視頻簡(jiǎn)介：
視頻標(biāo)簽：電解原理的探究
所屬欄目：高中化學(xué)說(shuō)課視頻
視頻課題：高中化學(xué)說(shuō)課_《幻彩實(shí)驗(yàn)—項(xiàng)目式合作學(xué)習(xí)“電解原理的探究”》王倩.
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高中化學(xué)說(shuō)課_《幻彩實(shí)驗(yàn)——項(xiàng)目式合作學(xué)習(xí)“電解原理的探究”》王倩.
《幻彩實(shí)驗(yàn)——項(xiàng)目式合作學(xué)習(xí)“電解原理的探究”》
說(shuō)課稿
人教版化學(xué)選修4《化學(xué)反應(yīng)原理》第四章第三節(jié)“電解池”。
二、實(shí)驗(yàn)器材
1. 儀器及用品：U型管、鐵架臺(tái)、橡膠塞、酒精燈、導(dǎo)線、石墨電極、注射器、鐵絲、火柴、玻璃棒、量筒、燒杯、試管、膠頭滴管等。
2. 藥品及試劑：飽和NaCl溶液、飽和Na
2SO
4溶液，飽和CuSO
4溶液，1mol/L CuCl
2溶液，NaOH溶液（pH=8稀溶液，pH>13濃溶液）、飽和KCl溶液、果凍、鐵氰化鉀溶液、硫氰化鉀溶液、乙醇、紫甘藍(lán)提取液、紫色茄子皮提取液、黑香米提取液、紅莧菜提取液、卷心菜提取液、香蕉皮提取液。
三、實(shí)驗(yàn)改進(jìn)及創(chuàng)新要點(diǎn)
1. 優(yōu)化實(shí)驗(yàn)裝置
教材中無(wú)電解飽和食鹽水的實(shí)驗(yàn)，查閱文獻(xiàn)
[2]中此實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)大都集中在氣體檢驗(yàn)、尾氣處理上，改進(jìn)的方式與下圖1（1）相類似。此類裝置的導(dǎo)管中易有氯氣殘留，污染環(huán)境。
改進(jìn)后，裝置操作簡(jiǎn)便，安全可靠、無(wú)氣體泄露、殘留、綠色環(huán)保；可清晰觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，進(jìn)行氣體收集、檢驗(yàn)及尾氣處理，如上圖1（2）所示。
2. 改進(jìn)指示劑
文獻(xiàn)
[2]中用惰性電極電解飽和食鹽水，通過(guò)酚酞顯紅色證明陰極有OH
—生成。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中卻發(fā)現(xiàn)陰極附近溶液先呈紅色，之后紅色逐漸變淺甚至褪色，如圖2（1）所示。
在學(xué)生已有認(rèn)知中，用酚酞紅色的深淺來(lái)判斷
c(OH
—)的大小，而這個(gè)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象與學(xué)生的認(rèn)知產(chǎn)生了沖突。查文獻(xiàn)
[3]得知：酚酞在稀的堿性溶液（pH值為8.2~10.0）里呈紅色，較長(zhǎng)時(shí)間不褪色。酚酞在濃的強(qiáng)堿性溶液（pH值大于13）里先呈紅色，然后褪為無(wú)色。故用酚酞作指示劑，無(wú)法準(zhǔn)確表達(dá)電解飽和食鹽水時(shí)
c(OH
—)大小的變化。
引導(dǎo)學(xué)生查閱文獻(xiàn)
[4~5]，并進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，最終選取了紫甘藍(lán)提取液來(lái)替代酚酞。紫甘藍(lán)在酸性、堿性及中性環(huán)境中均呈現(xiàn)不同的顏色，且熱穩(wěn)定性較好。紫甘藍(lán)的變色范圍為pH <6.5粉紅色、7.0 < pH <7.1紫色、7.5< pH < 8.5藍(lán)色、8.5 < pH < 12綠色、pH > 12.5黃色。搜索知網(wǎng)，未查到紫甘藍(lán)乙醇提取液應(yīng)用于電解飽和食鹽水的實(shí)驗(yàn)。故選用紫甘藍(lán)提取液作電解飽和食鹽水的指示劑，有研究的價(jià)值。
改進(jìn)后實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：陽(yáng)極溶液由紫色變?yōu)榧t色（因氯氣與水反應(yīng)生成HCl），電極附近紅色隨后褪至無(wú)色（因氯氣與水反應(yīng)同時(shí)生成HClO）。陰極溶液由紫色迅速變?yōu)榫G色，隨后逐漸變?yōu)辄S色（因溶液中
c(OH
—)由小到大），在U型管底部?jī)蓸O溶液交匯處還可以看到藍(lán)色（因7.5< pH < 8.5時(shí)紫甘藍(lán)呈現(xiàn)藍(lán)色），如圖2（2）所示。
改選用紫甘藍(lán)提取液作指示劑，惰性電極電解飽和食鹽水，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象明顯。根據(jù)陰極溶液顏色的變化，可以感知OH
—產(chǎn)生、濃度由小到大變化的過(guò)程；根據(jù)陽(yáng)極溶液顏色的變化，可感知氯氣的生成，體會(huì)氯水的酸性和強(qiáng)氧化性。兩極美麗多變的現(xiàn)象，深深地吸引了學(xué)生，極大地調(diào)動(dòng)了學(xué)生探究學(xué)習(xí)的興趣。通過(guò)分析顏色變化的原因，幫助學(xué)生深刻理解電解原理。
3. 比較活性金屬電極與溶液中離子放電能力
利用圖2裝置，在石墨電極的基礎(chǔ)上增加金屬電極，還可清晰的比較石墨電極和金屬電極同時(shí)存在時(shí)兩極的放電情況。如圖3所示。
4. 模擬氯堿工業(yè)
利用圖2裝置，在U型管中間加入含有飽和KCl溶液的果凍充當(dāng)離子交換膜，可以成功模擬氯堿工業(yè)。此裝置改進(jìn)成本較低，幫助學(xué)生體驗(yàn)化學(xué)在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)態(tài)度和創(chuàng)新意識(shí)。如下圖4所示。
四、實(shí)驗(yàn)原理
1. 實(shí)驗(yàn)1：用惰性電極電解飽和食鹽水：2NaCl＋2H
2O
2NaOH＋Cl
2↑＋H
2↑
2. 實(shí)驗(yàn)2：用含飽和KCl溶液的冰粉充當(dāng)離子交換膜，模擬氯堿工業(yè)。
3. 實(shí)驗(yàn)3：比較活性金屬電極與溶液中離子放電能力。
只有石墨電極時(shí)，陽(yáng)極：2Cl
—－2e
—= Cl
2
再插入鐵絲后，陽(yáng)極：Fe－2e
—= Fe
2+；2Fe
2+＋Cl
2 = 2Fe
3+＋2Cl
—
4. 紫甘藍(lán)提取液的變色范圍：pH<6.5粉紅色；7.0<pH<7.1紫色；7.5<pH<8.5藍(lán)色； 8.5<pH<12綠色；pH>12.5黃色。
五、實(shí)驗(yàn)教學(xué)與評(píng)價(jià)目標(biāo)
1. 實(shí)驗(yàn)教學(xué)目標(biāo)
（1） 通過(guò)引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)電解實(shí)驗(yàn)中的問(wèn)題，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)裝置和實(shí)驗(yàn)材料的改進(jìn)，發(fā)展學(xué)生“科學(xué)探究與創(chuàng)新意識(shí)”的素養(yǎng)。
（2）通過(guò)對(duì)電解飽和食鹽水過(guò)程的分析解釋，發(fā)展學(xué)生“概括關(guān)聯(lián)和說(shuō)明論證”的能力，重新建立電解池系統(tǒng)分析的思維模型。
（3）通過(guò)其他物質(zhì)的電解實(shí)驗(yàn)，發(fā)展學(xué)生“應(yīng)用實(shí)踐、遷移創(chuàng)新”的能力，幫助學(xué)生完善認(rèn)識(shí)模型，建構(gòu)電解原理的化學(xué)基本觀念。
（4）通過(guò)模擬氯堿工業(yè)實(shí)驗(yàn)，體驗(yàn)化學(xué)在工業(yè)生產(chǎn)中的價(jià)值，增強(qiáng)社會(huì)責(zé)任感。
2．評(píng)價(jià)目標(biāo)
（1）通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)方案的交流與點(diǎn)評(píng)，診斷并發(fā)展學(xué)生的實(shí)驗(yàn)探究水平（定性水平）。
（2）通過(guò)對(duì)電能和化學(xué)能之間轉(zhuǎn)化的感知與分析，診斷并發(fā)展學(xué)生對(duì)能量轉(zhuǎn)化的認(rèn)識(shí)進(jìn)階（宏觀現(xiàn)象、微觀認(rèn)識(shí)）以及認(rèn)識(shí)思路的結(jié)構(gòu)化水平（視角水平、內(nèi)涵水平）。
（3）通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)試劑的改進(jìn)及處理的交流與點(diǎn)評(píng)，診斷并發(fā)展學(xué)生對(duì)化學(xué)價(jià)值的認(rèn)識(shí)水平（學(xué)科價(jià)值視角、社會(huì)價(jià)值視角、學(xué)科和社會(huì)價(jià)值視角）。
六、實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容
以項(xiàng)目式學(xué)習(xí)為指導(dǎo)，改進(jìn)電解實(shí)驗(yàn)裝置，以紫甘藍(lán)提取液為指示劑電解飽和食鹽水。通過(guò)觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，引導(dǎo)學(xué)生分析兩極電極反應(yīng)、溶液中離子移動(dòng)方向，正確書寫電極反應(yīng)及電池總反應(yīng)方程式。
在此科學(xué)探究的基礎(chǔ)上，學(xué)生借助含飽和食鹽水的果凍低成本模擬了氯堿工業(yè)；又借助石墨、金屬鐵兩種電極，比較了電解飽和食鹽水、飽和Na
2SO
4溶液、飽和CuSO
4溶液、CuCl
2溶液等8組實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的異同。通過(guò)辨析、歸納、總結(jié)，學(xué)生知道了陽(yáng)極金屬電極優(yōu)先于溶液中陰離子放電；借助離子的氧化性和還原性強(qiáng)弱，掌握溶液中常見(jiàn)陰陽(yáng)離子的放電順序，幫助學(xué)生深刻理解電解原理。
七、項(xiàng)目式合作學(xué)習(xí)電解原理的探究過(guò)程
【探究活動(dòng)一】?jī)?yōu)化實(shí)驗(yàn)裝置
[環(huán)節(jié)一]：創(chuàng)設(shè)情境，提出問(wèn)題
氯堿工業(yè)是以鹽和電為原料生產(chǎn)燒堿、氯氣、氫氣的基礎(chǔ)原材料工業(yè)。1萬(wàn)噸氯堿產(chǎn)品所帶動(dòng)的一次性經(jīng)濟(jì)產(chǎn)值在10億元人民幣以上。我國(guó)一直將主要氯堿產(chǎn)品產(chǎn)量及經(jīng)濟(jì)指標(biāo)作為我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)統(tǒng)計(jì)和考核的重要指標(biāo)。下面我們一起學(xué)習(xí)實(shí)驗(yàn)室電解飽和食鹽水（氯堿工業(yè)）的電解原理。
查閱文獻(xiàn)中實(shí)驗(yàn)室電解飽和食鹽水的改進(jìn)實(shí)驗(yàn)，大多集中在兩極氣體的處理上，如下圖部分改進(jìn)實(shí)驗(yàn)裝置。
此類裝置的導(dǎo)管中易有氯氣殘留，污染環(huán)境。
問(wèn)：能否將以上裝置優(yōu)化，使用中學(xué)實(shí)驗(yàn)室常用器材，設(shè)計(jì)一套安全簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)裝置。
[環(huán)節(jié)二]：設(shè)計(jì)組裝，實(shí)踐體驗(yàn)
學(xué)生討論，設(shè)計(jì)組裝了下圖裝置，并檢驗(yàn)了裝置氣密性。
學(xué)生動(dòng)手實(shí)驗(yàn)：在U型管中加入少量的水，向上拉動(dòng)一側(cè)活動(dòng)，松開(kāi)后，觀察兩側(cè)液面是否有高度差，如下圖5所示。
[環(huán)節(jié)三]：發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，分析原因
發(fā)現(xiàn)問(wèn)題：相同的實(shí)驗(yàn)裝置和操作，加水量不同時(shí)，兩側(cè)液面高度顯示的變化不同。
學(xué)生分析：加入少量水時(shí)，向上拉動(dòng)左側(cè)活塞，水中產(chǎn)生氣泡，說(shuō)明U型管右側(cè)的空氣穿過(guò)水進(jìn)入左側(cè)注射器，松開(kāi)活塞后，左側(cè)的氣體壓強(qiáng)大于右側(cè)的，所以液面才會(huì)顯示左低右高。反之水量較多時(shí)，右側(cè)進(jìn)入左側(cè)注射器的空氣較少，增大的壓強(qiáng)不足以將左側(cè)液體全部壓下，以至于顯示左高右低。
學(xué)生總結(jié)：不管兩側(cè)液面是左低右高，還是左高右低，只要兩側(cè)液面有穩(wěn)定的高度差，都可以證明裝置氣密性良好。
學(xué)生還嘗試了其他檢驗(yàn)裝置氣密性的操作，將U型管一側(cè)密封，在另一側(cè)加水，發(fā)現(xiàn)右側(cè)液面不再下降時(shí)，兩側(cè)液面形成穩(wěn)定的高度差。
學(xué)生評(píng)價(jià)：動(dòng)手驗(yàn)證才能發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)的樂(lè)趣，原來(lái)裝置氣密性檢測(cè)也這么有意思。
【探究活動(dòng)二】改進(jìn)電解飽和食鹽水的指示劑（實(shí)驗(yàn)1）
[環(huán)節(jié)一]：實(shí)踐體驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題
學(xué)生動(dòng)手實(shí)驗(yàn)：選擇酚酞作指示劑，用石墨電極電解飽和食鹽水，一段時(shí)間后，發(fā)現(xiàn)陰極附近的溶液先變紅后變淺甚至褪色。
學(xué)生提出疑惑：不是酚酞的紅色越深，代表溶液的堿性越強(qiáng)嗎？
教師引導(dǎo)：請(qǐng)思考這可能是什么原因?qū)е碌模?br />
教師提供書籍、知網(wǎng)賬號(hào)，學(xué)生查閱資料。
[環(huán)節(jié)二]：收集信息，獲取證據(jù)
查閱文獻(xiàn)得知：酚酞在稀的堿性溶液（pH值為8.2~10.0）里呈紅色，較長(zhǎng)時(shí)間不褪色。酚酞在濃的強(qiáng)堿性溶液（pH值大于13）里先呈紅色，然后褪為無(wú)色。
學(xué)生評(píng)價(jià)：電解飽和食鹽水，用酚酞作指示劑實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象容易引起誤解，無(wú)法準(zhǔn)確表達(dá)
c(OH
—)大小的變化。
教師引導(dǎo)：可以試試其他的替代指示劑。
查閱文獻(xiàn)得知：紫甘藍(lán)、紫色茄子皮、黑香米、紅莧菜、卷心菜、香蕉皮等天然蔬菜及花草中含有花青素，它在酸堿性環(huán)境中會(huì)變色。
[環(huán)節(jié)三]：設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，探索創(chuàng)新
學(xué)生設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)：用乙醇分別浸泡紫甘藍(lán)、紫色茄子皮、黑香米、紅莧菜、卷心菜獲得提取液。分別以上述提取液為指示劑，惰性電極電解飽和食鹽水。
學(xué)生：分析討論、對(duì)比實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。
[環(huán)節(jié)四]：交流總結(jié)，獲取新知
學(xué)生總結(jié)：紫甘藍(lán)提取液作指示劑時(shí)，陽(yáng)極溶液由紫色變?yōu)榧t色，電極附近紅色溶液又褪至無(wú)色；陰極溶液由紫色迅速變?yōu)榫G色，后逐漸變?yōu)辄S色。兩極溶液不同顏色的變化，可以讓我們看到兩極溶液中離子的變化過(guò)程。
教師：查閱知網(wǎng)，未發(fā)現(xiàn)將紫甘藍(lán)提取液應(yīng)用于電解飽和食鹽水的實(shí)驗(yàn)，該指示劑有研究的價(jià)值。
[環(huán)節(jié)五]：將改進(jìn)實(shí)驗(yàn)應(yīng)用于課堂教學(xué)
將本實(shí)驗(yàn)應(yīng)用于高三一輪復(fù)習(xí)課堂教學(xué)，學(xué)生邊觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，教師邊引導(dǎo)學(xué)生思考。通過(guò)分析兩極的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，學(xué)生較輕松地理解了電解原理，如下圖6所示。
學(xué)生分析歸納：
-
陽(yáng)極室溶液由紫色先變紅色，原因是氯離子在陽(yáng)極失電子生成氯氣，生成的氯氣與水反應(yīng)產(chǎn)生的HCl溶于水顯酸性。溶液最后又褪色，原因是氯氣與水反應(yīng)同時(shí)產(chǎn)生了HClO，次氯酸的氧化性又將溶液漂白。
-
陽(yáng)極上方注射器中濕潤(rùn)的淀粉-KI試紙變藍(lán)，過(guò)會(huì)變藍(lán)的淀粉-KI試紙又褪色。濕潤(rùn)的淀粉-KI試紙變藍(lán)也證明有氯氣生成。學(xué)生查閱資料得知，當(dāng)氯氣量較多時(shí)，會(huì)發(fā)反應(yīng)生5Cl2＋I(xiàn)2＋6H2O=2HIO3＋10HCl，生成的碘酸無(wú)色，所以淀粉-KI試紙變藍(lán)后會(huì)褪色。
-
陰極室溶液由紫色迅速變?yōu)榫G色，后逐漸變?yōu)辄S色。分析溶液堿性逐漸增強(qiáng)，說(shuō)明水中H+在陰極放電，使溶液中c(OH—)逐漸增大。
-
陰極上方注射器中的無(wú)色氣體，可以點(diǎn)燃，結(jié)合溶液中c(OH—)的變化，判斷該氣體是H2。
學(xué)生評(píng)價(jià)：這個(gè)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象真美！通過(guò)這個(gè)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，我能輕松地掌握電解飽和食鹽水的原理。
【探究活動(dòng)三】比較活性金屬電極與溶液中離子放電能力
比較陽(yáng)極金屬與離子的放電能力，一般是將石墨電極、金屬電極分別放在兩個(gè)相同的溶液中，觀察不同的電解現(xiàn)象。改用在石墨電極的基礎(chǔ)上增加金屬電極，如圖3所示。改進(jìn)后，可清晰的比較石墨電極和金屬電極同時(shí)存在時(shí)兩極的放電情況。
通過(guò)電解飽和食鹽水的探究學(xué)習(xí)，學(xué)生了解了科學(xué)探究的一般過(guò)程：提出問(wèn)題和假設(shè)、設(shè)計(jì)方案、實(shí)施實(shí)驗(yàn)、獲取證據(jù)、分析解析或建構(gòu)模型、形成結(jié)論及交流評(píng)價(jià)；掌握了探究學(xué)習(xí)的基本方法和思路：從問(wèn)題和假設(shè)出發(fā)確定研究目的、依據(jù)研究目的設(shè)計(jì)方案、基于證據(jù)進(jìn)行分析和推理。
【探究活動(dòng)四】模擬氯堿工業(yè)
氯堿工業(yè)采用離子交換膜法制取燒堿，在陽(yáng)極室加入精制的飽和食鹽水，陰極室加入純水(加入一定量的NaOH溶液)。
改用含飽和KCl溶液的果凍可起到離子交換膜的作用，如圖4所示。改進(jìn)后可以低成本模擬氯堿工業(yè)，幫助學(xué)生體驗(yàn)化學(xué)在工業(yè)生產(chǎn)中的作用，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)態(tài)度和創(chuàng)新意識(shí)。
【探究活動(dòng)五】拓展應(yīng)用
在此科學(xué)探究的基礎(chǔ)上，學(xué)生借助石墨、金屬鐵兩種電極，分別做了電解飽和食鹽水、飽和Na
2SO
4溶液、飽和CuSO
4溶液、CuCl
2溶液等6組對(duì)比實(shí)驗(yàn)，如下圖7所示。
通過(guò)分析實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，比較了兩極陰陽(yáng)離子的放電能力、金屬電極和離子的優(yōu)先放電能力；又借助離子的氧化性和還原性強(qiáng)弱，總結(jié)了溶液中常見(jiàn)陰陽(yáng)離子的放電順序，使學(xué)生對(duì)電解原理有了更加全面和深刻的理解。
學(xué)生部分探究實(shí)驗(yàn)報(bào)告，如下圖8所示。
八、實(shí)驗(yàn)效果評(píng)價(jià)
1. 實(shí)驗(yàn)裝置簡(jiǎn)便、環(huán)保、安全，一裝置多用途。
利用中學(xué)實(shí)驗(yàn)室常見(jiàn)儀器，完成了電解原理的探究、氯堿工業(yè)的模擬制備，H
2和Cl
2的收集、檢驗(yàn)及尾氣處理，實(shí)驗(yàn)過(guò)程無(wú)氯氣溢出，有利于學(xué)生實(shí)驗(yàn)、探究式實(shí)驗(yàn)教學(xué)。
2. 改進(jìn)指示劑顏色多變，幫助學(xué)生深刻理解電解原理。
將常見(jiàn)的紫甘藍(lán)提取液作指示劑，惰性電極電解飽和食鹽水，兩極溶液酸性與堿性的產(chǎn)生、遞增、交匯過(guò)程，通過(guò)清晰、美麗、多變的顏色表達(dá)的淋漓盡致，便于學(xué)生分析電解過(guò)程，理解電解原理。
3. 實(shí)驗(yàn)趣味性強(qiáng)，與生產(chǎn)、生活密切聯(lián)系。
將生活中的常見(jiàn)物質(zhì)紫甘藍(lán)應(yīng)用于化學(xué)教學(xué)，用含有飽和KCl溶液的果凍充當(dāng)離子交換膜，較好地模擬了氯堿工業(yè)，讓學(xué)生體會(huì)了電解原理在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用。
4. 以項(xiàng)目式學(xué)習(xí)的形式進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)探究的能力與創(chuàng)新的意識(shí)。
通過(guò)該形式探究實(shí)驗(yàn)，可以引發(fā)學(xué)生更多的創(chuàng)意，如“探究歷年高考試題中出現(xiàn)過(guò)的碳酸鈉、亞硫酸鈉等物質(zhì)的電解實(shí)驗(yàn)”，既能進(jìn)行其它知識(shí)模塊的探究學(xué)習(xí)，又能強(qiáng)化對(duì)電解原理的理解。
參考文獻(xiàn)
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