“电解原理的应用”项目式教学——电解法处理船舶压载水.pdf

化学教与学2022年第12期（下半月刊）化学教与学（http：/或http：/）化学教与学（http：/或http：/）一、项目主题分析实验“电解饱和食盐水”选自人教版高中化学选择性必修1第四章第二节，用作电解原理的应用的例子。该内容在中学教学中的重点往往放在了电解过程中阴、阳极的离子放电顺序的机械记忆上，使该部分内容过于晦涩、抽象，造成学生学习分化。学生对该部分内容存在电解池中能量转化、离子移动方向、电解池应用等方面的学习困难。1本研究选取“船舶压载水处理”真实情境，设计项目式学习，让学生在真实问题情境中，以实验室活动为载体，突破学生在“电解原理”学习中的障碍。二、项目教学目标能从化学反应本质、电极、物质转化、现象、电极反应等角度建构电解池原理的认知模型，并演绎推理预测电解饱和食盐水的原理；通过数字化pH传感器和ORP传感器，收集微观反应数据，合理解释微观进程，实现“四重表征”深入剖析反应原理；通过电解结束后电解液有效氯浓度测定的实验设计、数据采集、数据表征、数据分析的探究过程，亲身参与用间接碘量法测量溶液的有效氯浓度，实现计算思维的提升；从多角度了解工业中处理压载水的工艺，形成效率意识、环境保护意识，体会化学的学科价值。三、教学流程“电解原理的应用”教学设计了五个项目任务（如图1）。任务13解决了核心内容1中的电解法处理压载水的原理问题，证实电解法可以用于船舶压载水的杀菌，但是工业化的应用还要考虑到电解效率，从而过渡到任务4、任务5解决核心内容2中电解法处理压载水的效率、工艺问题。任务从生活中感受化学，到应用化学知识进行科学探究、解释，最后再将知识应用到社会中，符合学生的认知逻辑。四、教学过程任务1：搭建微型家庭实验装置情境故事 大型的船舶在海上为保持良好的稳性航行，需要加载压载物。船舶压入和排出压载水需要在港口水域或者近海水域进行，会带来海洋微生物和动植物的全球流动。这些物种排放到新的海域后，可能会建立起新的种群，对原有地区海洋生态产生威胁。船舶压载水带来的危害被列为全球海洋的“四大危险”之一。2处理压载水的方法之一为电解海水法。这一过程能否在实验室进行模拟？驱动问题1 请利用生活中常见的物品组装一个电解饱和NaCl溶液的微型装置。思考电解氯化钠溶液过程发生了怎样的变化？探究活动1提供的用品：5 mL西林瓶、饱和食盐水、铅笔芯、9 V电池。“电解原理的应用”项目式教学电解法处理船舶压载水莫小静丁伟*（华东师范大学教师教育学院上海200062）摘要：围绕真实问题情境“电解法处理船舶压载水原理”开展电解原理应用的项目式学习，通过组装简易电解池、建构模型推理演绎电解饱和氯化钠溶液的原理、借助利用pH和氧化还原电位传感器可视化反应微观过程、间接碘量法定量测定电解液有效氯浓度、了解实际处理压载水的工艺流程多个项目活动，学生在亲身参与活动过程中，层层突破抽象知识，体会知识的应用价值。关键词：电解饱和氯化钠溶液；pH传感器；ORP传感器；压载水处理文章编号：1008-0546（2022）12x-0006-06中图分类号：G632.41文献标识码：Bdoi：10.3969/j.issn.1008-0546.2022.12x.002*通讯联系人，E-mail： 教学研究 教学研究 6化学教与学2022年第12期（下半月刊）化学教与学（http：/或http：/）化学教与学（http：/或http：/）项目任务搜集、汇总文献，了解化学成果应用于生产的过程，体会化学的价值。从多角度了解工业中处理压载水的工艺，形成效率意识、环境保护意识，体会化学的学科价值。工业中应用电解法处理压载水都需要经历哪些流程？6.从多角度分析电解法控制处理压载水的生产工艺。多角度回顾，建构分析电解池的方法模型，并应用模型演绎推理；能从多角度建构电解池原理的认知模型，并演绎推理预测电解饱和食盐水的原理；分析电解池的原理具体有哪些步骤？2.电解池认知模型结构；3.演绎推理电解饱和氯化钠溶液的原理；2-建构电解池的认知模型电解饱和食盐水的过程中，微粒如何变化？4.应用传感器采集、表征电解微观过程；并对结果进行解释；3-可视化反应过程借助 pH、ORP 传感器可以采集反应中 pH 值、ORP 值随时间的变化数据，并对曲线进行解释。通过数字传感器，收集微观反应数据，合理解释微观进程，实现“四重表征”深入剖析反应原理。小组合作进行碘量法测定电解后电解液的有效氯浓度。亲身参与电解结束后电解液有效氯浓度间接碘量法滴定过程，实现计算思维的提升。电解得到的电解液的有效氯浓度是多少呢？5.间接碘量法测定反应后电解液的有效氯浓度。4-定量化反应结果1-搭建微型家庭实验装置5-了解电解处理压载水工艺应用生活化、微型化的装置进行电解饱和食盐水的实验，感受生活中的化学；利用生活常见物品组装电解池装置，观察实验现象；工业上应用电解法处理压载水，电解池基本结构是怎样的？1.组装电解饱和食盐水装置；情境任务问题驱动探究活动教学目标图1教学思路实验装置：按图2的装置示意图，组装出如图3装置实物图。注：9V电池；2B铅笔芯；5 ml西林瓶；饱和NaCl溶液图2电解饱和食盐水微型实验装置示意图图3电解饱和食盐水微型实验装置实物图实验现象：两个电极上都有气泡生成，且伴有刺激性气味。任务总结 电解池的构成要素为：电解质溶液、电极、外接电源；电解饱和食盐水过程中阴极、阳极都有气泡生成。任务2：建构电解池的认知模型驱动问题2 电解压载水的过程中发生了什么变化？类比学习过的电解CuCl2溶液，从电解池的本质、电极、物质转化、电极反应等角度思考分析电解池有哪些步骤？讨论活动2学生1：从反应原理上看，属于氧化还原反应；学生2：电解CuCl2溶液中，电极材料都是石墨电极；通电后，外电路中的电子首先从电源的负极流出到阴极，再从阳极流回正极；为了形成闭合回路，内电路中的阳离子向阴极移动，阴离子向阳极移动。在阴极上生成Cu；在阳极上生成Cl2。提炼模型电解池分析方法模型（图4）：判变化定电极析成分排次序定反应。驱动问题3 电解法处理压载水主要是利用电解后的溶液具有强氧化性而杀灭细菌。从微观看电解饱和NaCl溶液过程是怎么样的？讨论活动3应用模型分析电解饱和NaCl的过程如图5。教学研究 教学研究 7化学教与学2022年第12期（下半月刊）化学教与学（http：/或http：/）化学教与学（http：/或http：/）1 1.判变化判变化属于氧化还原反应2.定电极定电极3.析成分析成分阴离子：Cl-，OH-；阳离子：Na+，H+4.排次序排次序还原性：Cl-OH-氧化性：Na+H+5.定反应定反应2Cl-2e-=Cl22H2O+2e-=H2+2OH-2Cl-+2H2O电解=H2+Cl2+2OH-图5分析电解饱和NaCl溶液的思路归纳总结 应用模型演绎推理电解饱和NaCl溶液的原理，但这只是理论的推理，若要证实，还需要收集实验证据。任务3：可视化反应过程驱动问题4 从理论推理中得到了电解饱和NaCl溶液会生成H2、Cl2、NaOH，但是根据已有的知识，消毒液的主要成分是NaClO，这个过程如何实现？讨论活动4学生提出假设：可能是产物Cl2和NaOH进一步反应生成的。教师引导：这个过程中有哪些微粒发生了反应？这些微粒能否借助一定的仪器检测到？学生：在这个过程中本质上就是H+和Cl-放电而产生了一系列的变化，H+可以通过测量溶液的pH变化进行检测。讨论总结 借助pH传感器可以收集反应过程中体系的pH随时间变化的数据；而Cl2或NaClO的检测，可以利用他们的共同点氧化性而进行检测。氧化性的检测方法如图6所示。驱动问题5 借助pH、ORP传感器可以采集反应过程中体系的pH、ORP值随时间的变化数据，将pH和ORP值数据综合分析，思考在电解饱和NaCl溶液时，微粒发生怎样的反应？探究活动5按如图7装置示意图搭建如图8所示实验实物图。注：学生电源；数据采集器（Vernier，LABQ2）；石墨棒；蘸有NaOH的脱脂棉；四口烧瓶；Go Direct pH传感器（Vernier）；Go Direct ORP传感器（Vernier）；搅拌子；磁力搅拌器。图7电解饱和食盐水实验示意图图8电解饱和食盐水实验装置数据采集打开数据采集器，连接 pH 传感器与 ORP 传感器。向烧瓶中加入饱和NaCl溶液100 mL，设置数据采集频率为2样本/秒，点击“采集”按钮，待pH与ORP值稳定后（30 s），接通电源，电流为1.0A，电解3 min后阳极e-阴极1 1.判变化判变化通过物质转化过程，从化合价角度分析是否发生了氧化还原反应；2.定电极定电极从电极与电源的连接情况判断阴极、阳极；3.析成分析成分分析体系中存在的微粒；4.排次序排次序根据离子的氧化性、还原性强弱，推断离子放电的顺序；5.定反应定反应写出电极反应方程式。图4电解池分析方法模型图6资料卡片 教学研究 教学研究 8化学教与学2022年第12期（下半月刊）化学教与学（http：/或http：/）化学教与学（http：/或http：/）关闭电源，待pH和ORP值稳定后（5min）停止采集数据，得到如图9图像，将数据保存并导出。数据表征将127s ORP值异常数据剔除，导入到Origin数据处理软件，绘制出如图10“时间-pH”和“时间-ORP值”图像。700600500400300200100电势/（mV）0100200300400500时间/（s）11109876pHDEABCFGHABCDEFGH电解池通电阶段pH电势图10电解的“时间-pH”和“时间-ORP值”图像资料卡片pH与次氯酸钠溶液平衡关系如下图11所示：当溶液的 pH 2，溶液中主要成分为 Cl2；当溶液 4 pH 8，溶液中的主要成分为ClO-。Cl2/Cl-的标准电极电势为1.36 V，HClO/Cl2的标准电极电势为1.61 V，HClO/Cl-的标准电极电势为1.48 V，ClO-/Cl-的标准电极电势为0.89 V。次氯酸钠溶液即使在常温下也会发生自然分解释放出新生态原子氧：NaClO=NaCl+O，而新生态原子氧具有强烈的氧化作用，能进一步引起一系列的反应：NaClO+H2O=NaOH+HClONaClO+2HClO=NaClO3+2HClHCl+NaOH=NaCl+H2O3NaClO=NaClO3+2NaCl小组讨论分析曲线特征，解释曲线含义。教师曲线解释在反应开始前，测得饱和食盐水的pH约为6.30，可能的原因有：a.配制饱和食盐水的溶剂去离子水呈弱酸性；b.在配制饱和食盐水后，溶液静置了一段时间，可能溶解了空气中的少量CO2。第一阶段：AB、A B 段（30 s34 s）和BC、B C 段（34 s39 s），溶液的pH和ORP值都呈现出先上升后下降趋势，这个阶段中，阴极附近发生电极反应：2H2O+2e-=H2+2OH-，阳极附近发生电极反应：2Cl-2e-=Cl2，阳极附近生成的Cl2很快和阴极附近生成的OH-发生反应：Cl2+OH-=HClO+Cl-。阴极生成了 OH-，同时由于 Cl2和 OH-发生反应消耗了 OH-，因此溶液的 pH 先上升后下降；溶液中存在的氧化还原电对有（H2O/H2）=-0.83 V，（Cl2/Cl-）=1.36 V，（HClO/Cl-）=1.61 V，此时溶液中Cl2、ClO-的浓度都11970200400时间（秒）pH6004002000200400时间（秒）电势（mV）图9传感器数据012345678910 11pH值100755025溶液中氯元素质量分数/%Cl2HClOClO-图11pH值与漂白剂体系的平衡关系图 教学研究 教学研究 9化学教与学2022年第12期（下半月刊）化学教与学（http：/或http：/）化学教与学（http：/或http：/）比较小，溶液的 ORP 值先上升再下降可能是由于（H2O/H2）、（Cl2/Cl-）、（HClO/Cl-）三电对综合作用的结果。第二阶段：CD和C D 段（39 s56 s），溶液的pH和ORP值都急剧上升。在