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第四章 化學(xué)反應(yīng)與電能
第二節(jié) 電解池
教學(xué)設(shè)計
教學(xué)目標(biāo)
1、了解電解、電解池的概念。理解電解池的工作原理。
2、能夠正確書寫電解池的電極反應(yīng)式。
3、掌握電解飽和食鹽水的原理。
4、了解電解原理在電鍍、金屬精煉、電冶金等方面的應(yīng)用。
5、掌握電解的有關(guān)計算。
教學(xué)重難點
1、重點：
（1）理解電解原理和以電解CuCl2溶液為例得出惰性電極作陽極時的電解的一般規(guī)律。
（2）電解池的工作原理。
2、難點：
（1）理解電解原理，非惰性電極作陽極對電解產(chǎn)物的判斷，電解原理的應(yīng)用。
（2）電解池的工作原理。
教學(xué)過程
一、導(dǎo)入新課
［復(fù)習(xí)導(dǎo)入］在前面我們已經(jīng)學(xué)習(xí)了原電池的知識，誰能舉例說明原電池是怎樣的能量轉(zhuǎn)化裝置？
［學(xué)生活動］學(xué)生討論后回答：原電池是把化學(xué)能轉(zhuǎn)變成電能的裝置。
［引入］1799年，當(dāng)意大利人發(fā)明了最原始的電池——伏打電池之后，許多科學(xué)家對電產(chǎn)生了濃厚的興趣，好奇心驅(qū)使著人們?nèi)ミM行各種嘗試。1807年，當(dāng)英國化學(xué)家戴維將鉑電極插入熔融的氫氧化鉀并接通直流電源時，奇跡終于產(chǎn)生了，在陰極附近產(chǎn)生一種銀白色的金屬，隨即形成紫色的火焰。這就是發(fā)現(xiàn)鉀元素的主要過程，當(dāng)時在社會上引起了轟動。這其中的奧妙是什么呢？電解時，物質(zhì)的變化是如何發(fā)生的呢？電能如何才能轉(zhuǎn)變成化學(xué)能呢？
[投影]展示幾個電解工業(yè)的工廠實景（電鍍以及氯堿工業(yè)）。這就是本節(jié)課我們要共同探討的問題。
二、講授新課
知識點一 電解原理
[師]我們已經(jīng)知道，金屬和電解質(zhì)溶液都能導(dǎo)電，金屬的導(dǎo)電過程是物理變化，電解質(zhì)溶液的導(dǎo)電過程是否與金屬的導(dǎo)電過程相同呢？下面讓我們一起通過實驗來進行探究！
[教師活動]演示實驗：電解CuCl2溶液
[師]與電源負極和正極相連的石墨棒上有什么現(xiàn)象，為什么會出現(xiàn)這樣的現(xiàn)象呢？
[學(xué)生活動]觀察實驗現(xiàn)象并進行討論交流嘗試解釋現(xiàn)象。
[生]與電源負極相連（陰極）的石墨棒上：逐漸覆蓋一層紅色的銅；與電源正極相連（陽極）的石墨棒上：有氣泡產(chǎn)生，濕潤的碘化鉀淀粉試紙變成藍色。
[講解]CuCl2在水溶液中完全電離生成Cu2+和Cl-；通電前，Cu2+和Cl－在溶液里自由運動；通電后，在電場的作用下，帶負電的Cl－移向陽極，并失去電子被氧化成氯原子，進而結(jié)合成Cl2放出，帶正電的Cu2+移向陰極，并得到電子被還原成銅原子，覆蓋在陰極上。
[板書]電極反應(yīng)：
陽極：2Cl－－2e－===Cl2↑(氧化反應(yīng))
陰極：Cu2＋＋2e－===Cu (還原反應(yīng))
總反應(yīng)：CuCl2Cu＋Cl2↑
[小結(jié)]電解質(zhì)溶液在導(dǎo)電過程中有新物質(zhì)產(chǎn)生，是化學(xué)變化。
[投影]
電解：在電流作用下，電解質(zhì)在兩個電極上分別發(fā)生氧化反應(yīng)和還原反應(yīng)的過程。
電解池：將電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能的裝置。
[提問]那么電解池的構(gòu)成需要哪些條件呢？
[投影]電解池的構(gòu)成：
(1)有與電源相連的兩個電極。(2)電解質(zhì)溶液(或熔融電解質(zhì))。(3)形成閉合回路。
[講解]通電時，電子從電源的負極沿著導(dǎo)線流入電解池的陰極，經(jīng)過陰、陽離子定向運動形成內(nèi)電路，陽離子在陰極得到電子，發(fā)生還原反應(yīng)，陰離子在陽極失去電子，發(fā)生氧化反應(yīng)，電子沿導(dǎo)線流入直流電源的正極。
[師]學(xué)習(xí)了電解的基本原理，那么陰、陽極應(yīng)該如何判斷，電極反應(yīng)式又該如何書寫呢？
[投影并講解]
1、陰、陽極的判斷
(1)根據(jù)外接電源的正、負極判斷
電源正極連接陽極，電源負極連接陰極。
(2)根據(jù)電極產(chǎn)物判斷
電極溶解、逸出O2(或電極區(qū)變酸性)或逸出Cl2的一極為陽極；析出金屬或逸出H2(或電極區(qū)變堿性)的一極為陰極。
2、電極反應(yīng)式的書寫步驟
(1)分析電解質(zhì)水溶液的組成：找全離子并分陰、陽兩組(不要忘記水溶液中的H＋和OH－)。
(2)排出陰、陽兩極的放電順序
①陽極
活性電極：金屬做陽極(Pt、Au除外)，金屬本身被電解；
惰性電極(Pt、Au、石墨等)：還原性強的離子先放電，放電順序為S2->I->Br->Cl->OH->含氧酸根離子。
②陰極(放電順序與電極材料無關(guān))
氧化性強的離子先放電，放電順序為Ag＋>Fe3＋>Cu2＋>H＋(酸)>Fe2＋>Zn2＋>H＋(水中)。
(3)寫出兩極電極反應(yīng)式
①陽極：活性電極失去電子生成相應(yīng)的金屬陽離子；溶液中的陰離子失去電子生成相應(yīng)的單質(zhì)或高價態(tài)化合物。
②陰極：溶液中的陽離子得到電子生成相應(yīng)的單質(zhì)或低價態(tài)化合物。
(4)寫出電解總反應(yīng)式
在兩極轉(zhuǎn)移電子數(shù)目相同的前提下，兩極反應(yīng)式相加即可得總反應(yīng)方程式。
[提問]那么電解有哪些規(guī)律呢？
[投影并講解]惰性電極電解電解質(zhì)溶液的規(guī)律
類型 實例 電極反應(yīng)式和總反應(yīng)式 溶液pH變化 溶液復(fù)原方法
電解水型 含氧酸 H2SO4 陽極：4OH-－4e-===2H2O+O2↑陰極：4H++4e-===2H2↑總反應(yīng)：2H2O2H2↑＋O2↑ 減小 加水
強堿 NaOH 增大
活潑金屬的含氧酸鹽 KNO3 不變
電解電解質(zhì)型 無氧酸(氫氟酸除外) HCl 陽極：2Cl－－2e－===Cl2↑陰極：2H＋＋2e－===H2↑總反應(yīng)：2HClH2↑＋Cl2↑ 增大 通入HCl氣體
不活潑金屬的無氧酸鹽 CuCl2 陽極：2Cl－－2e－===Cl2↑陰極：Cu2+＋2e－=Cu總反應(yīng)： CuCl2Cu＋Cl2↑ － 加CuCl2固體
放氫生堿型 活潑金屬的無氧酸鹽 NaCl 陽極：2Cl－－2e－===Cl2↑陰極：2H＋＋2e－===H2↑總反應(yīng)：2NaCl＋2H2O2NaOH＋H2↑＋Cl2↑ 增大 通入HCl氣體
放氧生酸型 不活潑金屬的含氧酸鹽 AgNO3 陽極：4OH-－4e-===2H2O+O2↑陰極：4Ag++4e-===4Ag總反應(yīng)：4AgNO3＋2H2O4Ag+O2↑+4HNO3 減小 加入Ag2O固體
知識點二 電解原理的應(yīng)用
[過渡]電解的原理在工業(yè)上有哪些應(yīng)用呢？下面就向同學(xué)們介紹幾個電解原理在工業(yè)上應(yīng)用的事例。
[講解]電解飽和食鹽水以制備燒堿、氫氣和氯氣，電解飽和食鹽水的工業(yè)生產(chǎn)叫氯堿工業(yè)。
[講解]在這個反應(yīng)中，由于H＋在陰極上得到電子而生成H2，破壞了附近的水的電離平衡，促進了水繼續(xù)電離，結(jié)果陰極區(qū)溶液里OH―濃度增大而呈堿性。
[投影]
陽極：2Cl－-2e－==Cl2↑ (氧化反應(yīng))。
陰極：2H2O＋2e－==H2↑＋2OH－ (還原反應(yīng))。
總反應(yīng)：2NaCl＋2H2O2NaOH＋H2↑＋Cl2↑。
[強調(diào)]在學(xué)習(xí)電解食鹽水的化學(xué)原理時，學(xué)生往往不容易理解堿為什么在陰極區(qū)生成。這點可以從H＋在陰極上大量被還原，從而引起水的電離平衡被破壞，來分析在陰極區(qū)積累大量OH―的理由。
[提問]什么是電鍍？電鍍的優(yōu)點有哪些？
[學(xué)生活動]指導(dǎo)學(xué)生查找閱讀教材中相關(guān)內(nèi)容，請學(xué)生代表回答。
[講解]電鍍是應(yīng)用電解原理在某些金屬表面鍍上一薄層其他金屬或合金的過程。 電鍍的主要目的是使金屬增強抗腐蝕能力、增加美觀和表面硬度。 鍍層金屬通常是在空氣或溶液中不易起變化的金屬，如Cr、Zn、Ag、Cu等
[講解]電鍍時，把待鍍金屬制品作為陰極；把鍍層金屬作為陽極；用含有鍍層金屬離子的電解質(zhì)配成電鍍液。通低壓直流電，陽極金屬在溶液中成為陽離子，移向陰極，在陰極獲得電子被還原成金屬，在待鍍件表面上覆蓋上一層均勻光潔而致密的鍍層。
[講解]例如，鋼鐵是人們最常用的金屬，但鋼鐵有個致命的缺點，就是它們易被腐蝕。防止鋼鐵發(fā)生腐蝕的一種最常用方法就是在其表面鍍上其他金屬，如鋅、銅、鉻、鎳等。
[講解]這里還需要我們注意的是，電鍍生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的廢水、廢氣、廢渣中含有多種對環(huán)境有害的物質(zhì)，處理后應(yīng)符合國家規(guī)定的排放標(biāo)準(zhǔn)，對其中的有用成分要回收利用。
[過渡]Na、Mg、Al等活潑金屬都可用電解它們的熔融鹽或氧化物制得。這種方法是利用電解法來冶煉活潑金屬，我們將其稱之為電冶金。
[投影]
總反應(yīng)化學(xué)方程式 陽極、陰極反應(yīng)式
冶煉鈉 陽極：2Cl－－2e－===Cl2↑陰極：2Na＋＋2e－===2Na
冶煉鎂 陽極：2Cl－－2e－===Cl2↑陰極：Mg2＋＋2e－===Mg
冶煉鋁 陽極：6O2－－12e－===3O2↑陰極：4Al3＋＋12e－===4Al
[強調(diào)]電解或電鍍時，電極質(zhì)量減少的電極必為金屬電極——陽極；電極質(zhì)量增加的電極必為陰極，即溶液中的金屬陽離子得電子變成金屬吸附在陰極上。在電解原理的幾個常見應(yīng)用中，電鍍銅和電解精煉銅比較相似，但注意區(qū)別：電鍍銅過程中，溶液中離子濃度不變；電解精煉銅過程中，由于粗銅中含有Zn、Fe、Ni等活潑金屬，反應(yīng)過程中失去電子形成陽離子存在于溶液中，而陰極上只有Cu2＋被還原，所以溶液中的陽離子濃度會發(fā)生變化，同時陰、陽兩極的質(zhì)量的變化值也不相等。
板書設(shè)計
4.2 電解池
一、電解原理
（一）電解CuCl2溶液
（二）電解和電解池
1、電解
2、電解池
3、電解池的構(gòu)成
（三）電解池工作原理
（四）陰、陽極的判斷及電極反應(yīng)式的書寫步驟
（五）惰性電極電解電解質(zhì)溶液的規(guī)律
二、電解原理的應(yīng)用
1、電解飽和食鹽水
2、電鍍
3、電冶金

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