[原創(chuàng)]蘇教版“電解飽和食鹽水”圖示的解讀與反思高中化學(xué)

1、原創(chuàng)蘇教版 電解飽和食鹽水”圖示的解讀與反思高中化學(xué)金汝來1林海斌2*1.溫嶺市第五中學(xué)，浙江臺州317500; 2.溫嶺市溫中雙語學(xué)校，浙江臺州317500摘要：蘇教版化學(xué)教材中的6個電解飽和食鹽水的圖示，充分表達(dá)了科學(xué)技術(shù)進(jìn)展的歷程，還在一定程度上豐富了學(xué)生的閱讀情境，同時也在一定程度上模糊了電解槽的差不多模型。通過對電解裝置的認(rèn)識、電解飽和食鹽水工業(yè)裝置的技術(shù)改進(jìn)，發(fā)覺科學(xué)技術(shù)進(jìn)展的歷程，并有效建構(gòu)電解槽的差不多模 型。關(guān)鍵詞：電解飽和食鹽水；氯堿工業(yè)；裝置；蘇教版1 電解飽和食鹽水圖示的解讀一般高中課程標(biāo)準(zhǔn)實驗教科書蘇教版化學(xué)中顯現(xiàn)了6個關(guān)于電解飽和食鹽水的圖示，2個實驗裝置圖分不顯現(xiàn)

2、在化學(xué)1圖11和化學(xué)與技術(shù)圖2I2】,1個石棉隔膜電解槽示意圖顯現(xiàn)在化學(xué)與技術(shù)圖22,3個陽離子交換膜電解槽示意圖，分不顯現(xiàn)在化學(xué)2圖43、化學(xué)反應(yīng)原理圖54和化學(xué)與技術(shù)圖6【2。上述6個圖示在同一套教材的不同模塊中顯現(xiàn)，教師閱讀時倘假設(shè)不能合明白得讀，教 學(xué)中倘假設(shè)不能合理把握，都會阻礙教學(xué)的成效。通過對6個圖示的分析能夠發(fā)覺以下特點：1.1表達(dá)進(jìn)展歷程，指明進(jìn)展方向電解法作為現(xiàn)代化學(xué)工業(yè)的一種重要方法源于C12飽和食鹽水低濃度食鹽水I Na+” *ElCIl_dOH稀 NaOH 溶液稀食鹽水（或去離子水）三NaOH 溶液希 NaOH 溶液飽和 NaCI 溶液陰極濃食鹽水陽離子交換器圖 4

3、陽離子交換膜電解槽 NaOH 溶液OH-ZSCI圖 5 電解飽和食鹽水的原理示意圖NaCI 溶液!C!巴血OH溶液圖 6 離子膜電解槽示意圖1807年英國科學(xué)家H.戴維將熔融苛性堿進(jìn)行電解制直流電源飽和食鹽水氫氧化鈉溶液圖 1 電解飽和食鹽水的裝置_ 碳棒、蛋殼鐵絲圖 2 電解飽和食鹽水簡易裝置圖-飽和食鹽水醯取鉀、鈉5，美國于1893年第一使用石棉隔膜電解法用于工業(yè)生產(chǎn)制取燒堿，1975年日本第一實現(xiàn)離子膜電解法制燒堿，并實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。盡管在這一進(jìn)展進(jìn)程中，于1897開始在英國和美國用于工業(yè)化生產(chǎn)的水銀電解法，且在20世紀(jì)80年代初仍占氯堿工業(yè)生產(chǎn)能力的42%，但由于水銀電解法需用固體食鹽

4、作原料，且電耗大、污染重，逐步被其他方法所取代。因此，在電解飽和食鹽水的工業(yè)化過程中，最 重要的裝置確實是石棉隔膜電解槽和陽離子交換膜電解槽，蘇教版教材中上述圖形的出現(xiàn)同樣清晰地表 達(dá)了這一過程。同時，在3個模塊中3次顯現(xiàn)陽離子交換膜電解槽圖46，這也指明并強調(diào)了氯堿工業(yè)今后的 進(jìn)展方向陽離子交換膜電解法。事實上，在20世紀(jì)80年代后新建的氯堿廠差不多上采納了陽離子交換膜電解槽，原先采納水銀電解法或石棉隔膜電解法的氯堿廠有一部分在技術(shù)改造時也轉(zhuǎn)換為陽離子 交換膜法。1.2豐富閱讀情境，創(chuàng)新實驗方法同樣是陽離子交換膜電解槽，3個圖示圖46丨卻是大同小異：”同在電解飽和食鹽水這一電解原理，”異在原

5、料的入口和產(chǎn)物的出口的簡單變換。在其目的是讓學(xué)生在不同的情境下能夠有效地利 用已學(xué)的電解原理分析和解讀，這一做法關(guān)于區(qū)分學(xué)生是否真正把握陽離子交換膜法電解飽和食鹽水的 原理十分有利。用雞蛋殼來設(shè)計電解飽和食鹽水的簡易裝置圖2，不僅是一個創(chuàng)新型的實驗設(shè)計，而且是一個生活化的實驗設(shè)計。但這一設(shè)計的實踐原型在哪里？筆者認(rèn)為，其原型是石棉隔膜電解槽，由于在電解槽 中增加了石棉隔膜，同時改變了陰、陽兩極室內(nèi)的液面溫度，導(dǎo)致電流密度降低，因此用鐵絲纏繞在雞 蛋殼外以增大電流密度，石棉隔膜電解槽將陰極改制成筒狀的鐵網(wǎng)也是基于這一緣故設(shè)計的。2 電解飽和食鹽水圖示的反思教學(xué)實踐中，電解本來確實是高中化學(xué)教學(xué)的

6、難點，電解飽和食鹽水的原理教學(xué)那么是難上加難。同一個知識在同一套教材中顯現(xiàn)6個不同的圖示，讓許多學(xué)生望而卻步，甚至有死記圖形而不知什么緣故。如何讓學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中逐步地將這些圖示串聯(lián)成一條有序的線，同時又不模糊電解槽的差不多模 型呢？筆者認(rèn)為，能夠從以下兩方面入手：2.1建構(gòu)穩(wěn)固的電解模型高中學(xué)生對電解的認(rèn)識源于初中化學(xué)”電解水的實驗，進(jìn)入高中后盡管學(xué)習(xí)了水的電離和氧化還 原反應(yīng)，然而對水的電解仍舊停留在”陽極或與正極相連的電極202-1。2，陰極或與負(fù)極相連的電極4H+T2出的認(rèn)識，要想讓大部分學(xué)生在剛接觸電解原理時直截了當(dāng)讓學(xué)生認(rèn)識”陽極4OH-4eH2O+O2，陰極4H+4e-T2H2是

7、比較困難的。筆者認(rèn)為，先考慮”質(zhì)，后考慮”量是比較折中的處 理方法。先讓學(xué)生認(rèn)識水電離產(chǎn)生H+和0H-,在直流電的作用下H+向陰極移動，0H-向陽極移動。由于初中 物理中，將電源的正極、負(fù)極或與之相連的陽極、陰極明白得為集合有大量的正電荷電子嚴(yán)峻不足、負(fù)電荷電子專門充足。然后，讓學(xué)生分析H+和0H-分不在陰極和陽極發(fā)生得失電子的過程：H+得電子產(chǎn)生出，0H-失電子產(chǎn)生02。 由于陰陽兩極產(chǎn)生H2和02的物質(zhì)的量之比是2:1， 因此， 陽極4H+4e-T2H2,陰極n0H-ne。2,陰極的這一電極反應(yīng)明顯不符合質(zhì)量守恒定律。由此進(jìn)一步引導(dǎo)學(xué)生深入討 論水的電解原理圖7。圖 7 水的電解原理的認(rèn)識

8、過程需要電離多少水?4H204H+40H-同時產(chǎn)生多少 0H-?電解4H2O=2H2f+02?+2H20一陰極：4H+4e-= 2H2* 陽極：40H-4e-= O2+?(2H2O)+電解木木4H+4OH-= 2H2?+02?+2H2O電解2H2O= 2H2?+02?在此基礎(chǔ)上，讓學(xué)生認(rèn)識電解熔融氯化鈉的變化過程2NaCI(l)二2Na+Cl2f也就相當(dāng)輕松，陽極:2CI2e-fCI2，陰極：2Na+2e-f2Na。然后，推測電解飽和食鹽水的產(chǎn)物圖8并進(jìn)行實驗驗證。為了讓學(xué)生建構(gòu)穩(wěn)固的電解模型，在每一次出現(xiàn)電解示意圖時，用以下咨詢題啟發(fā)學(xué)生摸索：存在哪些離子？在直流電作用下離子會如何樣移動？指

9、出電極產(chǎn)物并寫出化學(xué)反應(yīng)方程式。 這不僅有 效地解決了離子移動方向的咨詢題，同時也明確了在陰、陽極分不發(fā)生的得、失電子過程。這一分析思路還會對學(xué)生認(rèn)識其它具體的電解裝置形成固定的思維路徑，從而構(gòu)建穩(wěn)固的電解模型。然而，關(guān)于0H-在哪一個電極鄰近產(chǎn)生的咨詢題，依舊由實驗來回答比較合適，并結(jié)合實際進(jìn)行適當(dāng)?shù)闹v明：H20H+OH-,2H+2e-= H2T,綜合上述兩個反應(yīng)就得到2H2O+2e-= H2I+2OH-，講明產(chǎn)生 出和0是在同一 電極。2.2建構(gòu)科學(xué)的認(rèn)知序列筆者認(rèn)為，學(xué)生認(rèn)識化學(xué)的過程與人類認(rèn)識化學(xué)的過程即化學(xué)進(jìn)展的過程有專門大的相似性。在電 解飽和食鹽水的裝置圖中，U形管電解槽、石棉隔

10、膜電解槽、陽離子膜電解槽確實是電解飽和食鹽水技 術(shù)進(jìn)展過程中的3個具有劃時代意義的時期，反映了化學(xué)學(xué)科從實驗室走向工業(yè)化的歷史進(jìn)程，它們不 是孤立存在的，而是相互聯(lián)系，逐步進(jìn)展的。因此，依照技術(shù)進(jìn)展的軌跡，關(guān)心學(xué)生科學(xué)地認(rèn)識”氯堿 工業(yè)的進(jìn)展歷史，體會科學(xué)、技術(shù)和社會之間的關(guān)系，從而建構(gòu)科學(xué)的認(rèn)知序列?；谝陨险J(rèn)識，筆者設(shè)計了飽和食鹽水電解裝置的認(rèn)知序列圖9，并以以下咨詢題引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行電解裝置的改進(jìn)表1。圖 2nr圖 9 電解飽和食鹽水裝置的認(rèn)識過程+NaCIMH呂液石棉隔膜 +稀 NaOH -H2CI2濃NaCl.Na+濃 NaOH稀 NaCI陽離子交換膜電解電解直流電源H20=H+0H-圖

11、 8 飽和食鹽水電解的模型建構(gòu)T Cl2+陽離子交換膜石棉隔膜圖 3表1電解飽和食鹽水裝置的改進(jìn)序號存在咨詢題改進(jìn)方法工業(yè)生產(chǎn)中不能米納U形管。改用電解槽。H2與Cl2混合導(dǎo)致氣體不純潔， 還可能發(fā)生爆炸，造 成危險。用氣體不能通過的材料（石棉隔膜）分割電解槽。OH-進(jìn)入陽極室與C12發(fā)生反應(yīng)，導(dǎo)致C12產(chǎn)量降低。升咼陽極室液面。Cl-進(jìn)入陰極室造成NaOH不純。用只能讓陽離子通過的隔膜（陽離子交換膜）分割電解槽。陰極室加水，導(dǎo)電能力差，電解速度慢。 陽極室濃度逐步降低，導(dǎo)電能力減弱。陰極室加稀氫氧化鈉，陽極室不斷 補充濃NaCI溶液，建立連續(xù)裝置。3類裝置，而且在通過如此的學(xué)習(xí)， 不但讓學(xué)生鞏固了飽和食鹽水電解的差不多模型， 有序地認(rèn)識 不斷改進(jìn)的學(xué)習(xí)過程中感受發(fā)覺與制造的樂趣。參考文獻(xiàn)?化學(xué)1（必修）第4版，南京：江蘇教育出版社，2007:40?化學(xué)與技術(shù)（選修）第2版，南京：江蘇教育出