關(guān)鍵詞：高中化學；實驗改進；科學探究；工業(yè)生產(chǎn)

中圖分類號：G633.8" " 文獻標識碼：B" " 文章編號：1009-010X（2024）02-0061-04

一、學情分析

氯堿工業(yè)是高中化學教材詳細介紹的化學工業(yè)之一，電解飽和食鹽水是氯堿工業(yè)中的重要反應，也是高中化學課堂教學中一個非常重要的實驗。不同版本教材對于電解飽和食鹽水實驗的呈現(xiàn)也有所不同，具體情況見表1。

對比可知，除了人教版教材在選修1中直接給出氯堿工業(yè)使用離子交換膜電解飽和食鹽水的原理示意圖外，蘇教版、魯科版、滬科技版三個版本教材在必修或選修階段均選擇在此之前設(shè)置了電解飽和食鹽水的實驗，并給出相應的實驗裝置圖。相比之下，有關(guān)此內(nèi)容人教版教材的設(shè)置無疑是更有難度，但同時也為我們師生留出了更多的空白。

學生雖然已經(jīng)基本掌握電解原理，知道常見物質(zhì)的檢驗方法，能對簡單的問題進行分析。但是學生對于電解原理的知識，僅僅停留于書本表面，并沒有一個感性的認識。本節(jié)實驗教學精品課旨在利用所學知識，來解決真實的問題情景，模擬將電解飽和食鹽水實驗從實驗室遷移到真正的氯堿工業(yè)的過程，讓學生實現(xiàn)從書本知識到實際生產(chǎn)的過渡，從而將化學核心素養(yǎng)落到實處。

二、實驗教學目標

懂原理會分析：通過電解飽和食鹽水實驗的教學，鞏固電解原理，讓學生掌握電極反應式的書寫，學會檢驗電解產(chǎn)物的方法，進一步構(gòu)建認知模型。

能設(shè)計真探究：通過小組合作，設(shè)計、評價、優(yōu)化并實施實驗方案，體會科學探究的過程，培養(yǎng)創(chuàng)新思維能力。

會應用有態(tài)度：能將所學知識運用于真正的生活、生產(chǎn)中，積極承擔社會責任。

三、實驗教學重、難點

實驗教學重點：電解原理的應用，電極反應的分析和表征。

實驗教學難點：實驗改進方案的設(shè)計及優(yōu)化。

四、實驗教學過程

（一）實驗導入，激發(fā)興趣

【師】現(xiàn)場演示趣味小實驗“會吐泡泡的錫紙”，將兩片錫紙分別接在電池的正負極上，用手捏住，然后再將其放入到盛有飽和食鹽水的塑料小碗中，觀察到錫紙的表面“吐”出很多小氣泡，就好像在水下呼吸一樣（見圖1）。

【師】這個趣味小實驗利用了什么原理？

【生】電解池。

【師】請寫出電極反應式和總反應式，并思考各個產(chǎn)物該如何檢驗？

【生】某學生作答結(jié)果（見圖2）。

（二）分析裝置，發(fā)現(xiàn)不足

【師】能否將該裝置放大化投入量產(chǎn)？存在哪些不足之處？請小組討論并完成在學案上。（提示：可以從安全性、產(chǎn)品檢驗、產(chǎn)品純度等三個方向進行思考）

【生】進行小組討論，完成學案上的相應內(nèi)容。

教師投屏展示了兩個小組的成果，并引導學生一起進行分析評價，最終總結(jié)出如下幾條不足之處。

（三）設(shè)計實驗，解決問題

【師】針對以上不足，繼續(xù)進行小組討論，設(shè)計改進方案，在學案上畫出簡易裝置圖。

【生】小組討論，設(shè)計改進方案，畫簡易裝置圖。

教師投屏展示了兩組比較有代表性的改進方案（見圖3和圖4），并和學生一起進行分析評價。

【師】改進方案1有哪些優(yōu)缺點？

【生1】利用鹽橋?qū)崿F(xiàn)了陰陽兩室的分離，避免了H2、Cl2混合爆炸和Cl2、NaOH溶液反應產(chǎn)生雜質(zhì)，并且實現(xiàn)了Cl2和NaOH的檢驗，這是該方案的優(yōu)點。

【生2】其缺點是Cl2沒有進行尾氣處理，會污染空氣，H2也不好檢驗。

【師】那改進方案2呢？

【生3】方案2利用具支U型管，將Cl2通入NaOH溶液中實現(xiàn)了Cl2的尾氣處理，并且利用小試管收集H2，再進行爆鳴實驗，實現(xiàn)了對H2的檢驗，正好彌補了方案1的不足。

【師】右上的小方框（濕潤的淀粉-KI試紙）代表什么意思？誰來解釋一下。

【生4】這里代表的意思是不檢驗的時候?qū)Ч芡ㄈ隢aOH溶液中來吸收Cl2，檢驗時就將導管取出靠近濕潤的碘粉-KI試紙。

【生5】取出導管檢驗Cl2時同樣也會造成Cl2的少量泄漏。

【師】是的，這位同學質(zhì)疑地非常好！接下來請同學們思考，能否將Cl2的檢驗和吸收組合在同一個連續(xù)的裝置里？

【生6】可以在中間加一個硬質(zhì)玻璃管，用來放置濕潤的淀粉-KI試紙。

【師】非常棒！請同學們仔細觀察一下L型導管的長短和孔徑，能否將濕潤的淀粉-KI試紙放入其中呢？

【生】可以。

【師】這樣一來，我們就相當于巧妙地給實驗裝置進行了一點小瘦身處理。除此之外，老師提醒大家用該方案中的方式檢驗H2時，需要集滿一小試管的H2，耗時較長。有沒有其它更簡單的方式呢？

【生7】可以將H2通入到肥皂水中，再用點燃的火柴靠近肥皂泡，看是否有爆鳴聲出現(xiàn)。

【師】請同學們完善一下實驗裝置圖（見圖5）。其優(yōu)點是利用一體化裝置實現(xiàn)Cl2的尾氣處理和三種產(chǎn)物的全部檢驗。當然，該方案同樣存在不足，哪位同學繼續(xù)評價一下？

【生8】陰陽兩室分開但未實現(xiàn)完全分離，可以避免H2、Cl2混合爆炸，但是電解時間稍長，Cl2和NaOH溶液仍然會通過鹽橋接觸發(fā)生反應產(chǎn)生雜質(zhì)。

（四）整合方案，優(yōu)化實驗

【師】請同學們繼續(xù)思考能否將上述兩組方案進行整合，進一步優(yōu)化實驗？

【生9】可以將鹽橋植入到U型管中間，即只在U型管下端部分填充含有飽和KCl溶液的瓊脂（見圖6）。

【師】非常好！鹽橋制作比較麻煩，耗時較長，咱們可以用果凍來代替。經(jīng)查閱文獻可知，果凍作為一種凝膠，里面的電解質(zhì)如山梨酸鉀等可以導電，且低濃度果凍的離子遷移速率與溶液中相差不大。接著請同學們進行分組實驗。

【生】進行分組實驗，實驗結(jié)束后，各個小組大都觀察到了以下實驗現(xiàn)象，陰極溶液迅速變紅，濕潤的淀粉-KI試紙變藍，用點燃的火柴靠近肥皂泡，有爆鳴聲。另外，還有部分學生注意到濕潤的淀粉-KI試紙先變藍后褪色。

【師】為什么濕潤的淀粉-KI試紙先變藍后褪色呢？我們可以利用方程式來解釋其原因。

變藍：Cl₂+2I^-=I₂+2Cl^-

褪色：Cl₂和H₂O反應

Cl₂+H₂O＝HCl+HClO（漂白性）

Cl₂和I₂反應5Cl₂+I₂+6H₂O=10HCl+2HIO₃

【師】鹽橋和果凍本質(zhì)上是離子交換，但需要再生。以鹽橋為例具體分析，并引導學生思考，為獲取純凈的氫氧化鈉溶液，還應采取哪些操作？

【生10】用飽和NaCl溶液溶液浸泡的鹽橋。

【生11】在陰極室中注入純水（含少量NaOH，增加導電性），而不是飽和NaCl溶液。

（五）結(jié)合工業(yè)生產(chǎn)，實驗再優(yōu)化

【師】現(xiàn)在能否將該裝置放大化投入量產(chǎn)？

【生】原則上應該是可以的，但是鹽橋需要再生，在生產(chǎn)過程中不太方便，可以使用離子交換膜。

【師】和學生一起探討離子交換膜種類的選擇，并總結(jié)出其工作原理為離子選擇性透過，不需要再生。

【師】由此，我們結(jié)合工業(yè)生產(chǎn)，對實驗進行了再優(yōu)化，實驗裝置圖如下（見圖7），接下來進行演示實驗。

【師】實驗結(jié)束以后，播放小視頻《氯堿產(chǎn)業(yè)的中國“芯”》，東岳離子膜的誕生標志著中國成為世界上第三個擁有這項核心技術(shù)的國家，從此中國氯堿工業(yè)實現(xiàn)了全國產(chǎn)化，三十年受制于人的歷史被徹底改寫。由此，進一步對學生進行愛國主義教育，增強民族自豪感。

（六）課后實踐，應用鞏固

【師】結(jié)合所學內(nèi)容設(shè)計實驗方案，自制家用84消毒液。

【生】某小組同學使用盛有飽和食鹽水的家用塑料罐當電解池，用新鞋內(nèi)的塑料泡沫和膠帶將其密封，并在上方鉆兩個小孔，插入兩根兩頭均削好的鉛筆，用鉛筆芯代替石墨棒做電極，真正實現(xiàn)了對知識的遷移運用（見圖8）。

五、實驗教學反思

本節(jié)實驗教學精品課的設(shè)計未聚焦于實驗的創(chuàng)新與改進上，而是踏踏實實以學生為主體，基于真實的問題情境，立足于氯堿工業(yè)談電解飽和食鹽水的實驗探究。以趣味小實驗導入新課，再通過小組合作，讓學生自主設(shè)計、評價、優(yōu)化并實施實驗改進方案，親身體會科學探究的過程，實現(xiàn)從實驗室到工業(yè)生產(chǎn)、從書本知識到實際應用的轉(zhuǎn)變，將化學核心素養(yǎng)落到實處。

亮點1：立足工業(yè)生產(chǎn)談實驗探究

亮點2：落實核心素養(yǎng)