4.2.2模拟“氯碱工业的工作原理”及实验改进和创新 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

电解饱和食盐水的实验改进与创新 一. 使用教材 1.所用教材：人教版 2.教学内容所属模块：选修 1《化学反应原理》 3.所属章节：第四章第二节电解池 4.年级：高中二年级 二. 实验器材 (一) 实验仪器和试剂： 数据采集器、电流传感器、计算机、饱和食盐水、学生电源、导线 2 根、2B 铅笔芯、电解池、注射器、淀粉碘化钾试纸、稀氢氧化钠溶液、蒸发皿、、离心 试管、电解池、三通阀、酒精灯。 (二) 自制阳极创新装置： 注射器、阳离子交换膜、胶水。 三. 实验改进与创新点 图 1 电解饱和氯化钠溶液传统装置和改进装置 图 2 电流传感器 1.采用阳离子交换膜，实现产物的分离，获得较纯净的产品（NaOH）。 2.手持技术的应用实现实验从定性到定量分析，精确测定电量和气体体积之 间的关系，并计算出电能利用率。 3.集收集、检验、产量计算为一体，操作简单，现象明显 4.该装置还适合其他电解实验的使用。 四. 实验改进设计的出发点 电解饱和食盐水实验在工业生产、实际生活中、中都有广泛应用，并且在高 考中也是热点知识。电解饱和食盐水的实验主要涉及两极产物的检验以及氯气的 处理，在教学过程中教师通常会采用 U 型管进行电解饱和氯化钠溶液。其不足 之处在于： 1.该装置与氯碱工业的实际生产装置有一定的距离，在氯碱工业中所用的阳 离子交换膜在教学实验中难以实现； 2.不便于收集气体检验，产生的氢气、氯气混合有爆炸的隐患； 3.没有尾气处理装置，氯气溢出会污染环境； 4.产生的氯气易与氢氧化钠溶液反应，使制得的氢氧化钠质量不高； 5.产量也未知。 五. 实验教学目标 紧扣高考化学评价体系进行分析。分析本节课所能达到的教学目标： 1.巩固电解原理、掌握电解的基本操作、学会对电解产物的检验。 2. 在优化实验方案活动中，通过驱动性问题提升学生的科学探究能力和创新意识。 3.在定量测定实验探究活动中，培养证据推理与模型认知，宏观辨识与微观探析的核心素养，感悟现代仪器分析在定量分析中的重要作用。 六. 实验教学内容 本节课是学习电解原理的相关基本知识后的有关原理应用的拓展探究以及 实验的改进，氯碱工业是生产生活重要的工业过程，其产品也是无处不在。基于 此，引导学生结合原理利用实验用品设计实验，并发现问题，从而逐步引导学生 改进实验、解决问题。通过联系生产实际引入电流传感器精确测定通过电量与产 生气体体积之间的关系，同时计算出生产效应。 七. 实验教学过程 (一)创设情景,引发思考 · 3 创设情景图示 展示氯碱化工厂图片；复习电解原理、学生书写电极反应式、总反应方程式。 (二)设计实验，发现不足 1.设计实验 图 4 实验过程及产品检验 以铅笔芯作为电极电解饱和氯化钠溶液，两极均有大量气泡产生，阳极区湿 润的淀粉-KI 试纸变蓝，证明有氯气产生，阴极区酚酞溶液变红，证明有 NaOH 产生。 2.发现问题 图 5 传统实验装置存在的问题 引导学生结合实验现象和工业生产的要求，思考传统实验装置可能存在的问 题。这些问题产生的原因是什么？应该如何解决？学生以小组为单位发现如下问 题：Cl2 和 H2 混合会爆炸；Cl2 和 NaOH 混合反应导致产品不纯；Cl2 有毒会污染 环境；且产量未知。学生经过思考提出改进方案：增加分离装置；增加气体收集 装置。 3. 教师介绍阳离子交换膜 图 6 离子交换膜的选择性 阳离子交换膜成负电性，选择性透过阳离子。工业上通过采用阳离子交换膜 才能解决刚才的问题。引导学生分析阳离子交换膜如何阻止 OH-和 Cl2 反应，Cl2 和 H2 反应。 （三）改进实验，解决问题 1.改进实验 图 7 创新装置 通过将注射器底部密封，侧面开孔，并将阳离子交换膜用胶水覆盖在孔上，组成了一套阳极的创新装置，阴极也侧面开孔与电解池溶液相通，两个注射剂上方都装有铅笔芯电极和三通阀，该装置小巧便携，便于收集和检验产物。 2.解决问题 图 8 验证阳离子交换膜的作用 为了验证阳离子交换膜的作用，阳极电解质溶液采用稀 NaOH，阴极电解质 溶液采用饱和氯化钠溶液，通电一段时间后，两极均有气泡产生，阳极区时湿润 的淀粉-KI 试纸未变蓝。说明氯离子并未通过阳离子交换膜在阳极区放电，该膜 居于良好的选择性。 图 9 阳离子交换膜应用于电解饱和氯化钠溶液 学生结合电解原理和阳离子交换膜的选择性，采用改进装置进行设计实验并检验产物，成功实现了工业生产中物质分离和收集。 （4）环节 4——创新优化 不断升华 图 10 电流传感器的使用 图 11 电能利用率计算过程 可以利用电流传感器来测定电路中通过电量：通过串联方式将电流传感器和数据采集器接入电路中，接通电源，数据采集器就会将数据转化成电信号，传输到电脑，再通过电脑软件处理，就可以得到电量的数值。根据物