dá)的藍(lán)色區(qū)域接觸陰極鋅樹，可以明顯看到在銅離子到達(dá)的藍(lán)色區(qū)域內(nèi)，閃亮的鋅樹開始變成暗紅色的銅樹，此時(shí)銅離子才到達(dá)陰極還原為銅。這樣通過(guò)不斷討論、思考，同學(xué)們?cè)O(shè)計(jì)出紙色譜單液電解池，并從正反兩方面驗(yàn)證了該設(shè)計(jì)理念，從而簡(jiǎn)單、可視化、創(chuàng)新性實(shí)現(xiàn)了單液電解池“銅置換鋅”反應(yīng)。）（四）實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)的新問(wèn)題——反饋和思考我們關(guān)注到，同學(xué)們?cè)趯?shí)驗(yàn)過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)了一些新的問(wèn)題。此時(shí)我請(qǐng)同學(xué)們繼續(xù)討論這些新生成的問(wèn)題與發(fā)現(xiàn)：有同學(xué)發(fā)現(xiàn)加入過(guò)多溶液沒過(guò)紙片，很快就在鋅樹上結(jié)出銅。有同學(xué)將這個(gè)美麗的意外發(fā)現(xiàn)稱之為“鋅樹銅花一片藍(lán)”（見圖12）。請(qǐng)同學(xué)們討論：過(guò)多溶液沒過(guò)紙片，則Cu2+在上方溶液中快速移動(dòng)至陰極還原變?yōu)殂~。收獲思考：加入溶液要?jiǎng)倓偨駷V紙，使全部溶液“鎖”在濾紙固定相上，才能真正有效控制Cu2+移動(dòng)速度實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)目的。圖12還有同學(xué)發(fā)現(xiàn)“鋅透紙背”的現(xiàn)象：揭開濾紙，看到鋅樹會(huì)在第一層背面和第二層濾紙也有生長(zhǎng)（見圖13），通過(guò)小組討論體會(huì)到濾紙的粗糙表面對(duì)鋅樹生長(zhǎng)的具有良好的承載作用。圖13這樣學(xué)生通過(guò)親自動(dòng)手實(shí)驗(yàn)，有了新的發(fā)現(xiàn)和新的思考，同時(shí)加深了對(duì)紙色譜在設(shè)計(jì)中不可替代作用的理解。（五）對(duì)課題進(jìn)行進(jìn)一步擴(kuò)展探究在用兩種方法創(chuàng)新性地實(shí)現(xiàn)“銅置換鋅”后，我們繼續(xù)追問(wèn)，是否可以將課題繼續(xù)擴(kuò)展到銅置換其他金屬？我們請(qǐng)同學(xué)們通過(guò)銅置換鋅的學(xué)習(xí)，獨(dú)立探索“銅置換鐵”的實(shí)現(xiàn)。同學(xué)們?cè)谠O(shè)計(jì)并完成試驗(yàn)后，獲得了結(jié)果，匯報(bào)如下（見圖14）：普通單液電解池效果不佳，自行設(shè)計(jì)的雙液電解池和紙色譜單液電解池都可以達(dá)到良好的效果（長(zhǎng)成鐵樹），實(shí)現(xiàn)銅置換鐵反應(yīng)。圖14我們請(qǐng)同學(xué)們課下將探究過(guò)程、結(jié)果、思考形成正式的實(shí)驗(yàn)報(bào)告）那么是否可以進(jìn)一步推廣到使用電解池法實(shí)現(xiàn)各種“弱制強(qiáng)”的金屬置換反應(yīng)呢，我們請(qǐng)同學(xué)們課下繼續(xù)思考，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，繼續(xù)擴(kuò)展該課題的研究。八、實(shí)驗(yàn)效果評(píng)價(jià)本節(jié)課我們以學(xué)生為主體，開展實(shí)驗(yàn)課堂，成功實(shí)現(xiàn)了圍繞該銅置換鋅微課題的一系列項(xiàng)目化探究和學(xué)習(xí)。創(chuàng)新性地結(jié)合了紙色譜和電解池知識(shí)，打破了章節(jié)限制，提高同學(xué)們對(duì)化學(xué)學(xué)科知識(shí)的整體性認(rèn)知；加深了同學(xué)們對(duì)于電解池的本質(zhì)認(rèn)知，在證據(jù)推理中提高對(duì)電解池的模型認(rèn)知。請(qǐng)同學(xué)們自己設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案并實(shí)現(xiàn)其的設(shè)計(jì)，解決真實(shí)問(wèn)題，激發(fā)和培養(yǎng)同學(xué)們的科學(xué)探究和創(chuàng)新意識(shí)。本實(shí)驗(yàn)具有良好的教學(xué)功能本實(shí)驗(yàn)