吳寧寧

（南京市第二十九中學(xué) 江蘇 南京 210036）

一、實驗背景

2019 人教版高中化學(xué)選擇性必修一中電化學(xué)部分，電解占據(jù)很重要的一部分，在掌握電解原理的基礎(chǔ)上從微觀角度分析電解過程中電解質(zhì)溶液內(nèi)部的變化尤為重要。針對這一節(jié)內(nèi)容，2017年版課程標準中也建議開展電解氯化銅溶液的探究實驗。筆者查閱文獻發(fā)現(xiàn)，關(guān)于探究電解氯化銅溶液過程中兩極pH 變化的實驗很少，但在教學(xué)過程中經(jīng)常會有學(xué)生問及電解過程中溶液pH的變化情況?；瘜W(xué)是實驗的科學(xué)，遇到問題時，應(yīng)積極尋求用實驗的方法解決，以實驗數(shù)據(jù)為證據(jù)進行合理的解釋［1］。

用教材中提供的電解CuCl2溶液的裝置開展學(xué)生實驗，發(fā)現(xiàn)實驗現(xiàn)象不明顯。于是對實驗裝置進行了改進，并且在實驗的過程中，除了獲得了兩極pH的變化情況，還觀察到了異常實驗現(xiàn)象——陰極除析出紅色物質(zhì)的同時還有氣泡析出。學(xué)生基于陰極現(xiàn)象的視覺效果，又對陰極電極加以設(shè)計，開展了基于電解CuCl2溶液的趣味實驗——在氣泡中長大的“銅樹”。

二、實驗

2019 人教版高中化學(xué)選擇性必修一教材中本實驗是在U形管中進行，但是實際實驗中發(fā)現(xiàn)電解進行得很慢，實驗現(xiàn)象不明顯，而且由于U形管管口較細，pH傳感器不能伸入管內(nèi)以實時測定電解過程中兩極pH變化。查閱資料發(fā)現(xiàn)是因為電極放置在U形管兩端，兩電極間距離長電解速率慢，作為課堂實驗效果不佳［2］。學(xué)生討論后對實驗裝置進行了改進。將礦泉水瓶從中間切成兩部分，上端瓶口部分倒扣在下端瓶身中，做成簡易的電解槽，縮短兩電極之間的距離，實驗一開始就能觀察到明顯的實驗現(xiàn)象，而且也解決了pH傳感器的放置問題。

1.電解CuCl2溶液過程中兩極pH的變化

1.1 實驗用品

（1）實驗器材：

自制電解槽一套（配有2B鉛筆芯作電極），學(xué)生直流電源一個，兩支pH傳感器，裝置示意圖如圖1所示。

圖1 電解CuCl2溶液的實驗裝置

（2）實驗試劑：

pH為4.08、9.16的兩份緩沖標準液，0.02 mol/L的CuCl2溶液40 mL，淀粉-KI試紙。

（3）實驗條件：

室溫，敞開體系，2B鉛筆芯作電極，陰陽兩極之間距離約為10 cm。

1.2 實驗步驟

（1）用緩沖標準液對兩支pH傳感器進行校正。

（2）將CuCl2溶液加入自制電解槽中，固定好兩電極位置。

（3）將兩支pH傳感器分別放在陰陽兩極附近，采集數(shù)據(jù)，待兩支pH傳感器示數(shù)穩(wěn)定，接通電源，開始電解。

（4）每隔約1 min時間，交換一次兩支pH傳感器的位置，且每次都置于相同位置，并盡快固定使溶液穩(wěn)定。

1.3 實驗現(xiàn)象

實驗過程中可以觀察到，陽極電極上有大量氣泡冒出；陰極電極上有紅色物質(zhì)析出，同時也有氣泡冒出［3］。實驗數(shù)據(jù)顯示，在電解CuCl2溶液時，每次交換pH傳感器位置并穩(wěn)定后，兩極附近pH隨時間變化情況如圖2所示。兩極pH相差很大，陰極電極附近溶液呈堿性，陽極電極附近溶液呈酸性。

圖2 電解氯化銅溶液過程中兩極pH的變化

1.4 實驗結(jié)論

由實驗現(xiàn)象可知，陽極電極上有大量氣泡冒出。由電化學(xué)原理知道，電解質(zhì)溶液中的陰離子移向陽極，在陽極上發(fā)生氧化反應(yīng)。CuCl2提供的Cl-、水電離出的OH-移向陽極，Cl-還原性強于OH-，優(yōu)先在陽極放電，發(fā)生氧化反應(yīng)：2Cl-- 2e-==== Cl2↑。陽極附近溶液呈酸性，說明不能忽視氯氣溶于水并和水發(fā)生的反應(yīng)：電解質(zhì)提供的Cu2+、水電離出的H+移向陰極。陰極有紅色物質(zhì)析出，是Cu2+發(fā)生還原反應(yīng)：Cu2++2e-====Cu；有氣泡冒出，且在陰極附近放置一片濕潤的淀粉-KI試紙，較長時間內(nèi)觀察不到明顯現(xiàn)象，說明不是陽極生成的氯氣擴散到陰極并逸出，究其原因應(yīng)是2H2O+2e-====H2↑+2OH-；同時陰極附近Cu2+被還原成Cu單質(zhì)，溶液中Cu2+濃度降低，使得其水解平衡逆向移動，二者均使得陰極電極附近H+濃度減小，OH-濃度增大，呈堿性。這也說明電極反應(yīng)速率很快，超過陽極區(qū)H+向陰極流動補充的速率，所以H+的消耗速率大于補充速率，H+濃度減小，陰極實時pH增大。

由實驗數(shù)據(jù)和以上分析可以證明，很多電解題目忽略氯氣溶于水，不考慮陰極電極pH 的變化是不合理的［4］，純粹是為了做題而做題，并沒有考慮實際情況。

1.5 討論

此實驗中在陰極觀察到有氣泡冒出，屬于超出高中學(xué)生認知范圍的異常實驗現(xiàn)象。這一現(xiàn)象的出現(xiàn)激發(fā)了學(xué)生的好奇心和探究欲望。學(xué)生課后開展了探究實驗，反復(fù)操作發(fā)現(xiàn)當兩個電極距離比較近時，陰極有大量氣泡產(chǎn)生，兩電極距離較遠時，陰極氣泡較少，現(xiàn)象不明顯。學(xué)生們?nèi)翰呷毫?，討論、分析可能的原因，最終的解釋是電極距離近時，陽極產(chǎn)生的Cl2能更快地擴散到陽極，與水反應(yīng)產(chǎn)生H+，或者Cl2與水反應(yīng)產(chǎn)生的H+可以更快地遷移到陰極，總之兩電極距離近時，有利于增大陰極H+濃度，在電解時與Cu2+產(chǎn)生競爭，共同被還原。

電解實驗數(shù)據(jù)表明，陰極不管用哪支pH傳感器，電解穩(wěn)定后，pH讀數(shù)都顯示溶液呈堿性；陽極無論用哪支pH 傳感器，電解穩(wěn)定后，pH 讀數(shù)都顯示溶液呈酸性，排除了傳感器帶來的誤差。陽極溶液pH 的變化是由于產(chǎn)生的氯氣溶于水并和水反應(yīng)造成的。而陽極產(chǎn)生的H+會移向陰極，使陰極H+濃度增大，和Cu2+產(chǎn)生競爭，在陰極共同被還原。所以觀察到陰極有紅色物質(zhì)析出的同時也有氣泡產(chǎn)生。

對此推理，學(xué)生們提出了探究實驗方案——在電解時，使用陰離子交換膜，阻止陽極H+向陰極移動。由于實驗條件有限，目前還沒能得以執(zhí)行。

對于電解CuCl2溶液過程中出現(xiàn)的這一異?，F(xiàn)象，學(xué)生們除了以上的追因探究，還利用這一現(xiàn)象帶來的視覺效果設(shè)計了一個趣味實驗，感受化學(xué)之美。

2.在氣泡中長大的“銅樹”趣味實驗

2.1 實驗用品

（1）實驗器材：

自制電解槽一套（同上），學(xué)生直流電源一個，細銅絲。

（2）實驗試劑：

0.02 mol/L的CuCl2溶液，NaCl固體，沾有NaOH溶液的棉花團。

2.2 實驗步驟

（1）將細銅絲繞在鉛筆芯上，像分叉的樹枝；組裝好裝置，如圖3所示；

圖3 制作“銅樹”的電解裝置

（2）向CuCl2溶液中加入適量NaCl，攪拌溶解。接通電源，開始電解實驗；

（3）觀察并記錄下陰極的實驗現(xiàn)象。

2.3 實驗現(xiàn)象

在陰極上，有氣泡冒出，同時不斷有紅色的銅析出，吸附在每一根細銅絲上，像絨毛一樣不斷長長，稍微晃動溶液，銅絨毛會在溶液中擺動。在電解過程中，陰極電極看起來就像是一棵在氣泡中慢慢長大的紅色“銅樹”，如圖4所示。

圖4 在氣泡中長大的“銅樹”實驗現(xiàn)象

2.4 討論

在電解CuCl2溶液時，向其中加入一定量的NaCl，可以增大電解質(zhì)濃度，增強溶液導(dǎo)電能力，也增大溶液中Cl-濃度，使析出Cl2的速率更快，增大溶液中Cl2的濃度，增強溶液酸性，陰極H+濃度增大，由能斯特方程可知其氧化性增強，與Cu2+的競爭力也增強，在陰極被還原，同時析出紅色固體物質(zhì)Cu，所以學(xué)生在電解CuCl2溶液時加入了適量的NaCl固體。

3.實驗反思

3.1 實驗創(chuàng)新之處在于對教材實驗進行了改進，使電解現(xiàn)象出現(xiàn)得更快更明顯，而且能夠解決氯氣污染空氣的問題，并且可以進行微型化實驗，節(jié)約試劑。利用身邊觸手可及的物質(zhì)自制實驗器具，如礦泉水瓶、鉛筆芯、導(dǎo)線內(nèi)的銅絲等，拉近化學(xué)與生活的距離。尤其是實驗條件不佳的學(xué)校，大大激發(fā)了學(xué)生大膽嘗試創(chuàng)造實驗條件的勇氣。針對本實驗，學(xué)生電源沒有或者不足的學(xué)校，也可以鼓勵學(xué)生嘗試使用充電寶等作為電源。

3.2 學(xué)生在實驗探究的過程中提升對電解原理的認知程度，拓寬自己的理論知識。理論分析陰極上只有Cu析出，而實驗過程中卻出現(xiàn)了不一致的現(xiàn)象，除析出紅色物質(zhì)，還有氣泡冒出。這一異?，F(xiàn)象，激發(fā)了學(xué)生的探究欲望。查閱資料可知是H+和Cu2+在陰極競爭反應(yīng)的結(jié)果。利用此現(xiàn)象，學(xué)生設(shè)計了趣味實驗——在氣泡中長大的“銅樹”，實現(xiàn)現(xiàn)象極具觀賞性，學(xué)生能夠主動感受并欣賞化學(xué)的神奇和美麗，增加課堂趣味性和學(xué)科魅力。

3.3 使用兩支pH 傳感器，在自制電解槽中實現(xiàn)電解過程中溶液的不同區(qū)域pH變化的直觀化，有助于學(xué)生從微觀角度對電解原理進行深入分析。但測兩極pH變化的過程中，實驗在敞開體系中進行，在此過程中如何避免氯氣逸出到空氣中，是下一步改進的要點。

3.4 這是一組系列實驗，以教材為源，超出教材。真正實現(xiàn)化學(xué)學(xué)科在復(fù)雜、真實的實驗情境中發(fā)現(xiàn)問題，再用實驗來解決問題的學(xué)科學(xué)習(xí)方式。在實驗探究過程中，迸發(fā)出一些來自實踐的思維火花，切實感受到思維的深刻性和獨創(chuàng)性得以提升，并感受到實驗的魅力，感知學(xué)科的價值。紙上得來終覺淺，絕知此事要躬行，凡事一定要多實踐、多思考。

三、實驗教學(xué)總結(jié)

首先，本實驗教學(xué)的價值挖掘。作為一名化學(xué)學(xué)科老師，筆者深知化學(xué)是在原子、分子的水平上研究物質(zhì)的組成、結(jié)構(gòu)、性質(zhì)及應(yīng)用的基礎(chǔ)自然科學(xué)。因此如何將化學(xué)的學(xué)科本質(zhì)落實到自己的課堂上成了筆者經(jīng)常思考的一個問題，具體表現(xiàn)為教什么、如何教、為什么要教。筆者認為只有在貫穿學(xué)科知識的真實情境下，教師加以知識的講授、方法的引導(dǎo)和情感的培養(yǎng)，學(xué)生才能形成一定的價值觀念、必備品質(zhì)和解決問題的關(guān)鍵能力，最終逐漸形成化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。

本節(jié)課選自2019 人教版高中化學(xué)選擇性必修一第四章第二節(jié)電解池，教材安排了電解CuCl2溶液的實驗，課程標準也建議開展電解CuCl2溶液的探究活動。

筆者認為本節(jié)課既是學(xué)科知識學(xué)習(xí)的需要，因為它是電化學(xué)知識不可或缺的一部分，同時學(xué)生了解電解原理的應(yīng)用也是社會對工業(yè)生產(chǎn)專技人員的要求，本節(jié)課對電解原理的教學(xué)起到鞏固基礎(chǔ)知識、提升思維深度的作用。

學(xué)生通過查閱資料，從微觀角度解釋兩極pH 的宏觀變化。在實驗探究過程中，學(xué)生的微粒觀、變化觀、實驗觀等核心觀念逐漸形成。與此同時，宏觀辨識與微觀探析、證據(jù)推理與模型認知、科學(xué)探究與創(chuàng)新意識等核心素養(yǎng)得到一定提升。除此之外，實驗中的異常現(xiàn)象的充分利用激發(fā)了學(xué)生在學(xué)習(xí)中的自主性和創(chuàng)造性，體驗到化學(xué)之美，同時也為學(xué)生的課外自主學(xué)習(xí)與發(fā)展拋磚引玉［5］。

其次，目標建構(gòu)。通過分析教材和課標，筆者設(shè)定了以下三個教學(xué)目標，分別是①通過對電解CuCl2溶液現(xiàn)象的觀察、實驗數(shù)據(jù)的分析，從微觀角度解釋宏觀現(xiàn)象，完善電化學(xué)的知識體系；②引導(dǎo)學(xué)生分析實驗過程中的異?，F(xiàn)象，發(fā)展學(xué)生宏觀辨識與微觀探析、證據(jù)推理與模型認知、變化觀念與平衡思想等核心素養(yǎng)；③通過對異?，F(xiàn)象的分析，引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計實驗方案驗證自己的分析，用理論指導(dǎo)實踐，在實踐中發(fā)現(xiàn)問題、解決問題，培養(yǎng)科學(xué)探究與創(chuàng)新意識、科學(xué)態(tài)度與社會責(zé)任等核心素養(yǎng)。

同時，為每一個教學(xué)目標確立了相應(yīng)的評價目標，分別為①通過對電解過程中微觀粒子變化本質(zhì)的討論和點評，診斷并發(fā)展學(xué)生對電解原理的認識水平（物質(zhì)水平、微粒水平）；②利用異?，F(xiàn)象培養(yǎng)學(xué)生的思辨能力、證據(jù)推理能力及探究實驗設(shè)計能力；③通過實驗過程，從學(xué)科價值視角、社會價值視角等方面診斷并發(fā)展學(xué)生對化學(xué)價值的認識水平，從而實現(xiàn)教學(xué)評一致性［6］。

教學(xué)重點是認識電解的原理和本質(zhì)，發(fā)展宏觀辨識與微觀探析、證據(jù)推理與模型認知等核心素養(yǎng)；難點是分析電解過程中出現(xiàn)異?，F(xiàn)象的原因，并設(shè)計實驗、動手做實驗、觀察現(xiàn)象、解釋現(xiàn)象、驗證猜測。為此筆者采用POE的教學(xué)策略［7］，在建構(gòu)主義理論的指導(dǎo)下，利用真實情境促進概念建構(gòu)，同時融合環(huán)環(huán)相扣的探究活動發(fā)展核心素養(yǎng)，采用講授、實驗、自主合作、探究等多種教學(xué)方法，以期達到最好的教學(xué)效果。