一种电化学教具的开发及其在教学中的应用

摘要

自主设计了一种多功能电解池反应器，介绍了该反应器的使用方法，开展了有关电化学的演示实验和探究实验，并分析了这些电化学实验的现象及其原理。实践结果表明，该反应器易于操作、效果明显，可应用于课堂演示实验、学生实验以及课外兴趣小组的探究实验。

Graphical abstract

关键词

自制教具 / 电化学 / 电解 / 实验教学

电化学知识与前面的氧化还原反应知识联系紧密，其概念原理不仅抽象，还涉及微观、宏观概念之间的相互转换。在概念转变理论的指导下开展实验教学，可以引导学生在构建电化学理论模型的基础上，通过实验操作提高动手能力，然后观察现象并结合理论知识分析原理，体验“实验→数据采集→论证推理→知识应用”这一科学的认识过程，培养学生发现问题和解决实际问题的能力，从而提升学生在“证据推理与模型认知”和“科学探究与创新意识”等方面的化学核心素养^［1-2］。

在中学电化学实验中，教师经常会通过对烧杯内的液体进行电解实验，从而解释电解知识。学生比较喜欢这种实验方式，能产生学习兴趣且记忆更加牢靠，但对于同时进行的多组电解实验，其实验现象差异不明显且操作比较烦琐。针对这种情况，笔者设计并制作了如图1所示的多功能电解池反应器并应用于多组电化学实验，其操作简单，效果明显。

1 仪器构造

如图1所示，该教具由电源、电路箱和亚克力板制作的各种功能反应器（包括并联式反应器、三室两膜式反应器、控距式反应器等）组成，根据实验内容的不同，仅需更换对应的反应器即可。电路箱内电源线通过导线和连接器分成3个支路，每个支路并联1只小灯泡和1只可控制开关的数字化高精电流表，可以同时进行3组电解实验，尤其适用于对比实验，通过小灯泡的亮度和电流表的示数，能定性和定量对比它们的放电情况。

2 仪器用途

该装置可用于多组电化学的演示实验和探究实验，现列举如下。

（1） 演示实验：阴离子放电对比实验；阳离子放电对比实验；离子交换膜的选择透过性实验。

（2） 探究实验：不同pH时铜作阳极电解饱和食盐水放电产物的探究；电极距对电镀效果的影响探究；亚铁离子和氢离子放电顺序与浓度关系的探究。

3 使用方法

首先选择不同的功能反应器，加装塞子固定电极，如果是三室两膜反应器则加装隔膜。然后将电极与电路中的预留接口连接，形成并联电路。最后向反应器中加入液体，打开电源开关和电流表，观察反应现象。该教具可进行多个演示实验和探究实验，用途广泛，高效便捷。

4 仪器应用情况

4.1 演示实验

（1） 阳离子放电对比实验。

取0.5 mol/L的CuSO₄、FeSO₄、MgSO₄溶液各80 mL，用10 V电压通电1 min。阴极现象分别为电极上有紫红色固体析出、银白色固体析出以及有气泡无固体析出，如图2所示。

结论：电极反应式为Cu²⁺+2e^-=Cu（紫红色固体），Fe²⁺+2e^-=Fe（银白色固体），2H⁺+2e^-=H₂ ↑（无色气体）。

（2） 阴离子放电对比实验。

分别取80 mL 0.1 mol/L的NaCl、NaBr和NaI溶液，用10 V电压通电1 min。阳极现象：Cl^-阳极附近有气泡，Br^-阳极附近有红棕色物质产生，I^-附近有颜色更深的红棕色物质产生。如图3所示。

结论：电极反应式为2Cl^-+2e^-=Cl₂↑（黄绿色），2Br^-+2e^-=Br₂↑（红棕色），2I^-+2e^-=I₂ ↑（深红棕色）。

（3） 离子交换膜的选择透过性实验。

向阳极室加入0.5 mol/L的FeSO₄溶液，再向两个阴极室加入0.5 mol/L的Na₂SO₄溶液，体积均为80 mL，通电1 min。向两个阴极室滴加两滴铁氰化钾溶液。现象为：阳膜隔离的阴极溶液加入铁氰化钾溶液，有蓝色沉淀生成。阴膜隔离的阴极溶液加入铁氰化钾溶液，没有蓝色沉淀生成。如图4所示。

结论：Fe²⁺能透过阳离子交换膜，不能透过阴离子交换膜。

4.2 探究实验

（1） 不同电极距时的电镀效果实验。

用0.5 mol/L的CuSO₄溶液200 mL，控制不同的电极距（3 cm、6 cm、9 cm、12 cm、15 cm、18 cm），在恒定电压6 V、恒定电流0.1 A的条件下，电镀1 min。3 cm时镀层均匀光亮，6 cm时镀层较薄，9 cm时镀层更薄，12 cm、15 cm、18 cm时基本没有看到镀层的生成。如图5所示。

结论：在恒压条件下，镀层差异较大，极间距越大镀层越薄；在恒流条件下，镀层的效果差别不大。

（2） 不同pH时，铜作为阳极电解饱和食盐水的产物探究实验。

石墨作为阳极，铜作为阴极，电解pH=7和pH=12的饱和食盐水2 min。铜电极附近的现象分别为：pH=7的饱和食盐水无明显变化。pH=12的饱和食盐水溶液出现大量黄色物质，一段时间以后颜色变为接近橙色。

取该橙色浊液加入氨水，黄色沉淀溶解，得到无色溶液，振荡，一段时间以后，溶液变成蓝色，如图6所示。

结论：在pH=7的饱和食盐水中，铜做阳极，放电产物为Cu⁺的配合物，在pH=12的饱和食盐水中，铜做阳极，放电产物为CuOH。

（3） Fe²⁺和H⁺放电顺序与离子浓度关系的探究实验。

取pH分别为3、2、1的0.5 mol/L FeSO₄溶液各60 mL，10 V电压通电2 min。观察阴极现象，如表1所示。

结论：在该实验条件下，c（H⁺）≤0.001 mol/L时，Fe²⁺先于H⁺放电，c（H⁺）≥0.1 mol/L时，H⁺先于Fe²⁺放电，在中间浓度范围内，Fe²⁺和H⁺可同时放电。

5 仪器使用优点

通过文献研究发现^［3-4］，关于电化学实验教学的研究大多是对课本中已有实验的局部进行改进，使实验现象更明显，但没能从实验装置本身的整体效果以及实验内容本身进行创新性的有效改进。因此，笔者开发的系列电解池反应器刚好能够补充该研究的空缺，优化实验教学的策略。自制系列电解池反应器可应用于课堂演示实验、学生实验以及课外兴趣小组的探究实验，具有以下优点。

（1） 关注实际应用，理论联系实际。可设计并完成以氯碱工业、电镀等以工业生产为背景的演示实验和探究实验，能帮助学生进一步了解电化学原理及其重要应用。

（2） 应用自制教具设计实验，能够通过实验展示离子交换膜的选择透过性，加深学生对离子交换膜的认识和理解。

（3） 设计并完成有关放电顺序、电化学反应影响因素等体现高阶思维的探究性实验，可加深学生对电化学反应原理的理解，提升学生的探究意识和创新思维。

探究结论：液体导电性能与液体种类及液体体积分数有关。

通过实验探究发现，液体的电阻R与液柱长度L成正比，与液体的横截面积成反比，与液体种类和体积分数有关，得出固体电阻定律也适合于液体电阻。

3　教具的使用情况和效果

（1） 创新设计的液体电阻探究装置制作简单、坚固耐用，有效解决了教学中的一些弊端。

（2） 本实验探究装置巧妙构成液体的串并联，液体长度自由调节，液体横截面积成倍变化，管内溶液可灵活选择多种电解质溶液进行实验探究，具有明显的探究便捷优势，运用电脑拟合数据，实验结果直观明显，更具说服力。

（3） 本次实验探究注重学生的情境体验，增强了演示实验的视觉效果，强化了物理原理的学习，强化了控制变量法、假设验证法的实验方法，激发了学生的物理学习欲望，开阔了学生的探究视野，培养了学生的科学探究素养。

参考文献

[1] 李晓明.认知模型的修正与重构：以高三化学复习课“电解食盐水的再探究”为例［J］.化学教育，2020，41（11）：23-29.

[2] 莘赞梅.基于真实问题解决的高三复习课：以电解NaCl溶液的深入学习为例［J］.化学教育（中英文），2019，40（11）：36-40.

[3] 陈贵新，林洪.巧用滤纸设计电化学实验［J］.实验教学与仪器，2018，35（7-8）：69-70.

[4] 汪习雄.对一个“异常”实验现象的探究和反思［J］.教育与装备研究，2016，32（12）：44-46. （上接第85页）

基金资助

淄博市教育科学“十四五”规划一般课题“基于学生自制的高中物理实验器材改进与创新研究”(2021ZJY041)

淄博市教育科学规划专项课题“区域中小学科学实验教学衔接研究”(2024ZJZX014)