电解饱和食盐水微型化学实验案例的设计
林捷
摘要：利用注射器针筒及铅笔芯和充电宝设计微型实验，实验仪器常见，节约实验成本，操作简单方便，反应迅速，现象明显，利于课堂分组，也方便学生家庭实验，使学生实验的动手率达到百分百成为可能。
关键词：电解饱和食盐水；漂白液；化学工业；实验改进
一、設计思路
1.问题提出
氯碱工业是课标要求的五大基本化学工业之一。在实际教学中发现学生对化工技术知识存在学习障碍，容易产生“懂化学原理，不懂化工技术”的现象。为追求化学原理的真实性，化工题成为近年高考新宠，如交换膜技术。但此类题得分率均不高，这就要求我们在教学中要帮助学生建立相应化工模型。笔者认为可尝试先从解决生活实际问题出发，再回归教材实验分析，再分析化工生产与实验室的不同点。克服学生对化工分析的认知恐惧障碍心理。
电解饱和食盐水是氯碱工业的主要反应，也是电解原理的一个重要应用。不同版本的电解饱和食盐水装置有所不同，鲁科版《化学反应原理》教材中“电解饱和食盐水”实验使用u型管做发生装置，并要求学生设法检验两极附近溶液组成的变化并判断气体产物。笔者认为该装置有两个缺点：电极距离太远，离子移动速度慢，电解过程缓慢；教材中强调实验现象的过程和结果的分析，忽略了有毒气体的控制和处理。氯气有毒对人体有强烈刺激性，若检验时有部分氯气泄漏在教室空气中将危害人体健康、污染空气，这与绿色化学的理念不符合，将此装置进行分组实验更是不现实。
2.本实验案例的设计思路
以小明家办喜事，不小心把染红鸡蛋的有机染料弄到衬衫上，如何通过自己制备漂白液这样的生活实景导入。通过前面学习，学生已经掌握了电解的原理，联系已有知识容易想到可以用电解食盐水的方法，通过产生的氯气与氢氧化钠反应可以制备次氯酸钠溶液。生活化问题要生活化方法解决，药品和仪器应在家里随手可得，所以笔者想到的电解仪器和药品该是手机充电头或者充电宝、铅笔芯、USB数据线、碗、饱和食盐水，就可以指导学生在家里自己动手制备次氯酸钠漂白液。
在课堂上除了制备漂白液外，该实验主要目的是设法检验两极附近溶液组成的变化并判断气体产物。所以应从以下角度对教材装置进行改进：①针对实验效果，力求装置简单，反应迅速，现象明显；②产物检验操作简单；③实验微型化，原料用量少，产生氯气量微少，实验安全，对学生身心健康无影响。
所以将u型管替换成10mL塑料针筒做电解发生装置，电解过程中只会产生极少量氯气和氢气，学生分组过程中根本不会闻到氯气刺激性气味，既安全又健康环保。在饱和食盐水中预先滴加酚酞检验阴极产物氢氧根，用湿润蓝色石蕊试纸和湿润淀粉KT试纸塞入到导气管中检验氯气性质，用肥皂水收集一黄豆颗粒大小混合气体点燃验证氢气。
用学生平常使用的充电宝替代学生电源；用废弃带USB头的数据线或鼠标线做电源和电极连接线；用小刀把铅笔破开取出铅笔芯做阳极材料；用铜导线芯做阴极材料；用输液软管连接在针筒末端做导气管检验阴阳极产物氢气氯气。导线连接两电极时应使用胶布包裹防止短路。
3.一与化工接轨
课堂时间价值曲线规律指出：在45分钟内，前20分钟是兴奋区，是第一个黄金时区，学生的兴奋点已转移到主题上；20-40分钟是学生心理过渡期，是波谷，教师必须不失时机地把学生的思维重新引入上升境界，并尽可能延长兴奋时间。
学生在前20分钟内通过自己动手实验，分析电解饱和食盐水的原理，头脑形成已有的知识经验f假如没有使用u型管阴阳极产物氢气氯气不好分离，阳极产生的氯气和阴极产生的OH-很容易反应生成次氯酸钠而得不得纯净的氢氧化钠。）与新问题情景（化工生产无法使用u型管，烧碱比次氯酸钠用途更广）之间存在矛盾而产生认知冲突。学生为消除认知冲突以实现新的认知平衡而迅速激活旧的认知结构，从中选择和接受相关信息（离子交换膜技术）并对信息进行有目的的加工。这样能够有效地唤起学生的思维注意，激起学生思维的兴奋点，让学生以饱满的激情重新投入到新知识学习中。学生产生的认知冲突可以帮助提高课堂教学中教师的教和学生的学的针对性和指向性。帮助学生明白离子交换膜的必要性和工作原理。
二、具体实施
1.实验仪器、药品及装置简介
仪器：10mL注射器2支、充电宝1个、3-4cm铅笔芯1条、硬芯铜导线1截、带USB头数据线一段、输液软管一段、小布条、火柴、点滴板
药品：饱和食盐水、酚酞试剂、淀粉碘化钾试纸、蓝色石蕊试纸、品红溶液、肥皂水
装置简介：去掉注射器的塑料把手-将铅笔芯和铜芯穿过注射器的橡胶塞中-两电极下端用数据线导线连接-将橡胶塞塞入注射器末段-注入滴有酚酞的饱和食盐水-将输液管-端与针筒头部相连-连接充电宝开始通电
2.实验步骤和现象
按照图1安装实验装置。取另一只10mL洁净带针头的注射器，往图1装置中注入10mL滴有酚酞的饱和食盐水，将洁净的输液软管连接到注射器出口处，连接电源观察现象。
（1）氯气的检验
在塑料导管末端轻轻塞入小半段湿润的KT淀粉试纸，30秒后试纸变深蓝色或紫色；取出KT淀粉试纸再塞人小半段湿润的蓝色石蕊试纸，30秒后试纸先变红后褪色。均可证明混合气体中有氯气。
（2）氢气的检验
化学实验中一般用小试管收集氢气然后燃烧来检验氢气，该操作要求氢气气流速度较快，且比较麻烦。可采用吹肥皂泡的方法：将塑料软管末端插入盛放肥皂水的点滴板中，待氢气和氯气的混合气体把肥皂泡胀成黄豆大小后，用火柴点燃。观察实验现象：点燃肥皂泡时有尖锐的爆鸣声，说明氢气和氯气混合气体在点燃条件下发生爆炸。
实验说明：因为混合气体量非常少，点燃时不会产生安全隐患，但笔者操作过程中发现有时候因爆炸时产生向后冲击力会使针筒的橡皮塞炸飞，液体流出导致后续实验无法继续，所以点燃前一定要先将软管中间对折，隔绝针筒与肥皂泡的连通。
（3）阴极颜色变化分析
电解滴有酚酞的饱和食盐水，通电后阴极铜棒周围溶液颜色很快变红，随即颜色扩散整个针筒，测其溶液pH为9-10左右；继续通电30秒左右后颜色变浅至无色，测其溶液pH为13-14左右。此实验充分展现出酚酞的整个变色过程和范围。酚酞变色机理如图2、3所示。
酚酞是一种有机弱酸，它在酸性溶液中，H+浓度较高时，形成无色分子。但随着溶液中OH-浓度的增大，酚酞结构发生改变，并进一步电离成红色离子，如图2所示。
摘要：利用注射器针筒及铅笔芯和充电宝设计微型实验，实验仪器常见，节约实验成本，操作简单方便，反应迅速，现象明显，利于课堂分组，也方便学生家庭实验，使学生实验的动手率达到百分百成为可能。
关键词：电解饱和食盐水；漂白液；化学工业；实验改进
一、設计思路
1.问题提出
氯碱工业是课标要求的五大基本化学工业之一。在实际教学中发现学生对化工技术知识存在学习障碍，容易产生“懂化学原理，不懂化工技术”的现象。为追求化学原理的真实性，化工题成为近年高考新宠，如交换膜技术。但此类题得分率均不高，这就要求我们在教学中要帮助学生建立相应化工模型。笔者认为可尝试先从解决生活实际问题出发，再回归教材实验分析，再分析化工生产与实验室的不同点。克服学生对化工分析的认知恐惧障碍心理。
电解饱和食盐水是氯碱工业的主要反应，也是电解原理的一个重要应用。不同版本的电解饱和食盐水装置有所不同，鲁科版《化学反应原理》教材中“电解饱和食盐水”实验使用u型管做发生装置，并要求学生设法检验两极附近溶液组成的变化并判断气体产物。笔者认为该装置有两个缺点：电极距离太远，离子移动速度慢，电解过程缓慢；教材中强调实验现象的过程和结果的分析，忽略了有毒气体的控制和处理。氯气有毒对人体有强烈刺激性，若检验时有部分氯气泄漏在教室空气中将危害人体健康、污染空气，这与绿色化学的理念不符合，将此装置进行分组实验更是不现实。
2.本实验案例的设计思路
以小明家办喜事，不小心把染红鸡蛋的有机染料弄到衬衫上，如何通过自己制备漂白液这样的生活实景导入。通过前面学习，学生已经掌握了电解的原理，联系已有知识容易想到可以用电解食盐水的方法，通过产生的氯气与氢氧化钠反应可以制备次氯酸钠溶液。生活化问题要生活化方法解决，药品和仪器应在家里随手可得，所以笔者想到的电解仪器和药品该是手机充电头或者充电宝、铅笔芯、USB数据线、碗、饱和食盐水，就可以指导学生在家里自己动手制备次氯酸钠漂白液。
在课堂上除了制备漂白液外，该实验主要目的是设法检验两极附近溶液组成的变化并判断气体产物。所以应从以下角度对教材装置进行改进：①针对实验效果，力求装置简单，反应迅速，现象明显；②产物检验操作简单；③实验微型化，原料用量少，产生氯气量微少，实验安全，对学生身心健康无影响。
所以将u型管替换成10mL塑料针筒做电解发生装置，电解过程中只会产生极少量氯气和氢气，学生分组过程中根本不会闻到氯气刺激性气味，既安全又健康环保。在饱和食盐水中预先滴加酚酞检验阴极产物氢氧根，用湿润蓝色石蕊试纸和湿润淀粉KT试纸塞入到导气管中检验氯气性质，用肥皂水收集一黄豆颗粒大小混合气体点燃验证氢气。
用学生平常使用的充电宝替代学生电源；用废弃带USB头的数据线或鼠标线做电源和电极连接线；用小刀把铅笔破开取出铅笔芯做阳极材料；用铜导线芯做阴极材料；用输液软管连接在针筒末端做导气管检验阴阳极产物氢气氯气。导线连接两电极时应使用胶布包裹防止短路。
3.一与化工接轨
课堂时间价值曲线规律指出：在45分钟内，前20分钟是兴奋区，是第一个黄金时区，学生的兴奋点已转移到主题上；20-40分钟是学生心理过渡期，是波谷，教师必须不失时机地把学生的思维重新引入上升境界，并尽可能延长兴奋时间。
学生在前20分钟内通过自己动手实验，分析电解饱和食盐水的原理，头脑形成已有的知识经验f假如没有使用u型管阴阳极产物氢气氯气不好分离，阳极产生的氯气和阴极产生的OH-很容易反应生成次氯酸钠而得不得纯净的氢氧化钠。）与新问题情景（化工生产无法使用u型管，烧碱比次氯酸钠用途更广）之间存在矛盾而产生认知冲突。学生为消除认知冲突以实现新的认知平衡而迅速激活旧的认知结构，从中选择和接受相关信息（离子交换膜技术）并对信息进行有目的的加工。这样能够有效地唤起学生的思维注意，激起学生思维的兴奋点，让学生以饱满的激情重新投入到新知识学习中。学生产生的认知冲突可以帮助提高课堂教学中教师的教和学生的学的针对性和指向性。帮助学生明白离子交换膜的必要性和工作原理。
二、具体实施
1.实验仪器、药品及装置简介
仪器：10mL注射器2支、充电宝1个、3-4cm铅笔芯1条、硬芯铜导线1截、带USB头数据线一段、输液软管一段、小布条、火柴、点滴板
药品：饱和食盐水、酚酞试剂、淀粉碘化钾试纸、蓝色石蕊试纸、品红溶液、肥皂水
装置简介：去掉注射器的塑料把手-将铅笔芯和铜芯穿过注射器的橡胶塞中-两电极下端用数据线导线连接-将橡胶塞塞入注射器末段-注入滴有酚酞的饱和食盐水-将输液管-端与针筒头部相连-连接充电宝开始通电
2.实验步骤和现象
按照图1安装实验装置。取另一只10mL洁净带针头的注射器，往图1装置中注入10mL滴有酚酞的饱和食盐水，将洁净的输液软管连接到注射器出口处，连接电源观察现象。
（1）氯气的检验
在塑料导管末端轻轻塞入小半段湿润的KT淀粉试纸，30秒后试纸变深蓝色或紫色；取出KT淀粉试纸再塞人小半段湿润的蓝色石蕊试纸，30秒后试纸先变红后褪色。均可证明混合气体中有氯气。
（2）氢气的检验
化学实验中一般用小试管收集氢气然后燃烧来检验氢气，该操作要求氢气气流速度较快，且比较麻烦。可采用吹肥皂泡的方法：将塑料软管末端插入盛放肥皂水的点滴板中，待氢气和氯气的混合气体把肥皂泡胀成黄豆大小后，用火柴点燃。观察实验现象：点燃肥皂泡时有尖锐的爆鸣声，说明氢气和氯气混合气体在点燃条件下发生爆炸。
实验说明：因为混合气体量非常少，点燃时不会产生安全隐患，但笔者操作过程中发现有时候因爆炸时产生向后冲击力会使针筒的橡皮塞炸飞，液体流出导致后续实验无法继续，所以点燃前一定要先将软管中间对折，隔绝针筒与肥皂泡的连通。
（3）阴极颜色变化分析
电解滴有酚酞的饱和食盐水，通电后阴极铜棒周围溶液颜色很快变红，随即颜色扩散整个针筒，测其溶液pH为9-10左右；继续通电30秒左右后颜色变浅至无色，测其溶液pH为13-14左右。此实验充分展现出酚酞的整个变色过程和范围。酚酞变色机理如图2、3所示。
酚酞是一种有机弱酸，它在酸性溶液中，H+浓度较高时，形成无色分子。但随着溶液中OH-浓度的增大，酚酞结构发生改变，并进一步电离成红色离子，如图2所示。
