以史為“線” 以實(shí)驗(yàn)探究為“珠”的電解池教學(xué)探究

蘇玉釵

（河北衡水中學(xué)，河北 衡水 053000）

【教學(xué)設(shè)計(jì)】

以史為“線” 以實(shí)驗(yàn)探究為“珠”的電解池教學(xué)探究

蘇玉釵

（河北衡水中學(xué)，河北 衡水 053000）

化學(xué)史中一些重要理論的建立、重要觀念的轉(zhuǎn)變，化學(xué)家們的探索和努力可以帶給學(xué)生許多啟迪。我國(guó)著名化學(xué)家付鷹教授說過：化學(xué)給人以知識(shí)，化學(xué)史給人以智慧。電解池這節(jié)課，以化學(xué)史為載體，沿著戴維發(fā)現(xiàn)金屬元素的探索思路與電解的發(fā)展歷程從電解水到電解水溶液再到電解熔融物，和學(xué)生一同領(lǐng)悟科學(xué)家的思維過程。

化學(xué)史；實(shí)驗(yàn)探究；實(shí)驗(yàn)改進(jìn)；設(shè)計(jì)理念

在具體實(shí)施過程中，我充分發(fā)揮了實(shí)驗(yàn)探究的功能。學(xué)生通過自己動(dòng)手做實(shí)驗(yàn)，能夠更好地觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，加深對(duì)知識(shí)的理解，從中體會(huì)自己發(fā)現(xiàn)問題、提出問題、解決問題的樂趣，提高自身的實(shí)驗(yàn)探究能力。為此，本節(jié)課我設(shè)計(jì)了3個(gè)學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)：首先是電解氯化銅溶液，探索電解原理；然后是電解碳酸鉀溶液，對(duì)比電解氯化銅溶液引起認(rèn)知沖突，初步了解放電順序；最后先預(yù)測(cè)電解NaCl溶液的產(chǎn)物，再進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，使所學(xué)知識(shí)得到遷移運(yùn)用。

一、實(shí)驗(yàn)微型化﹑減量化﹑方便化的改進(jìn)

鑒于本節(jié)課要完成3個(gè)分組實(shí)驗(yàn)，而教材實(shí)驗(yàn)裝置如圖1雖然簡(jiǎn)單、便于觀察，但是作為學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)，藥品用量多，污染大，還需要一些配套裝置，不方便更換電解質(zhì)溶液，耗時(shí)會(huì)比較長(zhǎng)，為此根據(jù)微型化、減量化的原則，我對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了如下改進(jìn)如圖2：2節(jié)干電池作電源；用學(xué)生涂卡用的鉛筆芯作石墨電極，并事先用透明膠布將兩根鉛筆芯及導(dǎo)線的鐵夾固定好以防止電極接觸產(chǎn)生短路；把U形管換作點(diǎn)滴板，這樣每一次實(shí)驗(yàn)所取溶液不到一滴管，而且可以做多組實(shí)驗(yàn)，只需換一個(gè)凹槽放溶液即可。改進(jìn)后還有以下好處：（1）這樣的微型裝置節(jié)約了藥品，減少了污染，幾秒鐘就能出現(xiàn)明顯現(xiàn)象，比如圖3是電解氯化銅溶液的圖片，有利于學(xué)生把重點(diǎn)放在對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的觀察上。（2）電解碳酸鉀溶液時(shí)如圖4，很容易觀察到一極氣泡多一極氣泡少。（3）該微型裝置可以初步檢驗(yàn)電解產(chǎn)物，如圖5：電解氯化鈉溶液時(shí)，兩極是都有氣泡的，我們可以把淀粉碘化鉀試紙平鋪在電極上面觀察哪一極首先變藍(lán)，可以判斷氯氣的產(chǎn)生，檢驗(yàn)產(chǎn)物氫氧化鈉時(shí)若是電解前滴酚酞還可以觀察到陰極首先變紅。所以改進(jìn)后的裝置不僅具有與教材裝置相同的功能，而且保證了三個(gè)探究實(shí)驗(yàn)的順利完成。

圖1

圖2

圖3

圖4

圖5

二、以化學(xué)史創(chuàng)設(shè)情境引入課題

在古代的物質(zhì)觀中不管是中國(guó)的“陰陽五行說”還是西方的“四元素說”，都認(rèn)為水是一種不能夠被分解的元素.這是因?yàn)樗芊€(wěn)定，隨后我提出以下兩個(gè)問題：一是水為什么難以分解為氫氣和氧氣呢？二是如何實(shí)現(xiàn)水的分解？設(shè)計(jì)的目的是引導(dǎo)學(xué)生從能量的角度分析水難以分解是因?yàn)樵撨^程需要吸收很高的能量，而電解法可以提供能量，有助于學(xué)生能量觀的建構(gòu)。然后介紹：在化學(xué)發(fā)展史上第一次實(shí)現(xiàn)水電解為氫氣和氧氣是在1800年伏打發(fā)明電池后，自此“水是一種元素”的傳統(tǒng)認(rèn)識(shí)徹底被打破，電解法的出現(xiàn)給人類帶來了一場(chǎng)認(rèn)識(shí)上的革命，當(dāng)時(shí)英國(guó)化學(xué)家戴維敏感的意識(shí)到它可以用于研究物質(zhì)的組成，大膽嘗試用電解的方法去分解一些當(dāng)時(shí)人們認(rèn)為不能夠被分解的物質(zhì)，結(jié)果在短短一年時(shí)間內(nèi)發(fā)現(xiàn)了6種新的金屬元素。開頭的設(shè)計(jì)，向?qū)W生展示了電解產(chǎn)生的時(shí)代背景和產(chǎn)生后給化學(xué)的發(fā)展帶來的巨大影響，使學(xué)生對(duì)于本節(jié)課的學(xué)習(xí)充滿期待。

三、那戴維到底是如何發(fā)現(xiàn)的新金屬呢？沿著戴維的探索思路，開展下面的探究活動(dòng)

1.戴維最初想法是水通電可以分解為氫氣和氧氣，那物質(zhì)的水溶液通電又會(huì)怎樣呢？由此引入對(duì)電解氯化銅溶液的探究。通過實(shí)驗(yàn)學(xué)生發(fā)現(xiàn)一極析出紅色物質(zhì)，一極有刺激性氣體生成，據(jù)此寫出電極反應(yīng)式和總反應(yīng)式。然后我從能量變化的角度引導(dǎo)學(xué)生：銅在氯氣中燃燒是放熱的，那氯化銅分解則是能量升高的，從而從能量變化的角度歸納出電解池的定義，進(jìn)一步建構(gòu)學(xué)生的能量觀。并根據(jù)剛才的實(shí)驗(yàn)總結(jié)電解池的構(gòu)成條件。為了突破電解原理這一重難點(diǎn)我制作了動(dòng)畫。電子從電源的負(fù)極出發(fā)流入電解池的陰極，溶液中的銅離子移向陰極，氯離子移向陽極，銅離子得到電子析出銅，氯離子失去電子生成氯氣，電子流回電源的正極。進(jìn)一步理解閉合回路的形成，強(qiáng)調(diào)陰離子的移動(dòng)方向與外電路中電子的移動(dòng)方向一致，陽離子的移動(dòng)方向與外電路中電流的方向一致。通過觀看動(dòng)畫從微觀角度體會(huì)電解池工作的原理。為了深化學(xué)生對(duì)陰極和陽極的認(rèn)識(shí)，我請(qǐng)學(xué)生們自己歸納陰極和陽極的區(qū)別，從裝置的角度，與電源正極相連的叫做陽極，與電源負(fù)極相連的叫做陰極；從變化的角度，得電子、發(fā)生還原反應(yīng)的是陰極，失電子發(fā)生氧化反應(yīng)的是陽極。在學(xué)生對(duì)于電解裝置有了深刻理解之后請(qǐng)同學(xué)們嘗試從物質(zhì)變化的角度歸納電解池的定義。這一環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)理念是：讓學(xué)生經(jīng)歷概念的形成過程，通過發(fā)現(xiàn)問題，解決問題，實(shí)現(xiàn)學(xué)生從實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的感性認(rèn)識(shí)上升到電解原理的理性認(rèn)識(shí)。

2.在理解電解原理的基礎(chǔ)上，我以戴維進(jìn)行的具體探索為切入點(diǎn)。戴維時(shí)代人們認(rèn)為從草木灰中提取出來的碳酸鉀是一種元素，但是戴維不迷信前人的結(jié)論，他想通過電解法使其分解。從而轉(zhuǎn)入對(duì)碳酸鉀溶液的探究。學(xué)生通過動(dòng)手實(shí)驗(yàn)，觀察到兩極均產(chǎn)生氣泡，且速度有快有慢。有了直觀的認(rèn)識(shí)，我給出當(dāng)年戴維的實(shí)驗(yàn)結(jié)果：戴維實(shí)驗(yàn)了幾十次，結(jié)果在兩極得到了兩種氣體，經(jīng)分析是水電解產(chǎn)生的氫氣和氧氣，而碳酸鉀本身并沒有變化。那為什么電解碳酸鉀溶液相當(dāng)于電解水呢？學(xué)生經(jīng)過討論一致認(rèn)為溶液中的離子在兩極是競(jìng)爭(zhēng)著去得失電子的。聯(lián)系金屬活動(dòng)順序表很容易得出離子的放電是有順序。這一環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)理念是：通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)新的問題-通過推理解決問題，初步理解離子的放電順序就是還原性、氧化性順序，從而完善對(duì)電解原理的認(rèn)識(shí)，同時(shí)引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)戴維勇于探索的精神。規(guī)律指導(dǎo)實(shí)踐，實(shí)踐驗(yàn)證規(guī)律。為此我設(shè)計(jì)了實(shí)驗(yàn)三電解氯化鈉溶液。通過以下三步：①預(yù)測(cè)能夠得到的產(chǎn)物。②設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)產(chǎn)物。③寫出電極反應(yīng)式和總反應(yīng)式。體會(huì)研究水溶液電解產(chǎn)物的一般過程和方法。簡(jiǎn)單交流之后達(dá)成共識(shí)電解產(chǎn)物為氯氣，氫氣和氫氧化鈉。氫氧化鈉可以滴加酚酞檢驗(yàn)，但由于此時(shí)兩極都有氣泡，不能夠通過刺激性氣味來判斷氯氣在哪一極生成。而我們的微型裝置同樣實(shí)現(xiàn)了淀粉碘化鉀試紙檢驗(yàn)氯氣。我們將試紙平鋪在電極上面此時(shí)試紙潤(rùn)濕，觀察到陽極首先變藍(lán)，改變角度，豁然開朗。

3.在實(shí)驗(yàn)過程中，學(xué)生還提出了3個(gè)問題，使課堂得到了意外的生成。并經(jīng)過同學(xué)們的相互幫助，找到了原因。

問題1：陽極產(chǎn)生氣泡慢是由于產(chǎn)生的氯氣溶解在了堿性溶液中。

問題2：電解前滴酚酞陰極首先變紅是由于氫離子放電破壞了水的電離平衡。

問題3：紅色過一會(huì)變淺是由于氯氣溶解后產(chǎn)生了具有漂白作用的物質(zhì)。這一環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)：學(xué)生從中體驗(yàn)成功的喜悅和知識(shí)的應(yīng)用價(jià)值，課堂的意外生成開啟了學(xué)生思考和求知的大門。

那戴維到底如何發(fā)現(xiàn)的新元素呢？分析戴維發(fā)現(xiàn)金屬元素的特點(diǎn)，都是前2個(gè)主族的。學(xué)生聯(lián)系所學(xué)金屬冶煉方法意識(shí)到要排除水的干擾，可以電解熔融態(tài)的物質(zhì)。而這也正是戴維當(dāng)年實(shí)驗(yàn)的思路，戴維最后通過電解熔融的氫氧化鉀得到了金屬鉀。他創(chuàng)立的最強(qiáng)大的氧化還原手段——電解法，使數(shù)千年都沒有被發(fā)現(xiàn)的活潑金屬?gòu)钠淙廴谝褐羞€原出來，受戴維的啟發(fā)，在電解法出現(xiàn)后的44年間科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了31種新元素。電解的方法到今天依然具有重要的應(yīng)用價(jià)值，相信以后也將會(huì)發(fā)揮更重要的作用，從而結(jié)束本節(jié)課.

四、課下作業(yè)

辯證主義的觀點(diǎn)認(rèn)為：對(duì)立面之間是可以相互轉(zhuǎn)化，相互滲透的。本節(jié)電解池，與已學(xué)原電池，實(shí)現(xiàn)了對(duì)立面電能和化學(xué)能之間的相互轉(zhuǎn)化，課下請(qǐng)同學(xué)們比較原電池和電解池之間的聯(lián)系和區(qū)別。

五、板書設(shè)計(jì)

電解池

1.定義：

2.構(gòu)成條件：

3.放電順序：Cu2+〉H+〉K+Cl-〉OH-〉CO32-

六、課后反思

反思本節(jié)課，以化學(xué)史構(gòu)建教學(xué)內(nèi)容主線，通過學(xué)生動(dòng)手實(shí)驗(yàn)，討論，交流注重了知識(shí)的形成過程，戴維的成功帶給了學(xué)生許多思考：當(dāng)今社會(huì)更需要有不迷信，不盲從的創(chuàng)新精神和不怕失敗、勇往直前的實(shí)干精神，有助于學(xué)生的長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展，我想也是本節(jié)課育人價(jià)值的所在。

G632.41

A

1674-9324（2014）28-0170-02