適合學生探究的微型電解實驗設計

朱鵬飛+徐惠

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(zhì)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

文章編號：1005–6629（2014）7–0057–02 中圖分類號：G633.8 文獻標識碼：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(shù)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(nèi)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(zhì)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(zhì)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(zhuǎn)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(jié)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1 mol·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1～2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(nèi)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(diào)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(zhì)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(jié)論因此不同[3]。筆者認為不僅是物質(zhì)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(zhì)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(nèi)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(zhì)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，2003：41.

[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，2008，（8）：65-67.

[3]宋心琦.中學化學教學改革與微型實驗[J].內(nèi)蒙古民族大學學報，2009，（7）：1～2.

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(zhì)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

文章編號：1005–6629（2014）7–0057–02 中圖分類號：G633.8 文獻標識碼：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(shù)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(nèi)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(zhì)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(zhì)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(zhuǎn)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(jié)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1 mol·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1～2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(nèi)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(diào)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(zhì)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(jié)論因此不同[3]。筆者認為不僅是物質(zhì)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(zhì)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(nèi)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(zhì)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，2003：41.

[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，2008，（8）：65-67.

[3]宋心琦.中學化學教學改革與微型實驗[J].內(nèi)蒙古民族大學學報，2009，（7）：1～2.

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(zhì)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

文章編號：1005–6629（2014）7–0057–02 中圖分類號：G633.8 文獻標識碼：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(shù)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(nèi)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(zhì)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(zhì)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(zhuǎn)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(jié)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1 mol·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1～2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(nèi)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(diào)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(zhì)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(jié)論因此不同[3]。筆者認為不僅是物質(zhì)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(zhì)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(nèi)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(zhì)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，2003：41.

[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，2008，（8）：65-67.

[3]宋心琦.中學化學教學改革與微型實驗[J].內(nèi)蒙古民族大學學報，2009，（7）：1～2.