電解飽和食鹽水微型化學(xué)實(shí)驗(yàn)案例的設(shè)計(jì)

林捷

摘要：利用注射器針筒及鉛筆芯和充電寶設(shè)計(jì)微型實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)儀器常見(jiàn)，節(jié)約實(shí)驗(yàn)成本，操作簡(jiǎn)單方便，反應(yīng)迅速，現(xiàn)象明顯，利于課堂分組，也方便學(xué)生家庭實(shí)驗(yàn)，使學(xué)生實(shí)驗(yàn)的動(dòng)手率達(dá)到百分百成為可能。

關(guān)鍵詞：電解飽和食鹽水；漂白液；化學(xué)工業(yè)；實(shí)驗(yàn)改進(jìn)

一、設(shè)計(jì)思路

1.問(wèn)題提出

氯堿工業(yè)是課標(biāo)要求的五大基本化學(xué)工業(yè)之一。在實(shí)際教學(xué)中發(fā)現(xiàn)學(xué)生對(duì)化工技術(shù)知識(shí)存在學(xué)習(xí)障礙，容易產(chǎn)生“懂化學(xué)原理，不懂化工技術(shù)”的現(xiàn)象。為追求化學(xué)原理的真實(shí)性，化工題成為近年高考新寵，如交換膜技術(shù)。但此類(lèi)題得分率均不高，這就要求我們?cè)诮虒W(xué)中要幫助學(xué)生建立相應(yīng)化工模型。筆者認(rèn)為可嘗試先從解決生活實(shí)際問(wèn)題出發(fā)，再回歸教材實(shí)驗(yàn)分析，再分析化工生產(chǎn)與實(shí)驗(yàn)室的不同點(diǎn)?？朔W(xué)生對(duì)化工分析的認(rèn)知恐懼障礙心理。

電解飽和食鹽水是氯堿工業(yè)的主要反應(yīng)，也是電解原理的一個(gè)重要應(yīng)用。不同版本的電解飽和食鹽水裝置有所不同，魯科版《化學(xué)反應(yīng)原理》教材中“電解飽和食鹽水”實(shí)驗(yàn)使用u型管做發(fā)生裝置，并要求學(xué)生設(shè)法檢驗(yàn)兩極附近溶液組成的變化并判斷氣體產(chǎn)物。筆者認(rèn)為該裝置有兩個(gè)缺點(diǎn)：電極距離太遠(yuǎn)，離子移動(dòng)速度慢，電解過(guò)程緩慢；教材中強(qiáng)調(diào)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的過(guò)程和結(jié)果的分析，忽略了有毒氣體的控制和處理。氯氣有毒對(duì)人體有強(qiáng)烈刺激性，若檢驗(yàn)時(shí)有部分氯氣泄漏在教室空氣中將危害人體健康、污染空氣，這與綠色化學(xué)的理念不符合，將此裝置進(jìn)行分組實(shí)驗(yàn)更是不現(xiàn)實(shí)。

2.本實(shí)驗(yàn)案例的設(shè)計(jì)思路

以小明家辦喜事，不小心把染紅雞蛋的有機(jī)染料弄到襯衫上，如何通過(guò)自己制備漂白液這樣的生活實(shí)景導(dǎo)入。通過(guò)前面學(xué)習(xí)，學(xué)生已經(jīng)掌握了電解的原理，聯(lián)系已有知識(shí)容易想到可以用電解食鹽水的方法，通過(guò)產(chǎn)生的氯氣與氫氧化鈉反應(yīng)可以制備次氯酸鈉溶液。生活化問(wèn)題要生活化方法解決，藥品和儀器應(yīng)在家里隨手可得，所以筆者想到的電解儀器和藥品該是手機(jī)充電頭或者充電寶、鉛筆芯、USB數(shù)據(jù)線、碗、飽和食鹽水，就可以指導(dǎo)學(xué)生在家里自己動(dòng)手制備次氯酸鈉漂白液。

在課堂上除了制備漂白液外，該實(shí)驗(yàn)主要目的是設(shè)法檢驗(yàn)兩極附近溶液組成的變化并判斷氣體產(chǎn)物。所以應(yīng)從以下角度對(duì)教材裝置進(jìn)行改進(jìn)：①針對(duì)實(shí)驗(yàn)效果，力求裝置簡(jiǎn)單，反應(yīng)迅速，現(xiàn)象明顯；②產(chǎn)物檢驗(yàn)操作簡(jiǎn)單；③實(shí)驗(yàn)微型化，原料用量少，產(chǎn)生氯氣量微少，實(shí)驗(yàn)安全，對(duì)學(xué)生身心健康無(wú)影響。

所以將u型管替換成10mL塑料針筒做電解發(fā)生裝置，電解過(guò)程中只會(huì)產(chǎn)生極少量氯氣和氫氣，學(xué)生分組過(guò)程中根本不會(huì)聞到氯氣刺激性氣味，既安全又健康環(huán)保。在飽和食鹽水中預(yù)先滴加酚酞檢驗(yàn)陰極產(chǎn)物氫氧根，用濕潤(rùn)藍(lán)色石蕊試紙和濕潤(rùn)淀粉KT試紙塞入到導(dǎo)氣管中檢驗(yàn)氯氣性質(zhì)，用肥皂水收集一黃豆顆粒大小混合氣體點(diǎn)燃驗(yàn)證氫氣。

用學(xué)生平常使用的充電寶替代學(xué)生電源；用廢棄帶USB頭的數(shù)據(jù)線或鼠標(biāo)線做電源和電極連接線；用小刀把鉛筆破開(kāi)取出鉛筆芯做陽(yáng)極材料；用銅導(dǎo)線芯做陰極材料；用輸液軟管連接在針筒末端做導(dǎo)氣管檢驗(yàn)陰陽(yáng)極產(chǎn)物氫氣氯氣。導(dǎo)線連接兩電極時(shí)應(yīng)使用膠布包裹防止短路。

3.一與化工接軌

課堂時(shí)間價(jià)值曲線規(guī)律指出：在45分鐘內(nèi)，前20分鐘是興奮區(qū)，是第一個(gè)黃金時(shí)區(qū)，學(xué)生的興奮點(diǎn)已轉(zhuǎn)移到主題上；20-40分鐘是學(xué)生心理過(guò)渡期，是波谷，教師必須不失時(shí)機(jī)地把學(xué)生的思維重新引入上升境界，并盡可能延長(zhǎng)興奮時(shí)間。

學(xué)生在前20分鐘內(nèi)通過(guò)自己動(dòng)手實(shí)驗(yàn)，分析電解飽和食鹽水的原理，頭腦形成已有的知識(shí)經(jīng)驗(yàn)f假如沒(méi)有使用u型管陰陽(yáng)極產(chǎn)物氫氣氯氣不好分離，陽(yáng)極產(chǎn)生的氯氣和陰極產(chǎn)生的OH-很容易反應(yīng)生成次氯酸鈉而得不得純凈的氫氧化鈉。）與新問(wèn)題情景（化工生產(chǎn)無(wú)法使用u型管，燒堿比次氯酸鈉用途更廣）之間存在矛盾而產(chǎn)生認(rèn)知沖突。學(xué)生為消除認(rèn)知沖突以實(shí)現(xiàn)新的認(rèn)知平衡而迅速激活舊的認(rèn)知結(jié)構(gòu)，從中選擇和接受相關(guān)信息（離子交換膜技術(shù)）并對(duì)信息進(jìn)行有目的的加工。這樣能夠有效地喚起學(xué)生的思維注意，激起學(xué)生思維的興奮點(diǎn)，讓學(xué)生以飽滿的激情重新投入到新知識(shí)學(xué)習(xí)中。學(xué)生產(chǎn)生的認(rèn)知沖突可以幫助提高課堂教學(xué)中教師的教和學(xué)生的學(xué)的針對(duì)性和指向性。幫助學(xué)生明白離子交換膜的必要性和工作原理。

二、具體實(shí)施

1.實(shí)驗(yàn)儀器、藥品及裝置簡(jiǎn)介

儀器：10mL注射器2支、充電寶1個(gè)、3-4cm鉛筆芯1條、硬芯銅導(dǎo)線1截、帶USB頭數(shù)據(jù)線一段、輸液軟管一段、小布條、火柴、點(diǎn)滴板

藥品：飽和食鹽水、酚酞試劑、淀粉碘化鉀試紙、藍(lán)色石蕊試紙、品紅溶液、肥皂水

裝置簡(jiǎn)介：去掉注射器的塑料把手-將鉛筆芯和銅芯穿過(guò)注射器的橡膠塞中-兩電極下端用數(shù)據(jù)線導(dǎo)線連接-將橡膠塞塞入注射器末段-注入滴有酚酞的飽和食鹽水-將輸液管-端與針筒頭部相連-連接充電寶開(kāi)始通電

2.實(shí)驗(yàn)步驟和現(xiàn)象

按照?qǐng)D1安裝實(shí)驗(yàn)裝置。取另一只10mL潔凈帶針頭的注射器，往圖1裝置中注入10mL滴有酚酞的飽和食鹽水，將潔凈的輸液軟管連接到注射器出口處，連接電源觀察現(xiàn)象。

（1）氯氣的檢驗(yàn)

在塑料導(dǎo)管末端輕輕塞入小半段濕潤(rùn)的KT淀粉試紙，30秒后試紙變深藍(lán)色或紫色；取出KT淀粉試紙?jiān)偃诵“攵螡駶?rùn)的藍(lán)色石蕊試紙，30秒后試紙先變紅后褪色。均可證明混合氣體中有氯氣。

（2）氫氣的檢驗(yàn)

化學(xué)實(shí)驗(yàn)中一般用小試管收集氫氣然后燃燒來(lái)檢驗(yàn)氫氣，該操作要求氫氣氣流速度較快，且比較麻煩。可采用吹肥皂泡的方法：將塑料軟管末端插入盛放肥皂水的點(diǎn)滴板中，待氫氣和氯氣的混合氣體把肥皂泡脹成黃豆大小后，用火柴點(diǎn)燃。觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：點(diǎn)燃肥皂泡時(shí)有尖銳的爆鳴聲，說(shuō)明氫氣和氯氣混合氣體在點(diǎn)燃條件下發(fā)生爆炸。

實(shí)驗(yàn)說(shuō)明：因?yàn)榛旌蠚怏w量非常少，點(diǎn)燃時(shí)不會(huì)產(chǎn)生安全隱患，但筆者操作過(guò)程中發(fā)現(xiàn)有時(shí)候因爆炸時(shí)產(chǎn)生向后沖擊力會(huì)使針筒的橡皮塞炸飛，液體流出導(dǎo)致后續(xù)實(shí)驗(yàn)無(wú)法繼續(xù)，所以點(diǎn)燃前一定要先將軟管中間對(duì)折，隔絕針筒與肥皂泡的連通。

（3）陰極顏色變化分析

電解滴有酚酞的飽和食鹽水，通電后陰極銅棒周?chē)芤侯伾芸熳兗t，隨即顏色擴(kuò)散整個(gè)針筒，測(cè)其溶液pH為9-10左右；繼續(xù)通電30秒左右后顏色變淺至無(wú)色，測(cè)其溶液pH為13-14左右。此實(shí)驗(yàn)充分展現(xiàn)出酚酞的整個(gè)變色過(guò)程和范圍。酚酞變色機(jī)理如圖2、3所示。

酚酞是一種有機(jī)弱酸，它在酸性溶液中，H+濃度較高時(shí)，形成無(wú)色分子。但隨著溶液中OH-濃度的增大，酚酞結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，并進(jìn)一步電離成紅色離子，如圖2所示。