第三节-电解池-说课

第三节电解池本节内容包括两大部分：一是电解原理，二是电解原理的应用。电解原理和原电池原理都是电化学的重要基础理论。不同的是，原电池原理研究的是如何利用能够自发进行的氧化还原反应将化学能转变为电能；而电解原理研究的是如何借助电能使不能自发进行的氧化还原反应能够发生，从而使电能转换成化学能。教科书将理论研究与实践探讨都放在了十分突出的地位，“电解池”是将理论与实际相联系的实体，通过“电解氯化铜溶液实验”引出电解原理，又在理解电解原理的基础上介绍相关化工生产方面的应用，如氯碱工业、电解精炼铜、电镀工业以及电冶金等。教科书中还安排了两个活动，一是【思考与交流】，将原电池和电解池作对比，另一个是【科学探究】，要求设计一套电解饱和食盐水的装置并进行实验。以帮助学生了解使电能转变为化学能的条件和方法，加深对氧化还原反应的认识，提高辩证思维的能力。同时，还可以帮助学生牢固树立理论联系实际的学风。本节教学的重心是认识“电能如何转换成化学能”，为避免重心偏移，对以下知识点的深度要予以适当控制。（1）对于电解过程中阴、阳两极上离子的放电顺序，只要求学生通过对实验现象的观察和分析有一个粗略的了解。具体来说，在阳极，几种阴离子的放电顺序可依据常例为：Cl-＞OH-＞SO42-。若是金属单质作阳极，则除Pt、Au、Ti等少数金属以外，其他金属将优先于阴离子在阳极放电。在阴极，阳离子的放电顺序一般是：按金属活动性顺序，越不活泼金属，其阳离子越容易被还原。而铝以前的金属均不可能在水溶液中被还原。要特别注意：教学中不要把阴、阳离子在电极上的放电顺序绝对化。因为阴、阳离子在两极上的放电情况比较复杂，与离子性质、溶液浓度、电流密度和电极材料等都有关系。（2）关于电解原理在氯碱工业、电解精炼铜和电冶金工业中金属钠的冶炼等方面的应用仅限于主要原理介绍，对生产的主要设备只作一般性的了解，而对具体生产流程则不作要求。本节教学可采取实验探究与讲授相结合的方式。本节教学重点和难点：电解原理及其应用。教学建议如下：1.课时分配。第一课时，电解原理；第二课时，电解原理的应用。2.新课引入。第一课时，可以通过“电解氯化铜溶液”的实验直接引入；也可以通过回顾科学发展史引入，例如可以用这样一段话作为引言（同时投影背景图片资料）：“1799年，当意大利人发明了最原始的电池——伏打电池之后，许多科学家对电产生了浓厚的兴趣，电给世界带来了太多的不可思议，好奇心驱使着人们去进行各种尝试，想看看它还能否出现什么奇特的现象。1807年，当英国化学家戴维将铂电极插入熔融的氢氧化钾并接通直流电源时，奇迹终于发生了，在阴极附近产生一种银白色的金属，随即形成紫色的火焰。这就是发现钾元素的主要过程，当时在社会上引起了轰动。他随后用电解法又相继发现了钠、钙、锶、钡、镁、硼、硅等元素，戴维成为发现化学元素最多的人。这其中的奥妙是什么呢？电解时，物质的变化是如何发生的呢？……”通过这种引入方式可以使学生将前面学习的原电池原理与本课将要了解的电解池原理自然地结合在一起，有利于激发学生的求知欲。3.教学中要把握好重心。“电解氯化铜溶液”的实验既是理解电解原理的突破口，也是本节教学的重心，应充分发挥该实验在教学中的作用，努力引导学生通过自己的观察，了解电解装置和电解过程中的实验现象，并用所学知识分析电极表面发生变化的原因，进而认识电解池的功能，认识“电解质溶液的导电过程，就是电解质的电解过程”。教学过程中，“电解氯化铜”的实验可以是教师演示，学生通过观察、记录，再予以分析；如果条件允许，最好是由学生分组实验、分组讨论，然后由教师组织大家归纳总结。围绕“电解氯化铜溶液”的实验，应要求学生注意以下几点：（1）仿照教科书中的装置示意图（图4-8）进行组装，了解电解装置的基本构造（包括电解池及其与直流电源的连接方式）。（2）如实记录实验过程和现象，并加以准确的表述。（3）应用电解质的电离和氧化还原反应等理论知识，对有关变化的过程和现象进行分析并作出结论。上述实验的具体过程可分三步进行（以突出电流对阴、阳两极发生化学反应的影响，并区别于原电池的反应）。①将两根碳棒分别插进U形管内的CuCl2溶液中（稍候，若碳棒表面无明显实验现象，可取出碳棒继续下一步操作）；②将两根碳棒用导线连接后，浸入U形管内的CuCl2溶液中（稍候，若碳棒表面无明显实验现象，可取出碳棒继续下一步操作）；③将两根碳棒分别跟直流电源的正极和负极相连接，浸入U形管内的CuCl2溶液中，再接通直流电（稍候，若碳棒表面有气泡产生，则应分析产生气泡的可能原因，并设计方案予以检验）。最终的结论是：在没有接通直流电时，两根碳棒无论是否用导线相连，都不能使CuCl2溶液发生变化。但是，在直流电的作用下，溶液中的CuCl2被分解了，在阴极析出还原产物Cu，在阳极析出氧化产物Cl2，实现了电能转换为化学能的过程。4.为强化学生对电离与电解、原电池与电解池等知识点的理解，可引导学生采用列表比较法进行归纳。在完成“电解氯化铜溶液”的实验及相关讨论之后，就可以插入教科书安排的【思考与交流】活动，基本内容如表4-2和表4-3所示。表4-2电离与电解的比较表4-3原电池与电解池的比较5.第二课时，可将教科书中的【科学探究】作为课前思考题，组织有兴趣的学生在课前进行实验探究活动，然后在上课时作为讨论题引入，并演示“电解饱和食盐水”的实验。为了引导学生思考，必要时可将问题分解为以下几点：（1）通电前，饱和食盐水中存在哪些离子？这些离子的运动情况怎样？（2）在电解装置中，可否选用铜作阴、阳极的电极材料，为什么？（3）通电后，溶液中的离子运动发生了什么变化？（4）溶液中的Na+是否可能被还原为金属钠，为什么？（5）电解后，在阴极区和阳极区分别得到的产物是什么？如何证明？在上述活动中，应尽量避免“老师问，学生答”的格式化，努力为学生主动地发现问题、提出问题并解决问题提供必要的时间和思维空间。帮助学生在理解电解原理的基础上将思维的触角向应用方面自然延伸。6.关于电镀，为方便学生形成感性认识，加深理解，可补充电镀铜的演示实验，并将电镀铜与电解氯化铜溶液作对比。表4-4电镀铜和电解氯化铜溶液的比较7.关于电冶金，是以电解熔融NaCl为例，说明电解原理在冶金方面的应用。教学中需要强调电冶金工业在生产原理和反应条件方面的特殊性，并和电解饱和食盐水的原理作对照。使学生了解：对于一些活泼的金属，由于难有还原剂将它们从其化合物中还原出来，而“电解法是最强有力的氧化还原手段”，所以“电解法几乎是唯一可行的工业方法”。这也从一个侧面说明，为什么在人类数千年的文明发展历程中，这些活泼的金属直到近三、四百年才被陆续的发现和制得的原因。8.由于本节知识容量较大，课堂教学中需要注重对知识深度的把握，以保证教学重点目标的落实。若根据学生实际需要对知识适度拓展，可另行安排。例如电解精炼铜，可利用教科书中习题4补充课后讨论：已知粗铜中含有锌、镍、银、金等杂质，那么在两个电极上将发生什么变化？二、活动建议【实验4-2】（1）该实验用25%的CuCl2溶液（呈亮绿色）为宜，如果溶液中所含溶质的质量分数太大，通电后阴极区溶液往往会出现黑色，这是由于被还原出来的微小铜粒没有沉积在碳棒上，而悬浮于溶液中的缘故。（2）电解所用电压以6～12V为宜。（3）碳棒的下端平面边缘应磨得稍尖一些，以利于生成的气体逸出。（4）湿润的淀粉碘化钾试纸显蓝色后就应拿开，通气时间过长，蓝色反而会消失（因会发生下列反应：5Cl2+I2+6H2O==2HIO3+10HCl）。（5）该实验也可以在小烧杯中进行，使两电极相距2～3cm平等插入CuCl2溶液，这样可以使演示时间缩短，通电约1min即可观察到阳极表面有气泡逸出，约3min即可观察到阴极表面有一薄层红色的铜。【补充实验4-3-1】电镀铜（1）电镀时最好使用新铁钉（如使用其他铁制品，应预先把镀件打磨光亮），经水洗（除铁制品表层尘污）、碱洗（除油污）、酸洗（用盐酸中和沾附的碱液）、水洗（除残留的酸液），洗净后应立即进行电镀。（2）为了能调节电镀过程中的电压和电流，建议在电路上串联一个可变电阻和一个电流表。电镀时建议使用2V电压，调节电流密度在2～3A/dm2，电流密度不宜太大，否则由于金属沉积速率太快，镀层不牢固也不光滑。（3）在浓度约为1mol/LCuSO4溶液中，边搅拌边加入浓氨水至溶液全部变为深蓝色的铜氨溶液，此时把洗净的新铁钉放入，几秒钟后取出，没有铜析出，表明所配溶液浓度适宜。在室温下，用上述铜氨溶液做电镀液，通电10s（通电时可用玻璃棒轻轻搅拌），在铁钉表面可看到光亮的紫红色。（4）该实验中的电镀液也可采用下列配方：用蒸馏水把175～250gCuSO4·5H2O、22～38mL98%H2SO4，1.0～1.5g酚磺酸配成1000mL溶液即可。电镀时，控制平均电流密度为1～2A/dm2，温度为20～30℃。【科学探究】可以仿照教材中CuCl2溶液的电解装置（图4-8），仍用两根石墨棒作电极，电解质溶液改为饱和食盐水，将电极与直流电源接通之后，即可见到阴极和阳极上均有气泡放出。在阴极上产生的是H2，阳极上产生的是Cl2，有刺鼻气味，可使湿润的淀粉碘化钾试纸变蓝。在溶液中，NaCl==Na++Cl-H2OH++OH-阳极：2Cl--2e-==Cl2↑（氧化反应）阴极：2H++2e-==H2↑（还原反应）若向两个电极附近的溶液中分别滴入酚酞试剂，可观察到阴极区溶液变红色，这是由于H2O电离产生的H+在阴极不断放电，使阴极附近c(OH-)持续增大所致。三、问题交流【思考与交流】该活动是以电解池和原电池为研究对象，要实现三个目标：（1）在教学理念上，要让学生在学习过程中变被动为主动，促使学生的思维活动活跃起来；（2）在方法上，帮助学生学习用比较、归纳的方法将一些具体事物抽象化，以突出它们的内在联系和区别；（3）在知识上，加深对电化学的两大核心内容——电解原理和原电池原理的理解。四、习题参考参考答案1.A；2.D。3.原电池是把化学能转变为电能的装置，电解池是由电能转化为化学能的装置。例如锌铜原电池，在锌电极上发生氧化反应，称为负极，在铜电极上发生还原反应，称为正极。负极：Zn-2e-==Zn2+（氧化反应）正极：Cu2++2e-==Cu（还原反应）电子通过外电路由负极流向正极。电解池：以CuCl2溶液的电解装置为例。与电源正极相连的电极叫做阳极，与电源负极相连的电极叫阴极。阳极：2Cl--2e-==Cl2↑（氧化反应）阴极：Cu2++2e-==Cu（还原反应）电子通过外电路由阳极流向阴极。4.电镀是把待镀金属制品作阴极，把镀层金属作阳极，电解精炼铜是把纯铜板作阴极，粗铜板作阳极，通过类似电镀的方法把铜电镀到纯铜板上去，而粗铜中的杂质留在阳极泥或电解液中，从而达到精炼铜的目的。其电极主要反应如下：阳极（粗铜）：Cu-2e-==Cu2+（氧化反应）阴极（纯铜）：Cu2+＋2e-==Cu（还原反应）补充：若粗铜中含有锌、镍、银、金等杂质，则在阳极锌、镍等比铜活泼的金属也会被氧化：阳极（粗铜）：Zn-2e-=Zn2+Ni—2e-=Ni2+由于附着在粗铜片上银、金等金属杂质不如铜活泼，不会在阳极被氧化，所以当铜氧化后，这些微小的杂质颗粒就会掉进电解质溶液中，沉积在阳极附近（即“阳极泥”，成为提炼贵重金属的原料）。在阴极，电解质溶液中Zn2+和Ni2+的氧化性又不如Cu2+强，难以在阴极获得电子被还原，故Zn2+和Ni2+被滞留在溶液中。因此，在阴极只有Cu2+被还原并沉积在纯铜片上，从而达到了通过精炼提纯铜的目的。5.电解饱和食盐水的电极反应式为：阳极：2Cl--2e-==Cl2↑（氧化反应）阴极：2H++2e-==H2↑（还原反应）或阴极：2H2O+2e-==H2↑+2OH-（还原反应）总反应：2NaCl+2H2O==2NaOH+H2↑+Cl2↑在阴极析出1.42LH2，同时在阳极也析出1.42LCl2。6.依题意，电解XCl2溶液时发生了如下变化：M(X)=3.2g×22.4L/(1mol×1.12L)