适合学生探究的微型电解实验设计
2022-06-08
摘要：针对教科书介绍的相关电解实验方案的不足，设计了一套借助于生活中常见物质和材料的微型电解实验装置，并用该装置进行电解硫酸钠溶液和饱和食盐水等研究，实践表明该实验宜作为学生探究实验。
教育期刊网http://www.jyqkw.com/
关键词：微型电解；实验设计；学生探究
文章编号：1005?C6629（2014）7?C0057?C02 中图分类号：G633.8 文献标识码：B
《普通高中化学课程标准（实验）》中提出“教师和实验管理人员应开发实验仪器，研究低成本、少污染的化学实验。同时也鼓励学生和教师充分利用生活中的常用品和废弃物，设计富有特色的实验和实践活动[1]”。电解作为一种技术手段在科学研究和工业生产中有着非常广泛的应用，而其相关知识也是中学化学教学的重要内容。笔者在日常的教学中发现教科书介绍的相关电解实验方案存在试剂用量较多、实验现象不易被所有学生看到、适合教师课堂演示而不太适合学生进行自主探究等不足。为克服以上不足，笔者借助于天然指示剂紫甘蓝汁，利用西林瓶（一种胶塞封口的小瓶子）、饮料瓶盖、注射针头、电池、铅笔芯等物质设计了适合学生探究的微型电解实验，在常态课堂和综合实践活动课中应用效果良好，现介绍如下。
1 实验设计
1.1 微型电解实验装置
图1为微型电解实验装置，2个3mL的西林瓶作为电解池，饮料瓶盖承载西林瓶，注射针头穿过饮料瓶盖作为电极，连接导线的鳄鱼夹各夹住2个注射针，并分别与9V的电源相连。需要说明的是本实验中注射针头应使用全新的，不能使用已用过的医疗废弃针头。
1.2 选择紫甘蓝汁作指示剂
一些电解质溶液电解后，其酸碱性经常发生变化，因此需要加入酸碱指示剂（如酚酞）揭示阴阳极所发生的电极反应；紫甘蓝汁可由紫甘蓝（紫卷心菜）制得，所含色素的颜色会随pH改变而有鲜明的变化，且较稳定，可保存较长的时间，是一种天然的酸碱指示剂；已有文献报道了紫甘蓝汁遇到不同pH溶液所呈现的不同颜色，如表1所示。
笔者将紫包菜剪碎，用热水浸泡获得紫甘蓝汁（或直接剁碎紫包菜挤压获得高浓度的紫甘蓝汁）。借助于pH传感器配制了上述不同pH的溶液，发现溶液酸性增强，紫甘蓝汁的颜色由紫青色逐渐转变为红色，溶液碱性增强，紫甘蓝汁的颜色由紫青色先变成绿色，后变为黄色，证明了上述结论的正确性。因此我们借助紫甘蓝汁来作为该微型实验的酸碱指示剂。
2 实验应用
2.1 电解硫酸钠溶液
配制1 mol?L-1硫酸钠溶液，向2个西林瓶中分别加入硫酸钠溶液至体积占大部分，然后滴加紫甘蓝汁至瓶口，将盛满液体的西林瓶反倒于瓶盖中，与注射针头相接触。向饮料瓶盖中加入少量硫酸钠溶液，以保证整个装置回路，用连接导线的的鳄鱼夹各夹住2个注射针，并分别与9V的电源相连。
可以发现大约1～2分钟就可以观察到下列明显的现象：阳极附近有气泡产生，溶液变红色说明阳极区显酸性，水分子失去电子，生成氧气和H+；阴极附近有气泡产生，溶液变绿色说明阴极区显碱性，水分子得到电子，生成氢气和OH-。学生依据上述的实验现象就可以写出该反应的电极反应式。随着反应的进行，阴极溶液碱性增强，由绿色变成黄色。笔者建议若本实验应用于课堂教学，只要观察到阴极区变绿色即可，若应用于综合实践活动和研究性学习，可引导学生进一步观察溶液颜色的变化。
阳极反应：2H2O-4e-=O2↑+4H+
阴极反应：2H2O+2e-=H2↑+2OH-
2.2 电解饱和食盐水
将上述硫酸钠溶液换成饱和食盐水，阳极电极换成铅笔笔芯，其余步骤同上。
但该实验进行到10分钟时，阳极溶液才褪色，此时产生的气体已把阳极的溶液排得仅剩少部分，而阴极所在西林瓶中的溶液则更是被排得所剩无几（因为氢气的逸出速率比氯气大）。为了解决该问题，笔者将作为阳极的西林瓶中溶液体积减少一半，阴极溶液体积不变，可以发现大约5min内阳极就可以出现由紫色变红色进而褪为无色的现象，便于学生的自主探究。
该微型实验装置也可以用于其他溶液电解实验的研究，由于不同反应的分解电压有差别，可在电源回路中串联一个合适的变阻器，用于调节电解电压，实验时逐渐增大电压，至电极上有明显反应为止。
3 实验特点
宋心琦教授在“中学化学教学改革与微型实验”一文中指出，微型化学实验在中学化学中推广艰难的原因之一是很多物质在微量时和常量时给予观察者的感受可能不同，使得印象或结论因此不同[3]。笔者认为不仅是物质本身，化学反应有时在微量和常量时给予观察者的感受也不同，而本案例中的电解质溶液虽然是“微量”（3mL），但现象并没有因此打折扣，实验现象明显。以电解硫酸钠溶液为例，阴阳两极的溶液分别呈现红色和绿色，呈现鲜明的颜色区别。
上述介绍的实验装置和相关的设计除了具有现象明显的特点外，还具有以下一些优点：（1）时间较短，适合学生自主探究，探究电解硫酸钠溶液大约1分钟后就能观察到明显现象，而饱和食盐水的电解则可以在5分钟内看到阳极先变红后褪色的现象。（2）成本较低，在淘宝上购买西林瓶，仅2毛钱1个，注射器为2元，而铅笔芯和饮料瓶盖均可在日常生活中寻找，唯一较贵的是电池为8元左右，可重复使用多次。（3）揭示电解原理和反应产物，两极产生气泡的数量和颜色变化的不同揭示了电解质溶液的酸碱性和反应产物，特别是电解饱和食盐水，阳极颜色的变化揭示了电解产物氯气、氯气与水反应、次氯酸具有漂白性等一系列变化。教学实践表明：该实验能在一定程度上缓解实验探究和教学效率之间的冲突，而且能深刻地揭示反应原理，将电化学和元素化合物知识联系起来，具有较强的综合性。
参考文献：
[1]中华人民共和国教育部制定.普通高中化学课程标准（实验）[S].北京：人民教育出版社，2003：41.
[2]陈凯，龙琪，张莉娜.一滴紫甘蓝汁的微型电解实验[J].化学教育，2008，（8）：65-67.
[3]宋心琦.中学化学教学改革与微型实验[J].内蒙古民族大学学报，2009，（7）：1～2.
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关键词：微型电解；实验设计；学生探究
文章编号：1005?C6629（2014）7?C0057?C02 中图分类号：G633.8 文献标识码：B
《普通高中化学课程标准（实验）》中提出“教师和实验管理人员应开发实验仪器，研究低成本、少污染的化学实验。同时也鼓励学生和教师充分利用生活中的常用品和废弃物，设计富有特色的实验和实践活动[1]”。电解作为一种技术手段在科学研究和工业生产中有着非常广泛的应用，而其相关知识也是中学化学教学的重要内容。笔者在日常的教学中发现教科书介绍的相关电解实验方案存在试剂用量较多、实验现象不易被所有学生看到、适合教师课堂演示而不太适合学生进行自主探究等不足。为克服以上不足，笔者借助于天然指示剂紫甘蓝汁，利用西林瓶（一种胶塞封口的小瓶子）、饮料瓶盖、注射针头、电池、铅笔芯等物质设计了适合学生探究的微型电解实验，在常态课堂和综合实践活动课中应用效果良好，现介绍如下。
1 实验设计
1.1 微型电解实验装置
图1为微型电解实验装置，2个3mL的西林瓶作为电解池，饮料瓶盖承载西林瓶，注射针头穿过饮料瓶盖作为电极，连接导线的鳄鱼夹各夹住2个注射针，并分别与9V的电源相连。需要说明的是本实验中注射针头应使用全新的，不能使用已用过的医疗废弃针头。
1.2 选择紫甘蓝汁作指示剂
一些电解质溶液电解后，其酸碱性经常发生变化，因此需要加入酸碱指示剂（如酚酞）揭示阴阳极所发生的电极反应；紫甘蓝汁可由紫甘蓝（紫卷心菜）制得，所含色素的颜色会随pH改变而有鲜明的变化，且较稳定，可保存较长的时间，是一种天然的酸碱指示剂；已有文献报道了紫甘蓝汁遇到不同pH溶液所呈现的不同颜色，如表1所示。
笔者将紫包菜剪碎，用热水浸泡获得紫甘蓝汁（或直接剁碎紫包菜挤压获得高浓度的紫甘蓝汁）。借助于pH传感器配制了上述不同pH的溶液，发现溶液酸性增强，紫甘蓝汁的颜色由紫青色逐渐转变为红色，溶液碱性增强，紫甘蓝汁的颜色由紫青色先变成绿色，后变为黄色，证明了上述结论的正确性。因此我们借助紫甘蓝汁来作为该微型实验的酸碱指示剂。
2 实验应用
2.1 电解硫酸钠溶液
配制1 mol?L-1硫酸钠溶液，向2个西林瓶中分别加入硫酸钠溶液至体积占大部分，然后滴加紫甘蓝汁至瓶口，将盛满液体的西林瓶反倒于瓶盖中，与注射针头相接触。向饮料瓶盖中加入少量硫酸钠溶液，以保证整个装置回路，用连接导线的的鳄鱼夹各夹住2个注射针，并分别与9V的电源相连。
可以发现大约1～2分钟就可以观察到下列明显的现象：阳极附近有气泡产生，溶液变红色说明阳极区显酸性，水分子失去电子，生成氧气和H+；阴极附近有气泡产生，溶液变绿色说明阴极区显碱性，水分子得到电子，生成氢气和OH-。学生依据上述的实验现象就可以写出该反应的电极反应式。随着反应的进行，阴极溶液碱性增强，由绿色变成黄色。笔者建议若本实验应用于课堂教学，只要观察到阴极区变绿色即可，若应用于综合实践活动和研究性学习，可引导学生进一步观察溶液颜色的变化。
阳极反应：2H2O-4e-=O2↑+4H+
阴极反应：2H2O+2e-=H2↑+2OH-
2.2 电解饱和食盐水
将上述硫酸钠溶液换成饱和食盐水，阳极电极换成铅笔笔芯，其余步骤同上。
但该实验进行到10分钟时，阳极溶液才褪色，此时产生的气体已把阳极的溶液排得仅剩少部分，而阴极所在西林瓶中的溶液则更是被排得所剩无几（因为氢气的逸出速率比氯气大）。为了解决该问题，笔者将作为阳极的西林瓶中溶液体积减少一半，阴极溶液体积不变，可以发现大约5min内阳极就可以出现由紫色变红色进而褪为无色的现象，便于学生的自主探究。
该微型实验装置也可以用于其他溶液电解实验的研究，由于不同反应的分解电压有差别，可在电源回路中串联一个合适的变阻器，用于调节电解电压，实验时逐渐增大电压，至电极上有明显反应为止。
3 实验特点
宋心琦教授在“中学化学教学改革与微型实验”一文中指出，微型化学实验在中学化学中推广艰难的原因之一是很多物质在微量时和常量时给予观察者的感受可能不同，使得印象或结论因此不同[3]。笔者认为不仅是物质本身，化学反应有时在微量和常量时给予观察者的感受也不同，而本案例中的电解质溶液虽然是“微量”（3mL），但现象并没有因此打折扣，实验现象明显。以电解硫酸钠溶液为例，阴阳两极的溶液分别呈现红色和绿色，呈现鲜明的颜色区别。
上述介绍的实验装置和相关的设计除了具有现象明显的特点外，还具有以下一些优点：（1）时间较短，适合学生自主探究，探究电解硫酸钠溶液大约1分钟后就能观察到明显现象，而饱和食盐水的电解则可以在5分钟内看到阳极先变红后褪色的现象。（2）成本较低，在淘宝上购买西林瓶，仅2毛钱1个，注射器为2元，而铅笔芯和饮料瓶盖均可在日常生活中寻找，唯一较贵的是电池为8元左右，可重复使用多次。（3）揭示电解原理和反应产物，两极产生气泡的数量和颜色变化的不同揭示了电解质溶液的酸碱性和反应产物，特别是电解饱和食盐水，阳极颜色的变化揭示了电解产物氯气、氯气与水反应、次氯酸具有漂白性等一系列变化。教学实践表明：该实验能在一定程度上缓解实验探究和教学效率之间的冲突，而且能深刻地揭示反应原理，将电化学和元素化合物知识联系起来，具有较强的综合性。
参考文献：
[1]中华人民共和国教育部制定.普通高中化学课程标准（实验）[S].北京：人民教育出版社，2003：41.
[2]陈凯，龙琪，张莉娜.一滴紫甘蓝汁的微型电解实验[J].化学教育，2008，（8）：65-67.
[3]宋心琦.中学化学教学改革与微型实验[J].内蒙古民族大学学报，2009，（7）：1～2.