挖掘教材內(nèi)容 拓展教材實驗——以“電解氯化鈉溶液”實驗探究為例

安徽省六安第二中學河西校區(qū)(237000) 徐 敏 孫 瑞

新課程理念下,化學實驗的功能應(yīng)由激發(fā)學生積極地接受學習轉(zhuǎn)變?yōu)榇龠M學生主動地探究性學習。探究性學習是指學生在教師指導下,自主獲取知識和技能,體驗和了解科學探究的過程和方法。在化學教學中,教師要為學生的學習創(chuàng)設(shè)探究情境,建立探究的氛圍,把握探究的深度,激發(fā)學生的探究欲望,引導學生體驗探究的過程,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

學生已經(jīng)學習了人教版化學選修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)生什么實驗現(xiàn)象？

生：陰極產(chǎn)生氫氣，陽極銅電極溶解，溶液中有藍色沉淀產(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)不方便收集氣體進行檢驗，現(xiàn)將電解裝置進行了改進(見圖2)進行演示實驗，學生認真觀察并記錄實驗現(xiàn)象。

圖1 傳統(tǒng)裝置

圖2 改進裝置

生：沒有看到預(yù)測的藍色氫氧化銅沉淀。觀察到實驗現(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 實驗現(xiàn)象

通過實驗學生產(chǎn)生了認知沖突，為什么沒有看到藍色的氫氧化銅沉淀？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

由于學生的知識水平有限，查閱資料歸納出一價銅和二價銅的一些化合物的顏色和溶解性(見表1)，學生據(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 不同價態(tài)銅的化合物的顏色和溶解性

是不是如學生所說呢？如何驗證猜想是否正確呢？實驗是檢驗真理的重要手段。

3 設(shè)計實驗，檢驗分析

3.1 改進電解裝置，使兩極產(chǎn)物分開

為了仔細觀察陽極產(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鹽橋(見圖4)，并將兩極電解產(chǎn)物分開。電解一段時間后，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 改進電解裝置

3.2 分組合作，檢驗兩極產(chǎn)物

將學生分成三個組，分工查閱資料進行檢驗。

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色。檢驗陽極白色渾濁物質(zhì)是否為CuCl。

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

圖5 第一組實驗方案產(chǎn)生的實驗現(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)，該實驗現(xiàn)象驗證了第二組學生的猜測。

圖6 第二組實驗方案產(chǎn)生的實驗現(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色的絡(luò)合物。檢驗橙黃色沉淀是否為CuOH和Cu2O的混合物。

第三組設(shè)計方案：滴加氨水觀察沉淀和溶液顏色變化來檢驗橙黃色沉淀是否為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+(絳藍色)+4OH-+6H2O

第三小組實驗現(xiàn)象是橙黃色沉淀溶解，最后變成絳藍色(見圖7)和預(yù)期一致。

圖7 第三組實驗方案產(chǎn)生的實驗現(xiàn)象

通過大膽猜想并通過實驗檢驗分析，學生明白了用銅電極電解飽和氯化鈉溶液時產(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(藍色)+2HCl

4 拓展實驗，升華思維

通過前面的探究，學生知道了用銅電極電解飽和氯化鈉溶液，并不產(chǎn)生藍色的氫氧化銅沉淀，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？實踐需要理論的指導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。當c(NaCl)>2.14 mol/L時，銅陽極電解產(chǎn)物為Cu+化合物；當c(NaCl)<2.14 mol/L時，銅陽極電解產(chǎn)物為Cu2+化合物，析出藍色沉淀Cu(OH)2。

總之，教材是培養(yǎng)學生人文素養(yǎng)的重要途徑，也是一種特殊的知識載體。本實驗教學采用理論與實踐相結(jié)合，遇到新問題引導學生及時發(fā)現(xiàn)并嘗試解決，不局限于課本知識。通過查閱資料，用理論指導實踐，逐步探究真理。動手與動腦結(jié)合，注重化學學科核心素養(yǎng)的培養(yǎng)與落實。先通過讓學生觀察銅電極電解飽和氯化鈉溶液的演示實驗，讓學生產(chǎn)生認知沖突，進而引導學生通過查閱資料并動手實驗逐步對電解產(chǎn)物展開分析與檢驗，從而讓學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，通過小組合作探究，學生提高了實踐能力、創(chuàng)新能力以及解決問題的能力。