第四章第二节 电解池 教学设计 2023-2024学年高二上学期化学人教版（2019）选择性必修1

电解原理中离子移动可视化探究 1、 实验教学背景 1. 选题来源 本课题选自人教版《选择性必修一》第四章第二节电解池第一部分电解原理。教材中“通电时，这些自由运动的离子改做定向运动”这一过程学生能够从本质上理解。但是如果能够设计实验将电解过程中离子定向移动进行可视化展示，将更有助于学生深入理解电解原理，并利用电解原理解决实际问题，也能够帮助发展学生宏观辨识和微观探析、科学探究与创新意识等化学学科核心素养。 2. 学情分析 学生已经基本掌握了电解原理，能够分析、解释电解池的工作原理；能设计简单的电解池，并且具备一定的实验动手能力与实验探究能力。 2、 实验教学设计 1. 教学目标 依据课程标准，基于选题来源及学生学情，本节课设置了以下教学目标： ①以电解氯化铜溶液为基础绘制电解池工作原理示意图，发展学生模型构建的能力； ②形成系统分析电解池的一般思路和方法，发展学生运用已学知识解决实际问题的能力； ③运用电解池原理设计离子移动可视化探究实验，发展学生体系设计能力。 2. 教学重难点 重点：电解池思维模型的建构 难点：离子定向移动可视化实验探究 3. 教法与学法 教法：课前引导、课中指导、课后督导 学法：自主学习、合作学习、探究学习、体验学习 3、 实验教学过程 1. 复习回顾 模型建构 通过教师演示实验——石墨电极电解25%的氯化铜溶液，展示实验操作流程，复习电解原理。演示实验停止后，请学生来描述实验现象，并结合氯化铜溶液的电解装置，绘制电解池的工作原理示意图。通过这一环节，不仅可以回顾电解池的基础知识，也能帮助学生建构电解池模型。 学生整体基础扎实，都能迅速、完整地绘制出电解池工作原理示意图，包含电解池的组成、电极名称、氧化反应和还原反应发生的区域、电子的运动方向、阴离子和阳离子的迁移方向。 2. 宏微结合 实验探究 在模型建构完成的基础上，通过问题引导进入该环节：如何设计实验能够直观观察到离子的运动方向呢？给学生时间思考与交流来设计实验方案。 通过学生的讨论，有小组提出实验方案：用氯离子传感器测定两个电极附近的氯离子浓度变化，从而确定离子的运动方向。此方案的形成源于同学们联想到了教材中验证次氯酸光照分解的数字化实验。该方法直观呈现了离子浓度的变化，可以作为离子移动方向判断的证据。但溶液中离子的自由扩散和离子在电极参与放电等情况都会干扰测定数据，并且此方案也没有达成让离子移动可视化的实验目的。 如何才能让微观的离子移动过程可视化呢？ 同学们在我的引导下开展了激烈的讨论，提出可以使用有色离子进行实验，可以利用盐桥作为有色离子移动的载体便于观察，将离子的定向移动这一微观过程通过有色离子放大为宏观的颜色移动，从而实现离子移动可视化。 图1 实验装置示意图 在确定了基本实验方案后，同学们开始分组探究实验的可行性。亟待解决的问题主要有：盐桥材料的选择以及有色离子的选择。 （1）盐桥材料的选择 同学们首先想到了实验室常见的定量滤纸，通过实验后发现，定量滤纸电阻较大，设定30伏恒压的情况下，电流小于100毫安，难以观察到离子移动的现象。 于是同学们把目光放在了寻找电阻小的材料上，通过查阅文献，发现纳米海绵满足需求。使用纳米海绵作为盐桥进行实验后，其电阻远小于定量滤纸，同等的电压条件下，电流可达到700毫安以上。虽然5秒左右阴极区盐桥上有明显的离子移动路径，但是，由于扩散速率极快，10秒左右阳极区盐桥就会被铁离子铺满，因此纳米海绵难以用于本实验现象展示。还有一些同学想到了无纺布。无纺布在生活当中应用广泛，查阅文献后了解到，相较于滤纸，无纺布电阻较小。实验后发现，由于无纺布的吸湿、保湿性能，盐桥上铜离子颜色明显，影响了其他有色离子颜色的观察。另有一些同学想到了定性滤纸。相对无纺布、纳米海绵来说，定性滤纸的电阻较大，但其优点是点样后离子颜色明显。并且定性滤纸原用于快速的分离和筛选，因此其过滤速率优于定量滤纸。综上所述，定性滤纸是该实验方案中的盐桥材料最优选。 （2）有色离子的选择 常见的有色阳离子为：铜离子（蓝色）、铁离子（黄色）等。鉴于该实验体系为电解氯化铜溶液，故而用铁离子作为有色阳离子的代表。学生该阶段了解其他有色阳离子中：如亚铁离子（浅绿色）、锰离子（粉色）、铬离子（绿色）等颜色均会受铜离子蓝色影响而难以展现出来。常见的有色阴离子为高锰酸根离子、重铬酸根离子。相较原有体系中的氯离子而言，高锰酸根离子与重铬酸根离子电迁移速率均较慢，因而难以使用电解氯化铜体系探究阴离子的移动方向。结合已有知识和查阅文献，最终选定电解硫酸钠溶液体系。 同学们首先选用酸性高锰酸钾溶液进行探究。虽然也能观察到离子的定向移动，但是几分钟后高锰酸根会由紫色变为棕褐色，并且在变色之后，即使延长电解时间也没有明显的有色离子迁移过程。于是改用酸性重铬酸钾溶液重复上述过程