視頻簡介：
視頻標簽：全國中小學實驗教學
所屬欄目：高中化學說課視頻
視頻課題：【視頻+課件+說課稿】《基于電解原理的實驗探究》全國中小學實驗教學說課活動 河北省唐山
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【視頻+課件+說課稿】《基于電解原理的實驗探究》2020年第8屆全國中小學實驗教學說課活動
《基于電解原理的實驗探究》
河北省唐山市開灤第一中學 郭寧寧
一、教材分析
本節課基于蘇教版選修四《化學反應原理》專題一第二單元中《電解池的原理及應用》，教材中以電解熔融NaCl介紹了電解原理，并介紹了電鍍、氯堿工業等應用。
二、學情分析
學生在必修二中了解過電解CuCl2溶液，上節課，又通過石墨電極電解熔融的NaCl，理解了電解原理、會判斷陰陽極及其反應類型、會書寫電極反應式等，有能力由“已知”探索“未知”，并進行知識遷移，解決實際問題。
三、實驗器材與藥品
學生電源，方塊電池，培養皿，導線，鉛筆芯，大頭針，鐵釘，托盤天平，點火器，燒杯；NaCl，FeSO4，H2O2，硫氫化鉀，稀硫酸，酚酞，淀粉-KI試紙。
四、實驗創新
（一）使用圖1裝置電解NaCl溶液，節省原料，操作簡單，現象明顯，便于學生觀察現象，實驗器材方便易得。
圖1
（二）使用圖1裝置電解NaCl溶液時，采用鉛筆芯和大頭針作電極材料，但隨機分配，學生出現了4種組合方式，導致實驗現象不同（見圖2、圖3），從而引入放電順序與活性電極。
圖2 圖3
（三）用鐵做陽極電解飽和FeSO
4溶液，形成鐵樹（圖4），產生認知沖突，引起學生的探究欲望。
圖4 圖5
（四）通過改變離子濃度產生不同現象（圖5），引導學生理解離子濃度對放電順序的影響，并測得臨界值，為下節課講電鍍做好了鋪墊。
（五）1.電解飽和食鹽水尾氣處理時（圖6），將NaOH溶液注入海綿中，吸收效果優于直接注入電解液中；2.巧用輸液器通氣孔的特殊結構，產生更多的氣泡（圖7）。
圖6 圖7
（六）介紹陽離子交換膜（圖8），為下節課講氯堿工業做好鋪墊。
圖8
五、
實驗設計思路
學生隨機選擇電極材料，通過觀察到的不同實驗現象，自行階梯式探究放電順序與活性電極；再由電解不同濃度硫酸亞鐵溶液，利用對比實驗深入探究濃度對放電順序的影響，并測得臨界值；最后完善裝置，介紹陽離子交換膜，培養學生的化學學科素養。
六、教學目標
（一）通過真實問題情境的設計，探究放電順序，認識活性電極。
（二）通過探究實驗，宏微結合，預測證明，建立電解模型，并能進行模型的遷移。
（三）培養學生“宏觀辨識與微觀探析”、“證據推理與模型認知”、“科學探究與創新意識”、“科學態度與社會責任”的化學學科素養。
七、教學過程
【創設情境】學生已知，通過電解熔融NaCl可以得到金屬鈉，但此實驗無法演示給學生，于是我們選擇電解NaCl溶液進行小組實驗（
播放視頻）。
【實驗先行】實驗裝置如圖9：
圖9
此時的實驗要點是，電極材料采用鉛筆芯和去掉了鍍層的大頭針，隨機分配。這是第一小組的實驗片段（
播放視頻）。
由于實驗中電極材料的隨機性分配，學生操作時出現了4種不同的組裝方式，導致同一實驗出現了2種不同現象。請看演示（
演示實驗）：這是兩極均為鉛筆芯的現象，這是兩極均為大頭針的現象。可以看到，現象并不相同。
正如剛才的演示實驗一樣，學生們的實驗現象如下：情況1和情況2，兩極均產生氣體，且聞到刺激性氣味（圖10）；
圖10
情況3和情況4，陰極產生氣體，陽極大頭針逐漸被腐蝕，稍后溶液中產生大量灰綠色沉淀（圖11）。
圖11
這種突發情況，瞬間激發了學生濃厚的學習興趣。
【探索原理】之后，我利用問題驅動，引導學生進行深度化學習。首先分析第一種現象：溶液中含有哪些離子？通電以后會如何變化？產物可能是什么？由于實驗中聞到了刺激性氣味，學生認為一定有Cl
2，且在陽極產生。由于陰極是陽離子放電，所以產生的氣體應該是H
2，而H
+只能來自于水，所以另一種產物就是NaOH。由于此裝置無法檢驗H
2，所以我們選用酚酞檢驗溶液中堿性的變化，用濕潤的淀粉-KI試紙檢驗Cl
2。請看視頻（
播放視頻）。可以看到，陰極溶液變紅，證明產生了NaOH；陽極試紙變藍，證明產生了Cl
2，與預期完全相同。然后學生試著用符號來表示電極反應式。根據以上的分析及必修二中電解CuCl
2溶液的有關知識，我們推出了溶液中如下放電順序。
之后分析第二種現象，請看視頻（
播放視頻）。溶液中出現了大量灰綠色沉淀，說明實驗過程中有Fe(OH)
2產生。我們又從中取了少量溶液于試管中，加入硫氰化鉀溶液無現象，再加入H
2O
2溶液變為紅色。說明，當陽極連接大頭釘時，鐵變為了Fe
2+。
【收獲結論】結合第一種現象的結論，以及其他大量的實驗，我們最終得到溶液中的放電順序。當陽極材料為活性電極時，電極材料優于陰離子放電。
此時，學生將探究所得的知識，容納到原有的知識體系之中，構成了完整的知識結構，建立了電解的基本模型。
【再識新知】隨后，我帶領學生繼續探究。用鐵做陽極電解飽和FeSO
4溶液會得到什么產物呢？學生很容易由放電順序推出：陰極應該產生氫氣；陽極應該是活性電極放電。事實如此嗎？
剛開始，陽極鐵釘無明顯現象；陰極碳棒上出現大量氣泡，這些與預期都一樣（圖12）。
圖12
但是很快發現（
播放視頻），碳棒上逐漸附著了一層黑色固體！根據體系中存在的元素，學生推測可能是鐵。7分鐘后，竟然長出了漂亮的鐵樹（圖13）！
圖13
學生驚喜極了。為了驗證（
播放視頻），我們將電解后的陰極碳棒放入稀硫酸中，發現析出的黑色固體遇酸產生了大量氣泡。反應一段時間將其拿出，碳棒上出現了一層銀白色的金屬（圖14）。
圖14
我們又向反應后的溶液中加入了硫氫化鉀溶液和H
2O
2，溶液變為紅色，說明陰極確實析出了鐵。這是脫落的鐵屑繼續與酸反應，形成了一個個漂亮的小噴泉（圖15）。
圖15
此時，實驗現象與學生的認知發生了沖突，為了進一步探究，我們又做了以下對比實驗。由于電解過程中，Fe
2+易被氧化，溶液中PH不斷變化等，影響因素過于復雜，所以無法求得Fe
2+優于H
+放電的理論臨界值。以下是我們測得的實驗數據：這是電解0.1000mol•L
-1 FeSO
4溶液的現象（圖16），陰極碳棒上有氣體產生，同時析出一層黑色的鐵。這是電解0.0500mol•L
-1FeSO
4溶液的現象 （圖17），這是0.0250mol•L
-1 （圖18），這是0.0125mol•L
-1 （圖19），可以看到，陰極始終有氣體產生，但將最后一組（即0.0125mol•L
-1FeSO
4溶液）電解后的碳棒放入稀硫酸中，幾乎沒有氣體產生。
圖16 圖17
圖18 圖19
由于形成鐵樹所需時間較長（
演示實驗），這是我在說課之前開始電解的飽和FeSO
4溶液和0.0125mol•L
-1FeSO
4溶液，此時電解過程正在進行。請大家對比陰極的現象。
這些現象說明，當Fe
2+濃度很小時，只有H
+放電，符合放電順序；當Fe
2+濃度逐漸增大，Fe
2+也會放電。據此，學生知道了，原來離子濃度也會影響放電順序。這為下節課講電鍍做好了鋪墊。
【完善裝置】其實在實驗過程中，學生也發現了此裝置的不足之處，比如:此裝置是開放體系，Cl
2會逸出，污染環境，還會擴散到陰極，導致陰極附近的淀粉-KI試紙也變藍；而且電解時間稍長時，培養皿中的溶液都變成了紅色；另外，此裝置也不能檢驗H
2。
于是，我向學生展示，用飲料瓶與陽離子交換膜組裝的電解飽和食鹽水的裝置，如圖所示（圖20），兩個塑料瓶均剪掉了一部分，中間粘貼陽離子交換膜，將其連接起來。這里詳細介紹陽離子交換膜的使用原理，為下節課講氯堿工業做好鋪墊。陰陽極均裝有滴有酚酞的飽和食鹽水，用作對比實驗。陽極上部沒有裝滿。陽極碳棒上，纏有濕潤的淀粉-KI試紙，用來檢驗Cl
2；這是干燥的海綿，將裝有NaOH溶液的注射器的針頭插入海綿中，實驗結束時進行尾氣處理。陰極采用輸液管的穿刺器和通氣管，將H
2導入泡泡水中。通氣孔去掉過濾紙以后是這樣的結構，吹泡效果極好。
圖20
下面我來演示這個實驗（
演示實驗）。
可以看到，兩極均產生大量氣泡，陽極試紙很快變成深藍色，證明產生了Cl
2；陰極溶液變成紅色，證明產生了NaOH；泡泡水中冒出很多氣泡，點燃有爆鳴聲，證明產生了H
2。關閉電源，將NaOH溶液擠入海綿中，吸收剩余的氯氣。晃動一下裝置，發現陰極紅色并不能蔓延到陽極。
此裝置有以下優點：1.可同時檢驗三種產物，現象明顯，用時短，適合做學生實驗。2.我專門從網上購買的陽離子交換膜，將其引入課堂中，讓學生真實感受到膜技術的先進性，拓展視野。3.學生分組實驗沒有交換膜時，培養皿中溶液都變成紅色，而此裝置電解過程中，陰極變紅色，陽極一直無色；且陰陽極的液面差一直存在，進一步向學生展示交換膜的“神奇”作用。4.陽極區巧妙地將NaOH溶液儲存在注射器中，不僅解決了實驗過程中陽極室內氣壓問題，而且實驗結束時，將其注入海綿中，便于尾氣處理，做到了Cl
2的零排放，零污染。5.巧用輸液器通氣孔的特殊結構，產生更多的氣泡。
八、教學策略
以電解NaCl溶液為載體，通過探究同一實驗的不同現象，利用問題趨動呈現給學生“宏微符”三重表征模型，培養了學生的“宏觀辨識和微觀探析”、“證據推理與模型認知”的素養；在探究放電順序時，培養了學生的“科學探究與創新意識”；在完善裝置的過程中，體現了嚴謹求實的科學態度和保護環境的可持續發展意識。
九、教學評價
本節課，采用多維度實驗教學引起學生的多次深度思考，遵循學生認知規律，培養了學生化學學科素養。
以上是我對本節課的教學設計和實踐，不妥之處，歡迎大家批評指正。謝謝！
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