“电解池”的教学设计

“电解池”的教学设计（共8篇）

“电解池”的教学设计 篇1

“电解池”的教学设计

闫云晶

（沈阳市第二中学

辽宁 沈阳 110016）

一、教学目标

1.知识目标：了解电解池工作原理，能写出电极反应式以及总反应方程式，了解溶液中阴阳离子的放电顺序。

2.能力目标：利用三个探究实验，层层递进来探究电解原理以及放电顺序。通过观察、实验获取信息，运用科学方法对信息进行分析和推理，提高科学探究能力，体验科学探究的过程。3.情感目标：

（1）学会在思考分析过程中相互讨论，相互启发，体会到小组合作交流的重要性。（2）通过电解装置的改进以及对装置的评价深刻体会绿色化学的思想。

（3）通过实验探究，体会由现象看本质、由个别到一般、由一般到特殊的思想。

二、教学重难点 ⑴电解池的工作原理

⑵离子放电顺序、非惰性电极作阳极时产物的判断

三、教学策略

本教学设计使用的教学方法是实验探究法和启发式教学法，设置了三个微型探究实验，首尾呼应，引导学生进行探究，有利于学生理解电解池的工作原理以及离子放电顺序、非惰性电极作阳极时产物的判断。

四、教学过程

【引课】大家在物理中学过电能生磁，磁能生电，化学中也同样存在这种相互转换！这是手机和笔记本中的电池，这种电池既能充电又能放电，放电时是化学能转化为电能，是原电池装置，而电能也能向化学能转化，这就是我们今天所要学习的电解池！【板书】电解池

【回顾】回忆初中电解水的实验装置，今天我们把水换成氯化铜溶液来看一看！

设计意图：由学生学过的高中物理知识引入，引导学生重视学科联系；回顾初中熟悉的电解水的实验，使之与探究实验1的实验结果形成鲜明对比。

【探究实验1】以石墨为电极，接通直流电源，电解CuCl2溶液，把湿润的碘化钾淀粉试纸放在与直流电源正极相连的电极附近。如图

【教师】同学们在动手实验之前，先来看一下友情提示： 1.检验氯气时将湿润的淀粉碘化钾试纸置于侧面的出气口！2.认真观察两极表面和试纸颜色的变化并记录实验现象！3.注意基本操作的规范性

4.当试纸和两极出现明显变化时再断开电源，并将塑料帽重新套回到出气口上。【学生实验】学生连接仪器，动手实验。

【教师】好，同学们来说一下你们小组的实验现象！

根据实验现象引导学生得出电极反应式以及总反应式，引出电解池的定义。【板书】

一、电解池：电能转化为化学能

阳极：2Cl--2e-=Cl2 ↑(氧化反应)阴极：Cu2++2e-=Cu（还原反应）总：CuCl2Cu＋Cl2↑

【问题1】电子如何流动？通电后，溶液中的阴离子、阳离子如何移动？ 【动画演示】微观动画演示电子的流动方向以及阴阳离子的移动方向，使学生理解起来更直观更形象!【问题2】CuCl2溶液中的离子： Cu2+、Cl-、H+、OH-，氯化铜溶液通电后，为什么没有生成氢气和氧气？

设计意图：通过实验现象和有目的的设疑，引导学生得出得失电子能力，向学生渗透由现象看本质的思想。

【学生】经过思考、小组讨论得出：失电子能力：Cl->OH-;得电子能力：Cu2+>H+ 【教师】我们把在阴阳两极得失电子的过程称为放电。【板书】

二、放电顺序：阳极：Cl->OH-

阴极：Cu2+>H+

【过渡】刚才我们电解了氯化铜溶液，现在我们来电解一下硫酸钠溶液。

【探究实验2】 在培养皿中放入pH试纸，用硫酸钠溶液润湿，以石墨作电极，接通直流电源，观察pH试纸的颜色变化！

设计意图：通过实验现象引导学生得出实验结论即得失电子能力的顺序，并由此向学生渗透由现象看本质的思想。

【问题1】你的实验现象是…..【学生】汇报实验现象：阳极试纸变红，阴极试纸变蓝。【问题2】你的解释是…..【学生】经过思考、小组讨论得出：阳极是水电离出来的OH-放电，阴极是水电离出来的H+放电，促进了水的电离平衡，导致阴阳两极的酸碱性不同。【教师】所以电解硫酸钠溶液就是在电解水。

【板书】阳极：4OH--4e-=O2↑+2H2O(氧化反应)阴极：4H++4e-=2H2↑（还原反应）总：2H2O2H2↑＋O2↑

【问题3】你的结论是…..【学生】经过思考得出：失电子能力：OH->SO42-，得电子能力：H+>Na+ 【板书】阳极：Cl->OH->SO42-

阴极：Cu2+>H+>Na+

【教师】初中电解水时，我们检验了出来的氢气和氧气，而今天我们换一种方法，检验了剩下的离子！两种角度、两种方法！

【小组合作】请将以下简单离子，按放电能力由强到弱的顺序排列，并说出你编排的理论基础或实验事实是什么?

Na+、OH-、Cl-、Br-、H+、SO42-、Cu2+、Ag+、I-设计意图：引导学生归纳总结出判断离子放电顺序的一般规律：判断的理论依据是离子得失电子的能力以及实验事实；向学生渗透由个别到一般的思想。

【教师】下面根据我们得出的结论我们把放电顺序补充完整： 阴极：Ag+>Fe3+>Cu2+>H+>Fe2+>Zn2+>H+水>Al3+>Mg2+>Na+

阳极: S2-> I-> Br-> Cl-> OH-> SO42-等含氧酸根 > F-

大家注意到了，当H+的浓度小到和水中的H+一样时，它的位置就从前面挪到了后面，说明什么呢？

【学生】得出结论：离子得失电子的能力和离子浓度共同影响离子的放电顺序！

【探究实验3】继续电解CuCl2溶液，当红色物质析出明显时将电源反接，注意观察电极上的变化、认真记录实验现象！

【问题1】你的实验现象是…..【问题2】对照〈探究实验一 〉的现象这个实验说明了什么…..设计意图：①通过实验探究得出结论：金属铜失电子的能力大于溶液中的Cl-，向学生渗透由一般到特殊的思想；②由金属铜扩展到所有的金属（除Pt、Au之外）失电子的能力大于溶液中的一切阴离子，再次向学生渗透由个别到一般的思想；③并为下一节课电解原理的应用—电镀作好铺垫。

【学生】得出结论：金属铜失电子的能力大于溶液中的Cl-

【教师引导】其实，所有的金属（除Pt、Au之外）失电子的能力大于溶液中的一切阴离子。那么完整的阳极放电顺序应该是：

阳极：金属（除Pt、Au外）> S2-> I-> Br-> Cl-> OH-> SO42-等含氧酸根 > F-

也就是说：离子浓度、电极材料、得失电子的能力是影响电极产物的三大因素！

【总结】这节课我们亲身体验了电能向化学能的转换，铜和氯气可以生成氯化铜，而氯化铜呢，在电解的条件下也能生成铜和氯气。所以说：电解是最强有力的氧化还原手段；电解质溶液的导电过程就是电解质溶液的电解过程。

【课后作业】我探究、我设计：利用生活中常见材料，自行设计一套电解NaCl溶液的装置并进行电解实验！

设计意图：利用教材中的科学探究引出下节课电解原理的应用—氯碱工业。

五、教学反思

1.微型实验的意义： 把电解实验改为微型实验，利用生活中学生熟悉的简单物品代替专用的化学实验仪器，进行分组实验，使更多的学生能够动手做实验，便于观察实验现象，加深对知识的理解。改进后的实验能够节约药品，减少污染，符合绿色环保要求，使化学更加贴近生活，充分体现新课程的创新理念。

2.突破重难点的策略——三个微型化学实验的设计

三个微型探究实验层层递进、环环相扣、首尾呼应，最后完整的呈现了整个知识体系，很好的突破了本节教学的难点！在每个实验设计后有目的地层层设疑，创设问题情境，将感性认识提升到理性认识，提高学生的归纳推理、演绎推理能力，渗透由现象看本质、由个别到一般、由一般到特殊的思想，使这节课的难点（即离子的放电顺序尤其是活性金属作阳极时产物的判断）通过实验设计得到了很好的突破！

3.教学过程中需要师生重视学科间的联系： 在教学实施过程中，存在着这样两种情况：①关于电子流动方向和离子移动方向的判断时我发现有的同学很快做出正确判断，而有些同学则百思不得其解！在学生中经过调查，我发现快速做出判断的同学是根据物理当中规定的电流方向做出的判断！

②在实验实施过程中还发现了另外一种现象：电解液发热。大部分学生没有发现，或者有个别学生发现了却不会解释。暴露的问题：很多学生不会应用物理知识来解释化学问题，使物理知识和化学知识在头脑中各成体系、相互独立，所以在以后的教学中我们老师首先要打破

这种界限，重视学科之间的联系！4.再谈电解水实验

初中的电解水实验和在PH试纸上电解硫酸钠溶液的实验，表面上看都是在电解同一种物质——水，但实际上后者的实验意义重大，它提供了氢气和氧气检验的另外一种方法！两个实验的检验角度不同，前者是检验出去的气体，而后者是检验电解后溶液中剩下的离子，所以说后者是前者的间接证明！但电解硫酸钠溶液的实验设计是对水的电离平衡、溶液的酸碱性等知识的综合运用，对学生的能力要求较高.

“电解池”的教学设计 篇2

一、实验微型化﹑减量化﹑方便化的改进

鉴于本节课要完成3个分组实验, 而教材实验装置如图1虽然简单、便于观察, 但是作为学生分组实验, 药品用量多, 污染大, 还需要一些配套装置, 不方便更换电解质溶液, 耗时会比较长, 为此根据微型化、减量化的原则, 我对实验进行了如下改进如图2:2节干电池作电源;用学生涂卡用的铅笔芯作石墨电极, 并事先用透明胶布将两根铅笔芯及导线的铁夹固定好以防止电极接触产生短路;把U形管换作点滴板, 这样每一次实验所取溶液不到一滴管, 而且可以做多组实验, 只需换一个凹槽放溶液即可。改进后还有以下好处: (1) 这样的微型装置节约了药品, 减少了污染, 几秒钟就能出现明显现象, 比如图3是电解氯化铜溶液的图片, 有利于学生把重点放在对实验现象的观察上。 (2) 电解碳酸钾溶液时如图4, 很容易观察到一极气泡多一极气泡少。 (3) 该微型装置可以初步检验电解产物, 如图5:电解氯化钠溶液时, 两极是都有气泡的, 我们可以把淀粉碘化钾试纸平铺在电极上面观察哪一极首先变蓝, 可以判断氯气的产生, 检验产物氢氧化钠时若是电解前滴酚酞还可以观察到阴极首先变红。所以改进后的装置不仅具有与教材装置相同的功能, 而且保证了三个探究实验的顺利完成。

二、以化学史创设情境引入课题

在古代的物质观中不管是中国的“阴阳五行说”还是西方的“四元素说”, 都认为水是一种不能够被分解的元素.这是因为水很稳定, 随后我提出以下两个问题:一是水为什么难以分解为氢气和氧气呢?二是如何实现水的分解?设计的目的是引导学生从能量的角度分析水难以分解是因为该过程需要吸收很高的能量, 而电解法可以提供能量, 有助于学生能量观的建构。然后介绍:在化学发展史上第一次实现水电解为氢气和氧气是在1800年伏打发明电池后, 自此“水是一种元素”的传统认识彻底被打破, 电解法的出现给人类带来了一场认识上的革命, 当时英国化学家戴维敏感的意识到它可以用于研究物质的组成, 大胆尝试用电解的方法去分解一些当时人们认为不能够被分解的物质, 结果在短短一年时间内发现了6种新的金属元素。开头的设计, 向学生展示了电解产生的时代背景和产生后给化学的发展带来的巨大影响, 使学生对于本节课的学习充满期待。

三、那戴维到底是如何发现的新金属呢?沿着戴维的探索思路, 开展下面的探究活动

1. 戴维最初想法是水通电可以分解为氢气和氧气, 那物质的水溶液通电又会怎样呢?

由此引入对电解氯化铜溶液的探究。通过实验学生发现一极析出红色物质, 一极有刺激性气体生成, 据此写出电极反应式和总反应式。然后我从能量变化的角度引导学生:铜在氯气中燃烧是放热的, 那氯化铜分解则是能量升高的, 从而从能量变化的角度归纳出电解池的定义, 进一步建构学生的能量观。并根据刚才的实验总结电解池的构成条件。为了突破电解原理这一重难点我制作了动画。电子从电源的负极出发流入电解池的阴极, 溶液中的铜离子移向阴极, 氯离子移向阳极, 铜离子得到电子析出铜, 氯离子失去电子生成氯气, 电子流回电源的正极。进一步理解闭合回路的形成, 强调阴离子的移动方向与外电路中电子的移动方向一致, 阳离子的移动方向与外电路中电流的方向一致。通过观看动画从微观角度体会电解池工作的原理。为了深化学生对阴极和阳极的认识, 我请学生们自己归纳阴极和阳极的区别, 从装置的角度, 与电源正极相连的叫做阳极, 与电源负极相连的叫做阴极;从变化的角度, 得电子、发生还原反应的是阴极, 失电子发生氧化反应的是阳极。在学生对于电解装置有了深刻理解之后请同学们尝试从物质变化的角度归纳电解池的定义。这一环节的设计理念是:让学生经历概念的形成过程, 通过发现问题, 解决问题, 实现学生从实验现象的感性认识上升到电解原理的理性认识。

2. 在理解电解原理的基础上, 我以戴维进行的具体探索为切入点。

戴维时代人们认为从草木灰中提取出来的碳酸钾是一种元素, 但是戴维不迷信前人的结论, 他想通过电解法使其分解。从而转入对碳酸钾溶液的探究。学生通过动手实验, 观察到两极均产生气泡, 且速度有快有慢。有了直观的认识, 我给出当年戴维的实验结果:戴维实验了几十次, 结果在两极得到了两种气体, 经分析是水电解产生的氢气和氧气, 而碳酸钾本身并没有变化。那为什么电解碳酸钾溶液相当于电解水呢?学生经过讨论一致认为溶液中的离子在两极是竞争着去得失电子的。联系金属活动顺序表很容易得出离子的放电是有顺序。这一环节的设计理念是:通过实验发现新的问题-通过推理解决问题, 初步理解离子的放电顺序就是还原性、氧化性顺序, 从而完善对电解原理的认识, 同时引导学生学习戴维勇于探索的精神。规律指导实践, 实践验证规律。为此我设计了实验三电解氯化钠溶液。通过以下三步: (1) 预测能够得到的产物。 (2) 设计实验检验产物。 (3) 写出电极反应式和总反应式。体会研究水溶液电解产物的一般过程和方法。简单交流之后达成共识电解产物为氯气, 氢气和氢氧化钠。氢氧化钠可以滴加酚酞检验, 但由于此时两极都有气泡, 不能够通过刺激性气味来判断氯气在哪一极生成。而我们的微型装置同样实现了淀粉碘化钾试纸检验氯气。我们将试纸平铺在电极上面此时试纸润湿, 观察到阳极首先变蓝, 改变角度, 豁然开朗。

3. 在实验过程中, 学生还提出了3个问题, 使课堂得到了意外的生成。

并经过同学们的相互帮助, 找到了原因。

问题1:阳极产生气泡慢是由于产生的氯气溶解在了碱性溶液中。

问题2:电解前滴酚酞阴极首先变红是由于氢离子放电破坏了水的电离平衡。

问题3:红色过一会变浅是由于氯气溶解后产生了具有漂白作用的物质。这一环节的设计:学生从中体验成功的喜悦和知识的应用价值, 课堂的意外生成开启了学生思考和求知的大门。

那戴维到底如何发现的新元素呢?分析戴维发现金属元素的特点, 都是前2个主族的。学生联系所学金属冶炼方法意识到要排除水的干扰, 可以电解熔融态的物质。而这也正是戴维当年实验的思路, 戴维最后通过电解熔融的氢氧化钾得到了金属钾。他创立的最强大的氧化还原手段———电解法, 使数千年都没有被发现的活泼金属从其熔融液中还原出来, 受戴维的启发, 在电解法出现后的44年间科学家发现了31种新元素。电解的方法到今天依然具有重要的应用价值, 相信以后也将会发挥更重要的作用, 从而结束本节课.

四、课下作业

辩证主义的观点认为:对立面之间是可以相互转化, 相互渗透的。本节电解池, 与已学原电池, 实现了对立面电能和化学能之间的相互转化, 课下请同学们比较原电池和电解池之间的联系和区别。

五、板书设计

电解池

1. 定义:

2. 构成条件:

3. 放电顺序:Cu2+>H+>K+Cl->OH->CO32-

六、课后反思

“电解池”的教学设计 篇3

关键词：高中化学；原电池；电解池；电极反应

化学是一门实践性很强的学科。电化学当中原电池和电解池广泛应用于工业、农业、国防、通信、照明、医疗等部门，与我们日常生活密切相关、不可缺少，成为高考常考的知识点。从高考题型来看，主要涉及选择、填空、判断、推断、计算等形式。从知识内容来看，主要涉及四个方面：原电池、电解池、电镀池和金属防腐的概念；氧化还原反应；得失电子；反应方程式及电极反应式书写。命题过程中，题目呈现方式千变万化，涉及领域广泛，且与我们日常生活紧密相连，在未来高考中仍是考试的热点和难点问题，我们在日常教学活动中要注意激发学生的多向思维、推理判断思维、逆向解题思维，规范学生的解题方法，让学生真正意义上理解概念，做到知己知彼，方可百战不殆。本文总结了原电池和电解池对比教学，原电池和电解池知识点概念归纳教学以及直击考点教学，为广大同行以后的日常教学提高参考。

一、原电池和电解池对比教学

原电池和电解池问题是新课程标准要求必须重点掌握的内容，也是学生学习的一个难点。为了使学生更好地学习理解掌握这部分内容，老师可以采用对比教学方法进行教学。原电池和电解池差异，主要是概念上理解的差异，我们教师要在教学中引导学生对原电池和电解池进行系统比较，让学生清楚认识原电池和电解池的本质差别，从而最终达到提升学生对知识点综合运用的能力，从容面对高考试题当中原电池和电解池的综合考查题型。

二、原电池和电解池知识点概念归纳教学

原电池和电解池是高考化学命题的热点，各地的模拟题中这类考试题目比较多，难度差别也很大，有些甚至比较偏、怪，给学生学习带来了不必要的负担。高考题目形式千变万化，而对知识点理解万变不离其宗。我们在教学中要以近五年高考命题知识点为指导，针对一些常见的题型做详尽的归纳总结，减轻学生的负担。在教学工作中，教师要处理好以下四个方面的问题归纳。1.概念的理解：找出原电池与电解池、正极与阳极、负极和阴极、电子流向与电流流向等概念的异同点，更好地把握知识点的运用；2.化学方程式、离子方程式和电极反应式的书写：电极反应的书写一直是教师教学的重点，也是学生学习的薄弱环节，丢分最多，经常失误；3.计算：常见的有生成物分子式、结构式、物质的量、化学方程式配平等相关计算的形式，通过计算，可以了解考生掌握化学基础知识程度，考查考生对知识点综合运用能力；4.紧密联系生活：化学跟我们日常生活息息相关，手机、笔记本电脑电池充电放电，家用电器生锈等等，都跟电化学有关联。

对原电池和电解池知识点概念归纳总结，能帮助学生更好地理解基础知识，由局部知识向网络知识发展，促使学生注重相关学科的联系和渗透，广泛阅读课外知识，能有效提高学生的学习效率。

三、原电池和电解池直击考点教学

原电池和电解池是高中化学的一个重要理论知识点，也是历年高考必考的一个重点。直击考点教学法就是拿历年高考试题作为典例的教学方法，历年的高考试题也是考生复习最好的资料，通过对历年试题分析，针对性安排教学内容，做到知己知彼，百战不殆。

原电池和电解池的教学，关键是原电池和电解池辨析。下面就从试题区别是原电池还是电解池，电极反应、离子方程式的书写两个方面做教学介绍。

在实例中判定是原电池还是电解池：具体理解满足原电池或电解池的形成条件；是化学能转换电能还是电能转换化学能；有没有活泼金属失去电子；有无金属单质电解析出等试题给出的信息，教师引导学生判断电化学装置是属于原电池还是电解池。最终由学生总结：1.电解池是一定要有外接电源，所以有外接电源的为电解池，无外接电源的必定为原电池。多池组合时，一般是含活泼金属的池为原电池，其余都是在原电池带动下工作的电解池；最活泼的电极相同时，则两极间活泼性差别较大的为原电池，其余为电解池；2.阴阳极的判断，根据电极与电源两极相连的顺序判断，阴极与直流电源负极相连电解池中的电极。其反应时，溶液中氧化能力强的离子首先在阴极上得到电子，发生还原反应。阳极与直流电源正极直接相连，该极上，溶液中还原性强的阴离子失去电子被氧化，或者电极材料本身失去电子被氧化溶于溶液当中；3.两种活动性不同的金属构成的原电池的两极，活泼金属做负极，负极金属是电子流出极，正极金属是电子流入极。用惰性电极时，电解多种阳离子共存的混合盐溶液时，较不活泼的金属的阳离子在阴极首先获得电子而析出。尽管这两部分内容教材中都安排了演示实验，但这两个演示实验的外形相似，操作简单，因此印象不深，记忆不牢。对于基本概念的考查，没有窍门可供选择，只要能牢记和深入理解基本的概念，各种概念的考查都会迎刃而解。

四、结语

化学作为一门基础性学科，又有着自己独特的学科特点。它与其他各科看似不同，其实相通，不同在于内容，相通在于教与学的方法，究其根本，殊途同归，都应以学生为本，激发起积极性、创造性、主动性，再辅以合适的教学方法，同时也要补充尽可能多的课外相关知识，开阔视野，从而达到培养人才的目的。

电解池教学反思 篇4

电解池和原电池是电化学的两个重点知识。今天在原电池的基础上进行电解池的复习，我的教学设计思路是：在讲电解池的过程中，紧紧抓住电解池的重点知识“电解池的工作原理”和难点“电极反应式的书写”设置题目。在设置题目的时候采用“变式”的方法，就是将电解池的基本知识点讲清楚以后，先用“在电极不变的情况下，更换电解池中的.电解液”，让学生分析电解池的电解过程和书写对应的电极反应式;然后再通过“在电解液不变的情况下，更换电解池的电极材料”，让学生再次分析电解池的电解过程和书写对应的电极反应式，通过这样的变式，从不同的角度引导学生对重难点知识进行应用，达到巩固知识，训练思维，提高能力的目的;最后通过一道实验设计题，对前面知识进行逆应用，同时检查自己的教学效果。这些问题在设置的时候注意了层次性，由易到难，学生思考了以后很容易得到答案。

在教学的过程中，我大胆尝试了小组合作的教学方式，让学生通过小组合作的方法分析电解池的电解过程和书写电极反应式，在和学生分析问题答案的时候，引导学生归纳总结知识规律，方便学生的对知识理解和掌握。例如：在更换电解池中的电解液设置的题目讲解后，我和学生一起归纳出电解的四种类型;在换电解池的电极变式后的题目分析中，我引导学生得到精炼池和电镀池的有关规律。

总之，我认为这堂课的教学目标明确、教学设计精细、教学过程重、难点突出，基本达到了教学目的。但由于这堂课采用的是异地教学，两地的学生差异比较大，不能很好地了解学生，导致在教学设计的过程中设置的问题出现偏易的现象;另外，这次教学是我第一次应用小组合作的方式进行的，学生又是第一次使用白板，在引导学生应用白板答题方面，缺少经验，同时在时间控制方面也做得不好，导致最后内容没有讲完;最大的遗憾是自己不够自信，在教学的过程中出现惊场的现象，让自己构思好的东西没有很好地呈现。

“电解池”的教学设计 篇5

一、教学目标

知识与技能：让学生掌握难溶电解质的溶解平衡及溶解平衡的应用，并运用平衡移动原理分析、解决沉淀的生成、沉淀的溶解和沉淀的转化问题。培养了学生的知识迁移能力、动手实验的能力和逻辑推理能力。

过程与方法：引导学生动手实验、分析实验、自主学习、独立思考，根据实验现象，学会分析、解决问题。

情感态度与价值观：在活动中增强团结、协作的合作意识，培养学生学习化学的兴趣，以及对立统一的辨证唯物主义观点。

二、教学重点：难溶电解质的溶解平衡，沉淀的生成、沉淀的溶解和沉淀的转化

三、教学难点：沉淀的转化

四、教学方法：实验法、自主学习、合作探究

五、教学过程

[引入] 我们在第二章学习化学平衡时知道电解质的溶解与结晶是一个动态的平衡状态，请同学们回忆一下将一块缺角的硫酸铜晶体放入硫酸铜饱和溶液中，有什么实验现象？

[提问]实验现象是什么？

[学生回答]晶体重新变规则，质量不变。

[过渡]这个实验说明了电解质的溶解与结晶是一个动态的平衡状态。硫酸铜是一种可溶性的强电解质，那么难溶电解质在水溶液中 是否也存在溶解平衡呢？

[板书] 第四节 难溶电解质的溶解平衡

一、溶解平衡

[思考与交流] 指导学生阅读课本，完成思考与交流的问题。

1、易溶、可溶、微溶、难溶的界限是什么？难溶物的溶解度是否为0？

2、生成沉淀的反应能否真正进行到底？当AgNO3与NaCl反应生成AgCl沉淀时，溶液中是否含有Ag+和Cl-？到什么状态认为沉淀完全？

[总结]绝对不溶的物质是没有的，难溶与易溶并无严格的界限，习惯上将溶解度大于10g的叫易溶、1g～10g的叫可溶、0.01g～1g的叫微溶、小于0.01g的叫难溶。

生成沉淀的反应并不能完全进行，在溶液中存在溶解平衡，通常当溶液中的离子浓度小于1×10-5mol/L时，认为沉淀完全。

[过渡] 难溶电解质的溶解平衡在生成、科研、环保等领域有很重要的应用，大家知道有些牙膏为什么含氟么？要解决这个问题就需要有关沉淀溶解平衡的应用的内容。

[板书]

二、沉淀反应的应用

[讲述]沉淀的溶解平衡也是动态平衡，满足平衡移动的规律，通过改变条件使平衡移动，使溶液中的离子转化为沉淀，或沉淀转化为溶液中的离子。下面我们先学习沉淀的生成。

[板书]

1、沉淀的生成 [思考与交流] 指导学生阅读课本，完成思考与交流的问题。

1、如果要除去某溶液中的SO42-，你选择加入钙盐还是钡盐？为什么？

2、希望沉淀进行的完全有什么措施？

[总结] 加入钡盐能使SO42-沉淀更完全，因为硫酸钡溶解度更小，若希望沉淀进行的完全，可使生成物的溶解度更小，加入的沉淀剂过量，使溶解平衡尽可能向生成沉淀的方向移动。常用方法有调PH值法和加沉淀剂法。

[过渡] 那么如何使沉淀溶解呢？ [板书]

2、沉淀的溶解

[实验探究] 教材第63页实验3-3，完成表格

[讨论] 发生上述现象的原因是什么？阅读教材相关内容，根据“思考与交流”分析找出使沉淀溶解的规律。

[讲解] 根据平衡移动原理，对于处在水中的难溶电解质，只要不断降低溶解平衡体系中的相应离子浓度，平衡就向沉淀溶解的方向移动，从而使沉淀溶解。常用促进沉淀溶解的方法有：加水稀释法、加强酸法和加盐溶液法

[过渡]对于有些沉淀用酸或其他方法都不易溶解，如水垢中的硫酸钙，那怎么办呢？我们可以设法将其转化为另一种比较容易溶解的沉淀再处理。

[板书]

3、沉淀的转化

[实验探究] 教材第64页实验3-4和3-5，完成表格 [讨论] 发生上述现象的原因是什么？阅读教材相关内容，根据“思考与交流”分析找出沉淀转化的过程？如果将实验中的试剂添加试剂顺序颠倒会产生什么结果？沉淀的转化规律是什么？

[讲解]沉淀在溶液中存在着溶解平衡，溶液中有少量的离子，当加入一种能与溶液中的离子结合成更难溶的沉淀的离子就能使得沉淀的溶解平衡不断的向生成沉淀的方向移动，直至完全溶解。沉淀转化的实质是沉淀溶解平衡的移动。溶解度小的转化成溶解度更小的沉淀容易实现。

[引导]沉淀的转化在生产和生活中有许多重要的应用，请同学们阅读教材相关内容和最后的“资料”。

[总结]通过阅读，大家会发现含氟牙膏防治龋齿的原理实质上是利用了沉淀的转化。

[总结]通过本节课的学习，我们知道了难溶电解质的溶解平衡满足平衡移动的规律，了解了难溶电解质的溶解平衡在工业生产等方面的应用，请同学们完成一下练习

[练习]

1、下列说法正确的是（）

A．不溶于水的物质溶解度为0 B．绝对不溶解的物质是不存在的

C．某离子被沉淀完全是指该离子在溶液中的浓度为0 D．物质的溶解性为难溶，则该物质不溶于水

2、在2mL物质的量浓度相等的NaCl和NaI溶液中滴入几滴AgNO3溶 液，发生的反应为（）

A．只有AgCl沉淀生成 B．只有AgI沉淀生成

C．生成等物质的量的AgCl和AgI沉淀 D．两种沉淀都有，但以AgI为主

[作业] P67：1、2、5

[家庭实验]请同学们运用难溶电解质的溶解平衡移动原理，分析水垢的形成原因及溶解办法，并设计实验方案除去。

提示：水中溶解碳酸氢钙、碳酸氢镁和硫酸钙等。

水垢的主要成分是碳酸钙和氢氧化镁。

[板书设计]

第四节

难溶电解质的溶解平衡

一、溶解平衡

二、沉淀反应的应用

1、沉淀的生成

2、沉淀的溶解

“电解池”的教学设计 篇6

高中化学选修4第三章第4节《难溶电解质的溶解平衡》主要教学内容包括《难溶电解质的溶解平衡》的建立，特征和平衡的移动。

我将从以下六个方面对本节课进行说明：设计思想、教材分析、学情分析、三维目标、教学流程、教学反思。

一、设计思想:

新课程倡导通过实现学习方式的多样化，引导学生“主动参与、乐于探究、勤于思考”，新教材的设计也更加注重学生学习和发展的需要，更着重于化学与生活、生产实际的联系。因此教学上一方面要注重开启学生的思维，注重知识的主动建构，另一方面也要注重实验探究，发现化学反应的本质，广泛挖掘所学知识的应用价值，增加有意义学习的内容。基于以上的理解，我采取以下教学策略：

1.使用知识迁移的方法。基于化学平衡，电离平衡，盐类的水解平衡的学习基础，站

在动态平衡的高度理解沉淀溶解平衡的建立和移动，注重知识的主动建构，举一反三，触类旁通。

2.以实验为载体进行探究性学习，激发学生的学习兴趣和探索精神。培养学生的化

学学习素养

3.理论联系实际。加强与生活生产的联系，赋予知识以实用价值。

4.应用“四脑合一”的教学法，让学生会学，学会，体验成功。

《新课程背景下应用脑科学研究的成果开发学生的学习潜能》是我承担的科研课题，取得了一定成果。其中重视大脑的生理性、认知性、情感性、社会性特点，应用“四脑合一”的教学策略改变了学习方式，营造了课堂的和谐氛围，取得了教和学的良好效果。“四脑合一”简而言之即在同一堂课的不同时段采取不同的教学方式会比单一的方式效果好;采用符合大脑的认知规律的教学方法和学习方法效果好;让学生在适度兴奋的情绪中学习效果好;让学生有合作、交流、展示才华、体验成功的机会效果好。

二、教材分析

教材的地位和作用：第三章《水溶液中的离子平衡》是应用前一章所学的平衡理论，进一步探讨水溶液中离子的行为，可以使学生更加全面地理解、应用动态平衡理论。而第四节难溶电解质的溶解平衡是新增加的内容。在学生学习了弱电解质的电离平衡、水的电离和溶液的酸碱性、盐类的水解平衡之后，教科书接着介绍“难溶电解质的溶解平衡”，可以帮助学生更全面地了解水溶液中离子平衡相关的理论，使他们更加透彻地理解在溶液中发生离子反应的原理。

三、学情分析：

认知基础：本节课的对象是高二理科学生，学生在初中阶段已经学习过溶解度的含义并学习了有沉淀生成的一些反应;在本书第二章和第三章又学习了化学平衡和水溶液中离子平衡的相关理论，对动态平衡有了较充分的理解，在已有的认知基础上再学习本课，学生更容易理解和接受。但是本章集中学习电离平衡和盐类的水解等内容，很多学生容易对所学内容混淆，在不同程度上会对本节课的学习产生一定的干扰。

心理特征：学生有一定的理论基础，有强烈的好奇心和探究愿望，对用所学理论解决问题充满期待。

四、三维目标：

依据课程标准和编写教材的意图，结合学生的特点，确立以下的三维目标和教学的重难点：

知识与技能：

(1)知道难溶物在水中的溶解情况及沉淀溶解平衡的建立过程，能描述沉淀溶解平衡;提高知识迁移能力和逻辑推理能力。

(2)能运用平衡移动的观点对沉淀转化过程进行分析，知道沉淀转化的本质并能对相关实验的现象以及生活中的一些相关问题进行解释。

过程与方法：

在探究难溶电解质的溶解平衡实验中，学会自主设计实验、独立思考，提高分析问题、解决问题的能力。

情感态度与价值观：

在实验探究过程中，激发学生学习化学的兴趣，树立对立统一的辩证唯物主义世界观。

3.教学重难点：

重点：难溶电解质溶解平衡的建立

难点：建立“沉淀 溶解”的微观、动态过程，了解沉淀转化的本质。

五、教学流程：分成七个环节进行。

(一)导入新课

播放溶洞景观的图片，指出溶洞里千奇百怪的石笋、石柱、钟乳石的形成都离不开碳酸钙沉淀的溶解和形成。如果你是导游，你能为游客解说这些地貌的形成原因吗?通过本节课《难溶电解质的溶解平衡》的学习，你将从反应原理上弄清楚这个问题。

设计情境，引入新课。以熟悉的事物激发学生学习兴趣，调动学生的积极情绪。

(二)分析课题，研究所学知识与前面内容的联系与区别，明确学习对象。

设计以下四个阶梯性问题，采取对话方式，使学生温故知新：

1.通过课题请你分析本节课的研究对象是什么?

2.该物质所属的类别是按什么标准进行分类的?与强弱电解质是否有一定关系?

3.什么是固体物质的溶解度?难溶电解质的溶解度在什么范围?绝对不溶解的物质有吗?怎样理解溶解性表中“不溶”的含义?

4.化学平衡、电离平衡、盐类的水解平衡各是如何建立的?你认为难溶电解质的溶解平衡又是如何建立的呢?

通过以上问题，明确本节课的学习与前面的内容既有联系又有区别。理解溶与不溶是相对的，没有绝对不溶的物质。所要学习的难溶电解质只是溶解度小于0.01g的电解质，可能是强电解质，如BaSO4,也可能是弱电解质，如Al(OH)3。

此时学生通过积极思维，自己对即将学习的知识做好了准备，思维进入兴奋状态。

(三)实验探究，知识迁移，类比分析，建立“沉淀 溶解”的微观、动态过程。

首先做演示实验：首先通过向饱和氯化钠的上层清液中加入浓盐酸产生白色沉淀的实验引导学生分析得出在NaCl的饱和溶液中钠离子和氯离子仍然有机会重新结合的结论。继而提出问题：在加入浓盐酸之前氯化钠的饱和溶液中为什么没有沉淀析出呢?启发学生思考溶解平衡的建立过程：NaCl(s)Na+(aq)+Cl-(aq)，当氯化钠溶解的速率与溶液中钠离子和氯离子结合的速率相同时，形成了溶解平衡状态。

然后通过类比：将等物质的量浓度，等体积的NaCl溶液和AgNO3溶液混合沉淀后，上层清液中是否存在Ag+和Cl—呢?

学生通过对溶解度的分析，根据溶解度再小也不会等于零，得出一定存在Ag+和Cl—的结论。接着提出问题：那么固体AgCl和溶液中的Ag+和Cl—是一种什么样的状态呢?这个状态是怎样形成的?学生很自然地想到也形成溶解和沉淀平衡。开始时当溶液中电解质的离子浓度大时，其互相结合的速率大与沉淀溶解的速率，反应向生成沉淀的方向进行，随着正、逆速率的改变，最后速率相等，形成沉淀溶解平衡状态。通过动画模拟帮助学生理解这一过程。体会易溶电解质和难溶电解质只是溶解度大小不同，其溶解平衡的建立过程没有区别。

最后归纳总结：让学生自己归纳总结得出难溶电解质溶解平衡的概念，画出时间-速率图像，结合动态平衡的特点总结难溶电解质溶解平衡的特征。促进学生对新知识的理解，达到突破难点的目的。

溶解

沉淀

然后教师讲述沉淀溶解平衡的表示方法：

AgCl(s)Cl-(aq)+Ag+(aq)，强调各符号的意义，让学生对比沉淀溶

解平衡的表达式与电离方程式的区别，通过课堂练习对新知识进行巩固。

再将知识加以引申：在以前的学习中我们会认为等物质的量的Cl-和Ag+会反应完全，那么通过今天的学习，你对Cl-和Ag+的反应有新的认识吗?

这个问题的设计目的是想让学生转换思维的角度，重新认识有沉淀生成的离子反应其实质就是难溶电解质建立沉淀溶解平衡的过程，而我们在离子反应中写成“=”是一种近似的表示方法，化学上一般情况下，相当量的离子互相反应生成难溶电解质，可以认为反应完全。(一种离子浓度小于1×10-5mol/L时沉淀完全。)

至此，完成沉淀 溶解平衡的建立过程的分析，引导学生从微粒之间的相互作用分析问题，建立微粒观。并将有沉淀生成的离子反应转化为沉淀溶解平衡问题，变换了思维角度，有利于学生深入地理解反应的实质，将知识进行整体建构，有机整合。

以上是通过思维探究的方式进行理论部分的学习，对于高中的学生来说，深入的思维探究对开发学生的学习潜能是非常必要的。

(四)、通过课堂讨论和实验探究，利用平衡移动原理，总结影响沉淀溶解平衡的因素：

本环节，提出一系列有趣的问题让学生分析讲解，提供交流合作、实验探究、学以致用、展示才华的机会。

问题一：胃透时喝的钡餐为什么只能是硫酸钡不能是碳酸钡?钡粥对患者有无危险?怎样做更安全?(BaSO4溶解度2.4×10-4g,Ba2+在体内达0.13-0.2g使人中毒)

通过分析你能得出使沉淀溶解和不溶解的一般方法吗?

其它条件不变，减小溶解平衡体系中的相应离子浓度，平衡就向溶解的方向移动，从而使沉淀溶解。

反之，其它条件不变，增大溶解平衡体系中的相应离子浓度，平衡就向沉淀的方向移动，从而使沉淀生成。

问题二：通过讨论分析溶洞里石笋、石柱、钟乳石的形成原因。

回应上课之初提出的问题，使学生把学到的知识灵活应用。

CaCO3(aq)+CO2(g)+H2O(l)CaHCO3(aq)

问题三：实验探究：你能把AgCl沉淀转化成其它的沉淀吗?

通过学生分组讨论实验方案→提出方案→师生共同评价其可行性→分组实验→描述实验现象→总结规律→解释原因。

学生通过探究得出沉淀转化的规律：一定条件下，沉淀从溶解度小的向溶解度更小的方向转化，两者差别越大，转化越容易。沉淀的转化过程实质就是沉淀溶解平衡的移动过程。

通过实验探究环节，学生眼、手、口、脑等多感官参与，符合大脑的认知规律，学习效率高，印象深刻。学生体会探究的快乐和成功的喜悦，大脑的社会性特征得到满足。

(五)总结和提高：

让学生总结影响难溶电解质溶解平衡的因素，培养学生的概括能力、逻辑思维能力和语言表达能力。

(六)习题反馈，加深理解：

牙齿表面由一层硬的组成为Ca5(PO4)3OH(羟基磷灰石)的物质保护着，它在唾液中存在如下平衡：

Ca5(PO4)3OH(s)5Ca2+(aq)+ 3PO43-(aq)+ OH-(aq)。

1.为什么饭后不刷牙容易患龋齿?

2.你能想到用什么方法保护牙齿?

3.已知Ca5(PO4)33F(氟磷酸钙)的溶解度比Ca5(PO4)3OH(羟基磷灰石)更小，请你解释使用适量的含氟牙膏能防止龋齿的原因，并尝试写出反应离子方程式。

(七)作业：学以致用，培养自学能力。

1.锅炉中常有水垢生成，会降低燃料的利用率，造成能源浪费，也会影响锅炉的使用寿命，形成安全隐患，因此要定期除去水垢。水垢中有CaCO3、Mg(OH)2、CaSO4等成分，其中CaSO4不溶于酸，如何除去?

2.自学沉淀溶解平衡常数。如何把沉淀溶解平衡的移动由定性判断上升为定量判断?如何用Qc判断平衡的移动?

六、教学反思：

“电解池”的教学设计 篇7

当今制造业正面临着来自难加工材料 (如不锈钢、硬质合金、高温合金、钛合金等) 的挑战, 利用单一传统的加工方法已经不能有效地加工它们, 这就促成了两种或两种以上加工方法的复合。面对材料的高硬度、成形零件的复杂性, 特种加工技术已成为加工领域的研究热点[1-4]。孔的加工约占机械加工总量的三分之一。目前国内外对小孔、深小孔还未提出确切的定义, 一般说来, 将直径小于3mm的孔称为小孔, 将深径比大于5的小孔称为深小孔。在孔的加工中, 深小孔、异形孔的加工最为困难[5-7]。在此背景下, 研究人员对超声电解复合加工深小孔技术进行了探讨研究。

目前, 国内外对超声振动系统的设计主要是针对振动系统的换能器、变幅杆单个元件的设计, 主要设计方法有解析法、机电等效法、表面弹观法、有限元法。其中, 有限元法是目前应用较广泛的数值分析技术之一, 其求解基本思想是将问题的求解区域划分为一系列单元, 各单元之间通过节点连接, 由平衡关系或能量关系建立节点间的方程组, 通过边界条件进行求解, 该方法能满足工程设计要求[8-11]。

超声电解复合加工深小孔的关键技术是旋转超声振动系统的设计, 这要求超声振动系统具有一定的超声高频振动。超声振动系统主轴的回转精度比较高, 而且在一定深度范围内的深小孔加工中能实现工具超声振动, 输出振幅为30~80μm。传统的全波长或3/2波长振动系统包括换能器的前端盖、电极、压电陶瓷、后端盖、1/2波长变幅杆和传振杆等, 整个振动系统长度较长, 螺纹连接比较多, 精度难以控制, 很难满足回转精度要求。超声加工中, 频率一般为16~25kHz, 振幅为0.01~0.1mm[12]。本文基于局部共振理论, 将解析法和有限元法相结合, 设计1/2波长、频率为20kHz的超声振动系统, 即振动系统由1/4波长换能器和1/4波长变幅杆组成。首先进行换能器、变幅杆各部分尺寸的理论计算, 然后在此基础上进行有限元分析和优化设计, 工具采用高精度ER11螺母夹装, 工具长度在一定尺寸范围变化, 不影响超声振动系统谐振工作, 从而使所设计的超声振动系统满足加工要求。

1 变截面杆纵向振动的波动方程

为了研究方便, 首先对模型做必要的简化, 提出几个假设:变截面杆由均匀、各向同性材料构成;机械损耗忽略不计;平面纵波沿杆轴向传播 (杆横截面尺寸小于1/4波长) ;杆横截面上的应力分布是均匀的[13-14]。

图1所示为一变截面杆, 其对称轴为坐标轴x, 作用在小体积元 (x, x+dx) 所限定的区间上的张应力为σxdx, 根据牛顿定律可以写出动力学方程:

式中, S=S (x) , 为杆的横截面系数;ξ=ξ (x) , 为质点位移函数;, 为应力函数;ρ为细棒材料的密度;E为细棒材料的弹性模量。

在简谐振动情况下, 式 (1) 可以写为

式中, k=ω/c, 为圆波数;ω为角频率;, 为纵波在细棒中的传播速度。

端面受力Fn (x) =-SEξ/x, 结合式 (2) 可以求得简谐振动时, 位移ξn (x) 、振动速度vn (x) (vn=jωξn) 与端面受力Fn (x) 的分布函数。

对等截面杆:

对圆锥形截面杆:

式中, 下标n为变截面杆端面个数;An、Bn分别为待定常数;α为锥度系数, α= (D1-D2) / (D1l) ;D1、D2分别为圆锥变幅杆大端、小端的直径;l为变幅杆的长度。

2 换能器的理论分析

在传统换能器设计当中, 换能器中信号通常设计为半波长, 前盖板采用铝合金、铝镁合金、钛合金等轻金属, 后盖板采用45钢、铜等重金属[15]。这种换能器结构复杂、质量大, 而且由于存在多个结合面, 能量损失比较大。本文设计1/4波长、频率为20kHz的换能器, 如图2所示 (不计电极的厚度) , 其中l1部分为45钢螺母, l2部分为铝合金块, l3、l4部分为压电陶瓷, 它们通过螺杆连接在一起。计算过程中忽略螺杆、电极的影响。考虑换能器的尺寸、质量、安装等因素, 将换能器的节面设计在压电陶瓷与变幅杆的交界处, 为了减小换能器的质量, 将后端盖分成1、2部分, 铝合金材料具有质量轻、阻抗小等优点, 在换能器中起着压块的作用;45钢螺母保证了能量能够最小限度地从换能器的后表面辐射, 提高换能器的前向辐射功率, 同时提供一定的预紧力。

在超声电解复合加工过程中, 超声振动辅助电解加工, 因而, 所设计的换能器中, 功率不宜过大, 取200W, 中心频率为20kHz, 波长按公式λ=c/f计算, 其中c取3.371×106mm/s, f为2.0×104Hz, 一般而言, 超声纵振系统的径向长度应小于声波波长的1/4[15], 根据压电陶瓷材料的性能参数, 确定其型号。这样, 压电陶瓷厚度l3、l4就为已知量, 45钢螺母厚度l1在设计时也已确定, 且将螺母截面近似为等截面圆, 3种材料截面面积相等。

为了计算简便, 分别对每个元件建立坐标系, 在不考虑工具系统的影响下, 由式 (4) 、式 (5) 以及函数的连续性, 可以得到:

解式 (9) , 可以得到关于l1、l2、l3、l4以及v0的方程, 利用MATLAB求解可得l4的值。

3 变幅杆的理论分析

内喷式超声电解复合加工深小孔过程中, 电解液经过换能器的预紧螺杆、变幅杆, 从工具头内孔流出, 因而, 要求流道具有一定的耐腐蚀性。换能器预紧螺杆和变幅杆采用耐腐蚀材料1Cr18Ni9Ti不锈钢, 流道为5mm的孔。常用的变幅杆有圆锥形、阶梯形、指数型等, 其中, 阶梯形变幅杆获得的放大系数较大, 但存在应力集中的不足, 圆锥形变幅杆的放大系数较小, 但是其共振频率和放大系数受负载的影响相对较小, 因而结合上述两种变幅杆的特点, 设计圆锥阶梯复合形变幅杆。为提高变幅杆的回转精度, 减小体积, 并便于加工制作和安装, 设计图3所示的1/4波长变幅杆, 波长按λ=c/f计算, 径向直径小于该波长的1/4, 并结合换能器径向直径确定该值。变幅杆的节面位置在x=0处。

为了计算简便, 分别对每个元件建立坐标系, 在不考虑工具系统的影响下, 变幅杆一端固定, 一端自由, 由式 (4) 、式 (5) 、式 (7) 、式 (8) 以及函数的连续性, 并考虑换能器与变幅杆连接的连续条件, 可以得到:

解式 (10) 可以得到关于l5、l6、l7和l8的等式。在已知l5、l6和l7的前提下, 便可利用MATLAB求解得l8的值。

4 超声振动系统的优化设计

超声电解复合加工深小孔中, 为提高深小孔的圆柱度和尺寸精度并实现各种深径比的深小孔加工, 本文基于局部共振理论[16]设计旋转超声振动系统, 将所设计的超声振动系统看成一个驱动系统, 实现工具系统的共振, 所设计的振动系统力求体积小, 配合精密。为了避免超声振动系统受到电解液的影响并实现旋转, 换能器安装在密封的旋转腔中。换能器所散发的热量通过空气来冷却, 因而, 在换能器的设计中后盖板不仅采用了阻抗较小的铝合金材料, 而且应使换能器体积小, 便于散热, 避免因体积过大引起的回转误差。在对超声振动系统的整体设计过程中, 摒弃了传统的对换能器、变幅杆的分别设计, 而是对超声振动系统进行整体设计。在设计过程中, 换能器和变幅杆的各自频率与设计频率存在一定的偏差, 但是将换能器和变幅杆安装好后的整体频率满足设计要求。

4.1 变幅杆的优化设计

对于所设计的1/4波长变幅杆, 为满足加工要求、获得比较大的行程, 要求其长度尽可能短。因而, l6、l7和l8的范围都在1/8波长以内。为使建立的模型更接近于实际变幅杆, 在变幅杆有限元模型上, 有5mm的电解液流道孔, 将ER11螺母近似于l9圆柱段, 如图4所示。对所建立的模型分别进行模态分析和谐响应分析, 提取频率F和应力函数STRESS_MAX作为优化的状态变量 (SV) , 以l6、l7和l8为设计变量 (DV) , 以设计频率与模态分析频率f之差的绝对值FREQ为目标函数 (OBJ) 。优化结果如表1所示 (只列出最佳结果) 。对优化所得到的长度进行圆整, 并进行模态和谐响应分析, 其仿真结果频率为19 913Hz, 该变幅杆轴向位移分布如图5所示, 沿变幅杆轴向长度变化, 振幅逐渐变大, ER11螺母输出端的位移为75μm, 达到预计设计要求。

4.2 超声振动系统的优化仿真

完成对1/4波长复合变幅杆仿真后, 将1/4波长换能器和1/4波长复合变幅杆组成超声振动系统进行压电分析, 提取纵振频率f, 然后进行优化设计。优化设计过程以l2、l6、l7和l8为设计变量 (DV) , 以设计频率与模态分析所得到的频率之差的绝对值FREQ作为目标函数 (OBJ) , 状态变量 (SV) 为频率f (19~21kHz) 。优化结果如表2所示。

由于已经对变幅杆进行了优化设计, 所得到的振幅满足设计要求, 故在对超声振动系统的优化设计过程中没有考虑振动系统的振幅问题, 只对频率进行了优化设计。超声振动系统的优化仿真结果中, 优化参数结果尺寸相差不是很大。考虑到换能器的散热空间, 因而在l2的取值上优先考虑较小值, l6、l7和l8的值优先考虑变幅杆的优化结果。由于仿真所设置的参数与实际材料的参数具有一定的偏差以及ANSYS软件本身存在的误差, 故其仿真结果也会与实体频率有一定偏差, 因而超声振动系统的优化结果只能作为参考, 指导超声振动系统的设计。超声振动系统如图6所示, 其频率和振幅试验验证结果表明, 所制作出的超声振动系统满足要求。

5 工具系统

在超声电解复合加工深小孔过程中, 所加工的深小孔深度变化范围比较大, 工具不可能采用半波长整数倍叠加的形式来实现共振。范国良等[17]设计了一种基于局部共振理论深小孔超声加工工具系统, 该系统频率可以看成是一端固定、一端自由的纵向振动单独谐振频率。在研制的超声振动系统中, 变幅杆输出端直径为15mm, 工具的直径小于3mm, 直径之比小于0.3, 满足局部共振的条件。对研制出的超声振动系统进行共振雾化测试试验, 其雾化效果比较明显, 用镊子接触振动端部, 发出共振。试验结果表明, 对于管径在1~3mm范围内薄壁工具, 其长度在20~100mm范围都能实现共振。

6 结语

本文为满足超声电解复合加工深小孔的要求, 设计频率为20kHz、1/2波长超声振动系统。首先基于波动方程, 理论设计1/2波长超声振动系统的最初几何模型, 在此基础上, 利用有限元软件ANSYS对1/4波长变幅杆和1/2波长超声振动系统分别进行了模态分析、压电分析和优化设计, 得到了变幅杆和超声振动系统的一系列优化模型, 用于指导超声振动系统的制作。由于所输入的材料参数值与实际材料参数值有一定的偏差, 因而, 其优化模型与实际有一定的偏差。所设计的1/2波长超声振动系统与传统全波长振动系统相比, 减小了超声振动系统的长度和体积, 提高了超声振动系统的回转精度, 在工具满足局部共振理论要求前提下, 可实现不同长度范围的超声振动, 为今后超声电解复合加工深小孔研究提供了基础。

摘要：为设计精密超声电解复合加工深小孔装置的振动系统, 设计了1/2波长超声振动系统和以局部共振理论为指导的工具系统。基于波动方程, 分别建立1/4波长超声换能器和变幅杆的解析模型, 得到换能器和变幅杆的结构尺寸。借助有限元分析软件ANSYS对理论设计的变幅杆和超声振动系统进行动力学分析、压电分析和优化设计, 得到了变幅杆和超声振动系统的优化模型。分析结果表明, 有限元法对变幅杆和超声振动系统的设计制作具有指导意义, 缩短了设计周期, 降低了设计成本, 所设计的超声振动系统具有良好的性能。

适合学生探究的微型电解实验设计 篇8

关键词：微型电解；实验设计；学生探究

文章编号：1005–6629（2014）7–0057–02 中图分类号：G633.8 文献标识码：B

《普通高中化学课程标准（实验）》中提出“教师和实验管理人员应开发实验仪器，研究低成本、少污染的化学实验。同时也鼓励学生和教师充分利用生活中的常用品和废弃物，设计富有特色的实验和实践活动[1]”。电解作为一种技术手段在科学研究和工业生产中有着非常广泛的应用，而其相关知识也是中学化学教学的重要内容。笔者在日常的教学中发现教科书介绍的相关电解实验方案存在试剂用量较多、实验现象不易被所有学生看到、适合教师课堂演示而不太适合学生进行自主探究等不足。为克服以上不足，笔者借助于天然指示剂紫甘蓝汁，利用西林瓶（一种胶塞封口的小瓶子）、饮料瓶盖、注射针头、电池、铅笔芯等物质设计了适合学生探究的微型电解实验，在常态课堂和综合实践活动课中应用效果良好，现介绍如下。

1 实验设计

1.1 微型电解实验装置

图1为微型电解实验装置，2个3mL的西林瓶作为电解池，饮料瓶盖承载西林瓶，注射针头穿过饮料瓶盖作为电极，连接导线的鳄鱼夹各夹住2个注射针，并分别与9V的电源相连。需要说明的是本实验中注射针头应使用全新的，不能使用已用过的医疗废弃针头。

1.2 选择紫甘蓝汁作指示剂

一些电解质溶液电解后，其酸碱性经常发生变化，因此需要加入酸碱指示剂（如酚酞）揭示阴阳极所发生的电极反应；紫甘蓝汁可由紫甘蓝（紫卷心菜）制得，所含色素的颜色会随pH改变而有鲜明的变化，且较稳定，可保存较长的时间，是一种天然的酸碱指示剂；已有文献报道了紫甘蓝汁遇到不同pH溶液所呈现的不同颜色，如表1所示。

笔者将紫包菜剪碎，用热水浸泡获得紫甘蓝汁（或直接剁碎紫包菜挤压获得高浓度的紫甘蓝汁）。借助于pH传感器配制了上述不同pH的溶液，发现溶液酸性增强，紫甘蓝汁的颜色由紫青色逐渐转变为红色，溶液碱性增强，紫甘蓝汁的颜色由紫青色先变成绿色，后变为黄色，证明了上述结论的正确性。因此我们借助紫甘蓝汁来作为该微型实验的酸碱指示剂。

2 实验应用

2.1 电解硫酸钠溶液

配制1 mol·L-1硫酸钠溶液，向2个西林瓶中分别加入硫酸钠溶液至体积占大部分，然后滴加紫甘蓝汁至瓶口，将盛满液体的西林瓶反倒于瓶盖中，与注射针头相接触。向饮料瓶盖中加入少量硫酸钠溶液，以保证整个装置回路，用连接导线的的鳄鱼夹各夹住2个注射针，并分别与9V的电源相连。

可以发现大约1～2分钟就可以观察到下列明显的现象：阳极附近有气泡产生，溶液变红色说明阳极区显酸性，水分子失去电子，生成氧气和H+；阴极附近有气泡产生，溶液变绿色说明阴极区显碱性，水分子得到电子，生成氢气和OH-。学生依据上述的实验现象就可以写出该反应的电极反应式。随着反应的进行，阴极溶液碱性增强，由绿色变成黄色。笔者建议若本实验应用于课堂教学，只要观察到阴极区变绿色即可，若应用于综合实践活动和研究性学习，可引导学生进一步观察溶液颜色的变化。

阳极反应：2H2O-4e-=O2↑+4H+

阴极反应：2H2O+2e-=H2↑+2OH-

2.2 电解饱和食盐水

将上述硫酸钠溶液换成饱和食盐水，阳极电极换成铅笔笔芯，其余步骤同上。

但该实验进行到10分钟时，阳极溶液才褪色，此时产生的气体已把阳极的溶液排得仅剩少部分，而阴极所在西林瓶中的溶液则更是被排得所剩无几（因为氢气的逸出速率比氯气大）。为了解决该问题，笔者将作为阳极的西林瓶中溶液体积减少一半，阴极溶液体积不变，可以发现大约5min内阳极就可以出现由紫色变红色进而褪为无色的现象，便于学生的自主探究。

该微型实验装置也可以用于其他溶液电解实验的研究，由于不同反应的分解电压有差别，可在电源回路中串联一个合适的变阻器，用于调节电解电压，实验时逐渐增大电压，至电极上有明显反应为止。

3 实验特点

宋心琦教授在“中学化学教学改革与微型实验”一文中指出，微型化学实验在中学化学中推广艰难的原因之一是很多物质在微量时和常量时给予观察者的感受可能不同，使得印象或结论因此不同[3]。笔者认为不仅是物质本身，化学反应有时在微量和常量时给予观察者的感受也不同，而本案例中的电解质溶液虽然是“微量”（3mL），但现象并没有因此打折扣，实验现象明显。以电解硫酸钠溶液为例，阴阳两极的溶液分别呈现红色和绿色，呈现鲜明的颜色区别。

上述介绍的实验装置和相关的设计除了具有现象明显的特点外，还具有以下一些优点：（1）时间较短，适合学生自主探究，探究电解硫酸钠溶液大约1分钟后就能观察到明显现象，而饱和食盐水的电解则可以在5分钟内看到阳极先变红后褪色的现象。（2）成本较低，在淘宝上购买西林瓶，仅2毛钱1个，注射器为2元，而铅笔芯和饮料瓶盖均可在日常生活中寻找，唯一较贵的是电池为8元左右，可重复使用多次。（3）揭示电解原理和反应产物，两极产生气泡的数量和颜色变化的不同揭示了电解质溶液的酸碱性和反应产物，特别是电解饱和食盐水，阳极颜色的变化揭示了电解产物氯气、氯气与水反应、次氯酸具有漂白性等一系列变化。教学实践表明：该实验能在一定程度上缓解实验探究和教学效率之间的冲突，而且能深刻地揭示反应原理，将电化学和元素化合物知识联系起来，具有较强的综合性。

参考文献：

[1]中华人民共和国教育部制定.普通高中化学课程标准（实验）[S].北京：人民教育出版社，2003：41.

[2]陈凯，龙琪，张莉娜.一滴紫甘蓝汁的微型电解实验[J].化学教育，2008，（8）：65-67.

[3]宋心琦.中学化学教学改革与微型实验[J].内蒙古民族大学学报，2009，（7）：1～2.

摘要：针对教科书介绍的相关电解实验方案的不足，设计了一套借助于生活中常见物质和材料的微型电解实验装置，并用该装置进行电解硫酸钠溶液和饱和食盐水等研究，实践表明该实验宜作为学生探究实验。

关键词：微型电解；实验设计；学生探究

文章编号：1005–6629（2014）7–0057–02 中图分类号：G633.8 文献标识码：B

《普通高中化学课程标准（实验）》中提出“教师和实验管理人员应开发实验仪器，研究低成本、少污染的化学实验。同时也鼓励学生和教师充分利用生活中的常用品和废弃物，设计富有特色的实验和实践活动[1]”。电解作为一种技术手段在科学研究和工业生产中有着非常广泛的应用，而其相关知识也是中学化学教学的重要内容。笔者在日常的教学中发现教科书介绍的相关电解实验方案存在试剂用量较多、实验现象不易被所有学生看到、适合教师课堂演示而不太适合学生进行自主探究等不足。为克服以上不足，笔者借助于天然指示剂紫甘蓝汁，利用西林瓶（一种胶塞封口的小瓶子）、饮料瓶盖、注射针头、电池、铅笔芯等物质设计了适合学生探究的微型电解实验，在常态课堂和综合实践活动课中应用效果良好，现介绍如下。

1 实验设计

1.1 微型电解实验装置

图1为微型电解实验装置，2个3mL的西林瓶作为电解池，饮料瓶盖承载西林瓶，注射针头穿过饮料瓶盖作为电极，连接导线的鳄鱼夹各夹住2个注射针，并分别与9V的电源相连。需要说明的是本实验中注射针头应使用全新的，不能使用已用过的医疗废弃针头。

1.2 选择紫甘蓝汁作指示剂

一些电解质溶液电解后，其酸碱性经常发生变化，因此需要加入酸碱指示剂（如酚酞）揭示阴阳极所发生的电极反应；紫甘蓝汁可由紫甘蓝（紫卷心菜）制得，所含色素的颜色会随pH改变而有鲜明的变化，且较稳定，可保存较长的时间，是一种天然的酸碱指示剂；已有文献报道了紫甘蓝汁遇到不同pH溶液所呈现的不同颜色，如表1所示。

笔者将紫包菜剪碎，用热水浸泡获得紫甘蓝汁（或直接剁碎紫包菜挤压获得高浓度的紫甘蓝汁）。借助于pH传感器配制了上述不同pH的溶液，发现溶液酸性增强，紫甘蓝汁的颜色由紫青色逐渐转变为红色，溶液碱性增强，紫甘蓝汁的颜色由紫青色先变成绿色，后变为黄色，证明了上述结论的正确性。因此我们借助紫甘蓝汁来作为该微型实验的酸碱指示剂。

2 实验应用

2.1 电解硫酸钠溶液

配制1 mol·L-1硫酸钠溶液，向2个西林瓶中分别加入硫酸钠溶液至体积占大部分，然后滴加紫甘蓝汁至瓶口，将盛满液体的西林瓶反倒于瓶盖中，与注射针头相接触。向饮料瓶盖中加入少量硫酸钠溶液，以保证整个装置回路，用连接导线的的鳄鱼夹各夹住2个注射针，并分别与9V的电源相连。

可以发现大约1～2分钟就可以观察到下列明显的现象：阳极附近有气泡产生，溶液变红色说明阳极区显酸性，水分子失去电子，生成氧气和H+；阴极附近有气泡产生，溶液变绿色说明阴极区显碱性，水分子得到电子，生成氢气和OH-。学生依据上述的实验现象就可以写出该反应的电极反应式。随着反应的进行，阴极溶液碱性增强，由绿色变成黄色。笔者建议若本实验应用于课堂教学，只要观察到阴极区变绿色即可，若应用于综合实践活动和研究性学习，可引导学生进一步观察溶液颜色的变化。

阳极反应：2H2O-4e-=O2↑+4H+

阴极反应：2H2O+2e-=H2↑+2OH-

2.2 电解饱和食盐水

将上述硫酸钠溶液换成饱和食盐水，阳极电极换成铅笔笔芯，其余步骤同上。

但该实验进行到10分钟时，阳极溶液才褪色，此时产生的气体已把阳极的溶液排得仅剩少部分，而阴极所在西林瓶中的溶液则更是被排得所剩无几（因为氢气的逸出速率比氯气大）。为了解决该问题，笔者将作为阳极的西林瓶中溶液体积减少一半，阴极溶液体积不变，可以发现大约5min内阳极就可以出现由紫色变红色进而褪为无色的现象，便于学生的自主探究。

该微型实验装置也可以用于其他溶液电解实验的研究，由于不同反应的分解电压有差别，可在电源回路中串联一个合适的变阻器，用于调节电解电压，实验时逐渐增大电压，至电极上有明显反应为止。

3 实验特点

宋心琦教授在“中学化学教学改革与微型实验”一文中指出，微型化学实验在中学化学中推广艰难的原因之一是很多物质在微量时和常量时给予观察者的感受可能不同，使得印象或结论因此不同[3]。笔者认为不仅是物质本身，化学反应有时在微量和常量时给予观察者的感受也不同，而本案例中的电解质溶液虽然是“微量”（3mL），但现象并没有因此打折扣，实验现象明显。以电解硫酸钠溶液为例，阴阳两极的溶液分别呈现红色和绿色，呈现鲜明的颜色区别。

上述介绍的实验装置和相关的设计除了具有现象明显的特点外，还具有以下一些优点：（1）时间较短，适合学生自主探究，探究电解硫酸钠溶液大约1分钟后就能观察到明显现象，而饱和食盐水的电解则可以在5分钟内看到阳极先变红后褪色的现象。（2）成本较低，在淘宝上购买西林瓶，仅2毛钱1个，注射器为2元，而铅笔芯和饮料瓶盖均可在日常生活中寻找，唯一较贵的是电池为8元左右，可重复使用多次。（3）揭示电解原理和反应产物，两极产生气泡的数量和颜色变化的不同揭示了电解质溶液的酸碱性和反应产物，特别是电解饱和食盐水，阳极颜色的变化揭示了电解产物氯气、氯气与水反应、次氯酸具有漂白性等一系列变化。教学实践表明：该实验能在一定程度上缓解实验探究和教学效率之间的冲突，而且能深刻地揭示反应原理，将电化学和元素化合物知识联系起来，具有较强的综合性。

参考文献：

[1]中华人民共和国教育部制定.普通高中化学课程标准（实验）[S].北京：人民教育出版社，2003：41.

[2]陈凯，龙琪，张莉娜.一滴紫甘蓝汁的微型电解实验[J].化学教育，2008，（8）：65-67.

[3]宋心琦.中学化学教学改革与微型实验[J].内蒙古民族大学学报，2009，（7）：1～2.

摘要：针对教科书介绍的相关电解实验方案的不足，设计了一套借助于生活中常见物质和材料的微型电解实验装置，并用该装置进行电解硫酸钠溶液和饱和食盐水等研究，实践表明该实验宜作为学生探究实验。

关键词：微型电解；实验设计；学生探究

文章编号：1005–6629（2014）7–0057–02 中图分类号：G633.8 文献标识码：B

《普通高中化学课程标准（实验）》中提出“教师和实验管理人员应开发实验仪器，研究低成本、少污染的化学实验。同时也鼓励学生和教师充分利用生活中的常用品和废弃物，设计富有特色的实验和实践活动[1]”。电解作为一种技术手段在科学研究和工业生产中有着非常广泛的应用，而其相关知识也是中学化学教学的重要内容。笔者在日常的教学中发现教科书介绍的相关电解实验方案存在试剂用量较多、实验现象不易被所有学生看到、适合教师课堂演示而不太适合学生进行自主探究等不足。为克服以上不足，笔者借助于天然指示剂紫甘蓝汁，利用西林瓶（一种胶塞封口的小瓶子）、饮料瓶盖、注射针头、电池、铅笔芯等物质设计了适合学生探究的微型电解实验，在常态课堂和综合实践活动课中应用效果良好，现介绍如下。

1 实验设计

1.1 微型电解实验装置

图1为微型电解实验装置，2个3mL的西林瓶作为电解池，饮料瓶盖承载西林瓶，注射针头穿过饮料瓶盖作为电极，连接导线的鳄鱼夹各夹住2个注射针，并分别与9V的电源相连。需要说明的是本实验中注射针头应使用全新的，不能使用已用过的医疗废弃针头。

1.2 选择紫甘蓝汁作指示剂

一些电解质溶液电解后，其酸碱性经常发生变化，因此需要加入酸碱指示剂（如酚酞）揭示阴阳极所发生的电极反应；紫甘蓝汁可由紫甘蓝（紫卷心菜）制得，所含色素的颜色会随pH改变而有鲜明的变化，且较稳定，可保存较长的时间，是一种天然的酸碱指示剂；已有文献报道了紫甘蓝汁遇到不同pH溶液所呈现的不同颜色，如表1所示。

笔者将紫包菜剪碎，用热水浸泡获得紫甘蓝汁（或直接剁碎紫包菜挤压获得高浓度的紫甘蓝汁）。借助于pH传感器配制了上述不同pH的溶液，发现溶液酸性增强，紫甘蓝汁的颜色由紫青色逐渐转变为红色，溶液碱性增强，紫甘蓝汁的颜色由紫青色先变成绿色，后变为黄色，证明了上述结论的正确性。因此我们借助紫甘蓝汁来作为该微型实验的酸碱指示剂。

2 实验应用

2.1 电解硫酸钠溶液

配制1 mol·L-1硫酸钠溶液，向2个西林瓶中分别加入硫酸钠溶液至体积占大部分，然后滴加紫甘蓝汁至瓶口，将盛满液体的西林瓶反倒于瓶盖中，与注射针头相接触。向饮料瓶盖中加入少量硫酸钠溶液，以保证整个装置回路，用连接导线的的鳄鱼夹各夹住2个注射针，并分别与9V的电源相连。

可以发现大约1～2分钟就可以观察到下列明显的现象：阳极附近有气泡产生，溶液变红色说明阳极区显酸性，水分子失去电子，生成氧气和H+；阴极附近有气泡产生，溶液变绿色说明阴极区显碱性，水分子得到电子，生成氢气和OH-。学生依据上述的实验现象就可以写出该反应的电极反应式。随着反应的进行，阴极溶液碱性增强，由绿色变成黄色。笔者建议若本实验应用于课堂教学，只要观察到阴极区变绿色即可，若应用于综合实践活动和研究性学习，可引导学生进一步观察溶液颜色的变化。

阳极反应：2H2O-4e-=O2↑+4H+

阴极反应：2H2O+2e-=H2↑+2OH-

2.2 电解饱和食盐水

将上述硫酸钠溶液换成饱和食盐水，阳极电极换成铅笔笔芯，其余步骤同上。

但该实验进行到10分钟时，阳极溶液才褪色，此时产生的气体已把阳极的溶液排得仅剩少部分，而阴极所在西林瓶中的溶液则更是被排得所剩无几（因为氢气的逸出速率比氯气大）。为了解决该问题，笔者将作为阳极的西林瓶中溶液体积减少一半，阴极溶液体积不变，可以发现大约5min内阳极就可以出现由紫色变红色进而褪为无色的现象，便于学生的自主探究。

该微型实验装置也可以用于其他溶液电解实验的研究，由于不同反应的分解电压有差别，可在电源回路中串联一个合适的变阻器，用于调节电解电压，实验时逐渐增大电压，至电极上有明显反应为止。

3 实验特点

宋心琦教授在“中学化学教学改革与微型实验”一文中指出，微型化学实验在中学化学中推广艰难的原因之一是很多物质在微量时和常量时给予观察者的感受可能不同，使得印象或结论因此不同[3]。笔者认为不仅是物质本身，化学反应有时在微量和常量时给予观察者的感受也不同，而本案例中的电解质溶液虽然是“微量”（3mL），但现象并没有因此打折扣，实验现象明显。以电解硫酸钠溶液为例，阴阳两极的溶液分别呈现红色和绿色，呈现鲜明的颜色区别。

上述介绍的实验装置和相关的设计除了具有现象明显的特点外，还具有以下一些优点：（1）时间较短，适合学生自主探究，探究电解硫酸钠溶液大约1分钟后就能观察到明显现象，而饱和食盐水的电解则可以在5分钟内看到阳极先变红后褪色的现象。（2）成本较低，在淘宝上购买西林瓶，仅2毛钱1个，注射器为2元，而铅笔芯和饮料瓶盖均可在日常生活中寻找，唯一较贵的是电池为8元左右，可重复使用多次。（3）揭示电解原理和反应产物，两极产生气泡的数量和颜色变化的不同揭示了电解质溶液的酸碱性和反应产物，特别是电解饱和食盐水，阳极颜色的变化揭示了电解产物氯气、氯气与水反应、次氯酸具有漂白性等一系列变化。教学实践表明：该实验能在一定程度上缓解实验探究和教学效率之间的冲突，而且能深刻地揭示反应原理，将电化学和元素化合物知识联系起来，具有较强的综合性。

参考文献：

[1]中华人民共和国教育部制定.普通高中化学课程标准（实验）[S].北京：人民教育出版社，2003：41.

[2]陈凯，龙琪，张莉娜.一滴紫甘蓝汁的微型电解实验[J].化学教育，2008，（8）：65-67.