安徽省六安第二中學(xué)河西校區(qū)(237000) 徐 敏 孫 瑞

新課程理念下,化學(xué)實(shí)驗(yàn)的功能應(yīng)由激發(fā)學(xué)生積極地接受學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)變?yōu)榇龠M(jìn)學(xué)生主動地探究性學(xué)習(xí)。探究性學(xué)習(xí)是指學(xué)生在教師指導(dǎo)下,自主獲取知識和技能,體驗(yàn)和了解科學(xué)探究的過程和方法。在化學(xué)教學(xué)中,教師要為學(xué)生的學(xué)習(xí)創(chuàng)設(shè)探究情境,建立探究的氛圍,把握探究的深度,激發(fā)學(xué)生的探究欲望,引導(dǎo)學(xué)生體驗(yàn)探究的過程,自己發(fā)現(xiàn)問題,提出問題,分析問題以及解決問題。

1 課前討論，預(yù)測現(xiàn)象

學(xué)生已經(jīng)學(xué)習(xí)了人教版化學(xué)選修4教材第4章“電解原理及應(yīng)用”課程，掌握了用惰性電極電解飽和食鹽水的原理，理解了電解原理的實(shí)質(zhì)。

問題：利用電解原理，用銅電極電解飽和食鹽水，如何書寫電極反應(yīng)式？會產(chǎn)生什么實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象？

生：陰極產(chǎn)生氫氣，陽極銅電極溶解，溶液中有藍(lán)色沉淀產(chǎn)生。兩極電極反應(yīng)及電池方程式：

陽極：Cu-2e-=Cu2+

陰極：2H2O+2e-=H2↑+2OH-

由于傳統(tǒng)的電解裝置(見圖1)不方便收集氣體進(jìn)行檢驗(yàn)，現(xiàn)將電解裝置進(jìn)行了改進(jìn)(見圖2)進(jìn)行演示實(shí)驗(yàn)，學(xué)生認(rèn)真觀察并記錄實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。

圖1 傳統(tǒng)裝置

圖2 改進(jìn)裝置

生：沒有看到預(yù)測的藍(lán)色氫氧化銅沉淀。觀察到實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象是：在陰極產(chǎn)生大量氣體(應(yīng)該是H2)；在陽極出現(xiàn)白色渾濁→黃色沉淀→橙黃色沉淀的變化(見圖3)。

圖3 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象

通過實(shí)驗(yàn)學(xué)生產(chǎn)生了認(rèn)知沖突，為什么沒有看到藍(lán)色的氫氧化銅沉淀？白色渾濁、黃色沉淀、橙黃色沉淀分別是什么？

2 查找資料，大膽猜想

由于學(xué)生的知識水平有限，查閱資料歸納出一價(jià)銅和二價(jià)銅的一些化合物的顏色和溶解性(見表1)，學(xué)生據(jù)此討論并推測。

生：根據(jù)表1，推測到陽極附近產(chǎn)生的白色渾濁物為CuCl,黃色沉淀是CuOH，隨后出現(xiàn)的橙黃色沉淀是CuOH和Cu2O的混合物。

表1 不同價(jià)態(tài)銅的化合物的顏色和溶解性

是不是如學(xué)生所說呢？如何驗(yàn)證猜想是否正確呢？實(shí)驗(yàn)是檢驗(yàn)真理的重要手段。

3 設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，檢驗(yàn)分析

3.1 改進(jìn)電解裝置，使兩極產(chǎn)物分開

為了仔細(xì)觀察陽極產(chǎn)物顏色的變化，筆者用飽和食鹽水浸泡過的紗布制作了一個(gè)鹽橋(見圖4)，并將兩極電解產(chǎn)物分開。電解一段時(shí)間后，陰極有大量氣泡析出，陽極只看到電極周圍有白色渾濁物但并沒有變黃。

圖4 改進(jìn)電解裝置

3.2 分組合作，檢驗(yàn)兩極產(chǎn)物

將學(xué)生分成三個(gè)組，分工查閱資料進(jìn)行檢驗(yàn)。

第一小組：經(jīng)查閱資料他們發(fā)現(xiàn)CuCl很容易被氧化變成藍(lán)色。檢驗(yàn)陽極白色渾濁物質(zhì)是否為CuCl。

第一組設(shè)計(jì)的方案：讓陽極產(chǎn)生的白色渾濁物放置一段時(shí)間，看看它的顏色變化。12 h后，白色沉淀變成了藍(lán)色(見圖5)，進(jìn)而說明陽極產(chǎn)生的沉淀是CuCl。相關(guān)反應(yīng)如下：

圖5 第一組實(shí)驗(yàn)方案產(chǎn)生的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象

4CuCl+O2+4H2O=3CuO+CuCl2+3H2O+2HCl

第二小組：經(jīng)查閱CuCl和CuOH的溶度積常數(shù)(CuCl、CuOH的溶度積常數(shù)分別1.2×10-6、1.2×10-14)，認(rèn)為白色沉淀CuCl遇到陰極產(chǎn)生的NaOH后會轉(zhuǎn)化成更難溶的CuOH黃色沉淀。

第二組設(shè)計(jì)的方案：是將兩極產(chǎn)物混合看是否有黃色沉淀產(chǎn)生，或者直接向陽極產(chǎn)物中滴加NaOH溶液，觀察顏色變化。相關(guān)反應(yīng)如下：

CuCl+OH-=CuOH+Cl-

觀察到白色沉淀變?yōu)辄S色沉淀(見圖6)，該實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象驗(yàn)證了第二組學(xué)生的猜測。

圖6 第二組實(shí)驗(yàn)方案產(chǎn)生的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象

第三小組：查閱資料發(fā)現(xiàn)黃色的CuOH容易分解成紅色的Cu2O，且二者均易溶于氨水形成藍(lán)色的絡(luò)合物。檢驗(yàn)橙黃色沉淀是否為CuOH和Cu2O的混合物。

第三組設(shè)計(jì)方案：滴加氨水觀察沉淀和溶液顏色變化來檢驗(yàn)橙黃色沉淀是否為CuOH和Cu2O的混合物。

相關(guān)反應(yīng)方程式如下：

Cu2O+4NH3·H2O=2[Cu(NH3)2]+(無色)+2OH-+3H2O

4[Cu(NH3)2]+(無色)+8NH3·H2O+O2=4[Cu(NH3)4]2+(絳藍(lán)色)+4OH-+6H2O

第三小組實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象是橙黃色沉淀溶解，最后變成絳藍(lán)色(見圖7)和預(yù)期一致。

圖7 第三組實(shí)驗(yàn)方案產(chǎn)生的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象

通過大膽猜想并通過實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)分析，學(xué)生明白了用銅電極電解飽和氯化鈉溶液時(shí)產(chǎn)生的現(xiàn)象及發(fā)生的反應(yīng)。

3.3 分析現(xiàn)象，得出結(jié)論

用銅電極電解飽和氯化鈉溶液的電極反應(yīng)如下：

陰極：2H2O+2e-=2OH-+H2↑

陽極：2Cu-2e-=2Cu+

Cu++Cl-=CuCl↓(白色)

CuCl(白色)+OH-=CuOH(黃色)+Cl-

2CuOH(黃色)=Cu2O(紅色)+H2O

4CuCl(白色)+O2+4H2O=3CuO+CuCl2+3H2O(藍(lán)色)+2HCl

4 拓展實(shí)驗(yàn)，升華思維

通過前面的探究，學(xué)生知道了用銅電極電解飽和氯化鈉溶液，并不產(chǎn)生藍(lán)色的氫氧化銅沉淀，而是先產(chǎn)生白色沉淀，隨后變黃，最終變成橙黃色沉淀。

如果改變氯化鈉溶液的濃度，現(xiàn)象又如何呢？如何選擇氯化鈉溶液的濃度呢？實(shí)踐需要理論的指導(dǎo)才能減少盲目的摸索。

經(jīng)查閱資料，c(NaCl)=2.14 mol/L就是陽極電解產(chǎn)物發(fā)生變化的臨界點(diǎn)。當(dāng)c(NaCl)>2.14 mol/L時(shí)，銅陽極電解產(chǎn)物為Cu+化合物；當(dāng)c(NaCl)<2.14 mol/L時(shí)，銅陽極電解產(chǎn)物為Cu2+化合物，析出藍(lán)色沉淀Cu(OH)2。

總之，教材是培養(yǎng)學(xué)生人文素養(yǎng)的重要途徑，也是一種特殊的知識載體。本實(shí)驗(yàn)教學(xué)采用理論與實(shí)踐相結(jié)合，遇到新問題引導(dǎo)學(xué)生及時(shí)發(fā)現(xiàn)并嘗試解決，不局限于課本知識。通過查閱資料，用理論指導(dǎo)實(shí)踐，逐步探究真理。動手與動腦結(jié)合，注重化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的培養(yǎng)與落實(shí)。先通過讓學(xué)生觀察銅電極電解飽和氯化鈉溶液的演示實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生產(chǎn)生認(rèn)知沖突，進(jìn)而引導(dǎo)學(xué)生通過查閱資料并動手實(shí)驗(yàn)逐步對電解產(chǎn)物展開分析與檢驗(yàn)，從而讓學(xué)生明白銅電極電解飽和食鹽水所發(fā)生的反應(yīng)和產(chǎn)生的現(xiàn)象。同時(shí)，通過小組合作探究，學(xué)生提高了實(shí)踐能力、創(chuàng)新能力以及解決問題的能力。