利用传感器技术探究电解氯化钠稀溶液的实验

孙 彤 朱 燕

摘　要：运用定性、定量结合的方法与数字化传感器技术，改进电解氯化钠稀溶液实验，让学生直观清晰地认识实验事实，以提升学生的证据推理意识。

关键词：氯化钠稀溶液；氧气传感器；溶解氧传感器；电解

一、问题的提出解1.0 mol/L NaCl实验中检验到了氧气，方法是在电解5 电解饱和食盐水是人教版《化学(选修四)》的重要min时，用注射器抽取阳极气体，用NaOH浓溶液洗涤，知识，当使用惰性电极电解时，阳极：2Cl-—2e-=Cl2，阴再抽取洗涤后气体注入到淀粉KI溶液，溶液不变蓝，注极：2H++2e-= H2。这部分内容承载着将理论与实际相联入稀硫酸酸化的淀粉KI溶液，溶液变蓝。说明实验中有系的作用，帮助学生认识氯碱工业相关的化工生产[1]。有氧气产生。针对实验中的异常现象(带火星木条未复燃)学生提出疑问，如果用石墨电极电解氯化钠的稀溶液会学生猜测是氧气量太低，但需要进一步展开定量实验，怎样呢？学生经过思考一致认为根据电解装置模型在阴而传统方法很难做到，因此笔者与学生一同利用手持技极区域依旧是H+放电产生H2，而学生的争论点是在阳极术进行了一系列探究。

区域。学生提出疑问：在NaCl稀溶液中(本文以1 mol/L 表1　学生方案

NaCl溶液为例)，由于氯离子浓度相对饱和，NaCl溶液方案1

方案2

的氯离子浓度小，于是溶液中的氯离子与氢氧根离子在阳极放电属于较为激烈的竞争关系，究竟是Cl-还是阳极：氯气氯气可以使湿润的淀粉碘化钾

氯气可以使湿润

OH的检验试纸变蓝：Cl-优先放电？

+2I-=I的蓝色石蕊试纸

22+2Cl-先变红后褪色为培养学生科学探究的核心化学素养[2]，笔者让阳极：氧气学生自行设计实验验证猜想，学生方案见表1。在后续的检验

氧气可以使带火星的木条复燃

实验中学生发现电解过程刚开始，在阳极附近，湿润的蓝色石蕊试纸就很快变红，但是并没有立刻褪色，二、实验过程学生经过讨论认为大部分氯气溶于氯化钠稀溶液中，1.实验原理

逸出的氯气量太少导致蓝色石蕊试纸变红后没有立刻(1)惰性电极电解氯化钠稀溶液。

褪色。进行补充实验：用玻璃棒蘸取阳极附近液体滴阳极：2Cl-—2e- = Cl2，4OH-—4e- = 2H2O+O2在蓝色石蕊试纸上，试纸立刻被漂白，说明Cl-放电产阴极：2H++2e-= H2

生了氯气。湿润的淀粉碘化钾试纸在阳极附近瞬间变(2)氧气传感器用于检测气态氧气的浓度。蓝，同样说明有氯气产生。但在阳极附近，带火星的(3)溶解氧传感器用于检测液体中溶氧浓度。木条一直没有复燃，难道没有氧气产生吗？经查阅资料2.仪器与试剂

后，发现莘赞梅[3]利用原理：O2+4H++2I-=I2+2H2O，在电

学生电源，磁力搅拌器，石墨电极，电解池，导

作者简介：孙彤，硕士，中教二级。北京师范大学良乡附属中学，102488朱燕，本科，中教一级。北京房山区教师进修学校，102400

2019年7月总第318期

9教育科技应用

线，氧气传感器，溶解氧传感器，数据采集器，集气瓶，木条，火柴，铁架台，药匙。

试剂为：1 mol/L NaCl溶液，1 mol/L Na2CO3溶液，5%H2O2，MnO2。

3.实验步骤

(1)组装电解装置(如图1所示)，将氧气传感器，溶解氧传感器，数据采集器与计算机进行连接。

图1　电解装置

(2)12 V电压电解1 mol/L NaCl溶液过程中，用氧气传感器实时监测液面上方阳极附近氧气含量变化，用溶解氧传感器实时监测液面下阳极附近溶解氧含量的变化。

(3)12 V电压电解1 mol/L Na2CO3溶液过程中，用氧气传感器实时监测液面上方阳极附近氧气含量变化，用溶解氧传感器实时监测液面下阳极附近溶解氧含量的变化。

(4)向集气瓶中加入25 mL的5%H2O2和少量MnO2，用氧气传感器实时监测、检测瓶口处氧气含量，同时观测瓶口处带火星木条是否复燃。

4.实验分析

图2溶解氧传感器显示，室温时1 mol/L氯化钠中溶解氧约为8.33 mg/L，通电后，液面下阳极附近溶解氧含量下降，电解240 s后(约7.53 mg/L)开始上升，约325 s后超越初始含量，电解约600 s后溶解氧含量约为15.00 mg/L。通电60 s后湿润的淀粉碘化钾试纸立刻变为蓝色，湿润的蓝色石蕊试纸很快变为红色，且用玻璃棒蘸取阳极附近液体滴在蓝色石蕊试纸上，试纸立刻被漂白，均说明电解实验刚开始时，以氯离子放电为主(2Cl- —2e-=Cl2)，氢氧根离子几乎没有放电产生氧气，240 s后不断有氧气(4OH-—4e-=2H2O+O2)产生，325 s后超越初始值，此时在阳极附近湿润的淀粉碘化钾试纸仍然会变为蓝色，但速度比之前要慢，颜色要浅，说明此时氢氧根放电的同时仍有少量氯离子在放电。图2氧气传感器初始

102019年7月值为20.4%，在通电800 s的过程中，数值一直处于20.4%～20.6%，趋于稳定不变，溶液中的氧气几乎没有逸出。

为了排除电解氯化钠溶液中阴极氢气对溶解氧测量的干扰，进行对比实验。电解1 mol/l碳酸钠溶液，阳极：4OH- —4e-=2H2O+O2，阴极：2H++2e- =H2，图3溶解氧传感器显示在电解过程中，阳极附近溶解氧含量从8.33 mg/L不断上升，电解120 s后溶解氧含量为16 mg/L。图2与图3对比可知，电解1 mol/L氯化钠初始溶解氧数值下降是阳极先产生氯气所致。

为了探究带火星木条未复燃的异常现象，组装过氧化氢分解的氧气监测装置(如图4所示)。集气瓶口处氧气含量约21%时，带火星木条并没有复燃。向集气瓶中加过氧化氢和二氧化锰，过氧化氢不断分解，瓶口处氧气含量不断增大，此过程中用带火星木条监测，当氧气传感器示数显示大于25%时，带火星的木条才出现较为

明显的复燃，由此可见带火星的木条复燃需要氧气含量超过25%。图2中氧气传感器显示，电解1 mol/L NaCl过程中，液面上方阳极附近氧气含量有略微波动，但一直低于25%，这就解释了在电解过程中为何阳极附近观测不到带火星木条复燃的现象。因此本实验中用带火星木条检验电解是否有氧气放出显然不合适。

图2　电解氯化钠溶液

图3　电解碳酸钠溶液

总第318期

图4　过氧化氢分解的氧气监测装置三、实验优点1.源于教材又高于教材

电解饱和食盐水是人教版《化学(选修四)》的重要内容，这部分内容承载着将理论与实际相联系的作用，帮助学生认识氯碱工业相关的化工生产。本实验的设计在课本体系的基础上，从课本中电解饱和氯化钠溶液发展到本文电解氯化钠稀溶液(本文为1 mol/L)。主要研究阳极区域的氯离子和氢氧根离子如何竞争放电。实验表明氯气的检验可以借助湿润的淀粉碘化钾试纸，也可以用湿润的蓝色石蕊试纸。氧气的检验可借助溶解氧传感器，现象明显。

在此实验中，电解1 mol/L的NaCl稀溶液，阳极区域首先以氯离子放电产生氯气为主，随着氯离子浓度的减少，很快氢氧根就会放电产生氧气，且随着时间推移逐渐以氢氧根放电为主。通过本实验的学习，学生可以更好地理解在多离子体系中，微粒存在竞争放电，放电顺序与离子种类、离子浓度等有关。更深入地体会到氯碱工业中选择电解饱和食盐水的原因。

2.提升化学核心素养

电解饱和食盐水作为电解池装置的经典模型，阴、阳极放电情况学生较为熟悉，在对电解装置模型认知的基础上，本实验设计通过学生猜想并设计实验验证电解1 mol/L的氯化钠溶液时阳极区域的放电情况，培养学生实验探究、证据推理能力。当呈现出湿润的蓝色石蕊试纸变红后没有立刻褪色的直观现象时，学生自主进行微观探析—溶液中氯离子浓度小，平衡反应Cl2+H2O=HCl+HClO使得生成的氯气大多

2019年7月溶于水中，遂进行补充实验从而见证了褪色的现象；当空气中微观粒子氧气分子含量达到一定限度时，才会表现为带火星的木条复燃的直观现象；随着电解时间的延长，湿润的淀粉KI试纸蓝色逐渐变浅的直观现象背后是微观粒子氯离子在逐渐减少。当带火星的木条一直没有复燃时，教师带领学生借助传感器新技术定量监测，细致观察物质微量的变化，培养学生借助数字化实验的创新意识，在化学学习过程中体会氯碱工业原料选择的科学性，培养学生们的社会责任与科学精神，培养学生实

验探究中的对比思想，将1 mol/L碳酸钠与1 mol/L氯化钠相对比，更好地解释阳极区域首先是氯离子放电产生氯气的事实。

3.改进传统实验方法

数字化实验可以将不易观测的微小变化放大、可视化。关于氧气的检验较为传统的方法是用带火星的木条，观察是否复燃。然而传统教学中关于此方法的使用很少能做到定量实验。本实验用氧气传感器和溶解氧传感器双管齐下，同时进行液面下与液面上的实时监测，数据来源便捷、可靠。溶解氧传感器显示溶液内氧气含量上升，而氧气传感器示数并无明显波动，表明氧气几乎没有逸出溶液。并通过过氧化氢分解的实验定量研究发现，使带火星的木条复燃的最低氧气百分含量约为25%，解释了电解氯化钠稀溶液(1 mol/L)用带火星的木条检测失败的原因，为以后相关实验教学提供了理论依据。

四、结语运用“定性+定量”的方法并结合数字化传感器技术进行探究电解氯化钠稀溶液的实验，得到了较好的实验结果。参考文献[1] 宋心琦.普通高中课程标准实验教科书•化学反应

原理[M].3版.北京:人民教育出版社,2007.

[2] 林崇德.21世纪学生发展核心素养研究[M].北京:

北京师范大学出版社,2016.

[3] 莘赞梅.教“活”的知识:电解食盐水实验的再思

考[J].中学化学教学参考,2017(9):53.总第318期

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