莫小靜 丁偉

摘要：圍繞真實問題情境“電解法處理船舶壓載水原理”開展電解原理應用的項目式學習，通過組裝簡易電解池、建構模型推理演繹電解飽和氯化鈉溶液的原理、借助利用pH和氧化還原電位傳感器可視化反應微觀過程、間接碘量法定量測定電解液有效氯濃度、了解實際處理壓裁水的工藝流程多個項目活動，學生在親身參與活動過程中，層層突破抽象知識，體會知識的應用價值。

關鍵詞：電解飽和氯化鈉溶液；pH傳感器；ORP傳感器；壓載水處理

文章編號：1008-0546（2022）12x-0006-06

中圖分類號：G632.41

文獻標識碼：B

doi： 10.3969/j .issn.1008-0546.2022.12x.002

一、項目主題分析

實驗“電解飽和食鹽水”選自人教版高中化學選擇性必修1第四章第二節(jié)，用作電解原理的應用的例子。該內容在中學教學中的重點往往放在了電解過程中陰、陽極的離子放電順序的機械記憶上，使該部分內容過于晦澀、抽象，造成學生學習分化。學生對該部分內容存在電解池中能量轉化、離子移動方向、電解池應用等方面的學習困難。…本研究選取“船舶壓載水處理”真實情境，設計項目式學習，讓學生在真實問題情境中，以實驗室活動為載體，突破學生在“電解原理”學習中的障礙。

二、項目教學目標

能從化學反應本質、電極、物質轉化、現(xiàn)象、電極反應等角度建構電解池原理的認知模型，并演繹推理預測電解飽和食鹽水的原理；

通過數(shù)字化pH傳感器和ORP傳感器，收集微觀反應數(shù)據，合理解釋微觀進程，實現(xiàn)“四重表征”深入剖析反應原理；

通過電解結束后電解液有效氯濃度測定的實驗設計、數(shù)據采集、數(shù)據表征、數(shù)據分析的探究過程，親身參與用間接碘量法測量溶液的有效氯濃度，實現(xiàn)計算思維的提升；

從多角度了解工業(yè)中處理壓載水的工藝，形成效率意識、環(huán)境保護意識，體會化學的學科價值。

三、教學流程

“電解原理的應用”教學設計了五個項目任務（如圖1）。任務1-3解決了核心內容1中的電解法處理壓載水的原理問題，證實電解法可以用于船舶壓載水的殺菌，但是工業(yè)化的應用還要考慮到電解效率，從而過渡到任務4、任務5解決核心內容2中電解法處理壓載水的效率、工藝問題。任務從生活中感受化學，到應用化學知識進行科學探究、解釋，最后再將知識應用到社會中，符合學生的認知邏輯。

四、教學過程

任務1：搭建微型家庭實驗裝置

[情境故事]大型的船舶在海上為保持良好的穩(wěn)性航行，需要加載壓載物。船舶壓入和排出壓載水需要在港口水域或者近海水域進行，會帶來海洋微生物和動植物的全球流動。這些物種排放到新的海域后，可能會建立起新的種群，對原有地區(qū)海洋生態(tài)產生威脅。船舶壓載水帶來的危害被列為全球海洋的“四大危險”之一。[2]處理壓載水的方法之一為電解海水法。這一過程能否在實驗室進行模擬？

[驅動問題1]請利用生活中常見的物品組裝一個電解飽和NaCl溶液的微型裝置。思考電解氯化鈉溶液過程發(fā)生了怎樣的變化？

[探究活動1]

提供的用品：5 mL西林瓶、飽和食鹽水、鉛筆芯、9V電池。

實驗裝置：按圖2的裝置示意圖，組裝出如圖3裝置實物圖。

實驗現(xiàn)象：兩個電極上都有氣泡生成，且伴有刺激性氣味。

[任務總結]電解池的構成要素為：電解質溶液、電極、外接電源；電解飽和食鹽水過程中陰極、陽極都有氣泡生成。

任務2：建構電解池的認知模型

[驅動問題2]電解壓載水的過程中發(fā)生了什么變化？類比學習過的電解CuCl2溶液，從電解池的本質、電極、物質轉化、電極反應等角度思考分析電解池有哪些步驟？

[討論活動2]

學生1：從反應原理上看，屬于氧化還原反應；

學生2：電解CuCl2溶液中，電極材料都是石墨電極；通電后，外電路中的電子首先從電源的負極流出到陰極，再從陽極流回正極；為了形成閉合回路，內電路中的陽離子向陰極移動，陰離子向陽極移動。在陰極上生成Cu；在陽極上生成Cl2。

提煉模型

電解池分析方法模型（圖4）：判變化→定電極→析成分→排次序→定反應。

[驅動問題3]電解法處理壓載水主要是利用電解后的溶液具有強氧化性而殺滅細菌。從微觀看電解飽和NaCl溶液過程是怎么樣的？

[討論活動3]

應用模型分析電解飽和NaCl的過程如圖5。

[歸納總結]應用模型演繹推理電解飽和NaCl溶液的原理，但這只是理論的推理，若要證實，還需要收集實驗證據。

任務3：可視化反應過程

[驅動問題4]從理論推理中得到了電解飽和NaCl溶液會生成H2、Cl2、NaOH，但是根據已有的知識，消毒液的主要成分是NaClO，這個過程如何實現(xiàn)？

[討論活動4]

學生提出假設：可能是產物Cl2和NaOH進一步反應生成的。

教師引導：這個過程中有哪些微粒發(fā)生了反應？這些微粒能否借助一定的儀器檢測到？

學生：在這個過程中本質上就是H+和Cl放電而產生了一系列的變化，H+可以通過測量溶液的pH變化進行檢測。

[討論總結]借助pH傳感器可以收集反應過程中體系的pH隨時間變化的數(shù)據；而Cl2或NaClO的檢測，可以利用他們的共同點——氧化性而進行檢測。氧化性的檢測方法如圖6所示。

[驅動問題5]借助pH、ORP傳感器可以采集反應過程中體系的pH、ORP值隨時間的變化數(shù)據，將pH和ORP值數(shù)據綜合分析，思考在電解飽和NaCl溶液時，微粒發(fā)生怎樣的反應？

[探究活動5]

按如圖7裝置示意圖搭建如圖8所示實驗實物圖。

數(shù)據采集

打開數(shù)據采集器，連接pH傳感器與ORP傳感器。向燒瓶中加入飽和NaCl溶液100 mL，設置數(shù)據采集頻率為2樣本／秒，點擊“采集”按鈕，待pH與ORP值穩(wěn)定后（30 s），接通電源，電流為1.OA，電解3 min后關閉電源，待pH和ORP值穩(wěn)定后（5min）停止采集數(shù)據，得到如圖9圖像，將數(shù)據保存并導出。

數(shù)據表征

將127s ORP值異常數(shù)據剔除，導人到Origin數(shù)據處理軟件，繪制出如圖10“時間-pH”和“時間-ORP值”圖像。

資料卡片

pH與次氯酸鈉溶液平衡關系如下圖11所示：當溶液的pH<2，溶液中主要成分為Cl：；當溶液48，溶液中的主要成分為ClO。Cl2/Cl的標準電極電勢為1.36 V，HClO/Cl2的標準電極電勢為1.61 V，HClO/Cl的標準電極電勢為1.48 V，ClO-/Cl的標準電極電勢為0.89 Vn

次氯酸鈉溶液即使在常溫下也會發(fā)生自然分解釋放出新生態(tài)原子氧：NaClO=NaCl+[O]，而新生態(tài)原子氧具有強烈的氧化作用，能進一步引起一系列的反應：

NaClO+H2O=NaOH +HClO

NaClO+ 2HClO=NaClO3+ 2HCl

HCl+ NaOH =NaCl+ H20

3NaClO =NaClO3+ 2NaCl

小組討論

分析曲線特征，解釋曲線含義。

[教師曲線解釋]

在反應開始前，測得飽和食鹽水的pH約為6.30，可能的原因有：a.配制飽和食鹽水的溶劑去離子水呈弱酸性；b．在配制飽和食鹽水后，溶液靜置了一段時間，可能溶解了空氣中的少量CO2。

第一階段：AB、A'B段（30 s-34 s）和BC、B'C段（34 s-39 s），溶液的pH和ORP值都呈現(xiàn)出先上升后下降趨勢，這個階段中，陰極附近發(fā)生電極反應：2H2O+2e-=H2↑+2OH-，陽極附近發(fā)生電極反應：2Cl-- 2e=Cl2↑，陽極附近生成的Cl：很快和陰極附近生成的OH發(fā)生反應：Cl2+OH=HClO+Cl。陰極生成了OH，同時由于Cl2和OH發(fā)生反應消耗了OH-，因此溶液的pH先上升后下降；溶液中存在的氧化還原電對有φ（H2O/H：）=-0.83 V，φe（CUCl-）=1.36 V，φ0（HClO/Cl-）=1.61 V，此時溶液中Cl2、ClO-的濃度都比較小，溶液的ORP值先上升再下降可能是由于φ0 （H2O/H2）、φo（Cl2/Cl-）、φo（HClO/Cl-）三電對綜合作用的結果。

第二階段：CD和C'D段（39 s-56 s），溶液的pH和ORP值都急劇上升。在外加電壓的作用下，Cl2不斷生成，由于Cl：的溶解度不大，生成的Cl：-部分溶解在溶液中，一部分逸散出體系，溶解在體系中的部分Cl：與OH發(fā)生反應，n（0H）牛成>n（0H）消耗，溶液的pH不斷上升；溶液的pH約為6-8，此時溶液中有不斷電解生成的Cl2、Cl2和OH反應生成的HClO、HClO和OH-反應生成的ClO-，溶液中存在Cl2/Cl-、HClO/Cl2、HClO/Cl-、cio-icr多種氧化還原電對，氧化態(tài)氯元素主要以HClO和ClO-的形式存在，因此在該階段溶液的ORP值急劇上升。

第三階段：DE和D'E段（56 s-95 s），該階段中，pH持續(xù)增大，ORP值處于動態(tài)平衡。電解持續(xù)發(fā)生，Cl：仍有大部分逸散到溶液體系外，溶解在體系中的部分Cl2與OH發(fā)生反應，n（OH-）生成>n（OH-）消耗，溶液的pH不斷上升；此時溶液的pH約為8-10，此時溶液的堿性較強，因此溶液中主要存在不斷電解生成的Cl2，溶液中的Cl2迅速和OH-發(fā)生反應生成ClO-，中間狀態(tài)的HClO含量較低，因此溶液中主要存在cio-/cr氧化還原電對，而該電對的電位較小，會導致溶液的ORP值有所降低，但同時由于電解持續(xù)進行，不斷有Cl-）和ClO生成，又會使ORP值增大，此溶液的ORP值處于一個動態(tài)平衡。

第四階段：EF和E'F段（95 s-210 s），該階段中pH趨于穩(wěn)定，ORP值處于一個動態(tài)平衡，隨著Cl2的不斷生成，溶液和氣體環(huán)境中Cl已經處于一個穩(wěn)定的狀態(tài)，因此生成的Cl2主要存在于溶液體系中，可以認為電極反應生成的Cl2和OH-恰好反應生成了ClO-，因此n（OH一）生成=n（OH-）消耗，溶液的pH也達到了相對穩(wěn)定的狀態(tài)。

第五階段，F(xiàn)G、F'G段（210 s-213 s）和GH、G'H段（210 s-510 s），該階段停止了通電，溶液的pH不斷下降，在停電后瞬間溶液的ORP值急劇下降，而后不斷上升。逸散在容器內的Cl2溶解在溶液中，且部分與溶液中的OH一反應：Cl2+2OH-=ClO-+Cl-+H2O，消耗了OH-，生成了ClO-，因此溶液的pH下降；在停電后瞬間溶液的ORP值急劇下降可能是由于停電瞬間，陽極附近生成Cl的電極反應停止了，后ORP值不斷上升也可能是溶液中的NaClO受光照、溫度的影響，發(fā)生了自分解，產生了氧化性極強新生態(tài)原子氧，隨著Na-ClO的不斷分解，溶液的ORP值不斷上升。

[任務總結]借助pH傳感器、ORP傳感器，證實了電解飽和氯化鈉溶液能夠產生具有一定氧化性的電解液，具有消毒能力。

任務4：定量化反應結果

[驅動問題6]通過理論分析與實驗證據證實電解飽和NaCl溶液可以制備具有殺菌功能的消毒液。但工業(yè)化的應用還要考慮到電解效率的問題，電解得到的電解液中發(fā)揮消毒作用的有效氯濃度是多少呢？

[探究活動6]

資料卡片

有效氯是指與每升產生的次氯酸鈉溶液所具有的氧化能力相當?shù)穆葰獾馁|量，用于定量表示消毒效果。有效氯濃度采取碘量法'3'測定，原理如下：

在酸性介質中，次氯酸根與碘化鉀反應，析出碘，以淀粉為指示液，用硫代硫酸鈉標準滴定溶液滴定，至藍色消失為終點，反應式如下：

小組討論制定實驗方案并進行實驗

移取10.00 mL電解后的溶液置于100 mL碘量瓶中，加入10 mL碘化鉀（100g/L）溶液和10 mL硫酸（ 3+100）溶液，迅速蓋緊瓶塞后用水封，在暗處靜置5 min。用硫代硫酸鈉標準溶液（0.1105 mol/L）滴定至淺黃色，實驗裝置如圖12，加2 mL淀粉指示液，滴定至藍色消失為終點，實驗數(shù)據如下表1。

實驗結論

電解后的溶液有效氯濃度為889.2 mg/L。

[任務總結]借助間接碘量法，測定了在1.OA電流下電解100 mL飽和NaCl溶液3 min制得的漂白劑的有效氯濃度889.2 mg/L。已知原生動物在溶液中能承受的有效氯濃度為5 mg/L；海藻能承受的有效氯濃度為5-10 mg/L，幾乎所有藻類都無法在超過20 mg/L海水中生長；在有效氯濃度為20 mg/L處理海水中基本無細菌存活。在實際工業(yè)中，海水的濃度要低于飽和食鹽水，處理的時間也會比實驗時間要長，但通過實驗可以發(fā)現(xiàn)在短時間內可以得到有效氯濃度可觀的電解液。

任務5：了解電解處理壓載水工藝

[驅動性問題7]基于理論依據和實驗證據的分析，理清了電解池的工作原理，體會到電解飽和NaCl溶液的工業(yè)生產價值，也嘗試在實驗室還原了該過程。但是工業(yè)生產的過程往往需要考慮到更多因素，工業(yè)中應用電解法處理壓載水都需要經歷哪些流程？

[探究活動7]從設備的組成、生產效率、環(huán)境保護等角度進行分析處理壓載水工藝的優(yōu)缺點，形成報告。

學生匯報

（1）生產工藝1：過濾+紫外（UV）技術[4]

從壓載水處理的收益與成本的比率評估，過濾法和紫外法的優(yōu)勢明顯，并且處理過程較為環(huán)保，但是這種方法處理的效果欠佳，對藻類的滅活效果較差（如圖13）。

（2）生產工藝2：過濾+電解技術[4]

電解單元是從船上取少量過濾后的海水進行電解，電解產生以次氯酸鈉為主要成分的高濃度、強氧化性的溶液注入到壓載總管中，混合進倉的壓載水在壓載艙內悶艙24 h以達到殺菌滅活的要求（如圖14）。

（3）生產工藝3：紫外+臭氧復合處理[5]

該系統(tǒng)（如圖15）能夠兼具03處理法和紫外處理法的優(yōu)點，有利于降低能耗，提高系統(tǒng)的效能。

[任務總結]通過查閱文獻資料了解真實生產的過程，了解化學成果是如何應用于生產的，體會化學對解決工業(yè)生產問題的重要作用。同時，在優(yōu)化生產工藝中，體會工業(yè)中的節(jié)約成本、提高效率、環(huán)境保護的意識。

五、教學價值

本項目圍繞“電解法處理壓載水”的實驗室復原、原理進行探究，學生具身解決真實情境問題，凸顯以下教育教學價值：

（1）教學內容嵌入真實問題情境

情境素材的選取不僅與教學情境的創(chuàng)設有關系，也是發(fā)展學生的科學精神和人文精神的關鍵，“電化學”與化學生產、能源利用等領域密切相關，是化學學科與社會生活生產聯(lián)系最密切的內容之一。[6]本研究選取“電解法處理壓載水”真實情境開展教學，了解真實生產中的化學原理與過程。

（2）科學方法嵌入具身活動體驗

學生作為項目執(zhí)行者，通過微型裝置搭建、可視化數(shù)據采集與表征、定量化結果滴定等項目活動，親身經歷實驗設計、數(shù)據采集、數(shù)據表征、數(shù)據分析的過程，將定性的實驗現(xiàn)象轉化為可定量感知的數(shù)據，感受電解后溶液的消毒效果，在與實驗室的互動中豐富了對電解池的認識。

（3）化學知識嵌入社會價值

圍繞“電解法處理船舶壓載水”開展學習，從原理、效率等角度了解真實生產的過程，了解化學成果是如何應用于生產的，體會化學對解決工業(yè)生產問題的重要作用，同時感受化學在工業(yè)中的價值及應用。

參考文獻

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