《电解原理》教案

《电解原理》教案一、课标解读1．内容要求①认识化学能与电能相互转化的实际意义及其重要应用。②了解电解池的工作原理，认识电解在实现物质转化和储存能量中的具体应用。2．学业要求能分析、解释电解池的工作原理，能设计简单的电解池。二、教材分析《电解原理》将带领学生进一步认识化学变化所遵循的基本原理，初步形成关于物质变化的科学观念。在了解化学反应中能量转化所遵循的规律的基础上，赞赏运用化学反应原理对科学技术和人类社会文明所起的重要作用。同时基于电解池原型建构电化学认知模型，基于认知模型认识更多、更复杂的电解池装置，分析、解决电化学真实问题，理解物质变化和能量转化，发展“证据推理与模型认知”的素养。化学反应中，化学能与其他形式的能量可以相互转化并遵循能量守恒定律。化学能与电能的直接转化需要通过氧化还原反应在一定的装置中才能实现，电解池是将电能转化为化学能的装置。《电解原理》在人教版旧教材中位于选修4第四章第三节，在人教版新教材中位于选择性必修1第四章第二节。与旧教材相比，新教材有如下变化：1．深入分析CuCl2溶液的电解实验新教材中保留了CuCl2溶液的电解实验，并更细致深入地分析了其原理。①描述现象：新教材对现象的描述为“与直流电源负极相连的石墨棒上逐渐覆盖一层红色的铜，与电源正极相连的石墨棒上有气泡产生，湿润的碘化钾淀粉试纸变成蓝色”，将“阴极阳极”的概念后移至原理分析中。②得出结论：新教材删去了“CuCl2溶液在电流的作用下发生了化学变化，分解生成了Cu和Cl2”，改为“CuCl2溶液在通电条件下生成了Cu和Cl2”，更贴近实验事实，更符合学生的认知。③分析原理：新教材依次分析了通电前后水溶液中CuCl2的行为。以通电后Cu2＋和Cl－迁移方向为学生展示了离子导体的分析思路。2．强化对电解原理的认识在分析电解池的工作原理时，新教材删去了关于“该实验中电解质溶液的导电过程，就是电解质溶液的电解过程”的表述，增加了“上述过程可以看作外接电源提供的电能，借助电解池将还原剂（如Cl－）的电子转移给了氧化剂（如Cu2＋）”。增加了“思考与讨论”环节，带领学生建构模型并提升对模型的认识。增加了“方法导引”，启发学生不仅要重视分析电解池、原电池的区别，也要重视电解池、原电池的联系，即两个装置的电化学基础都是氧化反应和还原反应，进一步发展学生的认识。3．聚焦于电解原理新教材删去了“我们不仅可以用电解法分解CuCl2，还可以用此法分解许多难以分解的物质，生产许多化工产品……”及“电解法是最强有力的氧化还原手段”等相关内容，引导学生关注电解原理，为下一节“电解原理的应用”打好基础。电解池以发生在电子导体与离子导体接触界面上的氧化还原反应为基础。由以上分析可知，新教材强调构成电化学体系的基本要素，即电极反应、电极材料、离子导体、电子导体，重视对电化学过程的系统分析思路，力求提高学生对电化学本质的认识。三、学情分析通过前面章节的学习，学生已经掌握了原电池的工作原理及电极反应式的书写，建立了原电池的认知模型，对陌生原电池装置有一定的分析思路和方法，但对于电能与化学能的转化方式及离子的放电顺序等还存在认知局限。四、素养目标【教学目标】1．了解电解、电解池的概念，认识电解是电能转化为化学能的一种重要形式；2．形成系统分析电解池的一般思路和方法，能初步设计简单的电解池；3．初步了解在电解过程中，粒子的放电顺序与其氧化性、还原性的关系，能解释或预测电解反应的产物，并能用电极反应和总反应进行表征。【评价目标】1．通过对电解池工作原理的讨论和电极反应式及总反应式的书写，诊断学生对电解及电解池的掌握程度；2．通过对陌生电解池的组成、结构及工作原理的分析，诊断并发生学生的证据推理与模型认知的素养。五、教学重点、难点教学重点：电解原理；电极反应的分析与表征难点：电解池思维模型的建构；离子的放电顺序六、教学方法七、教学思路八、教学过程环节教师活动学生活动课堂引入【教师引导】电解一词对大家来说并不陌生，初中时，我们学习了通过电解水实验探究水的组成，在必修二中我们知道了一些非常活泼的金属需要通过电解法冶炼。什么是电解呢？思考建立模型【教师演示】电解氯化铜溶液这是氯化铜溶液的电解装置，包括直流电源、导线、两个石墨棒和氯化铜溶液，一个石墨棒通过导线连接到电源的正极，另一个石墨棒通过导线连接到电源的负极。请大家观看视频，并描述实验现象。【教师引导】分析氯化铜溶液的电解实验从视频中我们可以看出，通电之后与直流电源正极相连的石墨棒上有气泡产生，与直流电源负极相连的石墨棒上覆盖了一层红色物质，当老师打开装置时，还闻到了一股刺激性的气味。这个有刺激性气味的气体是什么呢？红色物质又是什么呢？通电之后，氯化铜溶液发生了怎样的变化呢？在解答这些问题之前，我们先来研究一下氯化铜溶液的组成。通电前，溶液中有哪些离子呢？铜离子、氯离子、氢离子、氢氧根离子。这些离子是怎样产生的呢？氯化铜在水分子的作用下发生电离，形成自由移动的铜离子和氯离子，水是一种极弱的电解质，能发生微弱的电离，形成自由移动的氢离子和氢氧根离子。通电是否改变了这些离子的行为呢？石墨棒上的产物分别是什么呢？根据溶液中存在的离子我们可以得知，红色物质应该是铜单质，有刺激性气味的气体可能是氯气，如何验证氯气这种气体是不是氯气呢？必修一中我们学习过可以用湿润的碘化钾淀粉试纸检验是否生成了氯气，本实验中是否产生了氯气呢？我们一起来看一下。从实验中我们发现，试纸变成了蓝色，说明生成的气体为氯气。两个石墨棒上的不同产物说明了通电确实对氯化铜溶液中的离子产生了影响，溶液中的离子不再是自由移动，大家能否根据石墨棒上的产物推测通电后这些离子的运动方向呢？通电后，铜离子向着与直流电源负极相连的石墨棒迁移，氯离子向着与直流电源正极相连的石墨棒迁移。石墨棒上分别发生的是什么反应呢？铜离子在与直流电源负极相连的石墨棒上转变为铜单质，发生的是还原反应，氯离子在与直流电源正极相连的石墨棒上转变为氯气，发生的是氧化反应。电化学中规定：发生氧化反应的为阳极，发生还原反应的为阴极。即铜离子在阴极得电子发生还原反应，氯离子在阳极失电子发生氧化反应。在电流的作用下，氧化反应和还原反应分开在两个区域内进行，我们把这个过程叫做电解。即使电流通过电解质溶液（或熔融电解质）而在阳极、阴极引起氧化还原反应的过程。把实现这种把电能转化为化学能的装置叫做电解池，也称电解槽。氢离子、氢氧根离子如何运动呢？氢离子与铜离子类似，都是阳离子，向阴极迁移，氢氧根离子与氯离子类似，都是阴离子，向阳极迁移。【教师引导】建立电解池模型请大家根据刚才的分析过程，绘制出氯化铜溶液的电解装置示意图，并标明电极名称、电子的运动方向、阴离子和阳离子的迁移方向、阴极和阳极的电极反应式及总反应方程式。我们一起来梳理一下氯化铜溶液的电解。氯化铜溶液中存在着自由移动的铜离子和氯离子，当接入直流电源后，电子从直流电源的负极流出，沿着导线到达阴极，铜离子和氢离子向着阴极迁移，铜离子在阴极得电子，氯离子和氢氧根离子向着阳极迁移，氯离子在阳极失电子，电子沿着石墨电极和导线流回电源的正极。把阴极还原反应的电极反应式和阳极氧化反应的电极反应式相加，即可得到电解氯化铜溶液的总反应方程式，也可看作是外接电源提供的电能，借助电解池将氯离子的电子转移给了铜离子。请大家根据刚才对氯化铜溶液电解的分析，绘制出反应电解池工作原理的示意图。示意图要包含以下内容：电解池的组成、氧化反应和还原反应发生的区域、电子的运动方向、阴离子和阳离子的迁移方向。电解池包括构成阴极和阳极的电极材料，及发生在阴阳极上的电极反应，阴极发生还原反应，阳极发生氧化反应，还有溶液中定向移动的离子构成的离子导体，阳离子向阴极移动，阴极子向阳极移动，及在电极材料和导线中定向移动的电子构成的电子导体，电子从电源的负极流出达到阴极，又从阳极流回电源的正极。聆听观察实验现象分析电解原理建立模型修正模型【教师讲解】氯化铜溶液的电解再探究氯化铜溶液中存在着自由移动的铜离子、氯离子、氢离子和氢氧根离子，铜离子和氢离子都向着阴极移动，为什么是铜离子得电子呢？这体现着铜离子和氢离子什么性质的差异呢？得电子能力与微粒的氧化性强弱息息相关，在之前的学习中我们知道，氢气的还原性强于单质铜，所以铜离子的氧化性强于氢离子，所以铜离子先得电子。能否依据电极产物推测离子氧化性或还原性的强弱顺序呢？以向阳极迁移的离子为例，氯离子和氢氧根离子都向阳极迁移，氯离子失电子发生了氧化反应，生成了产物氯气，说明氯离子的还原性强于氢氧根离子。从以上的分析中，我们能得到什么结论呢？微粒是否在电极表面上发生反应，与其氧化性或还原性强弱有关。【教师演示】镀有铜的石墨棒作为阳极电解氯化铜溶液将刚才得到的镀有铜的石墨电极与电源正极相连，另一极与电源负极相连，有会有怎样的现象呢？请大家先画出装置示意图，并尝试推测现象。镀有铜的石墨电极与电源正极相连便成为了阳极，另一极与电源负极相连则为阴极。溶液中的阳离子向阴极迁移，阴离子向阳极迁移。请大家根据现象写出阴阳极的电极反应式。阳极表面的铜逐渐消失，阴极表面渐渐被铜覆盖，由此可知阳极上的反应是铜单质失电子变为铜离子，阴极上的反应是铜离子得电子变为铜单质。电解一段时间后，阳极开始出现气泡。这个气体是什么呢？溶液中氯离子和氢氧根离子向阳极迁移，根据刚才的分析可知，产生的气体有可能是氯气。如何检验生成的气体呢？湿润的碘化钾淀粉试纸。我们看到湿润的碘化钾淀粉试纸变蓝，说明产生了气体氯气。由此，我们又可得出什么结论呢？【教师引导】电极上发生反应的物质与什么有关？电极材料和微粒的氧化性还原性强弱都会影响到电极上的反应。阴极表面发生得电子的反应，电极材料不得电子，是体系中的微粒得电子，如果体系中存在有多种可以得电子的微粒时，氧化性强的微粒先得电子。阳极表面发生失电子的反应，有一些阳极材料可以失电子，如铜电极，则是电极优先失电子。若阳极材料不能失电子，则是体系中还原性较强的微粒失电子。我们可以试着总结一下常见金属阳离子的得电子顺序，可以从什么角度思考这个问题呢？金属单质具有还原性，则其阳离子具有氧化性，金属单质的还原性越强，其阳离子的氧化性就越弱。据此我们可以推测出常见的阳离子的氧化性顺序。同样我们也可以总结一下常见的还原性离子的还原性顺序，非金属单质具有氧化性，单质的氧化性越强，阴离子的还原性就越弱。如氯气的氧化性强于硫单质，则氯离子的还原性弱于硫离子。氟单质的氧化性极强，则氟离子的还原性极弱。但这些只是一般规律。在实际的电解体系中，参与电极反应的物质及生成物会受电极材料、离子浓度、溶液酸碱性、电源电压等多因素的影响。认识电解池模型应用模型【教师引导】分析电解水实验【教师提问】加入少量硫酸钠后会不会影响到水的电离呢？回忆我们初中学习的电解水实验，可在水中加入少量硫酸钠或氢氧化钠以增强导电性，不知大家有没有疑问，加入硫酸钠后，会不会对水的电解产生影响呢？又是为什么呢？换成硫酸铜溶液行不行呢？请大家画出以石墨电极电解水（含有少量Na2SO4）的装置示意图，并分析阴极、阳极发生的反应。含有少量Na2SO4的水中存在着自由移动的钠离子、硫酸根离子、氢离子、氢氧根离子，在外加电源的作用下，氢离子和钠离子向阴极迁移，硫酸根离子和氢氧根离子向阳极迁移。哪些离子分别在电极表面发生反应呢？与什么有关呢？氢离子的得电子能力强于钠离子，所以氢离子在阴极得电子变成氢气，使水的电离平衡正向移动，阴极附近氢氧根离子的浓度增大。由于水是极弱的电解质，所以我们以水分子表示氢离子；同理，氢氧根离子的失电子能力强于硫酸根离子，所以氢氧根离子在阳极失电子变成氧气，使水的电离平衡正向移动，阳极附近氢离子的浓度增大，同样以水分子表示氢氧根离子。分析电解水的电极反应评价模型【教师引导】原电池与电解池的异同在本章的学习中，我们知道，化学能与电能的直接转化需要通过氧化还原反应在一定的装置中才能实现。原电池和电解池能使氧化反应和还原反应分别在两个电极上进行，原电池实现了化学能转化为电能，电解池实现了电能转化为化学能。原电池和电解池都包含着电极反应、电极材料、离子导体、电子导体等四个基本要素。原电池是系统发生化学反应对环境做电功，电解池则是环境对系统做电功并使其发生化学反应，它们工作时，都涉及电极上发生的氧化还原反应及电解质溶液中阴、阳离子的定向迁移，。思考原电池与电解池的异同课堂小结【教师讲授】课堂小结这节课我们主要学习了电解和电解池，电解就是使电流通过电解质溶液（或熔融电解质）而在阳极、阴极引起氧化还原反应的过程。把这一过程的装置叫做电解池，电解池实现了电能向化学能的转化，电解池由四个部分构成，分别是电极反应、电极材料、离子导体和电子导体。梳理思路九、板书设计十、课堂练习1．下列有关电解的叙述中不正确的是A．与电源正极相连的是阳极B．与电源负极相连的是阴极C．在阴极上发生氧化反应D．阴离子向阳极方向迁移2．下列说法中正确的是A．在原电池中，电子由正极通过导线流向负极B．在原电池中，还原剂在负极发生氧化反应C．在电解池中，与电源正极相连的电极是阴极D．在电解池中，还原剂在阴极发生氧化反应3．下列关于电解CuCl2溶液（如图所示）的说法中，不正确的是A．阴极上发生的反应为Cu2＋＋2e－=CuB．阳极有黄绿色气体产生C．总反应为CuCl2=Cu2＋＋2Cl－D．在电解池的作用下，Cl－将电子转移给Cu2＋4．实验室电解饱和食盐水的装置如图所示。下列判断正确的是A．电极a为阴极B．电极b上发生了还原反应C．阳极附近溶液变红D．阴极产生黄绿色气体5．某小组为研究电化学原理，设计如图装置。下列叙述不正确的是A．a和b不连接时，铁片上会有金属铜析出B．a和b用导线连接时，铜片上发生的反应为：Cu2＋＋2e－=CuC．无论a和b是否连接，铁片均会溶解，溶液从蓝色逐渐变成浅绿色D．a和b分别连接直流电源正、负极，电压足够大时，Cu2+向铜电极移动《电解原理》作业设计一、单项选择题I1．要实现反应：Cu＋2HCl=CuCl2＋H2↑，设计了下列四个实验，你认为可行的是A．B．C．D．【参考答案】C【质量水平】考点细化内容质量水平原电池与电解池A原电池的工作原理L1B原电池的工作原理L1C电解池的工作原理L1D电解池的工作原理L12．如图所示是电解CuCl2溶液的装置，其中c、d为石墨电极。则下列有关判断正确的是A．a为负极、b为正极B．c电极发生了还原反应C．电解过程中，d电极质量增加D．溶液中电子的运动方向为d→c【参考答案】C【质量水平】考点细化内容质量水平电解原理A电极的判断L1B反应类型的判断L1C现象的判断L1D电子运动方向的判断L13．用石墨电极电解CuCl2溶液（见右图）。下列分析正确的是A．a端是直流电源的负极B．通电使CuCl2发生电离C．阳极上发生的反应Cu2＋＋2e－＝CuD．通电一段时间后，在阴极附近观察到黄绿色气体【参考答案】A【质量水平】考点细化内容质量水平电解原理A电极的判断L1B电离的原理L1C电极反应L1D现象的判断L14．用石墨电极电解饱和食盐水，下列分析不正确的是A．得电子能力H＋＞Na＋，故阴极得到H2B．水的电离平衡右移，故阴极区得到OH－C．失电子能力Cl－＞OH－，故阳极得到Cl2D．OH－向阴极移动，故阳极区滴酚酞不变红【参考答案】D【质量水平】考点细化内容质量水平电解原理A产物的分析L1B产物的分析L1C产物的分析L1D现象的判断L15．利用下图装置电解硫酸铜溶液，下列说法正确的是A．b电极上发生氧化反应B．该装置能将化学能转变成电能C．电解质溶液中Cu2＋从b电极向a电极迁移D．若a为铜，则a的电极反应式为Cu－2e－=Cu2＋【参考答案】D【质量水平】考点细化内容质量水平电解原理A反应类型的判断L1B工作原理的分析L1C离子迁移方向的判断L1D反应物的判断L16．如图为直流电源电解稀Na2SO4水溶液的装置。通电后在石墨电极a和b附近分别滴加几滴石蕊溶液。下列描述正确的是A．一电极逸出无味气体，另一电极逸出刺激性气体B．a电极上反应式是4OH－－4e－＝2H2O＋O2↑C．a电极附近呈蓝色，b电极附近呈红色D．逸出气体的体积，a电极的小于b电极的【参考答案】C【质量水平】考点细化内容质量水平电解原理A现象的判断L1B电极反应式的书写L1C生成物的判断L1D生成物的判断L17．Cu2O是一种半导体材料，基于绿色化学理念设计的制取Cu2O的电解池示意图如下，电解总反应方程式为2Cu＋H2O＝Cu2O＋H2↑。下列说法正确的是A．石墨电极接直流电源的正极B．铜电极发生的电极反应式为2Cu＋2OH－－2e－＝Cu2O＋H2OC．铜电极接直流电源的负极D．当有0.1mol电子转移时，有0.1molCu2O生成【参考答案】B【质量水平】考点细化内容质量水平陌生电解池的分析A电极的判断L2B电极反应式的书写L2C电极的判断L2D转移电子数目的判断L3二、单项选择题II8．一种电解法合成氨的装置如图所示，该法采用高质子导电性的SCY陶瓷，用吸附在它内外表面上的金属Pd多晶薄膜做电极，实现了570℃、常压下高转化率合成氨。下列叙述正确的是A．阴极的电极反应式为N2＋8H＋＋6e－＝2B．该装置工作时，H＋从a极区向b极区迁移C．每生成1molNH3，有3gH2被氧化D．该装置实现了在常温常压下高转化率合成氨【参考答案】D【质量水平】考点细化内容质量水平陌生电解池的工作原理A电极反应式的书写L3B离子的迁移方向L3C电子转移数目相关计算L3D评价电解池L39．全钒液流电池是一种以钒为活性物质呈循环流动液态的氧化还原电池，适合用作电动汽车的动力电源，其工作原理如图所示。已知充电过程中V3＋发生还原反应