【摘要】
化学学习是以实验为基础的学科，化学实验有助于激发学生学习化学的兴趣，利用实验可以更直观的认识化学反应的进行程度，启迪学生的科学思维。
【关键词】
电解氯化铜装置改进、环境污染
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在普通高中课程标准实验教科书化学选修四《化学反应原理》第三章第3节电解池79页开篇即为电解氯化铜溶液实验【1】，该实验首先在U形管中注入CuCl2溶液，U形管左右两边各插入一根石墨棒作电极，用镊子夹取一片湿润的碘化钾淀粉试纸并将其放在与直流电源正极相连的石墨电极（阳极）附近。接通直流电源，让学生观察U形管内的现象并描述试纸颜色的变化（如图1）。
（图1）
该实验在现行教材中一直是一种演示性实验，由于该实验产生Cl2具有毒性，教学过程中很多教师会选择采取电子白板放置视频让学生观看的方式。对于学生来说前面刚学会了原电池的反应原理，突然转换到了电解池，思维方式无法及时转换，对于学习电解池原理有一定的困难，因此利用好电解氯化铜溶液实验至关重要。该实验在课堂中演示通常会出现了一下几个问题：1.书中在描述该实验步骤时（实验4-2）未交待CuCl2溶液的配制浓度，对于想要演示该实验的教师造成了一定的难度。2.该实验是一个敞口型实验，阳极产物为氯气，Cl2为有毒气体，吸入量达到0.2ppm就会引起身体不适【2】，Cl2无法及时处理，严重影响师生的健康，因此该实验一般要求在有通风设备的实验室中进行，无法达到分组实验的目的。3.该实验为生成足够的Cl2以至于让学生能够观察到明显的实验现象，往往会出现药品使用过多，电解时间过长的情况。4.由于采用U形管作为主要的实验装置，为了固定U形管还需要配合使用铁架台进行固定，U形管本身左右两端距离过宽，导致阴阳两极石墨棒相距较远，电阻过大。为提供足够的电源，一般采用220v转低压直流电源即学生电源，整体装置较笨重。5.若在12v左右相对较大的电压情况下进行电解，电解约1min左右才能够在阳极表面观察到有气泡逸出，又因为U形管本身开口较大，电解约3min左右才能够观察到阳极上方的湿润的碘化钾淀粉试纸出现蓝色，同时观察到阴极石墨棒上产生一薄层红色的铜，电解时间过长也是该实验产生较大空气污染的原因，该实验不符合绿色化学的思想【3】。6.在进行该实验过程中若选择的氯化铜溶液较浓，当电解浓的氯化铜溶液（绿色）时，随着电解时间过长在阴极区会出现黑色物质，黑色物质的增多溶液会变得不再透明。若选择较稀的氯化铜溶液，当电解稀氯化铜溶液（蓝色）时，一般采用25%的氯化铜溶液，随着电解时间过长在阴极区碳棒下端除了出现紫红色物质之外还可以观察到里面夹杂着部分白色物质（氯化亚铜）。以上两种现象均会影响该实验的实验效果，不利于学生对该实验现象进行观察。
笔者通过查阅资料可知决定电极反应快慢的因素有：电压、电极材料和电流强度【4】。当电压、电极材料一定时，电流强度越大，电极反应就越快。而决定电流强度大小的因素除了一定物质溶液的体积分数外，还有两极间的距离和横截面积。依据教材中使用U形管作为实验装置，选用的石墨电极较小，导致横截面积小，电阻较大，且U形管中阴阳离子迁移路线较窄，阴离子、阳离子相互移动受阻，导致实验时间过长，效果不够明显。因此在改进该实验的过程中应从以下几个方面进行考虑：1.缩短两个石墨电极将的距离，增大石墨的横截面积，保证阴离子、阳离子移动方向不会受阻，以至于实验整体反应时间不要过长；2.药品用量合适，阳极能产生足够的氯气，生成的氯气能被学生及时观察到实验现象，阴极能产生现象明显的铜层；3.在实验过程中能及时有效的除去产生的氯气，防止其泄露，造成环境污染；4.将装置简化，使用更轻便的装置进行实验，便于携带，若能进行学生分组实验更好。
改进方案：
一、实验用品
实验仪器：直流电源、带支管的U型管、带两个金属夹且顶部有孔的塑料盒、石墨棒、橡皮塞、小烧杯、导线若干、橡胶管、导管、电池盒、，学生电源、1.5V干电池、镊子、棉花、止水夹
实验试剂：0.8mol/LCuCl2溶液、10%CuCl2溶液、20%CuCl2溶液、30%CuCl2溶液、40%CuCl2溶液、25%CuCl2溶液、浓氢氧化钠溶液、淀粉碘化钾试纸
二、实验装置
（图2）
（图3）
三、实验原理
Cl2+2NaOH===NaCl+NaClO+H2O
四、实验步骤
针对第一种实验方案（图2）是由魏崇启老师【5】制作的，该设计方案是在原U型管的基础上进行创新，针对其原来敞口的实验改为安装橡皮塞防止氯气泄漏，将湿润的淀粉碘化钾试纸帖在橡皮塞上，用于氯气的氧化性质检验，左边的支管口用止水夹夹紧防止氯气泄漏，多余的氯气从右边支管口用橡胶管连接玻璃导管通入装有浓氢氧化钠的烧杯中，用于吸收多余的氯气。该设计方案很好的解决了U型管敞口问题，和氯气泄漏问题，对于0.8mol/L的氯化铜溶液的选择也是经过了不断的实验，选择出来的。但该实验有一个缺点，对于湿润的淀粉碘化钾试纸的固定有一定的难度，由于U型管瓶口过小，额外在增加辅助工具有一定的难度，且该淀粉碘化钾试纸在仪器内部观察不易，为了克服这些缺点，笔者在该实验创新基础上进行了进一步的改进（图3）。
针对学生已经学习过原电池的内容，且在教学过程中均做过多次实验，学生对这部分知识已经相当熟练的基础上，选择将曾经做过原电池实验的装置带金属夹的塑料盒改装成电解池，首先从选择电极上，由原来的金属与非金属电极或活泼性不同的两个电极，改为两个石墨电极，在认知上为学生造成认知冲突，让学生意识到应该与原电池进行区分，将0.8mol/L的氯化铜溶液改为10%CuCl2溶液、20%的氯化铜溶液、30%CuCl2溶液、40%CuCl2溶液、25%CuCl2溶液，分别取不同浓度的溶液20ml注入塑料盒中，盖上盖子使石墨棒与氯化铜溶液充分接触，连接导线，根据各学校情况不同可以选择连接在学生电源上，或电池盒上，选用电池盒的话需要两节1.5V的干电池，连接好电源后，用镊子将湿润的淀粉碘化钾试纸贴在塑料盒的顶部的小孔处，便于观察实验现象（图4），打开电源开关，进行实验。
（图4）
（图5）
通过实验可知产生气泡最快为20%氯化铜溶液和30%氯化铜溶液，在阴极析出铜的现象也是30%的硫酸铜溶液最快，但30%的硫酸铜溶液本身颜色较深，在实验过程中不利于学生进行实验观察。综合上述数据考虑，及查阅相关资料，笔者选择使用25%的硫酸铜溶液进行实验。实验开始2s左右开始出现氯气气泡，实验时间在12s-15s即可观察到湿润的淀粉碘化钾试纸变蓝，关闭电源。立即取下淀粉碘化钾试纸，用镊子夹取蘸有浓氢氧化钠溶液的棉花堵住小孔防止过多的氯气外泄（图5），同时课观察到阴极有红色的铜析出。
五、实验改进的创新之处
1.现象明显：整个实验过程，可以清晰地观察到实验现象，且较短时间就能完成实验。
2.装置创新：
（1）利用棉花蘸取NaOH溶液的方法方便吸收尾气，防止环境污染。
（2）利用湿润的淀粉碘化钾试纸，让学生直观的感受到电解过程生成了Cl2。
（3）选材贴近生活，同时又靠近前沿。可以提高学生实验探究兴趣和培养创新意识。
3.推广应用:仪器常见，方便推广、实现简单快捷完成电解池CuCl2溶液；也可以设计为学生分组实验。
参考文献：
【1】人民教育出版社课程教材研究所化学课程教材研究开发中心，2007年：《普通高中课程标准实验教科书化学选修四化学反应原理》，人民教育出版社。
【2】衡科学，《电解氯化铜溶液实验装置改进》，《教学纵横》，2021年，第10期。
【3】邹雪莲，张邱，《电解氯化铜溶液微型化实验改进》，《中学化学教学参考》，2016年，第6期。
【4】朱赛，《氯化铜溶液电解实验装置的探究与改进》，《实验教学与仪器》，2013年，第6期。
【5】魏崇启，《电解氯化铜溶液实验改进》，《实验教学研究》，2012，第一期。
文末小贴士
01作者介绍
樊凤，第三师图木舒克市第二中学，从事高中化学教师12年，从事班主任工作7年，获得兵团级论文大赛二等奖，现场课大赛二等奖，实验创新大赛三等奖，师级现场课大赛二等奖，实验创新说课大赛三等奖。
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