微型电解实验设计论文

2022-04-19

2008年上海高考第12题取材于笔者在《化学教学》发表的论文“试纸上的微型电解实验”[1],该题依据实验中的现象,由于采用简单易行的微型化学实验操作,实验真实性得以显现,在知识与能力的考查基础上更加培养学生科学求实的态度。今天小编给大家找来了《微型电解实验设计论文(精选3篇)》，仅供参考，希望能够帮助到大家。

微型电解实验设计论文篇1：

适合学生探究的微型电解实验设计

摘要：针对教科书介绍的相关电解实验方案的不足，设计了一套借助于生活中常见物质和材料的微型电解实验装置，并用该装置进行电解硫酸钠溶液和饱和食盐水等研究，实践表明该实验宜作为学生探究实验。

关键词：微型电解；实验设计；学生探究

《普通高中化学课程标准（实验）》中提出“教师和实验管理人员应开发实验仪器，研究低成本、少污染的化学实验。同时也鼓励学生和教师充分利用生活中的常用品和废弃物，设计富有特色的实验和实践活动[1]”。电解作为一种技术手段在科学研究和工业生产中有着非常广泛的应用，而其相关知识也是中学化学教学的重要内容。笔者在日常的教学中发现教科书介绍的相关电解实验方案存在试剂用量较多、实验现象不易被所有学生看到、适合教师课堂演示而不太适合学生进行自主探究等不足。为克服以上不足，笔者借助于天然指示剂紫甘蓝汁，利用西林瓶（一种胶塞封口的小瓶子）、饮料瓶盖、注射针头、电池、铅笔芯等物质设计了适合学生探究的微型电解实验，在常态课堂和综合实践活动课中应用效果良好，现介绍如下。

1 实验设计

1.1 微型电解实验装置

图1为微型电解实验装置，2个3mL的西林瓶作为电解池，饮料瓶盖承载西林瓶，注射针头穿过饮料瓶盖作为电极，连接导线的鳄鱼夹各夹住2个注射针，并分别与9V的电源相连。需要说明的是本实验中注射针头应使用全新的，不能使用已用过的医疗废弃针头。

1.2 选择紫甘蓝汁作指示剂

一些电解质溶液电解后，其酸碱性经常发生变化，因此需要加入酸碱指示剂（如酚酞）揭示阴阳极所发生的电极反应；紫甘蓝汁可由紫甘蓝（紫卷心菜）制得，所含色素的颜色会随pH改变而有鲜明的变化，且较稳定，可保存较长的时间，是一种天然的酸碱指示剂；已有文献报道了紫甘蓝汁遇到不同pH溶液所呈现的不同颜色，如表1所示。

笔者将紫包菜剪碎，用热水浸泡获得紫甘蓝汁（或直接剁碎紫包菜挤压获得高浓度的紫甘蓝汁）。借助于pH传感器配制了上述不同pH的溶液，发现溶液酸性增强，紫甘蓝汁的颜色由紫青色逐渐转变为红色，溶液碱性增强，紫甘蓝汁的颜色由紫青色先变成绿色，后变为黄色，证明了上述结论的正确性。因此我们借助紫甘蓝汁来作为该微型实验的酸碱指示剂。

2 实验应用

2.1 电解硫酸钠溶液

配制1 mol·L-1硫酸钠溶液，向2个西林瓶中分别加入硫酸钠溶液至体积占大部分，然后滴加紫甘蓝汁至瓶口，将盛满液体的西林瓶反倒于瓶盖中，与注射针头相接触。向饮料瓶盖中加入少量硫酸钠溶液，以保证整个装置回路，用连接导线的的鳄鱼夹各夹住2个注射针，并分别与9V的电源相连。

可以发现大约1～2分钟就可以观察到下列明显的现象：阳极附近有气泡产生，溶液变红色说明阳极区显酸性，水分子失去电子，生成氧气和H+；阴极附近有气泡产生，溶液变绿色说明阴极区显碱性，水分子得到电子，生成氢气和OH-。学生依据上述的实验现象就可以写出该反应的电极反应式。随着反应的进行，阴极溶液碱性增强，由绿色变成黄色。笔者建议若本实验应用于课堂教学，只要观察到阴极区变绿色即可，若应用于综合实践活动和研究性学习，可引导学生进一步观察溶液颜色的变化。

阳极反应：2H2O-4e-=O2↑+4H+

阴极反应：2H2O+2e-=H2↑+2OH-

2.2 电解饱和食盐水

将上述硫酸钠溶液换成饱和食盐水，阳极电极换成铅笔笔芯，其余步骤同上。

但该实验进行到10分钟时，阳极溶液才褪色，此时产生的气体已把阳极的溶液排得仅剩少部分，而阴极所在西林瓶中的溶液则更是被排得所剩无几（因为氢气的逸出速率比氯气大）。为了解决该问题，笔者将作为阳极的西林瓶中溶液体积减少一半，阴极溶液体积不变，可以发现大约5min内阳极就可以出现由紫色变红色进而褪为无色的现象，便于学生的自主探究。

该微型实验装置也可以用于其他溶液电解实验的研究，由于不同反应的分解电压有差别，可在电源回路中串联一个合适的变阻器，用于调节电解电压，实验时逐渐增大电压，至电极上有明显反应为止。

3 实验特点

宋心琦教授在“中学化学教学改革与微型实验”一文中指出，微型化学实验在中学化学中推广艰难的原因之一是很多物质在微量时和常量时给予观察者的感受可能不同，使得印象或结论因此不同[3]。笔者认为不仅是物质本身，化学反应有时在微量和常量时给予观察者的感受也不同，而本案例中的电解质溶液虽然是“微量”（3mL），但现象并没有因此打折扣，实验现象明显。以电解硫酸钠溶液为例，阴阳两极的溶液分别呈现红色和绿色，呈现鲜明的颜色区别。

上述介绍的实验装置和相关的设计除了具有现象明显的特点外，还具有以下一些优点：（1）时间较短，适合学生自主探究，探究电解硫酸钠溶液大约1分钟后就能观察到明显现象，而饱和食盐水的电解则可以在5分钟内看到阳极先变红后褪色的现象。（2）成本较低，在淘宝上购买西林瓶，仅2毛钱1个，注射器为2元，而铅笔芯和饮料瓶盖均可在日常生活中寻找，唯一较贵的是电池为8元左右，可重复使用多次。（3）揭示电解原理和反应产物，两极产生气泡的数量和颜色变化的不同揭示了电解质溶液的酸碱性和反应产物，特别是电解饱和食盐水，阳极颜色的变化揭示了电解产物氯气、氯气与水反应、次氯酸具有漂白性等一系列变化。教学实践表明：该实验能在一定程度上缓解实验探究和教学效率之间的冲突，而且能深刻地揭示反应原理，将电化学和元素化合物知识联系起来，具有较强的综合性。

参考文献：

[1]中华人民共和国教育部制定.普通高中化学课程标准（实验）[S].北京：人民教育出版社，2003：41.

[2]陈凯，龙琪，张莉娜.一滴紫甘蓝汁的微型电解实验[J].化学教育，2008，（8）：65-67.

[3]宋心琦.中学化学教学改革与微型实验[J].内蒙古民族大学学报，2009，（7）：1～2.

作者：朱鹏飞徐惠

微型电解实验设计论文篇2：

基于微型化学实验论文的命题

2008年上海高考第12题取材于笔者在《化学教学》发表的论文“试纸上的微型电解实验”[1], 该题依据实验中的现象,由于采用简单易行的微型化学实验操作,实验真实性得以显现,在知识与能力的考查基础上更加培养学生科学求实的态度。

自从29届国际奥林匹克化学竞赛实验试题采用微型化以来,国内各类化学试卷中都不同程度地出现以微型化学实验为背景的题目。试题中的信息在学生中快捷、广泛地传播;从以微型实验为情境的化学习题入手,另辟蹊径,可以展现微型化学实验仪器的应用,表达绿色化学的设计理念。

从期刊的影响力出发,笔者从目前化学教育研究领域比较权威的三刊(《化学教学》、《中学化学教学参考》、《化学教育》)以及以实验仪器研究为特色的期刊《教学仪器与实验》中的微型化学实验论文中取材,从不同角度出发编拟化学习题。

1以微型反应装置创设情境

如同常规实验装置的组装目的一样,微型实验仪器同样可以完成气体的制备、物质的合成、气体的干燥和净化、尾气的吸收等基本操作。以此创设化学试题情境,考查基础知识、基本技能。表面上看,只是提供给学生化学常规实验装置的缩微化,但仪器的微型化给解题带来了陌生感,尤其是仪器体积小带来的特殊操作细节,例如试剂的取量、反应程度的控制、尾气处理等——这些都是实验论文作者阐述的实验注意点,也恰是学生在实验操作中容易忽略的因素。

例1、硫化氢是一种有臭鸡蛋气味的有毒气体,采用常规仪器进行制备和性质检验,常因气密性不佳而对环境产生污染。周老师采用六孔井穴板和注射器组装出以下微型反应装置(如图1所示),向各井穴加入指定的试剂与物料,然后用生料带缠绕井穴塞1-2圈后插入6 孔井穴板的井穴中并旋紧塞子,使井穴塞紧密地盖住井穴,以细乳胶管把前一单元出气管与相邻单元的进气管逐一连接起来,保证没有硫化氢泄漏。该实验无需通风橱即可进行,对反应废物摸索了实验后处理方法,体现了绿色化学实验的要求[2]。

(1)1号井穴里装有少量FeS固体,实验装置按图搭建完毕后,把吸有稀硫酸的注射器缓缓下推,就可以有连续平缓的气流产生。请问1号井穴孔发生反应应为_______________________________。

(2)2号井穴内只放入一张湿润的白色醋酸铅试纸,且“短管进、长管出”。其作用是(填写两点):____________________________________。

(3)3号井穴孔盛放少量溴水,其主要作用是证明H2S的____________________(能呈现出该性质的),还可以用____________________溶液代替。

(4)4、5、6井穴孔分别盛放了0. 1 mol·L-1 ZnSO4、0.1 mol·L-1 CdSO4、0. 1 mol·L-1 CuSO4溶液,在实验中分别产生了白色、黄色和黑色沉淀,说明了这些金属硫化物的________(性质)。

(5)7号井穴孔盛有________(填写药品),其目的在于____________________。

评点:该题主要考查硫化氢气体的制备、气体检验、性质验证、尾气处理等。一切都基于基础知识、基本技能,只是通过微型化学实验装置呈现情境。

答案:(1)FeS+2HCl=FeCl2+H2S↑; (2)缓冲作用(安全瓶), 检验硫化氢气体; (3)还原性, 酸性高锰酸钾; (4)难溶性; (5)NaOH溶液,吸收尾气

例2、“电凝聚气浮法”是一种工业上处理废水的常用方法,我们用塑料多用滴管作为载体,以微型实验的形式呈现了该方法的原理。先在100 mL烧杯中加约50 mL蒸馏水,再添加3滴CrCl3溶液作为无机污染物,另加少许泥沙和硫酸钠,用玻璃棒搅拌使之浑浊,得模拟废水,标记为A。用塑料多用滴管吸取废水A,从液泡两侧分别插入两根大头针(两针不相互接触), 用鳄鱼夹、导线将两根大头针与电池(9V)相连,即可对废水进行电解[3]。

(1)电解开始,阴极释放出大量气体,请写出电极反应式________________________________;

(2)阳极现象不明显;片刻后,溶液中生成大量绿色沉淀,随着阴极气泡大量逸出,绿色沉淀随之上浮至液面。已知大头针主要成分为铁,请推测阳极可能发生的两个反应式为:____________;

(3)绿色沉淀中不仅包括由阳极产生物与溶液酸碱性变化而生成的不溶物,还包括沉淀_______(填写化学式),这就表现出对污水中的金属离子进行清除。

(4)本实验中在电解液中添加硫酸钠的目的是____________________。

(5)另取一份相同废水,滴加3滴苯酚溶液作为有机污染物,再加3滴亚甲基蓝使其显示颜色,添加食盐至饱和,标记为B;用塑料多用滴管吸取废水B,采用如上图的装置,只不过将阳极大头针更换成全活动铅笔专用笔芯,在电解后的溶液中滴加FeCl3溶液不发生显色反应,说明____________。更换阳极材料原因是__________________________(用电极反应式说明);

评点:化工生产是化学教学的重要内容,但一直是实际教学中欠缺的,通过微型化学实验模拟实际问题可以帮助中学生了解化学与技术、体会时代性增强学生学习的使命感和责任感。该类试题适用于《化学反应原理》模块的“电解池”、《化学与技术》模块中的“水处理技术”、《化学与生活》模块中的“化学与环境保护”,以及《实验化学》模块中提出的“能发现学习和生产、生活中有意义的化学问题,并进行实验探究”。

答案:(1)2H++2e-→H2↑; (2)Fe-2e-→Fe2+,Fe2++2OH-→Fe(OH)2↓; (3)Cr(OH)3;(4)增强导电性; (5)苯酚在阳极释放的强氧化性气体作用下已发生了转化,避免阳极材料本身被氧化。

2以微型实验引导实验改进思维

在各大期刊发表的微型化学实验论文多为一线化学教师或高校实验研究者发表,如果只是简单地在学生面前重现这些素材,对他们自身的实验素养提高有限;而通过试题的巧妙设置,将学生也引入到对实验的设计思路中去,有利于提高他们对微型化学实验的深刻认识,也有利于他们创新思维的发展。

微型化学实验不是常规实验的简单缩微或减量,而是要在微型化的条件下对实验进行重新设计和探索,达到以尽可能少的试剂获取尽可能多的化学信息的目标。

例3、用一个小注射器和小塑料反应管做反应仪器,两者中各有一种化学物质,反应后将注射器针头扎入一根带火星的香烟里推动活塞,发现窜起一大串火苗[4]。请问,塑料试管中盛放药品为________,注射器中盛放____________药品。该实验可以代替常规实验中的实验是_______________。

评点:注射器是化学实验改进中常用的替代品,在微型化学实验中常常需要挖掘其功能进行设计,在命题中应用中能帮助学生体会到。图3中的注射器代替分液漏斗,图4中的注射器起到氧气收集的作用。

答案:MnO2,双氧水,氧气的制备和氧气的助燃性质

3以微型实验题干提供探究和评价的平台

近年来科学探究实验在化学新课程考试中广被重视,这些实验题不再象以往的实验题平铺直叙——单纯的“课本知识加实验加填空”,也不象大学知识“下放”的新信息实验题,而是促使考生多想实验的整个过程:“做什么”、“怎么做”、“为什么这样做”、“选取哪些因素作为实验变量”、“可能什么原因”、“还有没有更好的改进方法”、“这样的实验有什么实际用途”等等,更加促使考生像科学家一样进行探索,达到真正考查科学思维的目的。微型化学实验与常规化学实验相比,一样能提供符合教学需要的实验内容,更能提供多个相关实验的优化设计过程和满足使用者自主探究的基本条件[5]。以微型化学实验论文素材命题,为训练学生探究思维和评价能力提供了一个适宜的平台,也为一线化学教师提供了巧妙的探究思路,有助于教师拓宽视野。

例4、紫甘蓝,又名紫卷心菜,所含花色苷色素的颜色会随pH改变,一般遇酸变红,遇碱变绿。向点滴板上一凹槽滴加一滴紫甘蓝汁,再滴加一滴硫酸钠溶液,用连接导线的鳄鱼夹各夹住一根铅笔芯,将电极一端浸入紫甘蓝汁液面以下[7]。

(1)当导线分别与电池两极相连,发生现象是:

阳极_______________________________;

阴极_______________________________。

用铅笔芯将两极所在位置的溶液搅拌均匀,发现整个液滴呈现紫色,(用离子方程式)说明发生反应为_________________________________;

(2)若采用大头针作为______极电极,则对以上实验现象有极大干扰,这是因为_____________;

(3)以各类典型的酸碱盐溶液作为辅助试剂加入紫甘蓝汁中,以铅笔芯作为电极进行电解。请预测实验现象并完成下表1:

(4)将添加NaCl溶液的甘蓝汁电解后溶液搅匀,最终竟然消褪为无色。这是因为__________;

(5)以上实验是以_______、_______作为变量开展的探究活动,如果你是实验设计者,从该实验的特点出发,你还会挑选_______作为变量。(开放性问题,答案合理即可);

(6)如果你是实验竞赛的评委,你将该实验与你们常见的电解实验对比,请提出一些评价意见(至少写出两点,开放性问题,答案合理即可)。

评点:微型化学实验试题取材于实验探究论文,突出真实性;注重实验条件,突出思考性。本题不仅以紫甘蓝汁作为创新情境考查电解规律、中和反应等基本原理,还从异常现象原因探究、变量控制等角度促使学生对实验原理进行深层思考,并且通过开放性的问答培养学生评价和鉴别能力。

答案:(1)2H2O-4e-→O2+4H+; 2H2O+2e-→ H2+2OH-; H++OH-=H2O; (2)阳极;作为阳极的金属电极比水更容易被氧化,产生有色离子如亚铁离子、铁离子对甘蓝汁颜色有干扰; (3)电极附近溶液变紫,有气泡产生;电极附近有大量气泡产生;紫色;迅速冒出刺激性气味的气泡,电极附近溶液变红;迅速冒出气泡,电极附近溶液变红; (4)电解NaCl溶液阳极产生的Cl2将电解对象漂白; (5)电极,电解质溶液;载体、电解体系等; (6)参考评价意见:评价之一:紫甘蓝汁不仅充当电解对象,还兼作实验中的酸碱指示剂,一举两得;评价之二:该微型实验只采用了一滴紫甘蓝汁液作为电解对象,降低成本,操作方便,大大减少了实验时间,适合学生自己动手操作观察探究;评价之三:紫甘蓝汁取材于纯天然,整个实验用量又是微量,所以充分体现绿色环保的理念;评价之四:实验现象明显,有利于学生加深对电解本质的理解。

4 反思

在科学教育中引入习题的初衷是巩固和加深对知识的理解,考查学生掌握知识的水平,培养学生应用知识解决问题的能力。每一道习题都是从原始问题抽象而来,然而有相当一部分已经把其中的一些次要细节、非本质的联系舍去,也没有将科学现象与事实作为背景,甚至完全脱离科学现象,学生思维的一部分已经被习题编制人员“越俎代疱”地完成了。同时,习题教学还存在着模式化倾向,缺乏科学思想的分析,太重视程序与计算、熟练与技巧。因此,在一定意义上说,我国学生创造能力的匾乏是习题教学的直接后果。事实上,科学最重要的基础是源自实验现象的,首都师范大学专家曾提出通过引进原始问题来逐步使习题教学与原始问题教学相结合,从而达到提高科学教育效能的目的。而发表在各种期刊上的实验论文能表现论文作者所作出的技术性和认知性研究的原始工作,是教学科研过程中的一种生成资源[8],也是原始问题的一种表现形式。笔者近年来以微型化学实验为主要研究方向,并尝试将所设计的原创实验素材融合入课堂教学、探究活动中,发现对提高学生解决问题能力、实验分析评价能力有较明显的促进作用;于是进而取材命题,抛砖引玉,目的之一是及时推广课程改革中来自教学一线和高校专家的实验研究经验,从而使研究成果迅速转化为“生产力”,不断推动实验教学研究工作向纵深发展;更希望这些原汁原味的实验素材呈现出反映科学概念、规律本质的原始问题和未被加工的典型实验现象和事实,使学生大脑充分开放、思维触角充分发展,体会到与原论文作者研究过程中类似的思路和体验,甚至在条件允许前提下,用微型化学实验这种耗材少成本小的实验手段完成符合绿色化学理念的验证、改进和探究,达到知识升华的目的。

建议化学命题者可以认真研究各种期刊登载的微型化学实验专题文章,将其素材开发为创新试题:具有提问多样化、知识探究化、信息情境化以及形式开放化等多方面特点,为促进化学习题教学提供优质的题材[9],同时也促进微型化学实验能在中学得到普遍重视和合理应用。

参考文献:

[1]陈凯,张丽娜,龙琪.试纸上的微型电解实验[J].化学教学,2008,(4):10.

[2]周宁怀,屠小燕.一类气体制备与系列反应的微型装置[J].化学教学.2000(12):8～10.

[3]陈凯,刘少贤,张丽娜.电化学法处理废水的微型模拟实验[J].教学仪器与实验,2008,(10):39～40.

[4]陈博,陈凯,胡益民.有关烟草的化学实验集锦[J].中学化学教学参考.2008.(7):46～47.

[5]宋心琦.关于发展和推广微型化学实验的一点看法[J].化学教学,2008,(2):1～2.

[6]陈凯,龙琪,张丽娜.一滴紫甘蓝汁的微型电解实验[J].化学教育,2008,(8):65～67.

[7]邢红军,陈清梅.从习题到原始问题:科学教育方式的重要变革 [J].课程.教材.教法.2006.(261):56～60.

[8]易章和.充分利用生成资源命题推进化学课改评价研究[J].化学教学,2005,(10):41～43.

[9]陈凯,保志明.化学习题中的数字化实验[J].中学化学教学参考.2008.(11):55～57.

作者：陈　凯　周志华

微型电解实验设计论文篇3：

巧用青霉素小瓶制作电解实验微型探究仪

摘要:针对传统电解实验方案的不足,介绍了用青霉素小瓶及必要的用品制作电解实验微型探究仪的研制过程和使用方法,指出了该仪器的优点和其他应用。

关键词青霉素小瓶实验探究电解实验微型实验氯化铜饱和食盐水

化学新课程提倡科学探究,并强调实验探究是科学探究的主要方式[1]。同时提倡教师和实验管理人员开发实验仪器,研究低成本、少污染的化学实验,鼓励学生和教师充分利用生活中的常用品和废弃物设计富有特色的实验和实践活动[2]。在教学实践中,笔者发现传统的电解原理及其应用的实验方案[3,4],存在有毒气体的排放,装置与操作较为烦琐,药品用量较多,只适用于教师课堂演示而不适宜于学生自主探究的不足。为此,笔者利用废弃的青霉素小瓶、UV无影胶等材料,创造出适合学生探究的绿色化的微型实验探究仪,经教学中应用效果很好,现介绍如下。

图1 电解CuCl2溶液

图2 电解饱和食盐水

1 探究仪的研制

1.1 玻璃管的截断与加工

截取长为2.0～2.5 cm的玻璃管,用坩埚钳夹住在酒精灯上把两端烧圆滑。

1.2 玻璃钻头的选择

选择外径略粗于玻璃管外径的钻头,安装在玻璃钻上,将玻璃钻接上电源。

1.3 青霉素小瓶的打孔

图1

将废弃的青霉素小瓶冲洗干净后放在水平面上,一手摁住小瓶,一手持玻璃钻,在距离小瓶上端约2.0 cm处与侧面垂直的方向打孔,然后再在该小瓶另一侧距底部1.5 cm的位置打一小孔(见图1)。用同样的方法给另一个小瓶打2个小孔。

1.4 玻璃管的粘接

將洗净晾干的一个小瓶放置在水平面上,将玻璃管一端插入其中一个小孔使之约在瓶内露出0.2 cm。然后在无阳光和灯光处小心地把一滴UV无影胶挤出落在玻璃与小孔结合处的表面(本实验先后采用广州国立胶粘剂厂生产的永强牌855无影胶及上海UV紫外线光固化胶研究室研制的2618型号的低浓度无影胶,效果均很好)。倾刻稍转动玻璃管使胶水在粘接部位的孔隙内均匀充满,再在太阳光下或离紫外灯10 cm处照射,约30 s基本固定粘接处。

将小瓶竖起放置在水平面上用阳光继续照射 3 min,可达到最佳固化效果。用同样的方法在该小瓶的另一侧粘接上另一段玻璃管(见图2)。

依照上述方法在另外一个小瓶的上端小孔上粘接好一段玻璃管(见图3)。

图2

图3

1.5 小瓶的连接

将上述2个小瓶竖起,将连有2个导管的小瓶下面的玻璃管伸入另一个小瓶下面孔内约0.2 cm,保持3个支管在同一个平面上,并用上述方法用UV无影胶把2个小瓶粘接在一起(见图4)。

图4

1.6 制成电解实验微型探究仪

在连接好的2个小瓶上安装2个连有铅笔芯的塞子,即制成电解实验微型探究仪(见图5)。

图5 微型电解探究仪

2 微型电解探究仪的应用

2.1 电解CuCl2溶液