基于离子移动可视化的电化学融合创新实验

摘要

为了让学生直观观察到原电池和电解池中阴阳离子移动方向，将0.05 mol/L K₃［Fe（CN）₆］溶液、饱和KMnO₄溶液、1.0 g淀粉和2.0 g琼脂粉等实验药品用于电化学离子移动可视化实验，即：先用口罩内层无纺布替换盐桥改进原电池部分，再将原电池与电解池融合形成新的演示装置，学生直观观察到两个装置的连接方式，提高教学效果。

Graphical abstract

关键词

电化学 / 离子移动 / 方向 / 判断 / 可视化

“离子移动方向的判断”，是高中化学电化学部分的重难点。人教版（2019年版）高中化学必修第一册中的原电池实验和高中化学选择性必修2中的电解池实验，均让学生根据实验现象判断阴阳极与电源正负极。基于此，笔者对教材实验进行分析和探索，从中发现了一些可改进的空间。

（1） 作为演示实验，不能直观观察到原电池和电解池中阴阳离子移动方向。

（2） 教材未安排原电池和电解池融合起来的可视化演示实验，这对于一些基础较弱的学生而言，必然难以想象电源正负极与阴阳极的连接方式。

（3） 教材中的原电池实验采用烧杯装电解质溶液，既不方便、也不利于节约药品。

以上不足，成为教学实践中“如何让离子移动可视化”的研究方向。文献^［1-6］针对离子移动可视化进行了改进，基本集中在如何将阴阳离子的移动可视化，其中淀粉、琼脂粉作为凝固剂缺少具体的用量，导致在实验中使用淀粉时不一定产生预期现象。鲜有研究者去对比两者作为凝固剂的优劣，以及影响离子移动可视化的因素。

基于此，从改变凝固剂的量和种类（1%～6%琼脂粉、4%～10%淀粉、0.5～2.0 g淀粉与1.0～3.0 g琼脂粉）、K₃［Fe（CN）₆］溶液的浓度（0.04 mol/L，0.05 mol/L，0.06 mol/L）和电极形状（铁棒、铁片）3个维度，探究电化学离子可视化的较佳效果，最终选择1.0 g淀粉和2.0 g琼脂粉作为凝固剂，另选择铁棒、0.05 mol/LK₃［Fe（CN）₆］溶液等进行电化学融合实验。

为解决学生学习电化学融合模型时难以得出电源正负极与阴阳极的关系，该创新实验将所得结果进行电化学融合实验（图1），学生直观观察到原电池与电解池的融合模型，从肉眼宏观感受转变为微观深层次加工。

1 实验说明

1.1 实验器材、实验药品及实验原理

（1） 实验器材：两支注射器、玻璃棒、培养皿、无纺布（口罩内层）、导线（带鳄鱼夹）、托盘天平、滤纸、药匙、100 mL量筒、锌片、铜片、铅笔芯、铁棒（打磨后）。

（2） 实验药品：0.20 mol/L

ZnSO₄溶液、0.20 mol/LCuSO₄溶液、1.00 mol/LKNO₃溶液、饱和KNO₃溶液、琼脂粉、淀粉、酚酞、0.05 mol/L K₃［Fe（CN）₆］溶液、饱和KMnO₄溶液。

（3） 实验原理。

①原电池部分。

负极：Zn-2e^-=Zn²⁺。利用无纺布建构盐桥，紫红色阴离子MnO{}_{\mathrm{4}}^{-}向原电池负极移动。

正极：Cu²⁺+2e^-=Cu。正极附近阳离子（Cu²⁺）得到电子生成铜，并附着在铅笔芯上。

离子移动：阴离子向负极移动，阳离子向正极移动。

②电解池部分（活泼金属作阳极）。

阳极：Fe-2e^-=Fe²⁺。阳极区生成的Fe²⁺能与K₃［Fe（CN）₆］溶液反应生成 KFe［Fe（CN）₆］蓝色沉淀。

阴极：2H₂O+2e^-=H₂↑+2OH^-。阴极区OH^-过剩导致溶液呈碱性，溶液变红。

离子移动：阴离子向阳极移动，阳离子向阴极移动。

1.2 实验准备

（1） 制备凝胶。

先向烧杯中加入1.0 g淀粉与2.0 g琼脂粉，使两者混合，再用97.0 mL蒸馏水将其溶解，配成3%的悬浊液；加热悬浊液，待粉末完全溶解后停止加热，趁热倒入培养皿，再加入1.00 mol/L 10 mL KNO₃溶液、2滴管0.05 mol/L K₃［Fe（CN）₆］溶液和1滴管酚酞，形成胶体，厚度2.2 cm，将其放入水槽中冷却1～2 h，得到亮黄色凝胶。

（2） 浸泡无纺布条。

将废弃的口罩剪开取最内层，剪下宽度约5 cm的长条，先用蒸馏水（可用手揉搓）完全浸湿直至看不到空隙，再将无纺布条折叠成3层。说明：在将无纺布条折叠成3层时，需要完全重合，不能留有空隙，以利于更好地观察离子可视化移动。

2 实验步骤

（1） 向A注射器中加入0.20 mol/L 10 mL ZnSO₄溶液，B注射器中加入0.20 mol/L 10 mL CuSO₄溶液；将锌片、铅笔芯分别插入A、B注射器中，两注射器间用浸泡过饱和KNO₃溶液的无纺布条连接（图1）。

（2） 在无纺布条中间用玻璃棒点样饱和KMnO₄溶液1～3次，观察无纺布条的颜色移动和铅笔芯上的现象；大约1 min后，即可看到紫红色向负极移动，一段时间后铅笔芯上有红色物质产生。

（3） 在培养皿的一侧插入铁棒，用导线（带鳄鱼夹）连接原电池的正极；另一侧插入铜片并用导线（带鳄鱼夹）连接原电池的负极（图1），观察现象；过一段时间后发现：铁片附近的凝胶变蓝且蓝色逐渐向铜片移动；铜片表面产生气泡，附近的凝胶变红且红色向铁棒移动。

3 实验创新点

（1） 设计创新。

将教材中原电池和电解池融合形成可视化演示实验装置，原电池充当电源，可以让学生清晰地观察到电源正负极与阴阳极的连接方式。

（2） 方法创新。

将定性实验改为定量探究实验，能够探究凝固剂的选择，得出淀粉与琼脂粉混合的实验结果，拓展了实验的宽度和深度，培养了学生勤思考与动手实践的习惯，且契合高考试题中的实验探究类题型。

（3） 原理可视化创新。

原电池装置：在浸润饱和KNO₃溶液的无纺布上点样饱和KMnO₄溶液；电解池装置：以原电池产生的电能提供电源，用K₃［Fe（CN）₆］溶液检验Fe²⁺，另用酚酞检验OH^-。

（4） 材料创新。

将铁片换成铁棒，有利于观察蓝色沉淀的移动；使用口罩内层无纺布、注射器、铅笔芯、琼脂粉或吉利丁片、淀粉等生活中常见的物品开展实验探究，具有可推广性。

4 结论

（1） 利用无纺布点样饱和KMnO₄溶液，观察紫红色的移动方向即可直观观察到阴离子的移动方向。同时，要考虑到无纺布的折叠方式与浸泡程度。

（2） 要清晰观察离子移动，可用0.5 g淀粉与1.0～2.0 g琼脂粉混合，进而采用0.05 mol/L K₃［Fe（CN）₆］溶液、1滴管酚酞和1 mol/LKNO₃溶液更好地呈现离子移动可视化。

（3） 阳极电极材料容易获得，电极形状为棒状时观察凝胶内的离子移动现象会优于片状。

参考文献

[1] 蒋晓乾.微观反应宏观显现：原电池实验和碳酸钠与盐酸分步反应的可视化改进［J］.化学教育（中英文），2021，42（05）：77-79.

[2] 李新，李茵萍，韩玲玲，等.铜锌原电池实验稳定性高效化探究与改进［J］.实验教学与仪器，2021，38（05）：30-32.

[3] 周佳伟，丁伟.从定量的角度探究单液铜-锌原电池实验的改进方案［J］.化学教育（中英文），2017，38（19）：64-67.

[4] 李嘉.原电池实验的微型化和高效化改进［J］.化学教育，2013，34（05）：63，66.

[5] 苏雨禾.电解池中电极反应和离子迁移情况的可视化设计［J］.中国现代教育装备，2022（06）：35-36，47.

[6] 杜爱萍.离子移动可视化电解装置的实验创新：以“电解硫酸钠溶液”为例［J］.中学化学教学参考，2021（11）：44-46.

基金资助

2022年中山市教育科研课题“基于SOLO分类理论探究跨年级大单元教学——以《电化学》为例”(C2022137)