高中化学选修4-化学反应原理-教材分析与教学建议第四章《电化学基础》.doc

人教版选修4 第四章电化学基础教材分析与教学建议16中 汪道岚一本章地位和知识结构（1）在原必修教材内容的基础上进一步拓宽和加深，进一步巩固复习了氧化还原反应，也是氧化还原反应的拓展。（2）与工业生产联系密切、广泛，原电池原理的应用，通过对蓄电池、燃料电池、电解原理等的分析，探讨化学能与电能相互转化的关系和对人类社会的重要意义。其中涉及的“化学能与电能的相互转化”是选修4第一章有关“化学反应与能量”的学习的延续。（3）通过对金属腐蚀的原因的调查和金属腐蚀的防护方案的设计等活动，训练学生的动手能力、实验技能和应用所学知识解决实际问题的能力。本章的知识结构为：二课程标准、考试说明对本章的要求课程标准08年考试说明（广东省）选修4内容标准选修4活动与探究建议必修2要求4体验化学能与电能相互转化的探究过程，了解原电池和电解池的工作原理，能写出电极反应和电池反应式。5通过查阅资料了解常见化学电源的种类及其工作原理，认识化学能与电能相互转化的实际意义及其重要应用。6能解释金属发生电化学腐蚀的原因，认识金属腐蚀的危害，通过实验探究防止金属腐蚀的措施。实验探究：电能与化学能的相互转化。调查市场常见化学电池的种类，讨论它们的工作原理、生产工艺和回收价值。查阅资料并交流：防止钢铁腐蚀的方法。3.举例说明化学能与电能的转化关系及其应用。4.认识研制新型电池的重要性。（二）化学基本概念和基本理论5化学反应与能量（6）了解原电池和电解池的工作原理，能写出电极反应和电池反应式。了解常见化学电源的种类及其工作原理。（7）理解金属发生电化学腐蚀的原因，金属腐蚀的危害，防止金属腐蚀的措施。深度广度建议1能从化学能与电能之间相互转化的角度理解原电池、电解的原理及应用，能运用氧化还原反应原理分析原电池、电解池中发生的电极反应，能准确书写电极反应方程式和电池总反应方程式。初步认识研制化学电源在开发洁净、高效新能源中的重要作用。2以锌锰干电池、铅蓄电池、氢氧燃料电池为例，了解常见化学电源的种类及其工作原理。通过过查阅资料、调查访问等多种方式了解生产生活中常见化学电源的种类及工作原理，认识化学能转化为电能的实际意义。3知道电解在工业生产中具有广泛应用。能列举实例（如氯碱工业、金属铜的精炼以及电镀等）说明电解原理在实际生产中的应用。 4了解化学腐蚀和电化学腐蚀的含义，理解电化学腐蚀发生的条件，能解释金属发生电化学腐蚀的原因。认识钢铁的吸氧腐蚀与析氢腐蚀发生条件和原理，会书写电极反应式和总反应方程式。能通过多种方式了解金属腐蚀带来的危害，认识防止金属腐蚀的重要意义。三、课时分配建议第一节 原电池 2课时第二节 化学电源 2课时第三节 电解池 3课时第四节 金属的电化学腐蚀与防护 2课时复习 2课时测验、评讲 2课时四、教学建议1、充分利用实验在宏观现象与微观过程之间建立联系 本章内容理论性强，在教学过程中应可以采取一定的实验素材让学生感觉到理论与实际应用的紧密联系如：教学片段突破“盐桥的作用”教学难点的案例本节要求在必修II化学能与电能的基础上，让学生进一步了解原电池的工作原理。在原电池装置中，增加了盐桥。为此，需要介绍盐桥的组成（不宜扩展），并设计情景，让学生知道其工作原理。片段一在完成实验4-1之后，再提出问题：装置（见右图）中的盐桥有何作用？为引导学生思考，增加以下探究实验（装置如左图），让学生观察现象，得出结论。初期现象：电流计的指针发生偏移，并指示电子是由锌片流向铜片，在铜片表面有红色的铜析出。结论1：发生了原电池反应，且其中锌为原电池的负极，铜为正极。后期现象：随着时间的延续，电流计指针偏转的角度逐渐减小，直至无电流通过。同时锌片表面逐渐被铜全部覆盖。结论2：溶液中的Cu2+在锌片表面被直接还原，析出的铜在锌片表面构成原电池，逐渐使向外输出的电流强度减弱直至无电流再产生（可以通过电脑课件展示）。总结：盐桥的使用有利于产生持续、稳定的电流；盐桥的使用突破了氧化剂、还原剂只有直接接触、相互作用才能发生电子转移的思维模式，使氧化剂和还原剂在不同的区域之间通过特定的装置实现了电子的定向转移。最后再分析使用盐桥的情况下，整个闭合电路中电子的流动过程，进一步体现出“氧化还原反应可以设计成原电池”。片段二 对比学习盐桥知识 在复习必修II知识之后，进行实验探究。【实验探究】请根据反应： Zn + CuSO4 = ZnSO4 + Cu，设计一个原电池，并进行实验。 G Zn Cu CuSO4溶液1)学生设计并实验通过观察，记录并讲述实验现象。教师归纳并板书实验现象：电流计指针偏转，并指示电子是由锌片流向铜片；锌片溶解质量减少；铜片上有红色物质析出。引导学生继续观察装置中电流计电流强度随时间延续的情况，以及锌片表面的变化。引导讨论如何才能得到持续稳定的电流？学生讨论提出方案（略）CuSO4溶液CuSO4溶液 G ZnCu (2)提问该装置能形成原电池吗？学生回答不行，没有形成闭合回路。引导讨论那如何能使构成闭合回路，形成原电池呢？（学生讨论结果：加导线或“搭”个桥连通两溶液。【实验探究】演示给学生。CuSO4溶液CuSO4溶液 G ZnCu 盐桥CuSO4溶液CuSO4溶液 G ZnCu (4)导线 （3）学生实验发现（3）电流很小（4）电流较大，思索为什么？讲解分析什么是盐桥？盐桥中装有饱和的KCl溶液和琼脂制成的胶冻，胶冻的作用是防止管中溶液流出。盐桥的作用是什么？可使由它连接的两溶液保持电中性，盐桥保障了电子通过外电路从锌到铜的不断转移，使锌的溶解和铜的析出过程得以继续进行。而导线的作用是传递电子，沟通外电路。而盐桥的作用则是沟通内电路。【实验探究】继续观察(4)装置中电流计电流强度随时间延续的情况，以及锌片表面的变化。得出结论 因指针偏转角度渐渐减少，所以电流强度随时间的延续而渐渐变小，同时锌片表面有铜析出。引导讨论如何设法阻止溶液中的Cu2+在负极锌表面还原以及能使（4）装置原电池得到持续、稳定的电流呢？启发若把装置（4）中左烧杯中的CuSO4溶液换成ZnSO4溶液可以吗？ 学生实验及结论 盐桥存在时电流计指针偏转，且指针偏转角度随时间的延续几乎保持不变；Zn片溶解，无红色物质析出，Cu片上有红色物质析出；取出盐桥电流计指针回到零点。引导学生阅读P72第3-5段。盐桥的作用：使Cl-向锌盐方向移动，K+向铜盐方向移动，使Zn2+盐和Cu2+盐溶液一直保持电中性，从而使电子不断从Zn极流向Cu极（可以通过电脑课件展示）。师生共同得出：双液原电池的工作原理和意义 1.构造特点：双液原电池由两个半电池组成，每个半电池中的电极与电解质溶液互不反应，电池反应的还原剂与氧化剂分别位于两个半电池中，中间通过盐桥连接形成闭合回路。2.电极反应：负极（Zn）：Zn-2e-=Zn2+（氧化反应）正极（Cu）：Cu2+2e-=Cu（还原反应）3.电池反应：Zn+Cu2+=Zn2+Cu4.外电路：电子由负极（Zn片）流向正极（Cu片）；电流由正极（Cu片）流向负极（Zn片）；内电路：阳离子移向正极（Cu片）；阴离子移向负极（Zn片）。5.盐桥的作用：通过阴、阳离子的定向移动，在内电路形成电流回路而不中断电流。6.意义：随开随用，并能长时间产生持续、稳定的电流。同时在关注实验的基础上，建议大家关注微观与宏观的联系，例如课本p79 电解氯化铜溶液的微观离子移动示意图之中，我们可以在课本的基础上进一步补充水电离出的两种离子进行接下去的分析，让学生建立一个通过离子氧化性或还原性的大小比较与放电顺序的关系，在结合宏观的现象加以证明和补充。我们建议可以在课堂上使用多媒体课件更加直观的呈现微观的现象。2、关注学生已有知识基础，为新知识的学习做好铺垫学生在必修中已经接触了本章书的部分内容，特别是第二节化学电源的内容一眼看去，和必修中只是非常相似，此时应该注意引导学生，将原有知识做为铺垫，为新知识搭建台阶（从必修2 原电池 迁移到 选修4 的氧化还原反应 ）。【案例一】高一学生基本掌握了分析氧化还原反应入手，写原电池的电极反应和原电池反应方程式，并且会设计简单的原电池。就实验41中的反应为例： 失去2e，发生氧化反应 Zn + Cu2+ = Zn2+ +Cu 得到2e，发生还原反应负极上发生氧化反应，因此负极反应式为：Zn2e=Zn2+；并且锌作负极。正极上发生还原反应，因此正极反应式为：Cu2+2e=Cu；可用金属活动性不如锌的金属材料或石墨作正极，铜盐溶液作电解质溶液。由此，可总结出设计原电池的思路为：以自发进行的氧化还原反应为基础；把氧化还原反应分解为氧化反应和还原反应两个半反应，从而确定电极反应；以两极反应为原理，确定电极材料及电解质溶液；画出装置简图。在设计原电池的练习中，难度可逐步加深，可供使用的有课后习题第2、第6小题，然后再进行“科学探究”用不同的金属片设计、制作原电池并进行实验。其中课后习题第6小题提出“装置可采用烧杯和盐桥”，旨在进一步让学生关注盐桥的作用。但设计原电池的思路仍如上所述，难度应不会太大，再让学生把这一思路应用于“科学探究”的设计中去。对于能力较强的学生，还可以要求他设计出对比实验：使用相同的电极材料，而采用不同的电解质溶液，设计出两个原理不同的原电池。在这个“科学探究”中，还可以提出问题：铁片、碳棒与食盐水能否组成原电池？本身就有类似设计的学生，可让他们进行实验，发现问题以及提出对该问题的初步解释，为本章后面“金属的腐蚀与防护”的学习埋下伏笔。既然“氧化还原反应都能设计成原电池”，最后可让学生思考：如何把氢气在氧气中燃烧的反应设计成原电池？让学生带着这个疑问进入到第二节的学习中去。【案例二】学生对于课本上出现过的化学电源的电极反应式，是要求会写出来的。为避免学生死记硬背，可介绍以下思路：在已知电池基本构造的基础上，结合基本的电化学知识，找出在正、负极两极上发生的物质。先以铅蓄电池为例。通过对铅蓄电池构造的介绍，学生应知道这种电池以Pb、PbO2为电极反应物，其中的较活泼金属Pb必定在负极上发生氧化反应。此外，铅蓄电池的电解质溶液为H2SO4溶液。书写电极反应式时，不但要注意电极的得、失电子情况（即发生还原反应还是氧化反应），还要根据电解质溶液的性质确定产物。先写出铅蓄电池放电时的电极反应式。明确铅蓄电池放电时，即作为原电池。Pb作负极，一般二价金属（用M表示）作负极的反应式为 M2e=M2+；但在H2SO4溶液中，Pb2+会转化为PbSO4沉淀（根据选修6教材 附录III“部分盐、氧化物、碱溶解性表”：PbSO4不溶于酸），因此负极生成物应为PbSO4，反应式的左边应加上SO42： 负极： Pb + SO42 2e = PbSO4 （式，氧化反应）PbO2作正极，必然发生还原反应，结果是四价铅被还原为Pb2+，但同样道理，在H2SO4溶液中，产物应为PbSO4：PbO2 + 2e = PbSO4。为使原子数和电荷数守恒，反应式左边不但要加上SO42使生成PbSO4沉淀，还要加上H+与PbO2中的氧原子结合成水。因此正极反应式为： 正极：PbO2 + 4H+ + SO42 + 2e = PbSO4 + 2 H2O （式，还原反应）再将、式相加，就可以得到铅蓄电池放电时的电池反应式： Pb + PbO2 + 4H+ + 2SO42 = 2PbSO4 + 2 H2O （即Pb + PbO2 + 2H2SO4 = 2PbSO4 + 2 H2O）而铅蓄电池的充电实际上电解池反应，但学生尚未学习到。所以课本指出“铅蓄电池充电的反应是上述反应的逆过程”。在教学中也只能如此处理，不能引入电解的原理。关于电极的名称，课本注解是“电化学上常把发生氧化反应的电极叫做阳极，发生还原反应的电极叫做阴极”。因此，阴极上发生还原反应，发生上述式的逆过程，书写电极反应式时，须把电子“移项”过来。 阴极：PbSO4+ 2e = Pb + SO42 （式的逆过程，还原反应）同理，阳极上发生的就是式的逆过程，同样要把电子“移项”。 阳极：PbSO4 + 2 H2O 2e = PbO2 + 4H+ + SO42 （式的逆过程，氧化反应）因此，铅蓄电池充电时的总反应式也是它放电时的逆反应： 2PbSO4 + 2 H2O = Pb + PbO2 + 2H2SO4用同样的思路，可写出氢氧燃料电池（酸性电解质）的电极反应式。首先，运用氧化还原反应的分析方法，找出正、负两极上的反应物。 失去4e，发生氧化反应 2 H2 + O2 = 2H2O 得到22e，发生还原反应所以，H2通入负极室，O2通入正极室。在酸性介质中，H2可被氧化为H+。 负极：2 H2 4 e = 4 H+ （或 H2 2 e = 2 H+）正极反应物O2被还原后，在酸性介质中不可能生成OH，只能生成H2O。 正极：O2 + 4 H+ +4e = 2H2O两式相加可得到如上的总反应式：2 H2 + O2 = 2H2O作为扩展，可要求学生写出碱性介质中的氢氧燃料电池的电极反应式。在碱性介质中，负极产物不可能是H+，只可能是H2O。 负极：2 H2 + 4OH 4 e = 4H2O （或H2 + 2OH 2 e = 2H2O）而正极上，O2被还原后可生成OH。 正极：O2 + 2H2O + 4e = 4 OH通过上面的介绍，学生还可以总结出，判断一种新电池的电极反应式是否正确的基本方法，主要是看以下几个方面：电极上的反应物及发生的反应是否正确。 负极失去电子发生氧化反应； 正极得到电子发生还原反应。反应产物是否与电解质的性质相符。如上面的例子，在酸性介质中不可能生成OH，在碱性介质中也不应生成H+；Pb在H2SO4溶液作电解质溶液的原电池中，应氧化生成PbSO4沉淀，等等。电极反应式中，还要留意原子数、电子数是否守恒。在电解的教学中，我们也可以注重旧知识的应用，例如引入电解的离子移动时，我们完全可以通过学生初中熟悉的知识点电解水入手进行分析，让他们从最熟悉的例子过度到课本的内容。3、注重知识对比，从比较中优化学习内容本章书的基础都建立在氧化还原之上，在学习中不断对不同装置或内容进行对比有利于学生形成清晰的知识体系。教学中对相关概念及原理进行对比，消除学生对这些知识在理解上的混乱。例如电离与电解、原电池与电解池、电解精炼铜与电镀铜、电解饱和食盐水与电解熔融氯化钠，等等。 （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+ + 2ClCuCl2 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阴阳两极引起氧化还原反应的过程4、把握好课标内容，注意教学的阶段性本章内容是近几年高考选择题的热点，而且情境新颖，对于知识的灵活运用要求较高。但在新课教学中切忌对学生提出过高的要求，特别是不应在此就将高考题目下放。加上学习化学的学生层面加大，大家要敢于降低难度，不要给自己的教学设置教学难度，所以在切入点和教学深度上，建议大家依据必修知识，借助实验，重视对必修内容的知识重现，然后设置合适的台阶让学生能逐步学习掌握必修知识。例如Cu-Zn原电池在必修中是直接知识呈现，告诉学生原电池的概念，我们可以在这个基础上进行引入，结合选修课本的内容进一步强化原电池的概念、引入盐桥的作用，最后提升到让学生设计原电池的能力上。（课本p72 第三段）例如：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