4.2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

如何实现铜置换锌 1、 使用教材 本节课为人教版新教材《选择性必修1：化学反应原理》第四章第二节“电解池”实验课。 2、 实验器材 学生电源、烧杯、盐桥、培养皿、滤纸、铜片、锌片、饱和NaCl溶液、浓氨水、0.5mol/LZnSO4/(NH4)2SO41:1混合溶液、1mol/L ZnSO4溶液、0.5mol/L(NH4)2Fe(SO4)2溶液 三、实验创新点 （一）设计得到双液电解池，可以快速（2min内）实现“铜置换锌”的反应，阴极锌产物纯净（见图1）。 （二）创新性结合电解池和纸色谱知识，设计得到纸色谱单液电解池，并从正反两方面验证了该设计理念，从而简单、可视化、独创性地实现了 “铜置换锌”反应。该实验有三大亮点： （1）本实验设计为《选修1：化学反应原理》一轮复习课程的提升扩展实验，丰富和拓展了反应原理和一轮复习阶段的实验课程。 （2）良好的趣味性：同学们自己动手创造的锌树感到十分惊喜，甚至可以带回家去成为化学课得到的“艺术品”。（见图2） （3）极佳可推广性：只需要锌片、铜片、培养皿滤纸、学生电源和<2mL简单ZnSO4溶液，不到两分钟即可实现，方便课堂展示。操作容易、无危险，适宜推广为学生实验。（见图3） 图1 图2 图3 四、实验原理 （一）设计电解池实现 “铜置换锌”的反应，是一个“弱制强”的反应，常温下不能自发发生。不能自发发生不等于不能发生，将此反应设计成电解池装置，不断输入电能，即可实现铜置换锌反应。 （二）从单液电解池到双液电解池 设计成单液电解池（图4），阳极铜失电子变成Cu2+，ZnSO4电解液中Zn2+在阴极铜上得电子变成锌，这样就实现了Cu+Zn2+==Zn+Cu2+的铜置换锌的反应。但是Cu2+也会移动到阴极，而且会优先于Zn2+放电，很快这个装置就会变成Cu2+下Cu2+上的电镀铜的反应。实验验证确实如此。 图4 图5 本质问题在于阻断Cu2+移动到阴极，联想到双液原电池设计，设计成双液电解池，即可从根本上解决这一问题（图5）。阳极溶液使用加浓氨水的NaCl溶液（阳极溶液只需导电，加入浓氨水变深蓝色即可快速鉴定生成了Cu2+）；阴极溶液加入铵盐可以抑制Zn2+的水解减少氢气生成。实验证实可以快速（2min内）实现“铜置换锌”的反应，阴极锌产物纯净（见图1）。 （三）从双液电解池到纸色谱单液电解池 双液电解不够直观，我们思考能否更加简单、直观地只在一个ZnSO4溶液中实现铜置换锌反应。单液电解法的本质问题，即铜离子会移动到阴极放电，设计成双液电解池即阻断Cu2+的移动，换一种思路，只要减慢Cu2+的移动速度，让其在电解的时间内移不到阴极即可。如何减慢Cu2+的移动速度呢？我们在选修3有机物分离方法中的纸色谱法得到启发：金属阳离子在纸色谱固定相中的移动速度会减慢。）只要把将溶液“固定”在纸色谱上，即可设计进行单液电解池来实现：培养皿中加入三层滤纸，滴入ZnSO4溶液刚好浸透滤纸，在滤纸两端固定锌片(阴极)和铜片(阳极)进行电解。实验验证可以快速实现：阴极区锌离子还原长成锌树，阳极区滴入浓氨水变蓝色生成Cu2+（下图6）。 图6 为验证Cu2+在纸色谱中移动速度低，确实没有移到阴极，我们设计了验证试验：硫酸锌溶液中加入浓氨水重复此实验，这样铜离子一旦产生就会显出蓝色，我们可以追踪Cu2+的移动范围。可以看到1min、5min、10min、20min两极情况，锌树在不断生长的同时，铜离子的移动范围也在越来越大，但是始终未到达阴极（下图7）。这样，即快速、简单、可视化、创新性地实现了 “铜置换锌”反应。 图7 五、实验教学目标 （一）我提出了“如何实现‘铜置换锌’的反应”这一有趣问题，并试图围绕此构建微课题，设计进行一系列微项目化探究和学习； （二）通过让同学们自己设计实验装置，不断发现并解决问题、扩展研究，培养他们的科学探究和创新意识； （三）在不断的证据推理验证中提升同学们对于电解池的模型认知； （四）提高同学们的思维和动手能力，彰显科学态度。 六、实验教学内容： （一）问题的提出：通过提出如何实现铜置换锌这一课题，请同学们自己设计实验方案； （二）问题的初步解决——双液电解池的设计：课堂上进行讨论，设计中最常见的单液电解法的问题，并得到双液电解法来初步解决此问题； （三）问题的创新性解决——纸色谱单液电解法的设计：进一步追问双液电解的缺陷和单液电解的本质问题，开拓思路，深入思考。进而设计出更为创造性地纸色谱单液电解池的设计； （四）实验中发现的新问题——反馈和思考：我们关注同学们在实验过程中亲身发现的新生成问题，并及时进行讨论