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视频标签：全国中小学实验教学
所属栏目：高中化学说课视频
视频课题：【视频+课件+说课稿】《基于电解原理的实验探究》全国中小学实验教学说课活动 河北省唐山
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【视频+课件+说课稿】《基于电解原理的实验探究》2020年第8届全国中小学实验教学说课活动
《基于电解原理的实验探究》
河北省唐山市开滦第一中学 郭宁宁
一、教材分析
本节课基于苏教版选修四《化学反应原理》专题一第二单元中《电解池的原理及应用》，教材中以电解熔融NaCl介绍了电解原理，并介绍了电镀、氯碱工业等应用。
二、学情分析
学生在必修二中了解过电解CuCl2溶液，上节课，又通过石墨电极电解熔融的NaCl，理解了电解原理、会判断阴阳极及其反应类型、会书写电极反应式等，有能力由“已知”探索“未知”，并进行知识迁移，解决实际问题。
三、实验器材与药品
学生电源，方块电池，培养皿，导线，铅笔芯，大头针，铁钉，托盘天平，点火器，烧杯；NaCl，FeSO4，H2O2，硫氢化钾，稀硫酸，酚酞，淀粉-KI试纸。
四、实验创新
（一）使用图1装置电解NaCl溶液，节省原料，操作简单，现象明显，便于学生观察现象，实验器材方便易得。
图1
（二）使用图1装置电解NaCl溶液时，采用铅笔芯和大头针作电极材料，但随机分配，学生出现了4种组合方式，导致实验现象不同（见图2、图3），从而引入放电顺序与活性电极。
图2 图3
（三）用铁做阳极电解饱和FeSO
4溶液，形成铁树（图4），产生认知冲突，引起学生的探究欲望。
图4 图5
（四）通过改变离子浓度产生不同现象（图5），引导学生理解离子浓度对放电顺序的影响，并测得临界值，为下节课讲电镀做好了铺垫。
（五）1.电解饱和食盐水尾气处理时（图6），将NaOH溶液注入海绵中，吸收效果优于直接注入电解液中；2.巧用输液器通气孔的特殊结构，产生更多的气泡（图7）。
图6 图7
（六）介绍阳离子交换膜（图8），为下节课讲氯碱工业做好铺垫。
图8
五、
实验设计思路
学生随机选择电极材料，通过观察到的不同实验现象，自行阶梯式探究放电顺序与活性电极；再由电解不同浓度硫酸亚铁溶液，利用对比实验深入探究浓度对放电顺序的影响，并测得临界值；最后完善装置，介绍阳离子交换膜，培养学生的化学学科素养。
六、教学目标
（一）通过真实问题情境的设计，探究放电顺序，认识活性电极。
（二）通过探究实验，宏微结合，预测证明，建立电解模型，并能进行模型的迁移。
（三）培养学生“宏观辨识与微观探析”、“证据推理与模型认知”、“科学探究与创新意识”、“科学态度与社会责任”的化学学科素养。
七、教学过程
【创设情境】学生已知，通过电解熔融NaCl可以得到金属钠，但此实验无法演示给学生，于是我们选择电解NaCl溶液进行小组实验（
播放视频）。
【实验先行】实验装置如图9：
图9
此时的实验要点是，电极材料采用铅笔芯和去掉了镀层的大头针，随机分配。这是第一小组的实验片段（
播放视频）。
由于实验中电极材料的随机性分配，学生操作时出现了4种不同的组装方式，导致同一实验出现了2种不同现象。请看演示（
演示实验）：这是两极均为铅笔芯的现象，这是两极均为大头针的现象。可以看到，现象并不相同。
正如刚才的演示实验一样，学生们的实验现象如下：情况1和情况2，两极均产生气体，且闻到刺激性气味（图10）；
图10
情况3和情况4，阴极产生气体，阳极大头针逐渐被腐蚀，稍后溶液中产生大量灰绿色沉淀（图11）。
图11
这种突发情况，瞬间激发了学生浓厚的学习兴趣。
【探索原理】之后，我利用问题驱动，引导学生进行深度化学习。首先分析第一种现象：溶液中含有哪些离子？通电以后会如何变化？产物可能是什么？由于实验中闻到了刺激性气味，学生认为一定有Cl
2，且在阳极产生。由于阴极是阳离子放电，所以产生的气体应该是H
2，而H
+只能来自于水，所以另一种产物就是NaOH。由于此装置无法检验H
2，所以我们选用酚酞检验溶液中碱性的变化，用湿润的淀粉-KI试纸检验Cl
2。请看视频（
播放视频）。可以看到，阴极溶液变红，证明产生了NaOH；阳极试纸变蓝，证明产生了Cl
2，与预期完全相同。然后学生试着用符号来表示电极反应式。根据以上的分析及必修二中电解CuCl
2溶液的有关知识，我们推出了溶液中如下放电顺序。
之后分析第二种现象，请看视频（
播放视频）。溶液中出现了大量灰绿色沉淀，说明实验过程中有Fe(OH)
2产生。我们又从中取了少量溶液于试管中，加入硫氰化钾溶液无现象，再加入H
2O
2溶液变为红色。说明，当阳极连接大头钉时，铁变为了Fe
2+。
【收获结论】结合第一种现象的结论，以及其他大量的实验，我们最终得到溶液中的放电顺序。当阳极材料为活性电极时，电极材料优于阴离子放电。
此时，学生将探究所得的知识，容纳到原有的知识体系之中，构成了完整的知识结构，建立了电解的基本模型。
【再识新知】随后，我带领学生继续探究。用铁做阳极电解饱和FeSO
4溶液会得到什么产物呢？学生很容易由放电顺序推出：阴极应该产生氢气；阳极应该是活性电极放电。事实如此吗？
刚开始，阳极铁钉无明显现象；阴极碳棒上出现大量气泡，这些与预期都一样（图12）。
图12
但是很快发现（
播放视频），碳棒上逐渐附着了一层黑色固体！根据体系中存在的元素，学生推测可能是铁。7分钟后，竟然长出了漂亮的铁树（图13）！
图13
学生惊喜极了。为了验证（
播放视频），我们将电解后的阴极碳棒放入稀硫酸中，发现析出的黑色固体遇酸产生了大量气泡。反应一段时间将其拿出，碳棒上出现了一层银白色的金属（图14）。
图14
我们又向反应后的溶液中加入了硫氢化钾溶液和H
2O
2，溶液变为红色，说明阴极确实析出了铁。这是脱落的铁屑继续与酸反应，形成了一个个漂亮的小喷泉（图15）。
图15
此时，实验现象与学生的认知发生了冲突，为了进一步探究，我们又做了以下对比实验。由于电解过程中，Fe
2+易被氧化，溶液中PH不断变化等，影响因素过于复杂，所以无法求得Fe
2+优于H
+放电的理论临界值。以下是我们测得的实验数据：这是电解0.1000mol•L
-1 FeSO
4溶液的现象（图16），阴极碳棒上有气体产生，同时析出一层黑色的铁。这是电解0.0500mol•L
-1FeSO
4溶液的现象 （图17），这是0.0250mol•L
-1 （图18），这是0.0125mol•L
-1 （图19），可以看到，阴极始终有气体产生，但将最后一组（即0.0125mol•L
-1FeSO
4溶液）电解后的碳棒放入稀硫酸中，几乎没有气体产生。
图16 图17
图18 图19
由于形成铁树所需时间较长（
演示实验），这是我在说课之前开始电解的饱和FeSO
4溶液和0.0125mol•L
-1FeSO
4溶液，此时电解过程正在进行。请大家对比阴极的现象。
这些现象说明，当Fe
2+浓度很小时，只有H
+放电，符合放电顺序；当Fe
2+浓度逐渐增大，Fe
2+也会放电。据此，学生知道了，原来离子浓度也会影响放电顺序。这为下节课讲电镀做好了铺垫。
【完善装置】其实在实验过程中，学生也发现了此装置的不足之处，比如:此装置是开放体系，Cl
2会逸出，污染环境，还会扩散到阴极，导致阴极附近的淀粉-KI试纸也变蓝；而且电解时间稍长时，培养皿中的溶液都变成了红色；另外，此装置也不能检验H
2。
于是，我向学生展示，用饮料瓶与阳离子交换膜组装的电解饱和食盐水的装置，如图所示（图20），两个塑料瓶均剪掉了一部分，中间粘贴阳离子交换膜，将其连接起来。这里详细介绍阳离子交换膜的使用原理，为下节课讲氯碱工业做好铺垫。阴阳极均装有滴有酚酞的饱和食盐水，用作对比实验。阳极上部没有装满。阳极碳棒上，缠有湿润的淀粉-KI试纸，用来检验Cl
2；这是干燥的海绵，将装有NaOH溶液的注射器的针头插入海绵中，实验结束时进行尾气处理。阴极采用输液管的穿刺器和通气管，将H
2导入泡泡水中。通气孔去掉过滤纸以后是这样的结构，吹泡效果极好。
图20
下面我来演示这个实验（
演示实验）。
可以看到，两极均产生大量气泡，阳极试纸很快变成深蓝色，证明产生了Cl
2；阴极溶液变成红色，证明产生了NaOH；泡泡水中冒出很多气泡，点燃有爆鸣声，证明产生了H
2。关闭电源，将NaOH溶液挤入海绵中，吸收剩余的氯气。晃动一下装置，发现阴极红色并不能蔓延到阳极。
此装置有以下优点：1.可同时检验三种产物，现象明显，用时短，适合做学生实验。2.我专门从网上购买的阳离子交换膜，将其引入课堂中，让学生真实感受到膜技术的先进性，拓展视野。3.学生分组实验没有交换膜时，培养皿中溶液都变成红色，而此装置电解过程中，阴极变红色，阳极一直无色；且阴阳极的液面差一直存在，进一步向学生展示交换膜的“神奇”作用。4.阳极区巧妙地将NaOH溶液储存在注射器中，不仅解决了实验过程中阳极室内气压问题，而且实验结束时，将其注入海绵中，便于尾气处理，做到了Cl
2的零排放，零污染。5.巧用输液器通气孔的特殊结构，产生更多的气泡。
八、教学策略
以电解NaCl溶液为载体，通过探究同一实验的不同现象，利用问题趋动呈现给学生“宏微符”三重表征模型，培养了学生的“宏观辨识和微观探析”、“证据推理与模型认知”的素养；在探究放电顺序时，培养了学生的“科学探究与创新意识”；在完善装置的过程中，体现了严谨求实的科学态度和保护环境的可持续发展意识。
九、教学评价
本节课，采用多维度实验教学引起学生的多次深度思考，遵循学生认知规律，培养了学生化学学科素养。
以上是我对本节课的教学设计和实践，不妥之处，欢迎大家批评指正。谢谢！
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