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        新型電解水實(shí)驗(yàn)裝置的研制與應(yīng)用

        2020-06-03 08:51:04黃媛柯志超黃丹青
        化學(xué)教與學(xué) 2020年5期
        關(guān)鍵詞:核心素養(yǎng)

        黃媛 柯志超 黃丹青

        摘要:針對(duì)霍夫曼水電解器存在的問(wèn)題,設(shè)計(jì)一種新型電解水實(shí)驗(yàn)裝置及其操作步驟,從“分”與“合”兩角度證明了水的組成,讓教學(xué)更有趣、課堂更高效。

        關(guān)鍵詞:核心素養(yǎng),電解水,實(shí)驗(yàn)裝置,水的組成

        文章編號(hào):1008-0546(2020)05-0094-02 中圖分類號(hào):G632.41 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:B

        doi:10.3969/j.issn.1008-0546.2020.05.025

        一、實(shí)驗(yàn)改進(jìn)背景

        《水的組成》在初中化學(xué)中具有重要的意義,其中既有知識(shí)的學(xué)習(xí),又有方法的領(lǐng)會(huì),還有認(rèn)識(shí)視角的豐富。教師普遍采用霍夫曼水電解器進(jìn)行電解水實(shí)驗(yàn)教學(xué),但在教學(xué)實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)以下不足:一是在演示過(guò)程中,該裝置存在的問(wèn)題有:重心過(guò)高、電解速率慢、氫氣燃燒過(guò)程放熱使玻璃管口變形、在尖嘴口檢驗(yàn)氫氣和氧氣時(shí)現(xiàn)象不明顯且操作不便;二是教學(xué)過(guò)程中,較難以“合成”的視角認(rèn)識(shí)水的組成,限制了學(xué)生的思維。

        因此,改進(jìn)電解水的實(shí)驗(yàn)裝置,可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力,提高實(shí)驗(yàn)技能,增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)意識(shí),提高中學(xué)化學(xué)教學(xué)的效益。通過(guò)實(shí)驗(yàn)改進(jìn)教學(xué),培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新思維,實(shí)現(xiàn)從感性到理性、定性到定量、宏觀到微觀、具體到抽象的轉(zhuǎn)化。

        二、新型電解水裝置的研制

        針對(duì)霍夫曼水電解器存在的問(wèn)題,我對(duì)裝置進(jìn)行重新設(shè)計(jì)、繪制CAD圖,并定制亞克力板進(jìn)行粘合組裝,制成如圖1所示的新型裝置。具體說(shuō)明如下:

        1.大容量底座

        底座采用亞克力板一次成型工藝制作大容量底座,容積約為500mL,可以盛裝足夠的電解質(zhì)溶液,可確保裝置整體重心較低,放置更穩(wěn)固。在靠近氫氣管的位置增設(shè)了一塊隔板,有效將氫氣管與氧氣管內(nèi)的液體與外部的空氣隔絕,保障電解反應(yīng)順利進(jìn)行;同時(shí)隔板在混合氣體時(shí),還可引導(dǎo)氧氣順利進(jìn)入氫氣管。底座右側(cè)設(shè)計(jì)為14°的斜面,讓氧氣與氫氣的混合操作簡(jiǎn)單、機(jī)械、高效。

        2.亞克力管(注水管、氫氣管、氧氣管)

        底座上方設(shè)置3根亞克力管,其中左側(cè)較短的管為注水管,在方便添加水的同時(shí),通過(guò)打開、塞緊橡膠塞可以調(diào)節(jié)壓強(qiáng),便于氣體的檢驗(yàn);中間管為氫氣管,右側(cè)管為氧氣管,兩管底部等高位置設(shè)置2根L型電極,氫氣管電極與電源負(fù)極相連,氧氣管電極與電源正極相連。采用的鎳合金電極導(dǎo)電性強(qiáng),使電解水速率變快,而且該電極不易被電解液氧化,耐用性高,而且當(dāng)管內(nèi)液面低于電極時(shí),電解實(shí)驗(yàn)自動(dòng)停止,無(wú)需擔(dān)心電解過(guò)度的問(wèn)題。另外,氫氣管頂部增設(shè)了兩根導(dǎo)電金屬絲,兩根金屬絲相距2mm左右,接通脈沖點(diǎn)火器即可在兩根金屬絲間產(chǎn)生電火花,可引爆氫氣管內(nèi)的混合氣體,使之沖落橡膠塞并發(fā)出尖銳的爆鳴聲。

        3.氫氣點(diǎn)燃專用配件

        氫氣點(diǎn)燃專用配件由橡膠塞、玻璃活塞、膠皮管與輸液器針頭連接而成。它用不銹鋼針頭取代原有裝置中的玻璃尖嘴口,規(guī)避了玻璃管口變形的問(wèn)題,同時(shí)玻璃活塞可手動(dòng)調(diào)節(jié)氫氣流速,讓氫氣燃燒更加穩(wěn)定和持久。

        三、新型電解水裝置的教學(xué)應(yīng)用

        1.利用新型電解水裝置從分解角度(即“分法”)證明水的組成

        (1)電解水

        往短管中注入500mL 5%的氫氧化鈉溶液,塞緊3個(gè)橡膠塞,倒置裝置,使水充滿氫氣管和氧氣管,接通12V直流電源使水分解,30s即可明顯觀察到正極管與負(fù)極管中產(chǎn)生的氣體的體積比為1:2。

        (2)檢驗(yàn)電解產(chǎn)生的氣體

        當(dāng)電解產(chǎn)生的氫氣位于5cm刻度線時(shí),開始檢驗(yàn)陰陽(yáng)兩極管中的氣體,將燃著的木條直接伸人負(fù)極管中,氣體燃燒,發(fā)出“噗”的一聲,說(shuō)明該氣體是氫氣;將帶火星的木條伸人正極管中,木條復(fù)燃,說(shuō)明該氣體是氧氣。由實(shí)驗(yàn)可以得出水在通電的條件下可以分解產(chǎn)生氫氣和氧氣,根據(jù)元素的種類在化學(xué)變化中保持不變,得出結(jié)論:水是由氫元素和氧元素組成。

        2.利用新型電解水裝置從合成角度(即“合法”)證明水的組成

        (1)點(diǎn)燃管中純凈的氫氣

        按照上述步驟電解水,先收集半管的氫氣,旋轉(zhuǎn)直通管的活塞,控制氫氣流速,在不銹鋼針頭處點(diǎn)燃?xì)錃猓⒃诨鹧娴纳戏秸忠恢Ц衫涞脑嚬?,發(fā)現(xiàn)試管內(nèi)壁產(chǎn)生水珠,得出結(jié)論:水是由氫元素和氧元素組成。

        (2)混合氫氣和氧氣,引爆混合氣體

        先收集2cm刻度的氫氣和lcm刻度的氧氣,利用隔板與底座右側(cè)的斜面設(shè)計(jì),師生只需簡(jiǎn)單、機(jī)械地傾斜一下裝置即可將氫氣與氧氣混合,然后即可在氫氣管中進(jìn)行氫氣爆炸試驗(yàn):①敞口明火引爆:打開橡膠塞,往氫氣管中伸人燃著的木條,聽到尖銳的爆鳴聲,則氫氣爆炸;②密閉電火花引爆:利用氫氣管頂部的兩根金屬絲,采用改造后的脈沖點(diǎn)火裝置,直接引爆氫氣管內(nèi)的混合氣體,使混合氣體爆炸,如圖2所示。通過(guò)本實(shí)驗(yàn),巧妙地以爆炸的方式說(shuō)明氫氣能劇烈燃燒產(chǎn)生水,使“合法”證明水的組成更有趣味。

        四、新型電解水裝置的創(chuàng)新與優(yōu)點(diǎn)

        與傳統(tǒng)的霍夫曼水電解器相比,該新型電解水裝置的創(chuàng)新與優(yōu)點(diǎn)如下:

        (1)加大底座,降低兩管的高度,使重心降低,更穩(wěn)固,消除安全隱患;

        (2)采用5%的氫氧化鈉溶液作為電解質(zhì)溶液,以鎳合金作為電極材料,電解速率變快;

        (3)在氫氣管和氧氣管間設(shè)置了刻度板,可以更直觀觀察兩極管中的氣體體積比。利用橡膠塞封閉兩極管,貯存電解過(guò)程產(chǎn)生的氣體,將燃燒的木條伸人兩極管中檢驗(yàn),操作方便且現(xiàn)象很明顯;

        (4)改用不銹鋼針頭取代原有裝置的玻璃管,規(guī)避玻璃管口變形的問(wèn)題,通過(guò)活塞控制氫氣流速,實(shí)現(xiàn)氫氣穩(wěn)定和持續(xù)地燃燒;實(shí)現(xiàn)了學(xué)生們所喜聞樂(lè)見的氫氣爆炸試驗(yàn)。

        (5)利用本套裝置能實(shí)現(xiàn)從多元的視角認(rèn)識(shí)水的組成,既可以利用使水分解的“分法”證明,也可利用合成水的“合法”證明,拓展了學(xué)生認(rèn)識(shí)物質(zhì)組成的思維。

        五、實(shí)踐反思

        化學(xué)實(shí)驗(yàn)是中學(xué)化學(xué)教育的重點(diǎn)與難點(diǎn),化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的質(zhì)量直接影響到化學(xué)教育質(zhì)量的提升和學(xué)生的化學(xué)核心素養(yǎng)的培養(yǎng)?;瘜W(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)需要改進(jìn),以期很好地體現(xiàn)應(yīng)有的教育、教學(xué)價(jià)值,發(fā)展學(xué)生的實(shí)驗(yàn)素養(yǎng)。

        (1)將教材實(shí)驗(yàn)重新整理、拓展、延伸、整合,實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容由淺入深、由簡(jiǎn)到繁、再回歸實(shí)驗(yàn)教學(xué)的本源,任務(wù)由單一到復(fù)雜,難度由易到難,使化學(xué)實(shí)驗(yàn)成為一個(gè)相對(duì)獨(dú)立的教學(xué)載體。

        (2)根據(jù)學(xué)生的認(rèn)知水平和能力大小,將零碎、分散的實(shí)驗(yàn)素材進(jìn)行整合或改進(jìn),由點(diǎn)陣式的實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系轉(zhuǎn)變?yōu)榛瘜W(xué)實(shí)驗(yàn)新體系。實(shí)驗(yàn)教學(xué)中積累、整理出典型案例,既相對(duì)獨(dú)立,又能結(jié)合與課本素材使用,體現(xiàn)學(xué)生學(xué)習(xí)實(shí)際,不僅可以作為教師上課的素材,也可用作課外活動(dòng)的輔助素材,以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

        (3)通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)裝置的改進(jìn),教學(xué)中融合轉(zhuǎn)化觀、微粒觀、守恒觀。

        (4)將實(shí)驗(yàn)方法和實(shí)驗(yàn)思想滲透在典型的實(shí)驗(yàn)案例中,使學(xué)生對(duì)化學(xué)實(shí)驗(yàn)的基本知識(shí)與基本技能有較全面和系統(tǒng)的了解,對(duì)從事科學(xué)研究,獲取實(shí)驗(yàn)素材有較清晰的認(rèn)識(shí),為高中階段學(xué)習(xí)化學(xué)奠定基礎(chǔ)。

        (5)探索提升實(shí)驗(yàn)教學(xué)有效性的教學(xué)策略,逐步實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容的呈現(xiàn)方式、學(xué)生的學(xué)習(xí)方式、教師的教學(xué)方式、師生互動(dòng)方式以及評(píng)價(jià)方式的根本性變革,有效提升學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)。

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