適合學生探究的微型電解實驗設計.doc

適合學生探究的微型電解實驗設計 摘要：針對教科書介紹的相關電解實驗方案的不足，設計了一套借助于生活中常見物質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生探究實驗。/關鍵詞：微型電解；實驗設計；學生探究：1005?c6629（xx）7?c0057?c02：g633.8：b普通高中化學課程標準（實驗）中提出“教師和實驗管理人員應開發(fā)實驗儀器，研究低成本、少污染的化學實驗。同時也鼓勵學生和教師充分利用生活中的常用品和廢棄物，設計富有特色的實驗和實踐活動1”。電解作為一種技術手段在科學研究和工業(yè)生產(chǎn)中有著非常廣泛的應用，而其相關知識也是中學化學教學的重要內容。筆者在日常的教學中發(fā)現(xiàn)教科書介紹的相關電解實驗方案存在試劑用量較多、實驗現(xiàn)象不易被所有學生看到、適合教師課堂演示而不太適合學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、鉛筆芯等物質設計了適合學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用效果良好，現(xiàn)介紹如下。1實驗設計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；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-。學生依據(jù)上述的實驗現(xiàn)象就可以寫出該反應的電極反應式。隨著反應的進行，陰極溶液堿性增強，由綠色變成黃色。筆者建議若本實驗應用于課堂教學，只要觀察到陰極區(qū)變綠色即可，若應用于綜合實踐活動和研究性學習，可引導學生進一步觀察溶液顏色的變化。陽極反應：2h2o-4e-=o2+4h+陰極反應：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，用于調節(jié)電解電壓，實驗時逐漸增大電壓，至電極上有明顯反應為止。3實驗特點宋心琦教授在“中學化學教學改革與微型實驗”一文中指出，微型化學實驗在中學化學中推廣艱難的原因之一是很多物質在微量時和常量時給予觀察者的感受可能不同，使得印象或結論因此不同3。筆者認為不僅是物質本身，化學反應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的設計除了具有現(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，可重復使用多次。（3）揭示電解原理和反應產(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溶液的酸堿性和反應產(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、次氯酸具有漂白性等一系列變化。教學實踐表明：該實驗能在一定程度上緩解實驗探究和教學效率之間的沖突，而且能深刻地揭示反應原理，將電化學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.化學教育，xx，（8）：65-67.3宋心琦.中學化學教學改革與微型實驗j.內蒙古民族大學學報，xx，（7）：12. 摘要：針對教科書介紹的相關電解實驗方案的不足，設計了一套借助于生活中常見物質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生探究實驗。/關鍵詞：微型電解；實驗設計；學生探究：1005?c6629（xx）7?c0057?c02：g633.8：b普通高中化學課程標準（實驗）中提出“教師和實驗管理人員應開發(fā)實驗儀器，研究低成本、少污染的化學實驗。同時也鼓勵學生和教師充分利用生活中的常用品和廢棄物，設計富有特色的實驗和實踐活動1”。電解作為一種技術手段在科學研究和工業(yè)生產(chǎn)中有著非常廣泛的應用，而其相關知識也是中學化學教學的重要內容。筆者在日常的教學中發(fā)現(xiàn)教科書介紹的相關電解實驗方案存在試劑用量較多、實驗現(xiàn)象不易被所有學生看到、適合教師課堂演示而不太適合學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、鉛筆芯等物質設計了適合學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用效果良好，現(xiàn)介紹如下。1實驗設計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；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，用連接導線的的鱷魚夾各夾住2個注射針，并分別與9v的電源相連。可以發(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-。學生依據(jù)上述的實驗現(xiàn)象就可以寫出該反應的電極反應式。隨著反應的進行，陰極溶液堿性增強，由綠色變成黃色。筆者建議若本實驗應用于課堂教學，只要觀察到陰極區(qū)變綠色即可，若應用于綜合實踐活動和研究性學習，可引導學生進一步觀察溶液顏色的變化。陽極反應：2h2o-4e-=o2+4h+陰極反應：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，用于調節(jié)電解電壓，實驗時逐漸增大電壓，至電極上有明顯反應為止。3實驗特點宋心琦教授在“中學化學教學改革與微型實驗”一文中指出，微型化學實驗在中學化學中推廣艱難的原因之一是很多物質在微量時和常量時給予觀察者的感受可能不同，使得印象或結論因此不同3。筆者認為不僅是物質本身，化學反應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的設計除了具有現(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，可重復使用多次。（3）揭示電解原理和反應產(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溶液的酸堿性和反應產(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