電解池+教學(xué)設(shè)計 高二上學(xué)期化學(xué)人教版（2019）選擇性必修1

如何實現(xiàn)銅置換鋅使用教材本節(jié)課為人教版新教材《選擇性必修1：化學(xué)反應(yīng)原理》第四章第二節(jié)“電解池”實驗課。實驗器材學(xué)生電源、燒杯、鹽橋、培養(yǎng)皿、濾紙、銅片、鋅片、飽和NaCl溶液、濃氨水、0.5mol/LZnSO4/(NH4)2SO41:1混合溶液、1mol/LZnSO4溶液、0.5mol/L(NH4)2Fe(SO4)2溶液三、實驗創(chuàng)新點（一）設(shè)計得到雙液電解池，可以快速（2min內(nèi)）實現(xiàn)“銅置換鋅”的反應(yīng)，陰極鋅產(chǎn)物純凈（見圖1）。（二）創(chuàng)新性結(jié)合電解池和紙色譜知識，設(shè)計得到紙色譜單液電解池，并從正反兩方面驗證了該設(shè)計理念，從而簡單、可視化、獨創(chuàng)性地實現(xiàn)了“銅置換鋅”反應(yīng)。該實驗有三大亮點：（1）本實驗設(shè)計為《選修1：化學(xué)反應(yīng)原理》一輪復(fù)習(xí)課程的提升擴展實驗，豐富和拓展了反應(yīng)原理和一輪復(fù)習(xí)階段的實驗課程。（2）良好的趣味性：同學(xué)們自己動手創(chuàng)造的鋅樹感到十分驚喜，甚至可以帶回家去成為化學(xué)課得到的“藝術(shù)品”。（見圖2）（3）極佳可推廣性：只需要鋅片、銅片、培養(yǎng)皿濾紙、學(xué)生電源和<2mL簡單ZnSO4溶液，不到兩分鐘即可實現(xiàn)，方便課堂展示。操作容易、無危險，適宜推廣為學(xué)生實驗。（見圖3）圖1圖2圖3四、實驗原理（一）設(shè)計電解池實現(xiàn)“銅置換鋅”的反應(yīng)，是一個“弱制強”的反應(yīng)，常溫下不能自發(fā)發(fā)生。不能自發(fā)發(fā)生不等于不能發(fā)生，將此反應(yīng)設(shè)計成電解池裝置，不斷輸入電能，即可實現(xiàn)銅置換鋅反應(yīng)。（二）從單液電解池到雙液電解池設(shè)計成單液電解池（圖4），陽極銅失電子變成Cu2+，ZnSO4電解液中Zn2+在陰極銅上得電子變成鋅，這樣就實現(xiàn)了Cu+Zn2+==Zn+Cu2+的銅置換鋅的反應(yīng)。但是Cu2+也會移動到陰極，而且會優(yōu)先于Zn2+放電，很快這個裝置就會變成Cu2+下Cu2+上的電鍍銅的反應(yīng)。實驗驗證確實如此。圖4圖5本質(zhì)問題在于阻斷Cu2+移動到陰極，聯(lián)想到雙液原電池設(shè)計，設(shè)計成雙液電解池，即可從根本上解決這一問題（圖5）。陽極溶液使用加濃氨水的NaCl溶液（陽極溶液只需導(dǎo)電，加入濃氨水變深藍(lán)色即可快速鑒定生成了Cu2+）；陰極溶液加入銨鹽可以抑制Zn2+的水解減少氫氣生成。實驗證實可以快速（2min內(nèi)）實現(xiàn)“銅置換鋅”的反應(yīng)，陰極鋅產(chǎn)物純凈（見圖1）。（三）從雙液電解池到紙色譜單液電解池雙液電解不夠直觀，我們思考能否更加簡單、直觀地只在一個ZnSO4溶液中實現(xiàn)銅置換鋅反應(yīng)。單液電解法的本質(zhì)問題，即銅離子會移動到陰極放電，設(shè)計成雙液電解池即阻斷Cu2+的移動，換一種思路，只要減慢Cu2+的移動速度，讓其在電解的時間內(nèi)移不到陰極即可。如何減慢Cu2+的移動速度呢？我們在選修3有機物分離方法中的紙色譜法得到啟發(fā)：金屬陽離子在紙色譜固定相中的移動速度會減慢。）只要把將溶液“固定”在紙色譜上，即可設(shè)計進(jìn)行單液電解池來實現(xiàn)：培養(yǎng)皿中加入三層濾紙，滴入ZnSO4溶液剛好浸透濾紙，在濾紙兩端固定鋅片(陰極)和銅片(陽極)進(jìn)行電解。實驗驗證可以快速實現(xiàn)：陰極區(qū)鋅離子還原長成鋅樹，陽極區(qū)滴入濃氨水變藍(lán)色生成Cu2+（下圖6）。圖6為驗證Cu2+在紙色譜中移動速度低，確實沒有移到陰極，我們設(shè)計了驗證試驗：硫酸鋅溶液中加入濃氨水重復(fù)此實驗，這樣銅離子一旦產(chǎn)生就會顯出藍(lán)色，我們可以追蹤Cu2+的移動范圍?？梢钥吹?min、5min、10min、20min兩極情況，鋅樹在不斷生長的同時，銅離子的移動范圍也在越來越大，但是始終未到達(dá)陰極（下圖7）。這樣，即快速、簡單、可視化、創(chuàng)新性地實現(xiàn)了“銅置換鋅”反應(yīng)。圖7五、實驗教學(xué)目標(biāo)（一）我提出了“如何實現(xiàn)‘銅置換鋅’的反應(yīng)”這一有趣問題，并試圖圍繞此構(gòu)建微課題，設(shè)計進(jìn)行一系列微項目化探究和學(xué)習(xí)；（二）通過讓同學(xué)們自己設(shè)計實驗裝置，不斷發(fā)現(xiàn)并解決問題、擴展研究，培養(yǎng)他們的科學(xué)探究和創(chuàng)新意識；（三）在不斷的證據(jù)推理驗證中提升同學(xué)們對于電解池的模型認(rèn)知；（四）提高同學(xué)們的思維和動手能力，彰顯科學(xué)態(tài)度。六、實驗教學(xué)內(nèi)容：（一）問題的提出：通過提出如何實現(xiàn)銅置換鋅這一課題，請同學(xué)們自己設(shè)計實驗方案；（二）問題的初步解決——雙液電解池的設(shè)計：課堂上進(jìn)行討論，設(shè)計中最常見的單液電解法的問題，并得到雙液電解法來初步解決此問題；（三）問題的創(chuàng)新性解決——紙色譜單液電解法的設(shè)計：進(jìn)一步追問雙液電解的缺陷和單液電解的本質(zhì)問題，開拓思路，深入思考。進(jìn)而設(shè)計出更為創(chuàng)造性地紙色譜單液電解池的設(shè)計；（四）實驗中發(fā)現(xiàn)的新問題——反饋和思考：我們關(guān)注同學(xué)們在實驗過程中親身發(fā)現(xiàn)的新生成問題，并及時進(jìn)行討論，得到新思考；（五）對課題進(jìn)行進(jìn)一步擴展探究：如何實現(xiàn)“銅置換其他活潑金屬”？請同學(xué)們通過銅置換鋅的學(xué)習(xí)，獨立設(shè)計并實驗探索“銅置換鐵”的實現(xiàn)。七、實驗教學(xué)過程（一）問題的提出：通過提出如何實現(xiàn)“銅置換鋅”在上一節(jié)課對電解池的知識復(fù)習(xí)后，我給學(xué)生提出了一道思考題，同學(xué)們能否實現(xiàn)銅置換鋅的反應(yīng)。這個問題帶來了第一個認(rèn)知沖突，同學(xué)們說直覺感覺這個反應(yīng)不能發(fā)生。這是一個“弱制強”的反應(yīng)，不能自發(fā)發(fā)生，通過課堂引導(dǎo)，結(jié)合對反應(yīng)自發(fā)性的認(rèn)知，同學(xué)們理解不能自發(fā)發(fā)生不等于不能發(fā)生，只要不斷向體系輸入能量反應(yīng)即可發(fā)生，聯(lián)系到本節(jié)內(nèi)容，同學(xué)們立刻想到，電解池正是一個不斷向體系輸入能量的裝置。即將此反應(yīng)設(shè)計成電解池裝置，不斷輸入電能，即可“奇跡般”實現(xiàn)銅置換鋅反應(yīng)。結(jié)合此前做過的電鍍銅的實驗，我請同學(xué)們在課下自己來設(shè)計實驗裝置來實現(xiàn)這一“奇跡”的過程。上課前將作業(yè)中同學(xué)們的各種實驗設(shè)計方案進(jìn)行正式的收集歸納整理，本節(jié)課開始，我們就四人一組來討論和驗證這些設(shè)計的優(yōu)缺點。（二）問題的初步解決——雙液電解池的設(shè)計同學(xué)們最多設(shè)計是單液電解池的設(shè)計：陽極銅失電子變成Cu2+，ZnSO4電解液中Zn2+在陰極銅上得電子變成鋅，這樣就實現(xiàn)了Cu+Zn2+==Zn+Cu2+的銅置換鋅的反應(yīng)。但是這種設(shè)計有什么問題呢？通過小組討論同學(xué)們得出：Cu2+也會移動到陰極，而且會優(yōu)先于Zn2+放電，很快這個裝置就會變成Cu2+下Cu2+上的電鍍銅的反應(yīng)。（見圖4）同學(xué)們立即搭建設(shè)計的裝置進(jìn)行實驗驗證，證明此問題確實存在：溶液很快變?yōu)樗{(lán)色CuSO4溶液，陰極初期會得到鋅但很快銅出現(xiàn)且越來越多，很快成為電鍍銅實驗（見圖8）。圖8那么如何改進(jìn)裝置來解決這一問題，我們請同學(xué)們繼續(xù)討論，問題本質(zhì)在于阻斷Cu2+移動到陰極，有同學(xué)想到使用陰離子交換膜，更進(jìn)一步，同學(xué)們聯(lián)想到雙液原電池設(shè)計，設(shè)計成雙液電解池，即可從根本上解決這一問題。非?？少F的是有同學(xué)一開始就想到了此設(shè)計。在此基礎(chǔ)上我對這位同學(xué)的設(shè)計進(jìn)行了改進(jìn)，并請同學(xué)們討論思考改進(jìn)的原因，為什么陽極溶液使用加濃氨水的NaCl溶液，其實陽極溶液只需導(dǎo)電，加入濃氨水變深藍(lán)色即可快速鑒定生成了Cu2+；為什么陰極溶液加入銨鹽？加入銨鹽可以抑制Zn2+的水解減少氫氣生成。同學(xué)們立即搭建裝置進(jìn)行實驗，得到了預(yù)想的結(jié)果。實驗快速、純凈地實現(xiàn)銅置換鋅的反應(yīng)。以下是實驗演示。這樣同學(xué)們通過設(shè)計雙液電解池，初步實現(xiàn)了銅置換鋅的反應(yīng)。（見圖9）圖9（三）問題的創(chuàng)新性解決——紙色譜單液電解法的設(shè)計下面我繼續(xù)追問：這種雙液電解池是否還有問題和改進(jìn)空間？同學(xué)們討論認(rèn)為雙液置換不夠直觀。那么能否更加簡單、直觀地只在一個ZnSO4溶液中實現(xiàn)銅置換鋅反應(yīng)呢？我們請同學(xué)們繼續(xù)進(jìn)行思考——單液電解法的本質(zhì)問題，即銅離子會移動到陰極放電，設(shè)計成雙液電解池即阻斷Cu2+的移動，我們能否換一種思路，只要減慢Cu2+的移動速度，讓其在電解的時間內(nèi)移不到陰極即可。如何減慢Cu2+的移動速度呢？我們鼓勵同學(xué)們大膽突破原理、有機、無機的章節(jié)限制，最終在選修3有機物分離方法中的紙色譜法得到啟發(fā)：我們知道金屬陽離子在紙色譜固定相中的移動速度會減慢。只要把將溶液“固定”在紙色譜上，即可設(shè)計進(jìn)行單液電解池來實現(xiàn)。同學(xué)們進(jìn)行小組討論討，得到紙色譜單液電解池設(shè)計：培養(yǎng)皿中加入三層濾紙，滴入ZnSO4溶液剛好浸透濾紙，在濾紙兩端固定鋅片(陰極)和銅片(陽極)進(jìn)行電解。同學(xué)們搭建設(shè)計的裝置進(jìn)行實驗，發(fā)現(xiàn)可以實現(xiàn)單液電解池銅置換鋅反應(yīng)，陰極區(qū)鋅離子還原長成鋅樹，陽極區(qū)滴入濃氨水變藍(lán)色生成Cu2+。（見圖10）圖10我們請同學(xué)們討論能否設(shè)計實驗驗證，銅離子移動速度慢，沒有移動到陰極？同學(xué)們想到了在硫酸鋅溶液中加入濃氨水，重復(fù)此實驗，這樣銅離子一旦產(chǎn)生就會顯出藍(lán)色，我們就可以追蹤Cu2+的移動范圍。我們做了相關(guān)實驗，可以看到1min、5min、10min、20min兩極情況，鋅樹在不斷生長的同時，銅離子的移動范圍也在越來越大，但是始終未到達(dá)陰極（見圖11）。圖11反之，我們故意調(diào)兩極間的距離，延長電解時間，讓銅離子到達(dá)的藍(lán)色區(qū)域接觸陰極鋅樹，可以明顯看到在銅離子到達(dá)的藍(lán)色區(qū)域內(nèi)，閃亮的鋅樹開始變成暗紅色的銅樹，此時銅離子才到達(dá)陰極還原為銅。這樣通過不斷討論、思考，同學(xué)們設(shè)計出紙色譜單液電解池，并從正反兩方面驗證了該設(shè)計理念，從而簡單、可視化、創(chuàng)新性實現(xiàn)了單液電解池“銅置換鋅”反應(yīng)。）（四）實驗中發(fā)現(xiàn)的新問題——反饋和思考我們關(guān)注到，同學(xué)們在實驗過程中，發(fā)現(xiàn)了一些新的問題。此時我請同學(xué)們繼續(xù)討論這些新生成的問題與發(fā)現(xiàn)：有同學(xué)發(fā)現(xiàn)加入過多溶液沒過紙片，很快就在鋅樹上結(jié)出銅。有同學(xué)將這個美麗的意外發(fā)現(xiàn)稱之為“鋅樹銅花一片藍(lán)”（見圖12）。請同學(xué)們討論：過多溶液沒過紙片，則Cu2+在上方溶液中快速移動至陰極還原變?yōu)殂~。收獲思考：加入溶液要剛剛浸濕濾紙，使全部溶液“鎖”在濾紙固定相上，才能真正有效控制Cu2+移動速度實現(xiàn)設(shè)計目的。圖12還有同學(xué)發(fā)現(xiàn)“鋅透紙背”的現(xiàn)象：揭開濾紙，看到鋅樹會在第一層背面和第二層濾紙也有生長（見圖13），通過小組討論體會到濾紙的粗糙表面對鋅樹生長的具有良好的承載作用。圖13這樣學(xué)生通過親自動手實驗，有了新的發(fā)現(xiàn)和新的思考，同時加深了對紙色譜在設(shè)計中不可替代作用的理解。（五）對課題進(jìn)行進(jìn)一步擴展探究在用兩種方法創(chuàng)新性地實現(xiàn)“銅置換鋅”后，我們繼續(xù)追問，是否可以將課題繼續(xù)擴展到銅置換其他金屬？我們請同學(xué)們通過銅置換鋅的學(xué)習(xí)，獨立探索“銅置換鐵”的實現(xiàn)。同學(xué)們在設(shè)計并完成試驗后，獲得了結(jié)果，匯報如下（見圖14）：普通單液電解池效果不佳，自行設(shè)計的雙液電解池和紙色譜單液電解池都可以達(dá)到良好的效果（長成鐵樹），實現(xiàn)銅置換鐵反應(yīng)。圖14我們請同學(xué)們課下將探究過程、結(jié)果、思考形成正式的實驗報告）那么是否可以進(jìn)一步推廣到使用電解池法實現(xiàn)各種“弱制強”的金屬置換反應(yīng)呢，我們請同學(xué)們課下繼續(xù)思考，設(shè)計實驗，繼續(xù)擴展該課題的研究。八、實驗效果評價本節(jié)課我們以學(xué)生為主體，開展實驗課堂，成功實現(xiàn)了圍繞該銅置換鋅微課題的一系列項目化探究和學(xué)習(xí)。創(chuàng)新性地結(jié)合了紙色譜和電解池知識，打破了章節(jié)限制，提高同學(xué)們對化學(xué)學(xué)科知識的整體性認(rèn)知；加深了同學(xué)們對于電解池的本質(zhì)認(rèn)知，在證據(jù)推理中提高對電解池的模型認(rèn)知。請同學(xué)們自己設(shè)計實驗方案并實現(xiàn)其的設(shè)計，解決真實問題，激發(fā)和培養(yǎng)同學(xué)們的科學(xué)探究和創(chuàng)新意識。本實驗具有良好的教學(xué)功能本實驗