電解法制備氫氧化鋁

北京市東直門中學(xué)(100007) 竇金雨 王廣利

讓學(xué)生的學(xué)習(xí)產(chǎn)生實(shí)質(zhì)性的變化，是新課程教育改革的重點(diǎn)。促使學(xué)生在學(xué)習(xí)的過程中使其主體性、能動(dòng)性、獨(dú)立性不斷得到張揚(yáng)、發(fā)展、提升，并在此過程中，讓學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、提出問題并解決問題。通過學(xué)生自己動(dòng)手實(shí)踐、自主探索與合作交流構(gòu)建起化學(xué)學(xué)習(xí)方式，逐步將課堂的中心轉(zhuǎn)向?qū)W生，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)探究與創(chuàng)新意識(shí)的學(xué)科核心素養(yǎng)，促進(jìn)學(xué)生創(chuàng)新意識(shí)與實(shí)踐能力的綜合發(fā)展。

1 問題提出

化學(xué)是一門能夠創(chuàng)造新物質(zhì)的科學(xué)，而化學(xué)學(xué)科讓學(xué)生能夠發(fā)散性地探究創(chuàng)造物質(zhì)的過程。在傳統(tǒng)教學(xué)中，教師和學(xué)生都過于拘泥于教材并受到模塊之間的限制，從而難以打破模塊之間的壁壘。本實(shí)驗(yàn)則注重傳授學(xué)生應(yīng)用所學(xué)知識(shí)改進(jìn)傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)條件和方法，通過模塊之間的聯(lián)系去解決實(shí)際問題。

元素化合物知識(shí)是高中化學(xué)學(xué)習(xí)的重要部分，也是學(xué)生學(xué)習(xí)化學(xué)學(xué)科的基礎(chǔ)。但是學(xué)生在學(xué)習(xí)過“化學(xué)反應(yīng)原理”后，很難聯(lián)系實(shí)際運(yùn)用電化學(xué)方法制備物質(zhì)。

2 教材呈現(xiàn)

氫氧化鋁的制備是2019年人教版必修第1冊第4章第2節(jié)“元素周期律”中實(shí)驗(yàn)探究“第三周期元素性質(zhì)遞變”的內(nèi)容，也是2007年新課標(biāo)人教版化學(xué)1(必修)中第3章第2節(jié)“鋁的重要化合物”的部分內(nèi)容。

教材中的實(shí)驗(yàn)是傳統(tǒng)無機(jī)制備方法，即用可溶性鋁鹽和弱堿完成制備。鑒于此，可在學(xué)生學(xué)習(xí)完“電化學(xué)基礎(chǔ)”內(nèi)容后進(jìn)行教學(xué)，發(fā)散學(xué)生的思維，凸顯電解池的作用。

3 實(shí)驗(yàn)儀器及試劑

為了環(huán)保和生活化改進(jìn)實(shí)驗(yàn)，本實(shí)驗(yàn)選材均為生活中易得或?qū)嶒?yàn)室中的常見物質(zhì)。

3.1 實(shí)驗(yàn)儀器

學(xué)生電源、導(dǎo)線若干、瓶蓋、硬質(zhì)塑料蓋、砂紙。

3.2 實(shí)驗(yàn)試劑

氨水、碳棒(可用鉛筆芯代替)。

4 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)裝置圖如圖1所示。

5 實(shí)驗(yàn)原理

本實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)原理為Al3++3NH3·H2O=Al(OH)3↓+3NH4+，故以此作為電解池的總反應(yīng)，確定電解池的陰、陽兩極以及電解質(zhì)溶液。電解池陽極金屬失去電子得到金屬陽離子，所以用打磨后的鋁片充當(dāng)電解池陽極，發(fā)生Al-3e-+3NH3·H2O=Al(OH)3↓+3NH4+的反應(yīng)；碳棒做陰極，發(fā)生2H++2e-=H2↑的反應(yīng)。用氨水作為電解質(zhì)溶液即可完成總反應(yīng)。

陰極參與反應(yīng)的H+為外加電壓后，促進(jìn)水解所得；由于在電解過程中，氨水會(huì)不斷被消耗導(dǎo)致濃度降低，但在本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中陰極消耗H+使溶液中整體酸堿性保持恒定，能夠長時(shí)間地制得氫氧化鋁。

6 實(shí)驗(yàn)步驟及現(xiàn)象

(1)在硬質(zhì)塑料蓋上打兩個(gè)小孔，一個(gè)用于插入鉛筆芯，另一個(gè)用于插入鋁片。

(2)在瓶蓋中加入氨水。

(3)將鋁片打磨備用，安裝好鉛筆芯。

(4)用學(xué)生電源連接兩電極，正極(電解池陽極)為打磨后的鋁片，負(fù)極(電解池陰極)為碳棒(可用鉛筆芯代替)。

(5)打開電源，開始實(shí)驗(yàn)。

(6)一段時(shí)間后，觀察到鉛筆芯表面有氣泡冒出，打磨后的鋁片上及鋁片附近有白色固體生成，同時(shí)伴隨產(chǎn)生氣泡(此氣體通過理論分析為氧氣，反應(yīng)原理為：4OH--4e-=O2+2H2O)。

7 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)特色

(1)本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)綠色化和生活化，由于實(shí)驗(yàn)中用到的氨水有難聞氣味且傳統(tǒng)試管實(shí)驗(yàn)用量為4 mL左右，實(shí)驗(yàn)中采用類似蓋板的硬質(zhì)塑料蓋防止氨水揮發(fā)出刺激性氣味，此外將氨水置入瓶蓋(約1.5 mL)中有效地減少了氨水的用量。

(2)充分地發(fā)散學(xué)生思維，增強(qiáng)對(duì)于電解知識(shí)的應(yīng)用，嘗試?yán)秒娊獬刂苽錈o機(jī)化合物，讓學(xué)生全面掌握氫氧化鋁的制備知識(shí)，能夠落實(shí)學(xué)生科學(xué)探究與創(chuàng)新意識(shí)的化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。

(3)該實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)驗(yàn)儀器和實(shí)驗(yàn)操作步驟簡單，改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象明顯。

(4)從學(xué)習(xí)者的角度，打破了模塊之間的界限，融合了模塊與模塊間的基礎(chǔ)知識(shí)，以目標(biāo)產(chǎn)物氫氧化鋁為線索討論其制備方法，較大限度地啟發(fā)了學(xué)生的化學(xué)思維。