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视频标签：电解原理的探究
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视频课题：高中化学说课_《幻彩实验—项目式合作学习“电解原理的探究”》王倩.
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高中化学说课_《幻彩实验——项目式合作学习“电解原理的探究”》王倩.
《幻彩实验——项目式合作学习“电解原理的探究”》
说课稿
人教版化学选修4《化学反应原理》第四章第三节“电解池”。
二、实验器材
1. 仪器及用品：U型管、铁架台、橡胶塞、酒精灯、导线、石墨电极、注射器、铁丝、火柴、玻璃棒、量筒、烧杯、试管、胶头滴管等。
2. 药品及试剂：饱和NaCl溶液、饱和Na
2SO
4溶液，饱和CuSO
4溶液，1mol/L CuCl
2溶液，NaOH溶液（pH=8稀溶液，pH>13浓溶液）、饱和KCl溶液、果冻、铁氰化钾溶液、硫氰化钾溶液、乙醇、紫甘蓝提取液、紫色茄子皮提取液、黑香米提取液、红苋菜提取液、卷心菜提取液、香蕉皮提取液。
三、实验改进及创新要点
1. 优化实验装置
教材中无电解饱和食盐水的实验，查阅文献
[2]中此实验的改进大都集中在气体检验、尾气处理上，改进的方式与下图1（1）相类似。此类装置的导管中易有氯气残留，污染环境。
改进后，装置操作简便，安全可靠、无气体泄露、残留、绿色环保；可清晰观察实验现象，进行气体收集、检验及尾气处理，如上图1（2）所示。
2. 改进指示剂
文献
[2]中用惰性电极电解饱和食盐水，通过酚酞显红色证明阴极有OH
—生成。实验过程中却发现阴极附近溶液先呈红色，之后红色逐渐变浅甚至褪色，如图2（1）所示。
在学生已有认知中，用酚酞红色的深浅来判断
c(OH
—)的大小，而这个实验现象与学生的认知产生了冲突。查文献
[3]得知：酚酞在稀的碱性溶液（pH值为8.2~10.0）里呈红色，较长时间不褪色。酚酞在浓的强碱性溶液（pH值大于13）里先呈红色，然后褪为无色。故用酚酞作指示剂，无法准确表达电解饱和食盐水时
c(OH
—)大小的变化。
引导学生查阅文献
[4~5]，并进行对比试验，最终选取了紫甘蓝提取液来替代酚酞。紫甘蓝在酸性、碱性及中性环境中均呈现不同的颜色，且热稳定性较好。紫甘蓝的变色范围为pH <6.5粉红色、7.0 < pH <7.1紫色、7.5< pH < 8.5蓝色、8.5 < pH < 12绿色、pH > 12.5黄色。搜索知网，未查到紫甘蓝乙醇提取液应用于电解饱和食盐水的实验。故选用紫甘蓝提取液作电解饱和食盐水的指示剂，有研究的价值。
改进后实验现象：阳极溶液由紫色变为红色（因氯气与水反应生成HCl），电极附近红色随后褪至无色（因氯气与水反应同时生成HClO）。阴极溶液由紫色迅速变为绿色，随后逐渐变为黄色（因溶液中
c(OH
—)由小到大），在U型管底部两极溶液交汇处还可以看到蓝色（因7.5< pH < 8.5时紫甘蓝呈现蓝色），如图2（2）所示。
改选用紫甘蓝提取液作指示剂，惰性电极电解饱和食盐水，实验现象明显。根据阴极溶液颜色的变化，可以感知OH
—产生、浓度由小到大变化的过程；根据阳极溶液颜色的变化，可感知氯气的生成，体会氯水的酸性和强氧化性。两极美丽多变的现象，深深地吸引了学生，极大地调动了学生探究学习的兴趣。通过分析颜色变化的原因，帮助学生深刻理解电解原理。
3. 比较活性金属电极与溶液中离子放电能力
利用图2装置，在石墨电极的基础上增加金属电极，还可清晰的比较石墨电极和金属电极同时存在时两极的放电情况。如图3所示。
4. 模拟氯碱工业
利用图2装置，在U型管中间加入含有饱和KCl溶液的果冻充当离子交换膜，可以成功模拟氯碱工业。此装置改进成本较低，帮助学生体验化学在工业生产中的应用，培养学生的科学态度和创新意识。如下图4所示。
四、实验原理
1. 实验1：用惰性电极电解饱和食盐水：2NaCl＋2H
2O
2NaOH＋Cl
2↑＋H
2↑
2. 实验2：用含饱和KCl溶液的冰粉充当离子交换膜，模拟氯碱工业。
3. 实验3：比较活性金属电极与溶液中离子放电能力。
只有石墨电极时，阳极：2Cl
—－2e
—= Cl
2
再插入铁丝后，阳极：Fe－2e
—= Fe
2+；2Fe
2+＋Cl
2 = 2Fe
3+＋2Cl
—
4. 紫甘蓝提取液的变色范围：pH<6.5粉红色；7.0<pH<7.1紫色；7.5<pH<8.5蓝色； 8.5<pH<12绿色；pH>12.5黄色。
五、实验教学与评价目标
1. 实验教学目标
（1） 通过引导学生发现电解实验中的问题，进行实验装置和实验材料的改进，发展学生“科学探究与创新意识”的素养。
（2）通过对电解饱和食盐水过程的分析解释，发展学生“概括关联和说明论证”的能力，重新建立电解池系统分析的思维模型。
（3）通过其他物质的电解实验，发展学生“应用实践、迁移创新”的能力，帮助学生完善认识模型，建构电解原理的化学基本观念。
（4）通过模拟氯碱工业实验，体验化学在工业生产中的价值，增强社会责任感。
2．评价目标
（1）通过对实验装置设计方案的交流与点评，诊断并发展学生的实验探究水平（定性水平）。
（2）通过对电能和化学能之间转化的感知与分析，诊断并发展学生对能量转化的认识进阶（宏观现象、微观认识）以及认识思路的结构化水平（视角水平、内涵水平）。
（3）通过对实验试剂的改进及处理的交流与点评，诊断并发展学生对化学价值的认识水平（学科价值视角、社会价值视角、学科和社会价值视角）。
六、实验教学内容
以项目式学习为指导，改进电解实验装置，以紫甘蓝提取液为指示剂电解饱和食盐水。通过观察实验现象，引导学生分析两极电极反应、溶液中离子移动方向，正确书写电极反应及电池总反应方程式。
在此科学探究的基础上，学生借助含饱和食盐水的果冻低成本模拟了氯碱工业；又借助石墨、金属铁两种电极，比较了电解饱和食盐水、饱和Na
2SO
4溶液、饱和CuSO
4溶液、CuCl
2溶液等8组实验现象的异同。通过辨析、归纳、总结，学生知道了阳极金属电极优先于溶液中阴离子放电；借助离子的氧化性和还原性强弱，掌握溶液中常见阴阳离子的放电顺序，帮助学生深刻理解电解原理。
七、项目式合作学习电解原理的探究过程
【探究活动一】优化实验装置
[环节一]：创设情境，提出问题
氯碱工业是以盐和电为原料生产烧碱、氯气、氢气的基础原材料工业。1万吨氯碱产品所带动的一次性经济产值在10亿元人民币以上。我国一直将主要氯碱产品产量及经济指标作为我国国民经济统计和考核的重要指标。下面我们一起学习实验室电解饱和食盐水（氯碱工业）的电解原理。
查阅文献中实验室电解饱和食盐水的改进实验，大多集中在两极气体的处理上，如下图部分改进实验装置。
此类装置的导管中易有氯气残留，污染环境。
问：能否将以上装置优化，使用中学实验室常用器材，设计一套安全简单的实验装置。
[环节二]：设计组装，实践体验
学生讨论，设计组装了下图装置，并检验了装置气密性。
学生动手实验：在U型管中加入少量的水，向上拉动一侧活动，松开后，观察两侧液面是否有高度差，如下图5所示。
[环节三]：发现问题，分析原因
发现问题：相同的实验装置和操作，加水量不同时，两侧液面高度显示的变化不同。
学生分析：加入少量水时，向上拉动左侧活塞，水中产生气泡，说明U型管右侧的空气穿过水进入左侧注射器，松开活塞后，左侧的气体压强大于右侧的，所以液面才会显示左低右高。反之水量较多时，右侧进入左侧注射器的空气较少，增大的压强不足以将左侧液体全部压下，以至于显示左高右低。
学生总结：不管两侧液面是左低右高，还是左高右低，只要两侧液面有稳定的高度差，都可以证明装置气密性良好。
学生还尝试了其他检验装置气密性的操作，将U型管一侧密封，在另一侧加水，发现右侧液面不再下降时，两侧液面形成稳定的高度差。
学生评价：动手验证才能发现实验的乐趣，原来装置气密性检测也这么有意思。
【探究活动二】改进电解饱和食盐水的指示剂（实验1）
[环节一]：实践体验，发现问题
学生动手实验：选择酚酞作指示剂，用石墨电极电解饱和食盐水，一段时间后，发现阴极附近的溶液先变红后变浅甚至褪色。
学生提出疑惑：不是酚酞的红色越深，代表溶液的碱性越强吗？
教师引导：请思考这可能是什么原因导致的？
教师提供书籍、知网账号，学生查阅资料。
[环节二]：收集信息，获取证据
查阅文献得知：酚酞在稀的碱性溶液（pH值为8.2~10.0）里呈红色，较长时间不褪色。酚酞在浓的强碱性溶液（pH值大于13）里先呈红色，然后褪为无色。
学生评价：电解饱和食盐水，用酚酞作指示剂实验现象容易引起误解，无法准确表达
c(OH
—)大小的变化。
教师引导：可以试试其他的替代指示剂。
查阅文献得知：紫甘蓝、紫色茄子皮、黑香米、红苋菜、卷心菜、香蕉皮等天然蔬菜及花草中含有花青素，它在酸碱性环境中会变色。
[环节三]：设计实验方案，探索创新
学生设计实验：用乙醇分别浸泡紫甘蓝、紫色茄子皮、黑香米、红苋菜、卷心菜获得提取液。分别以上述提取液为指示剂，惰性电极电解饱和食盐水。
学生：分析讨论、对比实验现象。
[环节四]：交流总结，获取新知
学生总结：紫甘蓝提取液作指示剂时，阳极溶液由紫色变为红色，电极附近红色溶液又褪至无色；阴极溶液由紫色迅速变为绿色，后逐渐变为黄色。两极溶液不同颜色的变化，可以让我们看到两极溶液中离子的变化过程。
教师：查阅知网，未发现将紫甘蓝提取液应用于电解饱和食盐水的实验，该指示剂有研究的价值。
[环节五]：将改进实验应用于课堂教学
将本实验应用于高三一轮复习课堂教学，学生边观察实验现象，教师边引导学生思考。通过分析两极的实验现象，学生较轻松地理解了电解原理，如下图6所示。
学生分析归纳：
-
阳极室溶液由紫色先变红色，原因是氯离子在阳极失电子生成氯气，生成的氯气与水反应产生的HCl溶于水显酸性。溶液最后又褪色，原因是氯气与水反应同时产生了HClO，次氯酸的氧化性又将溶液漂白。
-
阳极上方注射器中湿润的淀粉-KI试纸变蓝，过会变蓝的淀粉-KI试纸又褪色。湿润的淀粉-KI试纸变蓝也证明有氯气生成。学生查阅资料得知，当氯气量较多时，会发反应生5Cl2＋I2＋6H2O=2HIO3＋10HCl，生成的碘酸无色，所以淀粉-KI试纸变蓝后会褪色。
-
阴极室溶液由紫色迅速变为绿色，后逐渐变为黄色。分析溶液碱性逐渐增强，说明水中H+在阴极放电，使溶液中c(OH—)逐渐增大。
-
阴极上方注射器中的无色气体，可以点燃，结合溶液中c(OH—)的变化，判断该气体是H2。
学生评价：这个实验现象真美！通过这个实验现象，我能轻松地掌握电解饱和食盐水的原理。
【探究活动三】比较活性金属电极与溶液中离子放电能力
比较阳极金属与离子的放电能力，一般是将石墨电极、金属电极分别放在两个相同的溶液中，观察不同的电解现象。改用在石墨电极的基础上增加金属电极，如图3所示。改进后，可清晰的比较石墨电极和金属电极同时存在时两极的放电情况。
通过电解饱和食盐水的探究学习，学生了解了科学探究的一般过程：提出问题和假设、设计方案、实施实验、获取证据、分析解析或建构模型、形成结论及交流评价；掌握了探究学习的基本方法和思路：从问题和假设出发确定研究目的、依据研究目的设计方案、基于证据进行分析和推理。
【探究活动四】模拟氯碱工业
氯碱工业采用离子交换膜法制取烧碱，在阳极室加入精制的饱和食盐水，阴极室加入纯水(加入一定量的NaOH溶液)。
改用含饱和KCl溶液的果冻可起到离子交换膜的作用，如图4所示。改进后可以低成本模拟氯碱工业，帮助学生体验化学在工业生产中的作用，培养学生的科学态度和创新意识。
【探究活动五】拓展应用
在此科学探究的基础上，学生借助石墨、金属铁两种电极，分别做了电解饱和食盐水、饱和Na
2SO
4溶液、饱和CuSO
4溶液、CuCl
2溶液等6组对比实验，如下图7所示。
通过分析实验现象，比较了两极阴阳离子的放电能力、金属电极和离子的优先放电能力；又借助离子的氧化性和还原性强弱，总结了溶液中常见阴阳离子的放电顺序，使学生对电解原理有了更加全面和深刻的理解。
学生部分探究实验报告，如下图8所示。
八、实验效果评价
1. 实验装置简便、环保、安全，一装置多用途。
利用中学实验室常见仪器，完成了电解原理的探究、氯碱工业的模拟制备，H
2和Cl
2的收集、检验及尾气处理，实验过程无氯气溢出，有利于学生实验、探究式实验教学。
2. 改进指示剂颜色多变，帮助学生深刻理解电解原理。
将常见的紫甘蓝提取液作指示剂，惰性电极电解饱和食盐水，两极溶液酸性与碱性的产生、递增、交汇过程，通过清晰、美丽、多变的颜色表达的淋漓尽致，便于学生分析电解过程，理解电解原理。
3. 实验趣味性强，与生产、生活密切联系。
将生活中的常见物质紫甘蓝应用于化学教学，用含有饱和KCl溶液的果冻充当离子交换膜，较好地模拟了氯碱工业，让学生体会了电解原理在工业生产中的应用。
4. 以项目式学习的形式进行实验探究，培养学生科学探究的能力与创新的意识。
通过该形式探究实验，可以引发学生更多的创意，如“探究历年高考试题中出现过的碳酸钠、亚硫酸钠等物质的电解实验”，既能进行其它知识模块的探究学习，又能强化对电解原理的理解。
参考文献
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4.周春露,高兴邦.化学让我们的生活更多姿多彩——浅谈酸碱指示剂的替代物探究[J].化学教与学,2013(9):93~94.
5.张小平.紫甘蓝酸碱指示剂的色彩实验研究[J].化学教育,2014(11):74~76.
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7.王磊.基于学生核心素养的化学学科能力研究[M].北京:北京师范大学出版社,2017.
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