模型建構(gòu)：基于微粒觀的電解原理綜合復(fù)習(xí)

《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》明確提出“通過分析、推理等方法認(rèn)識研究對象的本質(zhì)特征、構(gòu)成要素及其相互關(guān)系，建立認(rèn)知模型，并能運(yùn)用模型解釋化學(xué)現(xiàn)象，揭示現(xiàn)象的本質(zhì)和規(guī)律”等要求。電解池將氧化還原反應(yīng)、離子反應(yīng)等基本概念和原理提升到綜合應(yīng)用的維度，是中學(xué)化學(xué)基本理論的重要組成部分，是電化學(xué)的基礎(chǔ)知識，也是高考的必考內(nèi)容。高三復(fù)習(xí)教學(xué)應(yīng)緊扣鞏固電解池工作原理、構(gòu)建基于微粒觀的電解模型等重難點(diǎn)，增強(qiáng)學(xué)生的化學(xué)核心素養(yǎng)。

一、研究原型，構(gòu)建微粒觀思維模型

復(fù)習(xí)伊始，教師呈現(xiàn)如圖1所示的裝置，并利用問題鏈引導(dǎo)學(xué)生回顧教材中電解飽和食鹽水的原型實(shí)驗(yàn)：①通電前溶液中存在哪些粒子？②通電后溶液中的粒子如何運(yùn)動(dòng)？③哪種粒子“競爭勝利”，得到或失去電子？④你能用電極反應(yīng)方程式表示粒子的變化嗎？⑤你能描述實(shí)驗(yàn)中陰極和陽極的現(xiàn)象嗎？這些問題逐層遞進(jìn)，引導(dǎo)學(xué)生分別從微粒種類、微粒運(yùn)動(dòng)、微粒競爭、微粒變化、微粒結(jié)合等角度思考，構(gòu)建基于微粒觀的思維模型。

學(xué)生借助問題鏈探究，形成分析電解問題的基本思路和方法：電解池形成時(shí)，根據(jù)溶液中電解質(zhì)的電離過程分析出溶液中存在的各種陰離子和陽離子；根據(jù)電源的正負(fù)極確定電子流出的一極（陰極）和電子流入的一極（陽極）；根據(jù)電性匹配原則確定體系中陰離子、陽離子的運(yùn)動(dòng)方向；根據(jù)離子得失電子的能力（放電的順序）判斷發(fā)生何種反應(yīng)（溶液中得電子能力強(qiáng)的陽離子接受電源負(fù)極給出的電子而發(fā)生還原反應(yīng)；溶液中失電子能力強(qiáng)的陰離子失去電子而發(fā)生氧化反應(yīng)），進(jìn)而得出陰極、陽極各自的產(chǎn)物并描述相關(guān)反應(yīng)現(xiàn)象。這樣的分析過程能使學(xué)生的認(rèn)知由宏觀深入到微觀、由靜態(tài)發(fā)展到動(dòng)態(tài)，建立“電解質(zhì)溶液導(dǎo)電的過程實(shí)質(zhì)上是電解質(zhì)溶液電解的過程”觀念，形成從微觀角度剖析復(fù)雜電解體系的基本思維模型。

通過對電解飽和食鹽水中微粒變化的逐層分析，學(xué)生自主構(gòu)建了基于微粒觀的電解原理思維模型。這有助于他們以模型為載體，用微觀、動(dòng)態(tài)的思維分析電解池的應(yīng)用問題。

二、構(gòu)建新型，強(qiáng)化證據(jù)推理意識

利用離子交換膜對微粒運(yùn)動(dòng)的調(diào)控，使離子選擇性通過，避免副反應(yīng)的發(fā)生，從而改進(jìn)電解飽和食鹽水裝置，推理得出離子交換膜的作用及消毒液發(fā)生原理的學(xué)習(xí)過程，能有效診斷并發(fā)展學(xué)生運(yùn)用電解池微粒觀思維模型解決實(shí)際問題的能力。教學(xué)時(shí)，教師分兩步引導(dǎo)學(xué)生在微粒運(yùn)動(dòng)的調(diào)控過程中不斷強(qiáng)化對問題解決思路和推理邏輯的理解，讓他們在自主探究與合作交流中經(jīng)歷觀察、猜想、推理等活動(dòng)，進(jìn)而解決實(shí)際問題，拓展思維的深度和廣度，強(qiáng)化證據(jù)推理意識。

第一步，通過證據(jù)推理構(gòu)建氯堿工業(yè)裝置模型，體會離子交換膜的作用。課堂上，教師先提出問題：電解飽和食鹽水時(shí)，如果通電一段時(shí)間后切斷電源，溶液中會發(fā)生什么反應(yīng)，產(chǎn)生什么微粒？學(xué)生從微粒角度分析，推理得出溶液中Cl2與NaOH發(fā)生反應(yīng)，生成NaClO。接著，教師引導(dǎo)學(xué)生思考防止NaClO產(chǎn)生的方法。學(xué)生通過討論得出：要想防止NaClO產(chǎn)生，就要?jiǎng)?chuàng)造既能隔開Cl2和NaOH，又能形成閉合回路的實(shí)驗(yàn)條件。教師順勢提醒學(xué)生回想電解池中離子交換膜的作用——既能調(diào)控離子的運(yùn)動(dòng)，又能形成閉合回路。學(xué)生馬上想到只要在電解飽和食鹽水實(shí)驗(yàn)裝置的陰陽兩極之間使用陽離子交換膜，將電解池分為陰極室和陽極室（如圖2），陰極產(chǎn)生的OH-就能被陽離子交換膜阻止而不能運(yùn)動(dòng)到陽極，而陽極的Na+就可以通過陽離子交換膜到達(dá)陰極，使陽極室產(chǎn)生Cl2、陰極室形成NaOH溶液，從而避免Cl2與NaOH發(fā)生反應(yīng)，提高NaOH的純度與產(chǎn)率。

第二步，從電解飽和食鹽水原理出發(fā)，設(shè)計(jì)家庭消毒液制備裝置。教師先引導(dǎo)學(xué)生復(fù)習(xí)工業(yè)電解飽和食鹽水裝置中離子交換膜的作用，然后引導(dǎo)學(xué)生逆向思維：如何改變實(shí)驗(yàn)裝置，使Cl2與NaOH溶液充分反應(yīng)，增大NaClO的濃度，構(gòu)建家庭消毒液制備裝置呢？為了促進(jìn)學(xué)生思考，教師播放海底火山噴發(fā)的視頻，并用課件演示接觸法制硫酸中三氧化硫的吸收操作原理。學(xué)生由此聯(lián)系到逆流原理，推想出要使Cl2與NaOH溶液充分反應(yīng)，提升反應(yīng)物的轉(zhuǎn)化率，就要使陽極產(chǎn)物Cl2在下端產(chǎn)生，類似海底火山噴發(fā)，讓氣體自下而上運(yùn)動(dòng)，與NaOH溶液更加充分地接觸。教師肯定了學(xué)生的想法，并要求他們自主設(shè)計(jì)裝置圖。隨后，教師展示學(xué)生繪制的裝置圖（如圖3），也就是家庭消毒液制備裝置。

三、應(yīng)用模型，深化模型創(chuàng)新意識

教師要在教學(xué)中創(chuàng)設(shè)真實(shí)的問題情境，引導(dǎo)學(xué)生從電解飽和食鹽水實(shí)驗(yàn)裝置模型出發(fā)，通過改變微粒種類進(jìn)行變式，演變出工業(yè)制備金屬鈉實(shí)驗(yàn)裝置，電鍍銅、電解精煉銅實(shí)驗(yàn)裝置，以及電合成己二腈實(shí)驗(yàn)裝置，從而整體理解相關(guān)反應(yīng)原理，整體構(gòu)建相關(guān)實(shí)驗(yàn)裝置模型。

變式1：工業(yè)制備金屬鈉（電冶金）。教師先提出問題：電解飽和食鹽水為什么不能生成金屬鈉？如何調(diào)控粒子獲取金屬鈉？學(xué)生從微粒競爭角度分析：NaCl溶液中Na+的氧化性小于H+，Na+不會在陰極得電子生成金屬鈉，而是H2O在陰極得電子生成H2，因此在電解制備金屬鈉時(shí)裝置中不能有H2O存在。要想去除H2O，只能通過電解熔融氯化鈉制備金屬鈉，而在高溫條件下，鈉在陰極會與石墨發(fā)生反應(yīng)，生成乙炔二鈉（Na2C2），所以需要用鐵作陰極（如圖4）。

通過構(gòu)建工業(yè)制備金屬鈉即電冶金模型，學(xué)生豐富了制備物質(zhì)的視角：自然界中沒有的活潑金屬或其他物質(zhì)可以通過電解法冶煉獲得。

電解CuCl2溶液是人教版化學(xué)選擇性必修1中的重要實(shí)驗(yàn)，它與電解飽和食鹽水原型實(shí)驗(yàn)相關(guān)，有助于學(xué)生繼續(xù)研究?；诖?，教師引導(dǎo)：假設(shè)我們把電解飽和食鹽水實(shí)驗(yàn)裝置中的Na+換成氧化性比H+強(qiáng)的金屬離子，如Cu2+，電解過程會有哪些變化？學(xué)生從微粒競爭角度分析：由于Cu2+的氧化性強(qiáng)于H+，根據(jù)微粒放電的先后順序可以推斷，Cu2+會在陰極得電子，發(fā)生還原反應(yīng)而析出單質(zhì)銅。這為電鍍銅裝置的構(gòu)建奠定了基礎(chǔ)。

變式2：電鍍銅。電鍍時(shí)一般用含鍍層金屬離子的電解質(zhì)溶液作為電鍍液，把待鍍金屬制品浸入電鍍液中與直流電源的負(fù)極相連作為陰極，用鍍層金屬作為陽極。陽極金屬溶解在溶液中成為陽離子，移向陰極，并在陰極被還原成金屬析出。如果教師引導(dǎo)學(xué)生從微粒調(diào)控的角度分析，將電解CuCl2溶液裝置中的Cl-替換成SO[2？4]，陽極和陰極更換為銅單質(zhì)，學(xué)生就能建構(gòu)出電鍍銅實(shí)驗(yàn)裝置（如圖5）。

變式3：電解精煉銅。銅的電解精煉是為了提純銅。離子在電極上得失電子的能力與電極材料的性質(zhì)、離子的氧化性（還原性）強(qiáng)弱有關(guān)。基于此，教師出示圖6，引導(dǎo)學(xué)生分析得出將圖5裝置的陽極換成粗銅、陰極換成精銅，就能構(gòu)建工業(yè)電解精煉銅的裝置，實(shí)現(xiàn)模型的創(chuàng)新應(yīng)用。

變式4：電有機(jī)合成。與其他有機(jī)合成相比，電有機(jī)合成具有反應(yīng)條件溫和、反應(yīng)試劑純凈和生產(chǎn)效率高等優(yōu)點(diǎn)。從知識的價(jià)值和功能角度考慮，電有機(jī)合成的變式應(yīng)用有助于學(xué)生認(rèn)識氧化反應(yīng)和還原反應(yīng)同時(shí)發(fā)生且發(fā)生在體系的不同部位，形成制備物質(zhì)的新視角?；诖?，教師從電子轉(zhuǎn)移的角度創(chuàng)設(shè)在電解池中進(jìn)行有機(jī)合成的復(fù)雜問題情境：“制造尼龍-66的原料己二腈［NC（CH2）4CN］用量很大，以乙炔和甲醛為原料合成己二腈的傳統(tǒng)做法需要經(jīng)過較長的反應(yīng)路線，效率不高。你能以丙烯為原料，想辦法用電合成法制備己二腈嗎？”經(jīng)過小組合作探究，學(xué)生明白了電合成的基本原理：電合成過程是一個(gè)氧化還原反應(yīng)過程，陰極反應(yīng)物得電子被還原，陽極反應(yīng)物失電子被氧化。在教師引導(dǎo)下，學(xué)生總結(jié)出“先以丙烯為原料制備丙烯腈（CH2=CHCN），再用丙烯腈電合成己二腈，以提高制備效率”的思路，并根據(jù)原型實(shí)驗(yàn)裝置得出如圖7所示的實(shí)驗(yàn)裝置。

該裝置基于電解原理合成有機(jī)物己二腈，反應(yīng)中電子作為試劑，丙烯腈（CH2=CHCN）在陰極得電子發(fā)生二聚還原反應(yīng)生成己二腈，從而通過電子轉(zhuǎn)移實(shí)現(xiàn)有機(jī)物的合成且反應(yīng)過程一步完成。由此，學(xué)生建構(gòu)了電合成己二腈的實(shí)驗(yàn)裝置模型。

以上模型的變式與創(chuàng)新使學(xué)生對電解原理獲得了從宏觀到微觀的認(rèn)識拓展，以及從靜態(tài)到動(dòng)態(tài)的認(rèn)識深化，加強(qiáng)了他們對電解池中粒子的競爭、運(yùn)動(dòng)、變化等觀點(diǎn)的理解，培養(yǎng)了他們的模型創(chuàng)新意識和深層次洞察能力，有利于其克服復(fù)習(xí)時(shí)死記硬背知識的弊端，學(xué)會通過復(fù)雜問題具體化凸顯其化學(xué)本質(zhì)，進(jìn)而靈活運(yùn)用化學(xué)知識解決問題。

（作者單位：利川市第一中學(xué)）

朱方仕，正高級教師，湖北省特級教師，湖北名師，湖北師范大學(xué)兼職碩士生導(dǎo)師，湖北民族大學(xué)兼職教授，湖北省普通高中化學(xué)學(xué)科基地負(fù)責(zé)人，湖北名師工作室主持人。近年來，工作室聚焦素養(yǎng)為本的課堂教學(xué)展開實(shí)踐研究，在基于證據(jù)推理、模型認(rèn)知的課堂教學(xué)方面取得了一定的成果。