电解池家庭实验的可视化开发

摘要

利用自制的便捷电解器，并以铅笔芯、铁丝等物质作为电极，结合生活中易得的黑枸杞、茶叶以及医用高锰酸钾消毒片，开发出操作简单、现象明显、过程安全的可视化电解池家庭实验。实验中，基于茶多酚、花青素以及高锰酸钾等物质，能实现对电极反应原理的可视化探究，易于加深学生对电解池的理解，调动其开展实验探究的热情，进而促进其深度学习。

Graphical abstract

关键词

家庭实验 / 电解池 / 茶水 / 黑枸杞 / 高锰酸钾 / 铁丝 / 铅笔芯

《普通高中化学课程标准（2017年版2020年修订）》提出，教师应根据化学教育教学的需求，积极开发各类引导学生自主学习（包括开展课外活动）、指导教师有效教学的文本资源^［1］。中学教师在指导学生开展实验时，不仅需要讲授课本中的实验内容，还应与生活实际相结合，引导学生将实验搬出实验室、带入生活，让学生感受到生活中处处都是化学^［2］。

在电解池的实验教学中，教师一般使用的低压直流电源的缺点是质量大、体积大、不便于携带、操作相对烦琐，不利于教师演示实验和学生分组实验的开展，这导致电解池的实验教学大多停留在理论分析层面，师生很少开展电解池的相关实验活动。为了解决这一问题，笔者按朱雷等^［3］的方法制作便捷电解器，发现该电解器方便好用，但受充电宝自我保护功能的影响，该电解器会时常出现自动断电的情况。笔者尝试寻找解决办法，即：以9 V电池代替充电宝，将废弃数据线一端的红线、黑线分别与9 V电池的正负极相连，另一端的红线、黑线与铅笔芯或铁丝等其他电极材料相连，制成稳定的不易断电的便捷电解器。

一些教师提出了对电解池反应原理的可视化研究。苏雨禾^［4］设计出电解池中电极反应和离子迁移情况可视化的装置；宋晓锋^［5］利用自制的V形管进行改进与创新，实现了实验过程与实验现象的可视化；吴国英^［6］利用凝胶设计电解实验，可明显呈现出离子的移动方向。

笔者利用自制的便捷电解器，并以铅笔芯、铁丝等物质作为电极，结合生活中易得的黑枸杞、茶叶以及医用高锰酸钾消毒片，开发出操作简单、现象明显的可视化的电解池家庭实验，以期加深学生对电解池的理解。

1 实验设计

1.1 电解溶有食盐的浅黄色茶水

【实验材料】茶叶、食盐、自制的便捷电解器（电极材料为铁丝，所用铁丝均来自一次性医用口罩的鼻夹条）、纯净水、盒子。

【实验步骤】①将食盐和茶叶倒入盒子内，加水进行溶解、浸泡，过滤除去茶叶，得到溶有食盐的浅黄色茶水；②用自制电解器对含有食盐的浅黄色茶水进行电解，两个铁丝电极之间应保持一段距离，注意观察实验现象。

【实验现象】刚开始的时候，作为阳极的铁丝（右）周围生成了蓝黑色的物质，而作为阴极的铁丝（左）表面产生了大量气泡，且其周围茶水的黄色逐渐加深；一段时间后，随着两个电极生成的产物相遇，又生成了红褐色的物质。

【实验原理】在阳极上发生的反应为：Fe-2e^-=Fe²⁺。茶水中的茶多酚与Fe²⁺反应生成了类似于鞣酸亚铁的茶多酚亚铁络合物，这使得Fe（Ⅲ）与Fe（Ⅱ）之间的电极电势大幅降低，Fe（Ⅱ）的还原性增强，迅速被氧化成类似于鞣酸铁的茶多酚铁，而茶多酚铁是一种蓝黑色的沉淀物^［7］。

在阴极上发生的反应为：2H₂O+2e^-=H₂↑+2OH^-，电极表面的气泡为H₂，且释放出了OH^-。茶水中的儿茶素等物质对pH非常敏感，随着茶水pH的升高，其颜色会逐渐变深^［8］。随着两个电极生成产物的相遇，又生成了红褐色的Fe（OH）₃。

【设计意图】①以茶多酚为检测试剂，通过蓝黑色物质的生成，帮助学生理解铁属于活性阳极，当铁作为阳极时发生的反应为：Fe-2e^-=Fe²⁺；②对比阴阳两极，帮助学生理解阴极材料本身不参与反应；③阴极周围茶水的黄色逐渐加深，以及两个电极之间生成了红褐色的Fe（OH）₃，有助于学生观察到OH^-，从而理解阴极的反应为：2H₂O+2e^-=H₂↑+2OH^-。

1.2 电解溶有食盐的紫色黑枸杞溶液

【实验材料】黑枸杞、食盐、自制的便捷电解器（电极材料为铅笔芯）、纯净水、盒子。

【实验步骤】①将黑枸杞和食盐倒入盒子内，加水进行溶解、浸泡，然后过滤并除去黑枸杞，得到溶有食盐的紫色黑枸杞溶液；②用自制的便捷电解器对溶有食盐的紫色黑枸杞溶液进行电解，要求两支铅笔芯电极之间应保持一段距离，注意观察实验现象。

【实验现象】阳极（左）表面有气泡生成，其周围的水溶液逐渐由紫色变为无色；阴极（右）表面有气泡生成，其周围的水溶液逐渐由紫色变为蓝色；持续电解一段时间后，溶液的颜色明显变浅，且可以闻到84消毒液的味道。电解溶有食盐的紫色黑枸杞溶液如图1所示。

【实验原理】黑枸杞中富含花青素，花青素是一种易溶于水的天然色素，在不同pH下因结构不同会呈现出不同颜色——在酸性条件下呈现红色，在碱性条件下呈现蓝色，在强碱性条件下呈现无色^［9］。

在阳极上发生的反应为：2Cl^--2e^-=Cl₂↑，电极表面的气泡为Cl₂，Cl₂溶于水后生成HCl和HClO。HClO具有漂白性，可使溶液褪色。在阴极上发生的反应为：2H₂O+2e^-=H₂↑+2OH^-，电极表面的气泡为H₂，生成的OH^-使电极周围的花青素变为蓝色。持续电解一段时间后，溶液中生成了大量的NaClO，因此可以闻到84消毒液的味道。

【设计意图】①以花青素为检测试剂，通过其颜色的变化，实现对酸性物质、碱性物质以及漂白性物质的可视化研究；②通过持续电解后溶液褪色的现象和产生84消毒液的味道，帮助学生更好地理解氯碱工业的反应原理，体会阳离子交换膜对氯碱工业的重要性。

1.3 电解溶有食盐的紫红色高锰酸钾溶液

【实验材料】医用高锰酸钾消毒片、食盐、自制电解器（阳极材料为铁丝、阴极材料为铅笔芯）、纯净水、盒子。

【实验步骤】①将医用高锰酸钾消毒片加水溶解，然后向其中加入适量食盐（增强溶液的导电性），得到溶有食盐的紫红色高锰酸钾溶液；②用自制电解器对溶有食盐的紫红色高锰酸钾溶液进行电解，要求两个电极之间保持一段距离，注意观察实验现象。

【实验现象】阳极铁丝（左）周围的溶液逐渐由紫红色变为浅黄色，阴极铅笔芯（右）表面有气泡生成；持续电解一段时间后，溶液的紫红色完全褪去，且产生了大量红褐色沉淀物。电解溶有食盐的紫红色高锰酸钾溶液见图2。

【实验原理】在阳极上发生的反应为：Fe-2e^-=Fe²⁺，然后还原性的Fe²⁺与氧化性的MnO₄^-发生化学反应，MnO₄^-的紫红色逐渐消失，溶液变为Fe³⁺的黄色。在阴极上发生的反应为：2H₂O+2e^-=H₂↑+2OH^-，电极表面的气泡为H₂，且释放出了OH^-。持续电解一段时间后，Fe³⁺与OH^-相遇，溶液中产生了大量Fe（OH）₃的红褐色沉淀物。

【设计意图】①以高锰酸钾为检测试剂，通过其颜色的变化，帮助学生理解阳极上发生的反应为：Fe-2e^-=Fe²⁺；②通过阴极表面的气泡，以及持续电解后产生的大量Fe（OH）₃红褐色沉淀物，帮助学生理解阴极上发生的反应为：2H₂O+2e^-=H₂↑+2OH^-。

1.4 分别溶有食盐的浅黄色茶水和紫色黑枸杞溶液的串联电解池

【实验材料】茶叶、黑枸杞、食盐、自制的便捷电解器（电极材料为铅笔芯）、铁丝、纯净水、盒子。

【实验步骤】①将食盐和黑枸杞倒入一个盒子内，加水进行溶解、浸泡，然后过滤并除去黑枸杞，得到溶有食盐的紫色黑枸杞溶液；②将食盐和茶叶倒入另一个盒子内，加水进行溶解、浸泡，然后过滤并除去茶叶，得到溶有食盐的浅黄色茶水；③将分别溶有食盐的紫色黑枸杞溶液（图3左）和浅黄色茶水（图3右）各自装入一只容器中，且两只容器之间用一根弯曲的铁丝连接；④将自制的便捷电解器的阳极放入溶有食盐的紫色黑枸杞溶液中、阴极放入溶有食盐的浅黄色茶水中，然后接通电源，观察实验现象。

【实验现象】在溶有食盐的紫色黑枸杞溶液中，铅笔芯（阳极）的表面有气泡生成，其周围的水溶液逐渐由紫色变为无色，铁丝（阴极）的表面有气泡生成，其周围的水溶液逐渐由紫色变为蓝色；在溶有食盐的浅黄色茶水中，铁丝（阳极）周围有蓝黑色物质生成，且一段时间后可观察到铁丝溶解变细，铅笔芯（阴极）的表面有气泡生成，其周围茶水的黄色逐渐变深（图3）。

【实验原理】在该装置中存在两个电解池：左侧盛装溶有食盐的紫色黑枸杞溶液的装置是一个电解池，其中的铅笔芯为阳极，发生的反应为：2Cl^--2e^-=Cl₂↑，电极表面的气泡为Cl₂，Cl₂溶于水后生成HCl和HClO，HClO具有漂白性，使溶液褪色。另外，其中的铁丝为阴极，发生的反应为：2H₂O+2e^-=H₂↑+2OH^-，电极表面生成的气泡为H₂，同时生成的OH^-使电极周围的花青素变为蓝色。

右侧盛装溶有食盐的浅黄色茶水的装置是另一个电解池，其中的铁丝为阳极，发生的反应为：Fe-2e^-=Fe²⁺，茶水中的茶多酚与Fe²⁺经过复杂的反应后生成茶多酚铁，茶多酚铁是一种蓝黑色的沉淀物。另外，其中的铅笔芯为阴极，发生的反应为：2H₂O+2e^-=H₂↑+2OH^-，电极表面生成的气泡为H₂，且释放的OH^-使溶有食盐的浅黄色茶水的pH值升高，溶液颜色逐渐加深。

【设计意图】由简单的单一电解池装置进阶到复杂的串联电解池装置，一方面帮助学生进一步强化对电解池装置的分析能力，另一方面引导学生拓展思维，以期开发出更为复杂的电解池。

2 总结与反思

（1） 开发的电解池家庭实验均基于反应过程可视化的理念。查阅大量资料后，笔者尝试利用茶水、黑枸杞以及医用高锰酸钾消毒片等生活中易得的物质作为检测试剂，包括：利用茶水可以检测到Fe²⁺和OH^-的生成，利用黑枸杞可以检测到H⁺和OH^-的生成，利用医用高锰酸钾消毒片可以检测到Fe²⁺的生成。各实验除了可以观察到颜色的变化外，还可以观察到气体和沉淀物的生成，以及闻到气味。这些明显的现象有助于对反应过程的可视化研究，有利于帮助学生突破电解池的学习障碍，加深学生对电解池反应原理的理解，促进学生展开深度学习。

（2） 开发的电解池家庭实验，操作简单、现象明显、过程安全且色彩的变化充满了趣味性，适合学生在家庭中开展实验探究。通过自制的便捷电解器以及食盐、茶水、黑枸杞等生活中易得的物质，帮助学生将电解池实验搬出实验室并带入生活，大大拓展了学生动手开展电解池实验的机会。按照上述创新思路，教师可以将这些家庭实验融入化学作业设计之中，引导学生继续创新，尝试开发出更多充满趣味性的电解池实验，这有利于调动学生对化学学科的学习兴趣，提升其实验探究能力，激发其创造性思维。

参考文献

[1] 中华人民共和国教育部. 普通高中化学课程标准（2017年版2020年修订） ［S］.北京：人民教育出版社，2020.

[2] 刘彦彦.“电解法制备Fe（OH）₂白色沉淀”趣味实验［J］.中学化学教学参考，2023（03）：60-61.

[3] 朱雷，陈盛艳，耿志琴.自制“便捷电解器”［J］.实验教学与仪器，2019，36（7/8）：114.

[4] 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.

[5] 宋晓锋.电解饱和食盐水实验的“可视化”改进［J］.实验教学与仪器，2022，39（01）：33-34.

[6] 吴国英.凝胶中的可视化电解实验［J］.中学化学教学参考，2022（15）：41-42.

[7] 董顺，程波.茶水与亚铁盐作用的实验探究［J］.化学教学，2021（07）：60-64.

[8] 陈然，张季艾，范志红.北京自来水冲泡绿茶汤颜色及抗氧化性变化因素［J］.食品科学，2012，33（07）：78-82.

[9] TANAKA Y， SASAKI N， OHMIYA A.Biosynthesis of plant pigments：anthocyanins，betalains and carotenoids［J］.The Plant Journal，2008，54（04）：733-749.

基金资助

安徽省教育科学研究项目“指向深度学习的中学化学问题链教学设计与实践研究”(JKT24116)

安徽省教育信息技术研究项目“智慧课堂环境下中学化学大单元作业设计与实践研究”(AH2024136)

淮南市教育科学研究项目“基于真实情境的高中化学实验开发与应用”(JK2022057)