4.2.2电解饱和食盐水实验探究实验方案 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

电解饱和食盐水实验探究 教师姓名： 指导教师： 一、功能与价值 电解饱和食盐水是 2019 人教版高中化学选择性必修一《电解池》的核心基础知识，以 其为原理的氯碱工业是化学工业中的重要基本工业。根据《普通高中化学课程标准（2017 年版）》在选择性必修课程中的学习活动建议，教师在教学活动中应设置的电解饱和食盐水 的实验及探究活动。该实验是学生学习和认识氯碱工业的基础实验，也是学生理解和掌握电 解反应原理的重要实验，作为联系元素化合物与电化学的纽带在中学化学中占有重要的地 位。对电解饱和食盐水现象及原理的深入分析与挖掘有利于帮助学生形成系统的分析电解问 题的思路与方法，提升对电解原理的本质认识，有利于培养学生宏观辨识与微观探析、证据 推理与模型认识、科学探究与创新意识、科学态度与社会责任等化学学科核心素养[1]。 二、原理与拓展 电解饱和食盐水的原理为： 阳极：2Cl- - 2e- ═ Cl2↑ 阴极：2H2O + 2e- ═ H2↑+ 2OH- 总分应：2NaCl + 2H2O ═ 2NaOH + H2↑+ Cl2↑ 实验现象一般被描述为：在饱和食盐水中事先滴加两滴酚酞，接通电源后，两个电极上 均有气泡冒出。①阳极产生黄绿色气体，能使湿润的淀粉碘化钾试纸变蓝；②阴极区溶液颜色 变红，并产生的无色气体，收集气体点燃，可听到有爆鸣声。③阴极产生的气体明显比阳极产 生的气体多。 教师给出的解释一般为：通电时，溶液中的 Na+、Cl-、H+、和 OH-定向移动。①在阳极，Cl- 比 OH-容易失去电子，Cl-被氧化成氯气；②在阴极，H+比 Na+容易得到电子，水电离出的 H+ 被还原生成氢气，同时生成氢氧化钠，使阴极区呈现碱性。③反应中两极生成的气体物质的量 相等，但氯气由于溶解而体积小于氢气。 在课堂教学中，教师一般采用网络实验视频资源进行辅助讲解，并未实际动手实验，对 实验现象的描述过于理想化，对现象的解释也较为片面。 在实际实验中，阴极区的溶液由无色变为红色仅为前期的现象，随着电解的进行红色会 变浅，甚至再次变为无色。朱泽琛研究发现在稀酸和中性溶液中，酚酞分子具有内酯结构， 酚酞分子中三个苯环与一个 sp3 杂化的中心碳原子相连，三个苯环(生色基)之间未形成共轭 关系，因此是无色的。遇碱后，内酯结构在加入碱后，中和一个酚羟基。这个结构不稳定， 打开内酯环，通过电子转移生成鲲型结构，中心碳原子转化为 sp2 杂化状态，形成多个生色 基共轭体系，因而显色。但在过量碱的作用下，鲲型被破坏生成无色的甲醇型，中心碳原子 又恢复到 sp3 杂化状态，共轭体系消失，颜色也随之褪去[2]。唐劲军和郑景娟通过初步实验 发现 0.1 mol/L 的氢氧化钠溶液使酚酞显现出较稳定的红色, 而大于 2 mol/L 的碱溶液使其红 色褪色比较快，而且温度越高酚酞褪色所需的时间越短[3]。宋晓峰在实验中也观察到了随着 反应的持续进行，阴极区溶液红色慢慢变淡，但未给出具体解释和探究[4]。综合以上文献分 析，阴极区红色褪去的极有可能是碱性过强引起的，但仍需进一步实验验证。张维曼,陈迪妹, 何娜,章佳佳在实验中还观察到阳极附近已变蓝的湿润淀粉碘化钾试纸从又慢慢恢复为原来 的颜色[5]，对于此现象学者普遍认为是 Cl2 或其溶解后生成的 HClO 将 I2 进一步氧化成了 HIO3[4]，笔者在多次实验过程中，并未发现该异常现象，因此不再做进一步探讨。 电解是一个复杂的过程，参与电极反应的物质及生成物不仅会受到电极材料、溶液酸碱 性、电源电压等多因素的影响，还受离子浓度的影响，离子浓度越大，放电能力越强。查阅 电极电势数据 EΘ（Cl2/Cl-）=1.36V，EΘ（O2/H2O）=1.23V、碱性条件下 EΘ（O2/OH-）=0.40V， 可知在相同浓度的条件下，OH-失电子能力更强，而且 OH-的迁移速率更大，约是 Cl-迁移速率的 2.6 倍[3]，理论上在阳极应该是 OH-优先放电，而非 Cl-。在实际的电解过程中，气体的析出电势还要充分考虑超电势，在电流密度不大的情况下，Cl2 的超电势很小，几乎可以 忽略；若以石墨作电极，当电流密度为 10A/m2 时，O2 的超电势为 0.53V，且电流密度越大，O2 的超电势就越大。因此钟辉生,姜建文,万辉霞认为在电流密度很大的氯碱工业生产中，氧气的析出的可能性很小[6]。而李全熙早在《氯碱工业》一书中就提到阴极室的 OH-渗透迁移到阳极放电会导致电流效率降低，且会氧化腐蚀阳极电极[7]。胡小华在近几年的研究中也指出，实际氯碱工业中，O2 的析出不可忽略，需扩大析氯析氧两个反应的过电位的差距，尽 量减少析氯反应的超电势，增加析氧反应的超电势[8]。综合上述文献分析，在电解饱和食盐 水的初期，由于 Cl-的浓度