“宏微视角”下的电解饱食盐水一体化、数字化实验设计

(合肥师范学院化学与化学工程学院 安徽 合肥 230601)

电解饱和食盐水实验是人教版高中化学选修四[1]中非常重要的实验，在各种复习资料中也经常出现。传统的实验只是单一的检测阴阳极气体种类、电极反应和电解质溶液酸碱度变化。本次实验从宏观气体产量、微观离子运动两个方面培养学生 “宏观辨识与微观探析”核心素养[2]。改进后的实验又探究了氢气、氯气的相关化学性质，现象明显实验安全，充分调动学生学习积极性。

一、实验仪器与药品

仪器：具支U行管，4节一号电池及电池盒，碳棒两根，压强传感器，数据采集器，100ml烧杯,干燥管，棉花,保鲜膜,六孔井穴板,小木条等。

药品与试剂：饱和NaCl溶液，酚酞指示剂，甲基红指示剂，品红溶液，0.5mol/L Na2S溶液，0.5mol/L NaOH溶液

二、实验装置及原理

(一)实验装置

实验装置图如图1所示。

图1 实验装置图

(二)电解饱和食盐水原理：

阳极：2Cl--2e-=Cl2↑ 阴极：2H2O+2e-=H2↑+OH-

三、实验探究

(一)利用酚酞指示剂，气体压强传感器探究电解阳极变化

1.配置饱和食盐水40ml，滴加3-4滴酚酞指示剂，震荡，转移至具支U行管中，切记液面高度要低于具支管一厘米左右。

2.将与电源导线连接的两支碳棒分别浸入具支U行管中，在与电源正极相连的碳棒上方放置一团浸有Na2S的棉花团。把气体压强传感器进气端放置在与电源正极连接的碳棒上方。最后用保鲜膜将两极密封，防止漏气。

3.在电解阴极那端具支管外接一导管，将阴极产生的氢气导入盛有肥皂水的六孔井穴板中。待氢气通入肥皂水产生的气泡布满液面，用带火星的木条接触，观察氢气爆鸣。

4.电解阳极那端具支管外界一干燥管，在其中放入一浸有品红溶液的棉花团，在干燥管末端塞入一团浸有NaOH溶液的棉花做尾气处理。

(二)利用甲基红指示剂，气体压强传感器探究电解阴极变化

与实验3.1相比，将酚酞指示剂改成甲基红指示剂，将气体压强传感放置在与电源负相连接的碳棒上方，其余操作与实验3.1相同。

四、实验现象及讨论

1.实验3.1中，接通电源后，阴阳极碳棒上很快有大量气泡产生，阴极区溶液逐渐变成浅红色。一段时间以后可以观察到浅红色逐渐扩散到阳极区一侧(如图2)，装置内部气压发生变化。

阴极区变红，是因为水得电子，产生H2和OH-，在酚酞指示剂作用下，将溶液中存在的OH-染色，方便学生观察微观离子运动。在图中，可以发现OH-只运动到阳极区下方，在此可引导学生思考原因，培养学生设计实验，动手试验的能力。

图2

2.实验3.2中，可以观察到阳极区溶液开始变红色，一段时间以 后红色褪去，部分溶液呈无色透明(如图3)。装置内部气压发生改变，但变化不稳定。

电解饱和食盐水阳极生成Cl2，在甲基红指示剂的作用下可以发现生成的Cl2有部分溶解在水中，生成HCl和HClO。HCl电离产生 的H+使溶液呈红色，一段时间以红色褪去是因为HClO的漂白作用，将有机物甲基红氧化，从而使溶液呈无色透明。

实验结束以后，将浸有Na2S的棉花团取出，可以发现棉花上出现了黄色的硫单质即发生了Na2S+Cl2=S+2NaCl反应。干燥管中一浸有品红溶液的棉花团红色褪去，是因为Cl2溶于水生成HCl和HClO，HClO有漂白作用(见图4)。

图3

图4

五、结语

综上所述，本次实验借助两种指示剂从宏观到微观解释了电解氯化钠时，OH-、H+的运动状态，利用压强传感器分别检测阴阳两级电解气压。同时也对氢气的爆鸣实验、氯气的氧化性，次氯酸的漂白性，盐酸的酸性进行了探究，从多方面、多角度深刻认识电解原理。帮助学生对该部分知识点的理解，培养学生“宏观辨识与微观探析”的学科核心素养。