高中人教版 (2019)第二节 电解池教案设计

这是一份高中人教版 (2019)第二节 电解池教案设计，共5页。教案主要包含了情境引入，学习任务1，学习任务2，学习任务3，学习任务4，课堂总结等内容，欢迎下载使用。
课程基本信息
学科
高中化学
年级
高二
学期
秋季
课题
电解原理
教科书
书 名：高中化学选择性必修1化学反应原理
教学目标
1.从宏观角度认识电解池模型，通过电解实验，描述电解实验现象，初步建立电解池的概念。
2.微观角度分析本质原因，从溶液中微粒的行为、电极反应、能量变化对电解原理进行分析。
3.通过了解元素发现史，认识电解法对人类社会进步的重要贡献。
教学内容
教学重点：
电解原理。
教学难点：
电解原理。
教学过程
【情境引入】最近一些商家在向消费者推销净水设备时，利用一个所谓水质电解器的设备，对自来水进行所谓的检测。检测以后自来水都会变得又黑又脏，这让不少消费者觉得自己家的自来水问题真大，到底是不是有问题？我们来看看今天的真相报告。上图就是水质电解器，水质电解器真的可以检测水质吗？今天我们一起来学习电解原理，来揭秘事件背后的真相。
【学习任务1】认识电解和电解池
提问：同学们，氯化钠生成钠和氯气，这个反应是否属于自发的反应呢？以氯化钠为原料制备金属钠，我们该怎么做？
学生：在原电池的课时中我们已经学过自发的氧化还原反应，可以设计为原电池，实现化学能转化为电能。若以氯化钠为原料，制备金属钠，这是一个非自发的氧化还原反应，需要靠外界的力量，即外加直流电源来电解熔融的氯化钠为金属钠。
教师介绍：这是一张电解熔融氯化钠的示意图。在图像中我们可以看到，需要外加电源来电解氯化钠生成钠和氯气。我们将这种将电能转化为化学能的装置，叫电解池，将该装置简化后，可以得到这样的一张电解池的示意图。
提问：该电化学装置当中，电子是如何运动的呢？
学生：首先我们要找到电源的正负极，电子从负极流出流入正极，在电化学上规定得电子的电极为阴极，所以右侧电极为阴极发生还原反应，失电子的电极为阳极，所以左侧电极为阳极发生氧化反应，电子不入水离子不上岸。
提问：在该电化学装置当中，如何实现闭合电路呢？
这时我们需要认识离子的移动方向，这时钠离子向应急移动得电子发生还原反应，生成钠单质，而氯离子则向阳极移动，失电子发生氧化反应。阴阳离子在电解质溶液中定向移动，构成了闭合电路。
教师介绍：我们将这种使电流通过电解质溶液或熔融电解质，而在阴阳两极引起氧化还原反应的过程叫电解，电解是实现物质和能量转化，是非自发的氧化还原反应的一种方式。
【学习任务2】探秘放电顺序
如果我们在这里将熔融电解质更换为盐的水溶液，溶液中的微粒是否会发生变化，放电顺序又是如何？我们以石墨棒为电极电解氯化铜溶液，下面我们来观看实验视频----氯化铜溶液的电解实验。
学生：观看以石墨为电极电解氯化铜溶液的视频。
问题1：阴阳及产物分别是什么？依据是什么？
学生：阳极产物为铜单质，阳极产物是氯气；因为与直流电源负极相连的阴极，即石墨棒上覆盖了一层红色的金属，故而阴极产物为铜；与直流电源正极相连阳极石墨棒上有气泡的产生，该气体能使湿润的淀粉碘化钾试纸变蓝，说明该气体是氯气
问题2：氯化铜溶液中有哪些离子？通电前后这些离子如何运动？分析判断并书写电极反应。
学生：在该溶液中有氯化铜电离出来的铜离子和氯离子，还有水电离出来的少量的氢离子和氢氧根离子，通电前这些离子在溶液中做自由运动，通电后自由运动的离子改为定向移动，根据现象可以得知溶液中的阳离子往阴极移动，而阴离子往阳极移动，分别生成了铜和氯气。阴极：Cu2+ + 2e-=== Cu
阳极：2Cl- -2e ===Cl2 ↑
问题3：依据电极产物，推测离子氧化性（或还原性）的强弱顺序？
学生：在阴极上有Cu2+、H+， Cu2+先放电，说明Cu2+的氧化性要强于、H+；阴极有Cl-和OH-，Cl-放电，说明Cl-的还原性强于OH-。
教师介绍：在电解水的过程中，可以通过加入硫酸钠溶液来加快电解水的速率，产物为氢气和氧气。
问题4：请同学们根据上述实验事实，你知道放电顺序是什么吗？请判断并书写电极反应。
学生：在阴极周围有阳离子H+和Na+，H+ 先放电，说明H+的放电顺序要强于Na+，即氧化性要更强，在阳极周围有OH-和SO42-，说明OH-的还原性要强于SO42-。在这里我们发现水电离出来的H+放电顺序要强于活泼金属所形成的钠钾离子，水电离产生的OH-失电子能力要强于非还原性的含氧酸根离子
在电解氯化铜溶液的实验结束后，将镀有铜的石墨电极与电源的正极相连，另一极与电源的负极相连，接通电源后能观察阳极上石墨棒表面的红色金属溶解，阴极石墨棒上有红色固体析出。
问题5：请根据上述现象，阳极反应是什么？写出阳电极反应并判断阳极的放电顺序。
学生：阳极表面的金属铜溶解，说明铜单质是电子变成了铜离子。
教师：在这里铜单质的放电顺序竟然比阳极周围的氯离子氢氧根离子要强。这里有怎样的规律呢？这是因为在阳极的放电顺序当中，如果它是金属电极，非惰性电极则要优先放电。判断阳极的放电顺序，第一步应先关注的是它的阳极材料，如果阳极材料为活性电极，即活泼性强，如铁铜银之类的金属，即电极自身放电；如果是惰性电极，如碳铂金，这些电极本身不反应只是导电。那么放电的则是溶液中的阴离子。
教师小结：阴阳极上的放电顺序有怎样的规律？我们可以总结如下：
在阴极放电顺序主要取决于阳离子的得电子能力。这与金属活动性顺序刚好相反，金属越活泼，对应离子的电子能力就越弱。其次，氧化性的强弱跟离子浓度有一定的关联。再者铝、镁、钠、钙、钾、等离子，它们的放电顺序均要小于水中的氢离子，所以我们在制备金属钠等单质时，需要在无水熔融条件下去实现。而在阳极放电顺序就要优先考虑电极材料和阴离子的失电子能力。若电极材料本身为活性电极，即除碳、铂金等材质，则放电是金属电极本身，如果电极是惰性电极，即为碳、铂金等，则溶液中的阴离子按照失电子能力强弱进行放电。
【学习任务3】构建电解池的思维模型
请同学们结合之前自己所学的内容，绘制电解池工作原理的示意图。示意图的内容包含以下几个方面：
1.标注电解池的组成。
2.标明氧化反应和还原反应发生的区域。
3.标明电子的运动方向和阴离子、阳离子的迁移方向。
学生：构成电解池的要素中包含：外接的直流电源，阴极、阳极和含有阴阳离子的电解质溶液；在这里电解质溶液可以是电解质的水溶液或熔融的电解质。闭合以后，电子从负极流出流入阴极，溶液中的阴离子与电子流向一致，流向阳极，而阳离子流向阴极，电子从阳极流出，流回电源的正极构成了闭合电路。
阴极上发生的是一个得电子的还原反应，阳极上发生的是一个失电子的氧化反应。电极反应会因为电极材料、电解质溶液等因素的变化而变化，我们需要关注阴阳极上的放电顺序问题，该装置实现了电能向化学能的转化。
【学习任务4】揭秘水质电解器
教师介绍：商家在向市民推销净水器时，利用所谓的水质电解器进行电解检测，发现实验用的自来水又黑又脏，真的如此吗？水质电解器真的可以检测水质的好坏吗？检测人员将电解器插入蒸馏水和自来水中，30秒后蒸馏水无明显变化，自来水略有黄色，再经过15分钟发现不论是自来水还是蒸馏水，两个烧杯中均出现了絮状的绿色的沉淀。
水质电解器插入自来水或蒸馏水中，就是两组电池，单独的一组电解池也可以工作。我们将其化简只用其中的一组电解池结合图形，请同学们思考以下几个问题。
问题6：深绿色的絮状物质是什么？
学生：絮状物是氢氧化亚铁。
问题7：絮状物产生的原理是什么呢？
学生：我们发现阳极材料是铁作为活性电极，铁优先失电子，变成了亚铁离子；在阴极，水中的氢离子的电子变成氢气，同时生成氢氧根离子，所以亚铁离子和氢氧根结合变成氢氧化亚铁，出现了绿色的絮状沉淀。
学生：所以这款水质电解器电解水的现象，并不能说明水中含有杂质，纯净水也会出现这样的现象。
【课堂总结】我们的收获
这节课我们探究了电解原理，包括电极判断，电子移动方向，离子迁移方向，放电顺序等；阴阳极上的放电顺序需要结合具体的电极材料、电解质溶液、离子浓度等因素进行分析。希望同学们结合电解池的特点和形成条件去分析解决实际问题，认识化学对社会发展的重大贡献。
课后作业：配套作业+实践性作业。