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电化学基础普及读物
第四章电化学基础
Ⅰ原电池
教学目标
知识与技能
1.让学生体验化学能与电能相互转化的探究过程;
2.使学生进一步了解原电池的工作原理和构成原电池的条件;
3.能够写出电极反应式和电池反应方程式.
过程与方法
1.通过分组实验培养学生观察能力与分析思维能力。
2.实验引导学生以问题为中心的学习方法,学会发现问题、解决问题的方法。
3.加深理解实践→认识→再实践→再认识的辨证唯物主义的思维方法
情感态度与价值观
通过一些实验和科学探究过程,使学生增强探索化学反应原理的兴趣,树立学习和研究化学的志向。
教学重点:
进一步了解原电池的工作原理和构成条件;
能够写出电极反应式和电池反应方程式.
教学难点:
原电池的工作原理
教学方法:
实验探究法
教学过程:
引入、介绍电化学
播放图片,帮助学生对电化学的研究领域形成一些感性认识,了解电化学是研究化学能与电能的相互转换装置、过程和效率的科学。
1、电化学——研究化学能与电能相互转换的装置、过程和效率的科学
2、电化学过程(及其装置)的分类:
(1)产生电流的装置——原电池
(2)借助电流而发生的反应——电解池
课前复习:
必修2P32—37化学能与电能
熟悉:
氧化还原本质、金属活动性顺序表、原电池的电极反应
演示实验:
实验一:
将铜片与锌片分别通过导线与电流计连接,并使铜片与锌片直接接触,然后浸入盛有硫酸铜溶液的烧杯中。
现象:
铜片表面明显有铜析出,电流计指示无电流通过。
问题:
上述实验装置构成原电池了吗?
如果没有原电池反应,为什么铜片表面明显有铜析出?
而且锌片逐渐溶解?
如果实验装置就是原电池,为什么电流计指示无电流通过?
分析:
根据“铜片表面明显有铜析出”,说明该反应是原电池反应,电流计指示无电流通过,可能与铜片与锌片直接接触有关。
问题:
如果要证明以上装置就是原电池,确实实现了化学能与电能之间的转换,就必须证明铜片与锌片之间有电流流过,如何证明?
实验二:
将铜片与锌片分别通过导线与电流计连接,并使铜片与锌片不直接接触,再同时浸入盛有硫酸铜溶液的烧杯中。
现象:
电流计指针偏转,有电子有锌片流向铜片,铜片表面有红色的铜析出。
结论:
发生原电池反应,肯定实验一装置构成了原电池,且锌为负极,铜为正极。
问题:
由于锌片与硫酸铜溶液直接接触,不可避免地有铜离子在锌片表面直接被还原,使锌片被覆盖,在负极也开始构成原电池,使输出的电流强度减弱,当锌片被铜完全覆盖,反应终止,就再无电流产生。
作为原电池,上述负极的反应必然影响原电池的供电效果,如何阻止反应的发生呢?
实验三:
课本P70实验4-1
现象:
改进后的装置能持续、稳定地产生电流。
3、原电池:
(1)、功能:
将化学能转换成电能
(2)、组成:
电极材料、电解质溶液、盐桥、导线
(3)、电子流向:
外电路:
负极——导线——正极
内电路:
盐桥中阴离子移向负极的电解质溶液,
盐桥中阳离子移向正极的电解质溶液。
(4)、电极反应:
以锌铜原电池为例:
负极:
氧化反应:
Zn—2e—==Zn2+(较活泼金属)
正极:
还原反应:
Cu2++2e—==Cu↓(较不活泼金属)
总反应式:
Zn+Cu2+==Zn2++Cu↓
(5)、正、负极的判断:
较活泼金属为负极;或金属为负极,
非金属为正极。
(6)、电解质溶液的选择:
选择与电极越容易反应的电解质溶液越好。
思考:
P72科学探究
Ⅱ化学电池
教学目标
知识与技能
1.一次电池与二次电池的不同2.一次电池、二次电池电极反应式的书写
3.明确充电与放电电极反应式的书写
过程与方法
1.紧紧抓隹“化合价”这一主线,明确正极反应、负极反应
2.注重与生活化学相联系、特别是铅蓄电池等
情感态度与价值观
通过学习,进一步认识到一次电池、二次电池在工业、国防、生活中的重要应用,特别是氢氧燃料电池,既提供了能源又不污染环境,同时应注意对其它电池的回收,保护环境
教学重点:
一次电池、二次电池和燃料电池的反应原理、性能和应用
教学难点:
化学电池的反应原理
教学方法:
启发诱导法、讨论法等
教学过程:
课前复习:
必修2P37—39发展中的化学电源
思考:
P73学与问
1、电池的分类:
化学电池、太阳能电池、原子能电池
2、化学电池:
将化学能转化为电能的装置
3、化学电池的分类:
一次电池、二次电池、燃料电池
4、判断电池优劣的标准:
电能和输出功率的大小、电池储存时间的长短等
一、一次电池
1、一次电池:
活性物质(发生氧化还原反应的物质)消耗到一定程度,就不能使用的电池,也叫干电池。
2、常见一次电池:
锌锰干电池、碱性锌锰电池、锌银电池、锂电池等
3、电极反应:
碱性锌锰电池
负极:
锌:
Zn+2OH—–2e—==Zn(OH)2
正极:
氧化锰:
2MnO2+2H2O+2e—==2MnOOH+2OH—
总反应式:
Zn+2MnO2+2H2O==2MnOOH+Zn(OH)2
二、二次电池
1、二次电池:
放电后可以再充电使活性物质获得再生,可以多次重复使用,又叫充电电池或蓄电池。
2、电极反应:
铅蓄电池
放电:
负极:
铅:
Pb(s)+SO42—(aq)—2e—==PbSO4(s)
正极:
氧化铅PbO2(s)+4H+(aq)+SO42—(aq)+2e—==PbSO4(s)+2H2O(l)
总反应式:
Pb(s)+PbO2(s)+2H2SO4(aq)==2PbSO4(s)+2H2O(l)
充电:
阴极:
PbSO4(s)+2e—==Pb(s)+SO42—(aq)
阳极:
PbSO4(s)+2H2O(l)—2e—==PbO2(s)+4H+(aq)+SO42—(aq)
总反应式:
2PbSO4(s)+2H2O(l)==Pb(s)+PbO2(s)+2H2SO4(aq)
两式可以写成一个可逆反应:
Pb(s)+PbO2(s)+2H2SO4(aq)2PbSO4(s)+2H2O(l)
三、燃料电池
1、燃料电池:
连续地将燃料和氧化剂的化学能直接转换成电能的化学电池。
2、电极反应:
以氢氧燃料电池为例,铂为正、负极
负极:
通入氢气:
H2—2e—==2H+
正极:
通入氧气:
1/2O2+2H++2e—==H2O总反应式:
H2+1/2O2==H2O
3、燃料电池的优点:
能量转换率高、废弃物少、运行噪音低
四、废弃电池的处理:
回收利用
Ⅲ电解池
教学目的:
知识与技能
1.使学生理解电解原理,初步掌握一般电解反应产物的判断方法。
2.使学生了解铜的电解精炼和电镀铜的原理。
3.培养学生的实验操作能力、团结协作能力、观察能力、分析能力、归纳总结能力以及运用知识解决问题的能力。
4.通过电镀工业废水处理的简单介绍,增强学生的环境保护意识。
过程与方法
将离子放电顺序与阴极反应紧密结合起来,正确写出电极反应式和总化学方程式
情感、态度与价值观
通过本节书的学习,更加深该认识到电解原理在式业中的重要作用;更拉近了化学与生活的距离
教学重点难点:
电解原理及其应用
教学方法:
实验分析法、讨论法等
教学过程:
一、电解原理
实验:
P79实验4-2
分步:
(1)、将两根碳棒分别插进U型管内的CuCl2溶液中,观察现象
现象:
碳棒表面无明显现象
(2)、将两根碳棒用导线相连后,浸入U型管内的CuCl2溶液中,观察现象
现象:
碳棒表面无明显现象
(3)、将两根碳棒分别跟直流电源的正、负极相连接,浸入U型管内的CuCl2溶液中,接通电流,观察现象
现象:
与电源负极相连的碳棒表面变红(析出铜),与电源正极相连的碳棒表面有气泡产生(产生氯气)
结论:
在直流电的作用下,溶液中CuCl2的被分解了,在阴极、阳极分别产生了铜与氯气,证明电能转变成了化学能。
分析:
(1)、通电前,溶液中存在哪些离子,它们如何运动?
(由于电离,溶液中存在着Cu2+、Cl—、H+、OH—,在溶液中做自由运动)
(2)、通电后,电子运动有什么变化?
(电子由自由运动改作定向运动,阴离子移向阳极,阳离子移向阴极)
(3)、当离子定向移到电极表面时,发生什么变化?
(离子在电极表面放电,发生氧化还原反应)
1、电解池:
电能转变成化学能的装置,也叫电解槽
2、电解:
使电流通过电解质溶液而在阴、阳两极发生氧化还原反应
的过程
3、放电:
当离子到达电极时,失去或获得电子,发生氧化还原反应
的过程
4、电子流向:
(电源)负极——(电解池)阴极——(离子定向运动)电解质溶液——(电解池)阳极——(电源)正极
5、电极名称及反应:
阳极:
与直流电源的正极相连的电极,发生氧化反应
阴极:
与直流电源的负极相连的电极,发生还原反应
6、电解CuCl2溶液的电极反应:
阳极:
2Cl——2e—==Cl2↑(氧化反应)
阴极:
Cu2++2e—==Cu(还原反应)
总反应式:
Cu2++2Cl—
Cu+Cl2↑
7、电解本质:
电解质溶液的导电过程,就是电解质溶液的电解过程
思考:
P82思考与交流
1、电解与电离的比较
电离
电解
条件
电解质溶于水或熔化状态
电解质电离后,再通直流电
过程
电解质电离成为自由移动的离子
阴、阳离子定向移动,在两极上放电
举例
CuCl2==Cu2++2Cl—
CuCl2
Cu+Cl2↑
特点
只产生自由移动的离子
发生氧化还原反应,形成新物质
联系
电解必须建立在电离的基础上
2、原电池与电解池的比较
装置类别
原电池
电解池
举例
锌铜原电池
电解氯化铜溶液
形成条件
1、活泼性不同的两电极
(用导线相连)
2、电解质溶液(电极插入其中并与
电极自发反应)
3、形成闭合回路
1、两电极接直流电源
2、两电极插入电解质溶液中
3、形成闭合回路
电极名称
负极:
较活泼金属
正极:
较不活泼金属
(或能导电的非金属)
(由电极本身决定)
阳极:
与电源正极相连的极
阴极:
与电源负极相连的极
(由外加电源决定)
电极反应
负极:
氧化反应,金属失电子
正极:
还原反应,溶液中的阳离子得电子
阳极:
氧化反应,溶液中的阴离子失电子,或电极金属失电子
阴极:
还原反应,溶液中的阳离子
得电子
电子流向
负极——导线——正极
电源负极阴极
电源正极阳极
能量转变
化学能转换为电能
电能转换为化学能
能否自发进行
反应能够自发进行
反应不能够自发进行
主要应用
1、金属电化腐蚀分析
2、金属牺牲阳极的阴极保护法
3、制造多种新化学电源
1、电解食盐水(氯碱工业)
2、冶炼活泼金属
3、电解精练
实质
使氧化还原反应中的电子
通过导线定向转移形成电流
使电流通过电解质溶液而在阴
阳两极引起氧化还原反应的过程
二、电解原理的应用
思考及实验:
P82科学探究,
问题:
(1)、通电前,饱和食盐水中存在哪些离子?
它们的运动情况如何?
(自由移动的离子:
H+、OH—、Cl—、Na+
H2OH++OH—,NaCl==Na++Cl—)
(2)、在电解装置中,可否选用铜作阴、阳极的电极材料,为什么?
(可以用铜做阴极,不能用铜做阳极,否则,阳极溶解)
(3)、通电后,溶液中的离子发生了什么变化?
(通电后,电子由自由运动改作定向运动,阴离子移向阳极,阳离子移
向阴极,在电极表面放电)
(4)、溶液中的Na+是否可能被还原为金属钠,为什么?
(不能,放电的离子有一定的顺序,金属越活泼,越难放电,溶液中的H+比Na+容易放电,故生成氢气,不生成金属钠。
)
(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?
(阴极:
氢气,收集后在火焰上产生爆鸣;阳极:
氯气,产生刺激性气味气体,令湿润的淀粉碘化钾试纸边蓝,若在两极附近溶液滴入酚酞试液,阴极区的溶液变红)
1、电解饱和食盐水以制造烧碱、氯气和氢气
(1)、通电前,溶液中的离子:
H+、OH—、Cl—、Na+
(2)、通电后,H+、Cl—优先放电
阳极:
2H++2e—==H2↑
阴极:
2Cl——2e—==Cl2↑
总反应式:
2NaCl+2HO
2NaOH+H2↑+Cl2↑
2、电镀
补充实验:
铁钉电镀铜。
(1)铁钉处理:
水洗、碱洗除油污、酸除铁锈、水洗,立即进行电镀
(2)、铁定做阴极,铜棒做阳极,电解质溶液:
铜氨溶液
(铜氨溶液:
1mol/L的硫酸铜溶液中,边搅拌边加入浓氨水至溶液全部变成深蓝色,即为铜氨溶液)
(3)、用铜氨溶液做电镀液,通电约10秒(通电时用玻璃棒轻轻搅拌)即可见到铁钉表面光亮的紫红色
(1)、电镀应用电解原理在某些金属表面镀上一薄层其他金属或
合金的方法
(2)、电极、电解质溶液的选择:
阳极:
镀层金属,失去电子,成为离子进入溶液
M—ne—==Mn+
阴极:
待镀金属(镀件):
溶液中的金属离子得到电子,
成为金属原子,附着在金属表面
Mn++ne—==M
电解质溶液:
含有镀层金属离子的溶液做电镀液
(3)、电镀应用之一:
铜的精炼
阳极:
粗铜;阴极:
纯铜;电解质溶液:
CuSO4
思考:
电镀铜(用硫酸铜溶液做电解质)和电解氯化铜(用氯化铜
溶液做电解质)的比较
电镀铜
电解氯化铜溶液
能量转换
将电能转变为化学能
阳极材料
镀层金属——铜
石墨
阴极材料
待镀金属
石墨
电镀时
阳极反应
铜溶解
溶液中的Cl—在阳
极氧化为Cl2放出
阴极反应
溶液中的Cu2+在阴极析出
溶液中的Cu2+在阴极析出
电解质溶液
及其变化
CuSO4溶液,电镀过
程中溶液浓度不变
CuCl2溶液,电解过程中
溶液浓度逐渐减小
3、电冶金
(1)、电冶金:
使矿石中的金属离子获得电子,从它们的化合物
中还原出来用于冶炼活泼金属,如钠、镁、钙、铝
(2)、电解氯化钠:
通电前,氯化钠高温下熔融:
NaCl==Na++Cl—
通直流电后:
阳极:
2Na++2e—==2Na
阴极:
2Cl——2e—==Cl2↑
Ⅳ金属的电化学腐蚀与防护
教学目的:
知识与技能
1.化学腐蚀与电化学腐蚀
2.析氢腐蚀和吸氧腐蚀
3.金属的防护方法
过程与方法
将原电池反应、电解反应与金属的腐蚀与防护结合起来,理论联系实际
情感、态度与价值观
通过本节书的学习,了解金属的腐蚀给工业生产,人民生活带来的害,同时更需要利用电化学知识去防止金属腐蚀,增强保护金属、仪器设备的意识
教学重点:
金属的电化学腐蚀及金属的电化学防护
教学难点:
金属发生吸氧腐蚀的电化学原理
教学方法:
实验分析法、讨论法等
教学过程
一、金属的电化学腐蚀
实验:
P85实验4-3
(1)金属腐蚀:
金属与周围的气体或液体物质发生氧化还原反应而引起损耗的现象。
(2)金属腐蚀的本质:
都是金属原子失去电子而被氧化的过程
(3)金属腐蚀的分类:
化学腐蚀——金属跟接触到的干燥气体(如O2、Cl2、SO2等)或非电解质液体(如石油)等直接发生化学反应而引起的腐蚀。
电化学腐蚀——不纯的金属跟电解质溶液接触时,会发生原电池反应,比较活泼的金属失去电子而被氧化。
思考:
化学腐蚀与电化学腐蚀的比较:
化学腐蚀
电化学腐蚀
条件
金属跟氧化性物质直接接触
不纯金属或合金跟电解
质溶液及氧化剂接触
现象
无电流产生
有微弱的电流产生
本质
金属被氧化的过程
较活泼的金属被氧化的过程
相互关系
化学腐蚀与电化学腐蚀往往同时发生,但电化学
腐蚀比化学腐蚀要普遍得多,腐蚀速度也快得多。
(4)、电化学腐蚀的分类:
析氢腐蚀——腐蚀过程中不断有氢气放出
①、条件:
潮湿空气中形成的水膜
(水膜中溶解有CO2、SO2、H2S等气体)
②、电极反应:
负极:
Fe—2e—==Fe2+(氧化反应)
正极:
2H2O+2e—==H2↑+2OH—(还原反应)
总反应式:
Fe+2H2O==Fe(OH)2+H2↑
③、生成的Fe(OH)2被空气中的O2氧化,生成Fe(OH)3
Fe(OH)2+O2+2H2O==4Fe(OH)3
④、Fe(OH)3脱去一部分水就生成
Fe2O3·xH2O(铁锈主要成分)
⑤、铁锈不能阻止钢铁继续腐蚀
吸氧腐蚀——反应过程吸收氧气
①、条件:
水膜的酸性很弱或中性
②、电极反应:
负极:
2Fe—4e—==2Fe2+(氧化反应)
正极:
2H2O+O2+4e—==4OH—(还原反应)
总反应式:
2Fe+O2+2H2O==2Fe(OH)2
③、生成的Fe(OH)2被空气中的O2氧化,生成Fe(OH)3,
再形成铁锈
思考:
钢铁的析氢腐蚀和吸氧腐蚀的比较:
析氢腐蚀
吸氧腐蚀
条件
水膜酸性较强
水膜呈弱酸性或中性
正极反应
2H2O+2e—==H2↑+2OH—
2H2O+O2+4e—==4OH—
负极反应
Fe—2e—==Fe2+
二、金属的电化学防护
1、利用原电池原理进行金属的电化学防护
(1)、牺牲阳极的阴极保护法
原理:
原电池反应中,负极被腐蚀,正极不变化
应用:
在被保护的钢铁设备上装上若干锌块,腐蚀锌块
保护钢铁设备
负极:
锌块被腐蚀;正极:
钢铁设备被保护
(2)、外加电流的阴极保护法
原理:
通电,使钢铁设备上积累大量电子,使金属原电池反应产生的电流不能输送,从而防止金属被腐蚀
应用:
把被保护的钢铁设备作为阴极,惰性电极作为辅助阳极,均存在于电解质溶液中,接上外加直流电源。
通电后电子大量在钢铁设备上积累,抑制了钢铁失去电子的反应。
2、改变金属结构:
把金属制成防腐的合金
3、把金属与腐蚀性试剂隔开:
电镀、油漆、涂油脂、表面钝化等
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