电解饱和食盐水的实验改进与创新
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所用教材：人教版
教学内容所属模块：选修4《化学反应原理》
所属章节：第四章第三节电解池
年级：高中二年级
实验器材
实验仪器和试剂：
数据采集器、pH传感器、计算机、饱和食盐水、学生电源、导线2根、2B铅笔芯、烧杯、铁丝、淀粉碘化钾试纸、氢氧化钠溶液、玻璃蒸发结晶皿、带导管的橡胶塞、试管、玻璃导管、橡胶塞、铁夹2个、铁架台、酒精灯。
自制阳极创新装置：
硬质玻璃管、阳离子交换膜、热熔胶。
实验改进与创新点
图1
电解饱和食盐水装置改进
图2
硬质玻璃管与阳离子交换膜
图3
数字化设备
自制阳离子交换膜，通过pH传感器可以很直观的体现该膜的作用，便于学生理解，利用数字化传感器让学生从微粒层面上认识化学反应。由于该装置避免了传统电解饱和食盐水的复杂装置，非常轻巧、操作简单，可以让学生亲手实验，可以帮助学生建立工业上电解氯化钠的认知模型，直观感受最新的离子交换膜电解技术。
该装置价格低，可靠性高。离子交换膜未能在中学大量使用的原因之一是价格较高（淘宝网上10cm×10cm的阳离子交换膜售价约200元）；本教具使用的离子交换膜面积仅4cm2,成本约0.5元。将硬质玻璃管用热熔胶与离子交换膜结合紧密，密封性强。电极采用铅笔芯，材料易得。用6—24V直流电，在酸、碱性环境中反复电解都没有任何损坏；整个电解装置简单，可靠性高，适合大量制作和使用。
实验现象明显，趣味性强。在电解过程中的气泡非常多，便于教师引导学生观察，思考气体是什么，激发学生兴趣。由于装置的可视性非常好，在两极产物检验的过程中，氯气使湿润的淀粉碘化钾试纸变蓝、氢气的爆鸣实验都非常明显、pH传感器定量的检验溶液的酸碱性，可以将本次实验推向高潮。
本装置对氯气进行了尾气处理，绿色环保。
该装置集发生、检验、尾气处理装置于一体，操作简便。
该装置还适合其他电解实验的使用。
实验改进设计的出发点
电解饱和食盐水实验在工业生产、实际生活中、中都有广泛应用，并且在高考中也是热点知识。不同版本教材中对于电解饱和食盐水实验的呈现也有不同，电解饱和食盐水的实验主要涉及两极产物的检验以及氯气的处理，在人教版和苏教版教材中既没有该实验的图示，也没有安排实验，在教学过程中教师通常会按照鲁科版教材所示装置进行实验，即利用带有支管的U型管。其不足之处在于：
该装置与氯碱工业的实际生产装置有一定的距离，在氯碱工业中所用的阳离子交换膜在教学实验中难以实现；
利用?U?型管进行实验时，离子在阴阳两极迁移的距离过长，导致整个电路的电阻较大
由于U?型管带有支管，导致浸入溶液中的电极太短，接触面积小，不利于气体的产生。
实验教学目标
知识与技能：
理解电解原理，初步掌握一般电解反应产物的判断方法
了解氯碱工业——电解饱和食盐水
掌握电解电极方程式和总方程式的书写。
过程与方法：
通过过已学电解原理相关知识来思考电解饱和食盐水实验，探究分析工作原理。
通过电解饱和食盐水实验的装置逐步改进，学生小组猜想讨论、实验验证、实验汇报、师生总结的方法，增强对电解池工作原理的了解，让学生感受电能转化为化学能的科学事实。
情感态度价值观：
通过对电解饱和食盐水实验的改进与创新，体验“科学猜想—实验验证—归纳总结—形成理论”的研究过程。知道电解原理的应用的广泛性，实用性，高效性。增强学生的环境保护意识，感受化学世界的奇妙与和谐。
通过实验探究，培养学生善于观察，勤于思考的科学态度，增强理论联系实际的能力，并将化学知识积极应用于生活的意识。
学习科学探究、合作学习的基本方法，提高科学探究与团队合作的能力。
实验教学内容
本节课是学习电解原理的相关基本知识后的有关原理应用的拓展探究以及实验的改进，氯碱工业是生产生活重要的工业过程，其产品也是无处不在。基于此，从氯碱化工厂的实际机器场景引入，利用自制实验用品，逐步引导学生学会科学探究、改进创新，并通过此过程来培养学生的环境保护与绿色化学意识。
实验教学过程
创设情景
图4
创设情景图示
展示氯碱化工厂图片；复习电解原理、学生书写电极反应式、总反应方程式。
回顾旧知：如何检验产物H2、Cl2、NaOH
图5
检验产物方法
分析传统实验装置的不足
图6
传统实验装置用于工业生产的不足
引导学生围绕工业生产的“三高”原则，思考如果利用传统实验装置进行工业生产，可能会遇到哪些问题。这些问题产生的原因是什么？应该如何解决？请学生分组讨论，并以表格的形式加以说明。从学生的分析报告当中可以看出解决问题的关键就是将H2和Cl2隔开；将Cl2和OH-隔开。
教师介绍离子交换膜
图7
离子交换膜选择
离子交换膜主要分为阳离子交换膜和阴离子交换膜，阴离子交换膜成正电性，选择性透过阴离子；阳离子交换膜成负电性，选择性透过阳离子。请同学们思考我们选择哪一种交换膜，才能解决刚才的问题，学生分析要阻止OH-和Cl2反应，就不能让OH-进入阳极区，因此选择阳离子交换膜。
市售的离子交换膜
图8
市售的离子交换膜
离子交换膜未能在中学大量使用的原因就是因为其成本过高。
创新实验
图9
创新装置
老师通过查阅文献资料，找到了自制阳离子交换膜的方法，它的材质是与二乙烯基苯交联的凝胶聚苯乙烯，像这样一块4cm2的离子交换膜成本仅0.5元，再将硬质玻璃管和阳离子交换膜用热熔胶粘连，就组成了一套阳极的创新装置，该装置取材方便大大降低了实验成本，而且体积小巧非常便携。
学生探究
图10
实验完善
为了将阴极区原来的Cl-除去，用稀NaOH溶液替换阴极区的NaCl溶液，为检验该反应生成了NaOH，引入数字化设备。
数字化实验
图11
数字化仪器
可以利用pH传感器来测定溶液pH的变化：连接pH传感器和数据采集器，将pH传感器的探头放到溶液中，数据采集器就会将数据转化成电信号，传输到电脑，再通过电脑软件处理，就可以得到溶液pH随时间变化的函数图像。
实验操作展示
图12
实验操作展示
实验探究总结
图13
探究总结
改进后实验的优点
图14
改进装置优点
核心素养
图15
核心素养
学生通过本节课的学习，提升了化学学科核心素养。
实验效果评价
在探究实验中发展能力
解决问题能力：通过提出问题，引导学生小组积极思考，培养学生提炼信息和对信息进行分析、整合的能力；通过组内讨论做出假设，设计实验方案，最终分析本质、解决问题。
实验操作能力：本节课，需要学生具备较高实验探究能力，需要较缜密的思维来分析考虑复杂问题，创新空间也更大。
基于化学学科核心素养下的教师主导、学生主体
本节课是由教师从问题意识引导学生去探究，都从不同的角度体现了宏观与微观探析，科学探究与创新意识，科学精神与社会责任等化学学科的核心素养，以学生为主体的形式落实到课堂的每一个环节。(共22张PPT)
电解饱和食盐水的实验改进与创新
说课流程
1、教材分析
2、学情分析
3、教学目标
4、教学重点难点
5、教法与学法
7、教学反思与评价
6、教学过程
1、教材分析
“电解饱和食盐水”实验不仅能巩固电解原理知识，而且在工业生产、实际生活中都有广泛应用，并且在高考中也是热点知识
,但在人教版教材中既没有该实验的图示，也没有安排实验。
人教版
选修4
第四章
电解原理及其应用
——电解饱和食盐水
地位和作用
01
02
03
已基本掌握电解原理；知道常见物质的检验方法，掌握基本实验技能，能对问题进行简单的分析
已有基础
2、学情分析
对电解原理没有感性认识，仅停留于书本表面的知识
局限认识
能熟练操作电解饱和食盐水实验，并通过实验验证电解原理
发展方向
01
巩固电解原理、掌握电极方程式的书写、掌握电解的基本操作、学会对电解产物的检验
科学素养
3、教学目标
02
体验科学探究的过程，学习科学探究的方法，培养创新思维能力
03
能将所学知识运用于生活、生产当中，真正体会到“科学技术就是生产力”的含义。
重点难点
实验教学重点：电解原理的应用--电解饱和食盐水实验
实验教学难点：实验现象的分析，实验装置的改进与创新
4、教学重难点
5、教法与学法
合作学习
根据学生知识储备、心理特征及教学内容的需要，将学生进行分组，小组讨论有利于学生解决疑难问题，也可以增强学生的合作意识。
实验探究
引导学生设计实验方案，实施实验方案的教学方式有利于教学目标的高效完成，还可以培养学生的动手能力及观察能力。
宏观辨识
与
微观探析
通过宏观可见的指示剂颜色变化及pH示数的变化进行本质分析，由此得出溶液中微观粒子的移动情况
实验探究与
创新意识
能从问题出发设计实验方案，面对“异常”现象敢于提出自己的见解
01
旧知回顾
03
创新实验，解决问题
02
传统实验，发现问题
04
探究总结
6、教学过程
环节一：旧知回顾
食盐水中NaCl和H2O发生电离：
NaCl
=
Na+
+
Cl-
H2O
=
H+
+
OH-
阳极：2Cl-
-
2e-
=
Cl2↑
阴极：2H+
+
2e-
=H2↑
总反应：
2NaCl
+
2H2O
=
2NaOH
+H2↑
+
Cl2
↑
环节二：传统实验，发现问题
不足之处：
1.不便于收集气体检验
2.产生的氢气、氯气混合有爆炸的隐患
3.没有尾气处理装置，氯气溢出会污染环境
4.产生的氯气易与氢氧化钠溶液反应，使制得的氢氧化钠质量不高
5.该装置与氯碱工业的试剂生产装置有一定的距离
学生报告
1
市售的离子交换膜电解槽
2
市售的阳离子交换膜
售价高
市售的离子交换膜
1
查阅文献自制阳离子交换膜
硬质玻璃管
阳离子交换膜
体积小、成本低（约0.5元）、材料易得
2
自制创新装置
阳离子交换膜
与二乙烯基苯交联的凝胶聚苯乙烯
2cm
环节三：创新实验，解决问题
环节三：创新实验，解决问题
阳极创新装置：用热熔胶粘连阳离子交换膜与硬质玻璃管
实验仪器和试剂：
数据采集器、pH传感器、计算机、饱和食盐水、学生电源、导线2根、2B铅笔芯、烧杯、铁丝、淀粉碘化钾试纸、氢氧化钠溶液、玻璃蒸发结晶皿、带导管的橡胶塞、试管、玻璃导管、橡胶塞、铁夹2个、铁架台、酒精灯。
自制阳极创新装置：
硬质玻璃管、阳离子交换膜、热熔胶。
实验步骤
01
02
03
04
反应一段时间之后，再拆除并清洗仪器。
断开电源，检验阴极的气体
接通电源，观察pH传感器示数的变化，淀粉KI试纸是否变蓝
按图连接好装置并将pH传感器探头放到阴极溶液中，将产生的氯气通入氢氧化钠溶液中。
实验操作展示
探究总结
阴、阳两极产生大量气泡
阴极生成NaOH
阳极附近生成Cl2
阴极产生的气体是H2
变蓝：Cl2
+
2I-
=
2Cl-
+
I2
褪色：
Cl2和H2O反应生成
HClO：Cl2
+H2O
?
HCl
+
HClO
Cl2和I2反应生成碘酸：5Cl2
+
I2
+6H2O
=
12H+
+
10Cl-
+
2IO3-
为什么淀粉碘化钾试纸先变蓝后又褪色？
有漂白性
改进装置的优点
铁钉
饱和食盐水
碳棒
利用数字化传感器让学生从微粒层面上认识化学反应。
3
该装置还适用于其他电解实验，如电解硫酸钠等。
6
改进前
改进后
NaOH
阳离子交换膜
对氯气进行了尾气处理,
绿色环保无污染
5
NaOH
该装置集发生、检验、尾气处理装置于一体，
操作简便，现象明显。
2
淀粉-KI试纸
改进后装置价格低，
成本仅0.5元
4
帮助学生建立工业上电解饱和食盐水的认知模型。
1
pH传感器
6、教学反思与评价
实验效果评价
在探究实验中发展：
解决问题能力、
实验操作能力
01
基于化学学科核心素养下的教师主导、学生主体
02
核心素养
01
宏观辨识与微观探析
03
科学精神与社会责任
02
实验探究与创新意识
鲍林
谢谢观看!
化学
