在氣泡中長大的“銅樹”
——電解CuCl2溶液的趣味探究實驗

吳寧寧

（南京市第二十九中學 江蘇 南京 210036）

一、實驗背景

2019 人教版高中化學選擇性必修一中電化學部分，電解占據很重要的一部分，在掌握電解原理的基礎上從微觀角度分析電解過程中電解質溶液內部的變化尤為重要。針對這一節(jié)內容，2017年版課程標準中也建議開展電解氯化銅溶液的探究實驗。筆者查閱文獻發(fā)現，關于探究電解氯化銅溶液過程中兩極pH 變化的實驗很少，但在教學過程中經常會有學生問及電解過程中溶液pH的變化情況。化學是實驗的科學，遇到問題時，應積極尋求用實驗的方法解決，以實驗數據為證據進行合理的解釋［1］。

用教材中提供的電解CuCl2溶液的裝置開展學生實驗，發(fā)現實驗現象不明顯。于是對實驗裝置進行了改進，并且在實驗的過程中，除了獲得了兩極pH的變化情況，還觀察到了異常實驗現象——陰極除析出紅色物質的同時還有氣泡析出。學生基于陰極現象的視覺效果，又對陰極電極加以設計，開展了基于電解CuCl2溶液的趣味實驗——在氣泡中長大的“銅樹”。

二、實驗

2019 人教版高中化學選擇性必修一教材中本實驗是在U形管中進行，但是實際實驗中發(fā)現電解進行得很慢，實驗現象不明顯，而且由于U形管管口較細，pH傳感器不能伸入管內以實時測定電解過程中兩極pH變化。查閱資料發(fā)現是因為電極放置在U形管兩端，兩電極間距離長電解速率慢，作為課堂實驗效果不佳［2］。學生討論后對實驗裝置進行了改進。將礦泉水瓶從中間切成兩部分，上端瓶口部分倒扣在下端瓶身中，做成簡易的電解槽，縮短兩電極之間的距離，實驗一開始就能觀察到明顯的實驗現象，而且也解決了pH傳感器的放置問題。

1.電解CuCl2溶液過程中兩極pH的變化

1.1 實驗用品

（1）實驗器材：

自制電解槽一套（配有2B鉛筆芯作電極），學生直流電源一個，兩支pH傳感器，裝置示意圖如圖1所示。

圖1 電解CuCl2溶液的實驗裝置

（2）實驗試劑：

pH為4.08、9.16的兩份緩沖標準液，0.02 mol/L的CuCl2溶液40 mL，淀粉-KI試紙。

（3）實驗條件：

室溫，敞開體系，2B鉛筆芯作電極，陰陽兩極之間距離約為10 cm。

1.2 實驗步驟

（1）用緩沖標準液對兩支pH傳感器進行校正。

（2）將CuCl2溶液加入自制電解槽中，固定好兩電極位置。

（3）將兩支pH傳感器分別放在陰陽兩極附近，采集數據，待兩支pH傳感器示數穩(wěn)定，接通電源，開始電解。

（4）每隔約1 min時間，交換一次兩支pH傳感器的位置，且每次都置于相同位置，并盡快固定使溶液穩(wěn)定。

1.3 實驗現象

實驗過程中可以觀察到，陽極電極上有大量氣泡冒出；陰極電極上有紅色物質析出，同時也有氣泡冒出［3］。實驗數據顯示，在電解CuCl2溶液時，每次交換pH傳感器位置并穩(wěn)定后，兩極附近pH隨時間變化情況如圖2所示。兩極pH相差很大，陰極電極附近溶液呈堿性，陽極電極附近溶液呈酸性。

圖2 電解氯化銅溶液過程中兩極pH的變化

1.4 實驗結論

由實驗現象可知，陽極電極上有大量氣泡冒出。由電化學原理知道，電解質溶液中的陰離子移向陽極，在陽極上發(fā)生氧化反應。CuCl2提供的Cl-、水電離出的OH-移向陽極，Cl-還原性強于OH-，優(yōu)先在陽極放電，發(fā)生氧化反應：2Cl-- 2e-==== Cl2↑。陽極附近溶液呈酸性，說明不能忽視氯氣溶于水并和水發(fā)生的反應：電解質提供的Cu2+、水電離出的H+移向陰極。陰極有紅色物質析出，是Cu2+發(fā)生還原反應：Cu2++2e-====Cu；有氣泡冒出，且在陰極附近放置一片濕潤的淀粉-KI試紙，較長時間內觀察不到明顯現象，說明不是陽極生成的氯氣擴散到陰極并逸出，究其原因應是2H2O+2e-====H2↑+2OH-；同時陰極附近Cu2+被還原成Cu單質，溶液中Cu2+濃度降低，使得其水解平衡逆向移動，二者均使得陰極電極附近H+濃度減小，OH-濃度增大，呈堿性。這也說明電極反應速率很快，超過陽極區(qū)H+向陰極流動補充的速率，所以H+的消耗速率大于補充速率，H+濃度減小，陰極實時pH增大。

由實驗數據和以上分析可以證明，很多電解題目忽略氯氣溶于水，不考慮陰極電極pH 的變化是不合理的［4］，純粹是為了做題而做題，并沒有考慮實際情況。

1.5 討論

此實驗中在陰極觀察到有氣泡冒出，屬于超出高中學生認知范圍的異常實驗現象。這一現象的出現激發(fā)了學生的好奇心和探究欲望。學生課后開展了探究實驗，反復操作發(fā)現當兩個電極距離比較近時，陰極有大量氣泡產生，兩電極距離較遠時，陰極氣泡較少，現象不明顯。學生們群策群力，討論、分析可能的原因，最終的解釋是電極距離近時，陽極產生的Cl2能更快地擴散到陽極，與水反應產生H+，或者Cl2與水反應產生的H+可以更快地遷移到陰極，總之兩電極距離近時，有利于增大陰極H+濃度，在電解時與Cu2+產生競爭，共同被還原。

電解實驗數據表明，陰極不管用哪支pH傳感器，電解穩(wěn)定后，pH讀數都顯示溶液呈堿性；陽極無論用哪支pH 傳感器，電解穩(wěn)定后，pH 讀數都顯示溶液呈酸性，排除了傳感器帶來的誤差。陽極溶液pH 的變化是由于產生的氯氣溶于水并和水反應造成的。而陽極產生的H+會移向陰極，使陰極H+濃度增大，和Cu2+產生競爭，在陰極共同被還原。所以觀察到陰極有紅色物質析出的同時也有氣泡產生。

對此推理，學生們提出了探究實驗方案——在電解時，使用陰離子交換膜，阻止陽極H+向陰極移動。由于實驗條件有限，目前還沒能得以執(zhí)行。

對于電解CuCl2溶液過程中出現的這一異?，F象，學生們除了以上的追因探究，還利用這一現象帶來的視覺效果設計了一個趣味實驗，感受化學之美。

2.在氣泡中長大的“銅樹”趣味實驗

2.1 實驗用品

（1）實驗器材：

自制電解槽一套（同上），學生直流電源一個，細銅絲。

（2）實驗試劑：

0.02 mol/L的CuCl2溶液，NaCl固體，沾有NaOH溶液的棉花團。

2.2 實驗步驟

（1）將細銅絲繞在鉛筆芯上，像分叉的樹枝；組裝好裝置，如圖3所示；

圖3 制作“銅樹”的電解裝置

（2）向CuCl2溶液中加入適量NaCl，攪拌溶解。接通電源，開始電解實驗；

（3）觀察并記錄下陰極的實驗現象。

2.3 實驗現象

在陰極上，有氣泡冒出，同時不斷有紅色的銅析出，吸附在每一根細銅絲上，像絨毛一樣不斷長長，稍微晃動溶液，銅絨毛會在溶液中擺動。在電解過程中，陰極電極看起來就像是一棵在氣泡中慢慢長大的紅色“銅樹”，如圖4所示。

圖4 在氣泡中長大的“銅樹”實驗現象

2.4 討論

在電解CuCl2溶液時，向其中加入一定量的NaCl，可以增大電解質濃度，增強溶液導電能力，也增大溶液中Cl-濃度，使析出Cl2的速率更快，增大溶液中Cl2的濃度，增強溶液酸性，陰極H+濃度增大，由能斯特方程可知其氧化性增強，與Cu2+的競爭力也增強，在陰極被還原，同時析出紅色固體物質Cu，所以學生在電解CuCl2溶液時加入了適量的NaCl固體。

3.實驗反思

3.1 實驗創(chuàng)新之處在于對教材實驗進行了改進，使電解現象出現得更快更明顯，而且能夠解決氯氣污染空氣的問題，并且可以進行微型化實驗，節(jié)約試劑。利用身邊觸手可及的物質自制實驗器具，如礦泉水瓶、鉛筆芯、導線內的銅絲等，拉近化學與生活的距離。尤其是實驗條件不佳的學校，大大激發(fā)了學生大膽嘗試創(chuàng)造實驗條件的勇氣。針對本實驗，學生電源沒有或者不足的學校，也可以鼓勵學生嘗試使用充電寶等作為電源。

3.2 學生在實驗探究的過程中提升對電解原理的認知程度，拓寬自己的理論知識。理論分析陰極上只有Cu析出，而實驗過程中卻出現了不一致的現象，除析出紅色物質，還有氣泡冒出。這一異?，F象，激發(fā)了學生的探究欲望。查閱資料可知是H+和Cu2+在陰極競爭反應的結果。利用此現象，學生設計了趣味實驗——在氣泡中長大的“銅樹”，實現現象極具觀賞性，學生能夠主動感受并欣賞化學的神奇和美麗，增加課堂趣味性和學科魅力。

3.3 使用兩支pH 傳感器，在自制電解槽中實現電解過程中溶液的不同區(qū)域pH變化的直觀化，有助于學生從微觀角度對電解原理進行深入分析。但測兩極pH變化的過程中，實驗在敞開體系中進行，在此過程中如何避免氯氣逸出到空氣中，是下一步改進的要點。

3.4 這是一組系列實驗，以教材為源，超出教材。真正實現化學學科在復雜、真實的實驗情境中發(fā)現問題，再用實驗來解決問題的學科學習方式。在實驗探究過程中，迸發(fā)出一些來自實踐的思維火花，切實感受到思維的深刻性和獨創(chuàng)性得以提升，并感受到實驗的魅力，感知學科的價值。紙上得來終覺淺，絕知此事要躬行，凡事一定要多實踐、多思考。

三、實驗教學總結

首先，本實驗教學的價值挖掘。作為一名化學學科老師，筆者深知化學是在原子、分子的水平上研究物質的組成、結構、性質及應用的基礎自然科學。因此如何將化學的學科本質落實到自己的課堂上成了筆者經常思考的一個問題，具體表現為教什么、如何教、為什么要教。筆者認為只有在貫穿學科知識的真實情境下，教師加以知識的講授、方法的引導和情感的培養(yǎng)，學生才能形成一定的價值觀念、必備品質和解決問題的關鍵能力，最終逐漸形成化學學科核心素養(yǎng)。

本節(jié)課選自2019 人教版高中化學選擇性必修一第四章第二節(jié)電解池，教材安排了電解CuCl2溶液的實驗，課程標準也建議開展電解CuCl2溶液的探究活動。

筆者認為本節(jié)課既是學科知識學習的需要，因為它是電化學知識不可或缺的一部分，同時學生了解電解原理的應用也是社會對工業(yè)生產專技人員的要求，本節(jié)課對電解原理的教學起到鞏固基礎知識、提升思維深度的作用。

學生通過查閱資料，從微觀角度解釋兩極pH 的宏觀變化。在實驗探究過程中，學生的微粒觀、變化觀、實驗觀等核心觀念逐漸形成。與此同時，宏觀辨識與微觀探析、證據推理與模型認知、科學探究與創(chuàng)新意識等核心素養(yǎng)得到一定提升。除此之外，實驗中的異?，F象的充分利用激發(fā)了學生在學習中的自主性和創(chuàng)造性，體驗到化學之美，同時也為學生的課外自主學習與發(fā)展拋磚引玉［5］。

其次，目標建構。通過分析教材和課標，筆者設定了以下三個教學目標，分別是①通過對電解CuCl2溶液現象的觀察、實驗數據的分析，從微觀角度解釋宏觀現象，完善電化學的知識體系；②引導學生分析實驗過程中的異?，F象，發(fā)展學生宏觀辨識與微觀探析、證據推理與模型認知、變化觀念與平衡思想等核心素養(yǎng)；③通過對異?，F象的分析，引導學生設計實驗方案驗證自己的分析，用理論指導實踐，在實踐中發(fā)現問題、解決問題，培養(yǎng)科學探究與創(chuàng)新意識、科學態(tài)度與社會責任等核心素養(yǎng)。

同時，為每一個教學目標確立了相應的評價目標，分別為①通過對電解過程中微觀粒子變化本質的討論和點評，診斷并發(fā)展學生對電解原理的認識水平（物質水平、微粒水平）；②利用異常現象培養(yǎng)學生的思辨能力、證據推理能力及探究實驗設計能力；③通過實驗過程，從學科價值視角、社會價值視角等方面診斷并發(fā)展學生對化學價值的認識水平，從而實現教學評一致性［6］。

教學重點是認識電解的原理和本質，發(fā)展宏觀辨識與微觀探析、證據推理與模型認知等核心素養(yǎng)；難點是分析電解過程中出現異?，F象的原因，并設計實驗、動手做實驗、觀察現象、解釋現象、驗證猜測。為此筆者采用POE的教學策略［7］，在建構主義理論的指導下，利用真實情境促進概念建構，同時融合環(huán)環(huán)相扣的探究活動發(fā)展核心素養(yǎng)，采用講授、實驗、自主合作、探究等多種教學方法，以期達到最好的教學效果。