吳小輝 伍俊文

摘要： 以教材中電解氯化銅溶液實驗為原型，先后借助球型干燥管、注射器等改進電解裝置，進行電解實驗的探究。改進裝置體現(xiàn)綠色化學設計理念，集簡易、便攜、環(huán)保、節(jié)能、高效等優(yōu)點于一身。改進后實驗現(xiàn)象非常明顯，可操作性強，適用于教師演示實驗或學生分組實驗。通過反思，對“我與化學”活動提出了幾點建議。

關鍵詞： 電解; 氯化銅溶液; 裝置改進; 實驗探究

文章編號： 10056629（2018）10007204中圖分類號： G633.8文獻標識碼： B

1選題背景

“我與化學”活動是廣州地區(qū)全體中學生和中學化學教師共同參與、以展示“化學對我的影響、我心目中的化學”為主題的化學綜合實踐活動，具有濃郁的廣州地域特色，是我市化學學科領域實施素質教育的主陣地之一。活動有效地提升了學生的科學素養(yǎng)，促進了學生綜合素質的發(fā)展。我校師生積極參加了該活動。首先，高一學生迅速成立了研究性學習小組，然后選定研究課題。通常，選定課題是比較棘手的問題。

本研究性課題的由來純屬巧合——高一研究性學習小組去辦公室找筆者商量探究的課題時，看到辦公室準備臺上擺放的干電池組、導線、裝有藍色溶液的U型管、淀粉碘化鉀試紙等儀器和試劑，非常好奇也非常感興趣： 這是要做什么實驗？進一步了解得知，高二學長們正在學習電解池知識，電解氯化銅溶液是課堂教學的演示實驗，“要不我們就探究這個”的想法油然而生。研究小組成員一致認為該探究活動一方面能培養(yǎng)他們的學科探究能力和實驗操作技能，另一方面能更好地促進他們在高二學段對電解池的學習——因為電解氯化銅溶液的演示實驗是認識和理解電解原理的啟蒙性實驗。于是，研究小組展開了對電解氯化銅溶液實驗的探究。

對于電解氯化銅溶液實驗，人教版化學選修4《化學反應原理》第四章第3節(jié)“電解池”第79頁要求教師指導學生按教材實驗裝置進行實驗。那么，研究小組可以探究什么，即亮點何在？怎么探究呢？首先，筆者指導學生利用關鍵詞或主題詞檢索方法去網(wǎng)上查詢相關資料并匯總信息，然后通過組內研討方式熟悉反應原理和裝置特點，并辯證地分析該裝置的優(yōu)缺點，最終高一研究性學習小組認為教材中的該實驗存在以下缺點： （1）電解過程中產(chǎn)生的氯氣有毒，隨意飄散，影響師生健康，不符合綠色化學要求。（2）檢驗氯氣的過程不環(huán)保且繁瑣。（3）該裝置不便于走動演示，如果不運用投影儀配合演示，就無法讓每個學生清楚地觀察到實驗現(xiàn)象。（4）教材配套用的教學參考書建議6～12V為宜，約3分鐘左右才能看到明顯的現(xiàn)象。若采用干電池（1.5V）進行實驗，則耗費電池較多，不利于分組實驗。為了解決上述不足之處，研究小組展開探究性活動，期望獲得綠色、簡易、高效、節(jié)能的“電解氯化銅溶液實驗”裝置。

2研究目的和意義

（1） 學生通過對電解的電極反應分析，進一步鞏固氯氣的性質及檢驗方法。

（2） 學生通過對電解氯化銅溶液的原理分析和裝置組裝，能熟悉電解的基本原理和電解池模型，奠定學生對電解池的基礎理論知識的認識基礎，促進高二電化學相關知識的學習，并學會將電解池的理論知識與實踐相結合。

（3） 通過對電解氯化銅溶液的實驗改進，能夠獲得綠色、簡易、便攜、節(jié)能、高效的實驗裝置。

（4） 通過活動培養(yǎng)學生的自主學習能力和探索精神，增強學生的實驗技能與合作能力，在交流中學會展示和評議等。

（5） 該活動的成果將豐富實驗課教學的內容。

3研究過程與分析

3.1實驗原理

陽極反應式： 2Cl--2e-Cl2↑

陰極反應式： Cu2++2e-Cu

電解CuCl2溶液的總反應式： CuCl2通電Cu+Cl2↑

氯氣檢驗： Cl2+2KII2+2KCl

氯氣吸收： Cl2+2NaOHNaCl+NaClO+H2O

3.2實驗儀器和藥品

主要儀器： 管徑12mm的U型管、碳棒2支、干電池若干、導線、球型干燥管[1]、脫脂棉、燒杯、玻璃棒、100mL注射器、導管、鑷子

主要藥品： 25%氯化銅溶液、淀粉碘化鉀試紙、濃氫氧化鈉溶液、石蠟

3.3實驗結果與分析

3.3.1演示教材中的實驗，自主體會電解氯化銅溶液過程（方案1）

實驗步驟： 在U型管中注入25%氯化銅溶液，插入兩根石墨電極，接通電源，反應開始（如圖1所示）。把濕潤的淀粉碘化鉀試紙放置在與直流電源正極相接的碳棒電極（陽極）附近，觀察U型管內的現(xiàn)象和試紙的顏色變化，并記錄實驗現(xiàn)象（電源電壓由3V即2節(jié)干電池開始，然后逐步增加電壓，觀察電解的時間為3分鐘）。

實驗現(xiàn)象： 當電源電壓增加至7.5V，即干電池五節(jié)，約3分鐘可以近距離觀察到較為明顯的現(xiàn)象，如陽極碳棒附近有較多的小氣泡產(chǎn)生，該氣體接觸濕潤的淀粉碘化鉀試紙，試紙逐漸變藍色;陰極碳棒有些許紅色固體析出并附著在碳棒的底部。

成果分析： （1）氯氣未處理;（2）電解速率很慢;（3）需用2個鐵架臺和夾子固定U型管及2根碳棒的位置，且氣體檢驗的操作也不方便。

3.3.2電解氯化銅溶液的裝置微改進1： 環(huán)保先行（方案2）

設計說明： 參照教材方案一的實驗，深感氯氣有毒必須優(yōu)先處理，否則會影響身體健康。結合氯氣的性質，決定采用濃氫氧化鈉溶液吸收之，同時又便于檢驗氯氣的生成。微改進的具體步驟如下，改進后裝置的簡示圖如圖2所示。

實驗步驟： （1）將導線內置于球型干燥管內，然后用鑷子取蘸有濃氫氧化鈉溶液的脫脂棉（浸濕程度以溶液不滴落下來為準）填充在干燥管球部，并將潤濕的淀粉碘化鉀試紙粘在干燥管內壁。（2）將上述改進的干燥管固定在U型管的一端。（3）連接好裝置，向電解池另一端裝入25%氯化銅溶液，接通7.5V的電源電壓。反應開始，觀察U型管內的現(xiàn)象和試紙的顏色變化，觀察電解的時間為3分鐘。

實驗現(xiàn)象： 兩個碳棒電極的實驗現(xiàn)象與方案1的現(xiàn)象相同，不同之處同時也是優(yōu)點的是陽極碳棒有較多的小氣泡產(chǎn)生，該氣體使緊貼上壁的濕潤的淀粉碘化鉀試紙逐漸變藍，多余的氯氣在干燥管球部的脫脂棉處被濃氫氧化鈉溶液吸收。

成果分析： 盡管改進了氯氣污染的問題，且只需一個鐵架臺和夾子固定U型管及1根碳棒的位置即可，但電解速率很慢仍亟需解決。

3.3.3電解氯化銅溶液的裝置微改進2： 環(huán)保、節(jié)能、便攜、高效并進（方案3）

設計說明： 電解速率慢，課堂演示時會占用較多的教學時間，因而影響課堂的教學效率。有資料表明縮短電極間距可以加快電解速率[2]，故本次設計要縮短兩碳棒的距離。實驗期間學生弄壞了U型管，可知玻璃儀器易碎是個問題。為解決該問題，學生查資料發(fā)現(xiàn)一次性滴管可以做電解池[3]，非常新穎，節(jié)約原料，氣體量少，污染少。但研討后認為該裝置可能會漏液、不夠環(huán)保、近距離才能觀察到現(xiàn)象，因此否定了用一次性滴管。有學生提出可嘗試用注射器作為電解池，故本次設計采用了注射器做電解池。改進的具體步驟如下，改進后裝置的簡示圖如圖3所示。

實驗步驟：

（1）在管徑12mm的注射器針筒頂端打2個小孔，用于安置2個碳棒電極，則電極間距由原來的4.5cm縮小至2cm。然后分別安插2個碳棒電極，在碳棒電極周邊用石蠟作密封處理。（2）在注射器內裝入同方案一等體積的25%氯化銅溶液，推壓活塞至溶液浸沒電極長度不超過2/3，把濕潤的淀粉碘化鉀試紙放在注射孔部位或者在注射孔部位連上導管，推壓活塞也可以快速完成氣體的檢驗。當試紙逐漸變色時立刻將導氣管末端插入盛有濃氫氧化鈉溶液的燒杯中。（3）接通電源，反應開始，觀察注射器內的現(xiàn)象和試紙的顏色變化（電源電壓由3V開始，觀察電解的時間為3分鐘）。（4）上下推拉活塞使液面下降或上升，反應可隨時終止。

實驗現(xiàn)象： 當電源電壓為3V時，約1分鐘就可以觀察到同實驗方案1和方案2一樣的現(xiàn)象。且當加大電壓至4.5V，觀察到陽極碳棒表面析出相當多且較大的氣泡，陰極碳棒越來越粗，析出的紅色固體顯著增多，甚至有些紅色固體脫落下來。由于針孔出氣很少且集中，淀粉碘化鉀試紙直接放在針孔上面，約2分鐘即可看到試紙變藍;若是把

濕潤的淀粉碘化鉀試紙放在導管末端，則需要輕輕地推壓活塞，

試紙即變藍。往下拔拉活塞，可以更加清楚地觀察到陰極碳棒上附著的紅色固體;接上導管，再往上推活塞，將產(chǎn)生的多余氯氣排放至濃氫氧化鈉溶液中被吸收;往下拔拉活塞使溶液與電極分離，可以終止反應。

成果分析： （1）該裝置簡易輕便，可以走動演示，便于觀察現(xiàn)象。（2）由于縮短了電極間距，降低了電阻[4]，從而加快了電解速率，耗費電量少，節(jié)約能源。（3）實驗現(xiàn)象非常明顯，高效完成實驗。（4）余氯被濃氫氧化鈉溶液吸收，具有環(huán)保性。

3.4實驗小結

通過對教材中的電解氯化銅溶液的裝置進行兩次改進，結果表明，采用注射器作為電解池的改進效果是最好的，具有如下優(yōu)點：

（1） 避免了采用易碎的U型管，巧用注射器作電解池，非常簡易便攜，可以走動演示，方便觀察實驗現(xiàn)象。

（2） 避免有害氣體逸出，解決了對環(huán)境的污染問題，培養(yǎng)了學生的環(huán)保意識。

（3） 相比較U型管，電極間距明顯縮短，電解電壓為3.0～4.5V時，約1分鐘左右就有相當明顯的現(xiàn)象，不僅高效完成實驗，而且節(jié)約了能源。

（4） 通過控制注射器活塞可以調節(jié)電解反應的開始或結束。

（5） 注射器等主要儀器可以重復使用。

（6） 該裝置的可操作性強，適用于演示實驗或分組實驗。

（7） 實驗過程中拍攝的微視頻現(xiàn)象清晰，是極好的教學素材。

（8） 該裝置還可以用于模擬電鍍實驗。

3.5實驗注意事項

（1） 探究實驗所用電壓由小到大逐步增加，一般控制在3.0～4.5V之間，

若電壓過大電解速率加快，陰極有大量紅色固體產(chǎn)生并脫落，產(chǎn)生的氯氣也較多。

（2） 濕潤的淀粉碘化鉀試紙變色后應立即拿開。

（3） 使用玻璃儀器如U型管等進行組裝時，要注意輕拿輕放防止破碎。

（4） 給針筒一端打孔時要注意孔徑大小和碳棒大小要匹配。

（5） 為了防止氯氣泄露，陽極碳棒的一端要作密封處理并檢查氣密性。

4對“我與化學”活動的建議

參加“我與化學”活動的課題探究后我們深感收獲頗豐，同時也進行了反思，并對“我與化學”活動提出如下的建議：

（1） “我與化學”活動研究性課題來源廣泛。辯證地看待教材實驗就能找到改進創(chuàng)新的思路，獲取研究性課題。任何一次實驗改進都會對實驗課教學帶來促進作用。

（2） 開展實驗探究前，應先引導學生自主查閱相關資料和整理有用信息，培養(yǎng)學生文獻檢索和歸納整理能力。

（3） 當學生在查閱資料或者實驗過程中提出問題時，指導教師應及時給予解答或分析，引導學生排查錯誤的研究方向。向前輩請教是一個解決問題的途徑，可以降低因摸索而耗費的大量時間。

（4） 實驗過程中應督促學生養(yǎng)成良好的實驗習慣，如勤于記錄、拍照、實驗小結，方便后續(xù)實驗報告的撰寫或為教師輔助教學提供視頻材料。

（5） 讓學生在實踐中學會學習、合作、交流、展示等活動能力，教師絕不能包辦代替。

參考文獻：

[1]符鄒雯.電解氯化銅溶液實驗的改進[J].中學化學教學參考， 2014，（11）： 58.

[2][4]陳達，莊華清.電解飽和食鹽水實驗的新改進[J].化學教學， 2012，（11）： 49～50.

[3]鄒雪連，張邱.電解氯化銅溶液微型化實驗改進[J].中學化學教學參考， 2016，（6）： 53.