高中化学 人教版选修1《化学反应原理》化学反应与电能《电解池》（第2课时）电解原理的应用

以化学之光照工业之路第四章第二节电解池（第2课时）电解原理的应用(安徽省石台中学刘生文指导教师：曹君董文辉）一、课标呈现认识化学能与电能相互转化的实际意义及其重要作用，了解电解池的工作原理，能设计简单的电解池。认识电解在实际物质转化和储存能量中的具体应用。学业要求：能辨识化学反应中的能量转化形式，综合考虑化学变化中的物质变化和能量变化来分析、解决实际问题。二、教学内容分析1.内容分析教材的设计大致分为三个阶段，就电解原理的应用而言，冶炼活泼金属、电镀、电解精炼、电解饱和食盐水和电化学储能等典型生产过程都是重要的化工产业。通过一般模型的构建，要求学生既要静态地认识电解池的构成，又要动态地了解其工作原理和过程，是一个从“抽象思维到实践”的过程，培养学生深度应用电解模型解决真实问题的能力。本课时是将电解原理应用在具体实例中。冶炼工厂通过电解制锌，从电极上得到粗锌，引导学生利用电解原理进行精炼，设计电解池，选择合适的电极材料和电解质溶液，掌握设计模型的一般思路。工业上冶炼活泼金属是通过电解熔融的盐或氧化物，学生思考电解饱和食盐水能否制取钠，分析饱和食盐水成分，预测电解产物，并设计实验验证猜想。再深入思考电解过程，为了碱能在阴极导出，防止氢氧根离子迁移到阳极区与氯气反应、氯气与氢气混合发生反应，设计阳离子交换膜电解槽，完善电解模型。在电解过程中，除了物质转化，还伴随着能量转化，通过电解将化学能转化为电能进行储存，深度应用电解原理。生活中广泛应用的铅蓄电池、充电宝、新能源汽车等设备，提高了我们的生活水平，激发了学生进一步学生化学知识并运用在生活中的兴趣。2.素养呈现通过工业粗锌精炼的情境，选择电极和电解质，分析电极反应，初步设计电解模型。分析饱和食盐水中离子种类，预测电极反应，设计方案检验产物，培养学生“证据推理与模型认知”能力。通过对实验室电解模型分析，结合实际生产需求，评价装置优、缺点，完善简单模型，应用于氯碱工业，培养学生“科学探究和创新意识”。最后通过电解过程中的能量变化，分析二次电池充电的原理以及在生产生活中的使用，深度应用电解模型，发展学生“科学态度与社会责任”的化学学科核心素养。三、学情分析本节课的授课对象为高二选修化学的学生，学生已经掌握了氧化还原反应、离子反应、原电池等知识，接触过电解池的工作原理，但是对电解原理的应用并没有特别深入的理解，尤其是处理真实问题时能力欠缺。通过对电解池原理及应用的学习，学生产生了利用理论知识解决实际问题的兴趣。在课堂上模拟实际生产过程，学生设计并动手实验，在真实的情境中不断修正以前所学知识，从而形成解决实际问题的能力。四、教学目标1.能够结合工业生产需求，学会设计简单模型，选择合适的电极材料和电解质溶液，用于粗锌精炼。2.学会评价电解饱和食盐水装置，设计出能应用于氯碱工业的阳离子交换膜电解装置，完善电解模型。3.能通过铅蓄电池、充电宝、新能源汽车等生活中常见物品，了解化学能向电能转化的现实意义，学会深度应用模型。五、教学方法实验法、讨论法六、实验用品仪器：充电宝、惰性电极、导线、U形管、离子交换膜、淀粉碘化钾试纸、电解池演示器、酚酞试纸、pH试纸、表面皿药品：饱和NaCl溶液七、教学重点、难点重点：1.简单电解模型的分析与完善，离子交换膜在电解池中的作用。2.电解过程中的能量转换，充电电池的工作原理。难点：1.离子交换膜电解池在工业生产中的应用，设计含离子交换膜的电解池。2.充电电池工作原理，充、放电时的能量转化、电极判断和电极反应式的书写。八、教学流程环节一环节一设计模型粗锌的电解精炼如何选择电极和电解质设计简单电解模型证据推理与模型认知环节二完善模型电解饱和食盐水电解食盐水装置的不足完善简单电解模型科学探究与创新意识情境问题/任务活动核心素养环节环节三深度应用模型电解过程中的能量变化能量转化及其应用探究充电电池工作原理科学态度与社会责任九、教学过程环节一：设计电解模型（精炼粗锌）情境：炼锌工厂从电极上得到粗锌，提纯变成可利用的纯锌。【任务1-1】设计电解装置，选择合适的电极材料和电极质溶液。【活动1-1】使用粗锌作阳极，用纯锌作阴极，硫酸锌溶液为电解质溶液。电解时，阳极首先是活泼杂质铝被氧化为Al3+，接着锌失去电子被氧化为Zn2+。阴极上，Zn2+得到电子变成锌析出。【任务1-2】电解后溶液中离子浓度有何变化。【活动1-2】根据电子守恒规律，阳极失电子总数等于阴极得电子总数，阳极有铝和锌溶解，阴极上只有锌析出，阳极产生的Zn2+比阴极消耗的Zn2+少，溶液中c（Zn2+）减小。【任务1-3】阳极上铅、铁、铜等金属会不会氧化，阴极上会不会有Al析出。【活动1-3】通过交流讨论：铅、铁和铜的还原性比锌弱，不会被氧化，在阳极附近沉淀形成阳极泥。溶液中Al3+的氧化性比Zn2+弱，所以阴极上只有锌析出，而不会析出铝。【归纳】电极上发生的反应，与电极材料、溶液中离子的氧化性、还原性强弱有关，判断电极产物要先分析阳极材料和溶液中离子种类。设计意图：通过真实的问题情境，引导学生开展实验探究活动，将理论知识运用到实际的解决问题中，体验科学探究的乐趣。培养学生“证据推理与模型认知”的化学学科核心素养。【评价】学生能很快利用所学的电解原理，设计出装置，选择合适的电极材料和电解质溶液，能判断出电极上发生的反应和电极产物。环节二：完善电解模型（电解饱和氯化钠溶液）情境1：工业上通过电解法冶炼活泼金属，能否通过电解盐溶液制备。【任务2-1】电解饱和食盐水能否冶炼金属钠。【活动2-1】预测电解饱和食盐水的电极产物。溶液中离子有Na+、Cl-以及水电离出的H+、OH-，阴极产物可能是Na或H2，阳极产物可能是Cl2或O2。【任务2-2】探究电解饱和食盐水的产物。2NaCl+2H2O2NaOH+H2↑+Cl2↑。【活动2-2】设计电解饱和食盐水的装置，从实验原理正确、操作简单、现象明显、保护环境等方面分析，评价装置的优、缺点并改进。最终确定电解浸有食盐水的粉笔，用pH试纸和淀粉-KI试纸检验产物，观察现象，判断电极产物，书写电极反应式。阴极：2H++2e-=H2↑，阳极：2Cl-+22NaCl+2H2O2NaOH+H2↑+Cl2↑。情境2：工业上通过电解饱和食盐水制取氯气、氢气和烧碱，如何设计装置。【任务2-3】将电解食盐水的装置应用到工业生产有哪些不足之处，提出改进措施。【活动2-3】实际工业生产中要避免生成物H2和Cl2混合，因两者混合遇火或遇强光容易发生爆炸；还要避免Cl2与NaOH溶液接触发生反应（Cl2+2NaOH=NaCl+NaClO+H2O）。－+Na+H+OH-Cl2H2淡盐水NaOH溶液精制饱和NaCl溶液H－+Na+H+OH-Cl2H2淡盐水NaOH溶液精制饱和NaCl溶液H2O（含少量NaOH）离子交换膜只允许阳离子、水分子通过阳极阴极阳极室阴极室Cl-OH-【教师点拨】离子交换膜是一种含离子基团的使溶液中的离子选择性定向透过的高分子膜，能平衡溶液中离子的浓度和电荷。常见的有阳离子交换膜、阴离子交换膜和质子交换膜。离子交换膜在电解池中的作用有：隔离某些物质，阻止反应的发生；用于物质的分离与提纯；用于制备某些物质。设计意图：通过真实的工业生产情境，学生体会到理论与现实的差异，引导学生开展实验探究活动，将理论知识运用到实际的解决问题中，体验科学探究的乐趣，加深对电解模型的理解，更好地落实“科学探究与创新意识”。【评价】学生能结合理论知识，预测实验现象和结果，并利用常用的仪器和试剂进行实验，验证猜想。能分析评价简单电解装置在生产中的不足之处，根据生产需求，设计出更合理的方案。环节三：深度应用模型（化学储能）情境：在电解过程中，除了发生物质转化，还有哪些变化？使用充电宝作为电源，充电能从哪里来，是怎么储存在电池中的？【任务3-1】在实验过程中，能量转化形式是怎样的？【活动3-1】列举生活中常见的电池如：充电宝、电动车电瓶、新能源汽车电池。充电宝充电时，就是将电能转化成化学能，储存在充电宝中。电解过程中，充电宝放电，将化学能转化成电能释放出来，而电解池又可以将电能转化成化学能。【任务3-2】探究全钒液流电池工作原理。【活动3-2】观看全钒液流电池装置示意图，判断充电时电极名称、电极反应式，分析离子移动方向、电极附近溶液中离子浓度变化、能量转化形式。【学生归纳】液流电池是电化学储能领域的一个研究热点，其优点是储能容量大、使用寿命长。全钒液流电池就是一种新型的大容量电化学储能装置，正负极均使用钒盐溶液，不同价态的钒离子溶液分别做为正极和负极的活性物质，分别储存在各自的电解液储罐。充电时，VO2+在阳极被氧化为VO2+，V3+在阴极被还原为V2+，具有较高能量的产物被泵回储液罐，将能量储存起来。【教师总结】除了实现物质转化外，人们还可以利用电解原理将电能转化为化学能，从而实现能量的储存。二次电池的充电过程实际上就是通过电解来实现的。利用电解原理的大规模储能技术则在电力工业中具有非常重要的应用。设计意图：理论变为实践需要经过很多的再设计，各种电解装置在实际生产、生活中具有广泛的应用价值，让学生认识现代科技的新应用，感受化学在生活中所起到的积极作用，从而激发学生学好化学的兴趣，这正是核心观念统领教学中蕴含的深层次理解和应用知识的一个体现。【学生反思】通过本节课的学习，同学们有哪些收获和感悟？总结:通过这节课的学习，相信大家已经感受到了电解的价值，利用电解可以使许多通常条件下不能发生的反应得以进行，实现物质转化。同时电解还可将电能转化为化学能，实现能量的存储。电解对于化工生产、金属冶炼、实验室研究以及人们的日常生活都具有十分重要的意义。电解原理不仅仅应用在这三节课学习的无机物的电解制备、环境保护，还应用在电化腐蚀与防护、电有机合成等更广泛的领域里。在电化学领域，还有许多技术有待我们去完善，希望同学们学好化学，用好化学，让我们的生活更加丰富多彩。十、课时作业1．下列描述中，不符合生产实际的是（）A．电解熔融的氧化铝制取金属铝，用铁作阳极B．电解法精炼粗铜，用纯铜作阴极C．在冶金工业上，常用电解法制取钠、镁、铝等金属D．在镀件上电镀锌，用锌作阳极2.(双选)氯碱工业的一种节能新工艺是将电解池与燃料电池相结合，相关物料的传输与转化关系如图所示(电极未标出)。下列说法正确的是()A．电解池的阴极反应式为2H2O＋2e－===H2↑＋2OH－B．通入空气的电极为负极C．电解池中产生2molCl2时，理论上燃料电池中消耗1molO2D．a、b、c的大小关系为a>b＝c3.（1）利用LiOH和钴氧化物可制备锂离子电池正极材料。LiOH可由电解法制备，钴氧化物可通过处理钴渣获得。利用如图装置电解制备LiOH，两电极区电解液分别为LiOH和LiCl溶液。B极区电解液为________溶液(填化学式)，阳极电极反应式为_________________，电解过程中Li＋向________电极迁移(填“A”或“B”)。（2）用NaOH溶液吸收烟气中的SO2，将所得的Na2SO3溶液进行电解，可循环再生NaOH，同时得到H2SO4，其原理如下图所示(电极材料为石墨)。图中a极要连接电源的________(填“正”或“负”)极，C口流出的物质是________，SO放电的电极反应式为______________，电解过程中阴极区碱性明显增强，用平衡移动原理解释原因：_______________。十、教学反思本节课通过设计电解装置入手，引导学生将所学知识运用到工为生产中。通过交流讨论，学生自主设计模型，相互评价并不断完善，更加深刻的理解电解原理，认识到电解在物质转化和能量转化中的应用。在这个过程中，学生感受到书本知识的局限性，激发了进一步深入学习的兴趣。学生能够在教师的引导下全心投入，不断思考，完善自己的知识体系。在教学设计中没有考虑到学生处理真实问题的能力不足，设计实验方案和装置存在较多缺陷，不会对实验装置进行评价。在后期教学中要多引导学生动脑思考、动手操作，培养学生分析解决实际问题的能力。十一、教学评价1.立足情境，引发学生深度思考本节课遵循情境-问题/任务-活动-知识-素养的教学模式，通过实地考察，引发学生思考。学生能够发现和提出有探究价值的化学问题，能从问题和假设出发，组织学生开展分析解释、推理预测、设计评价等学习活动，发展学生对电解池工作原理的认识，促使学生建立对电化学过程的系统分析思路，提高学生对电化学本质的理解。2.基于问题，培养学生创新能力教学中创设真实情境（化工生产条件、设备的选择等），组织学生开展基于生产需求、能量利用等要求选择设计转化装置等活动，形成合理利用化学反应中的能量变化的意识和思路，使学生认识到科学探究是进行科