苏教版实验化学专题5电化学问题研究

苏教版《实验化学》专题5电化学问题研究张宏良宁波效实中学浙江宁波315012一、有关电化学的课程标准解读内容标准活动与探究建议《化学2》主题2化学反应与能量举例说明化学能与电能的转化关系及其应用①查阅资料：化学能转化为热能、电能在生产、生活中的应用。②实验：用生活中的材料制作简易电池。

③市场调查：不同种类电池的特点、性能与用途。《化学与生活》主题2生活中的材料描述金属腐蚀的化学原理，认识防止金属腐蚀的重要意义。讨论：金属的防护。《化学与技术》主题2化学与材料的制造、应用举例说明用化学方法进行金属材料表面处理的原理观看影像或参观：金属的电镀等《化学反应原理》主题1化学反应与能量1.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方程式。2.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。3.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。①实验探究：电能与化学能的相互转化②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。③查阅资料并交流：防止钢铁腐蚀的方法《实验化学》主题2化学实验探究1．能发现学习和生产、生活中有意义的化学问题，并进行实验探究。

2．能根据具体情况设计解决化学问题的实验方案，并予以评价和优化。

3．能通过化学实验收集有关数据，并科学地加以处理。

4．能对实验现象做出合理的解释，运用比较、归纳、分析、综合等方法初步揭示化学变化的规律。设计实验：金属（或塑料）的电镀分析：①化学课程标准中有5个模块的主题中都出现了有关电化学的内容，当然，苏教版的所有教科书都出现了电化学的相关知识，说明了电化学内容的重要性。②《实验化学》模块内容标准虽没有直接对电化学知识进行表述，但其要求是最本质的。而且通过亲身做实验的体会，我发现有些实验的现象、结论、解释没有“预见性”。③各模块的侧重点不同，总的趋势是“螺旋上升”。如对于“电解饱和食盐水”，《化学1》P40“氯气的生产原理”中的“观察与思考”；《化学2》P42“电能转化为化学能”中的“资料卡”；《化学与技术》P26，“氯碱工业”中的“活动与探究”；《化学反应原理》P19“电解池的工作原理及应用”中的“交流与讨论”；《实验化学》中“电解与电镀”P68的“电解饱和食盐水”和P70的“用铜电极电解饱和食盐水”。其它如对电极方程式的书写要求、铜锌原电池装置的改变、电解熔融NaCl的要求、金属腐蚀与防护的要求与实验等知识都是呈“螺旋上升”。二、电化学问题研究教学要求和教学建议1、教学要求课题1原电池基本要求1.通过原电池实验，加深对原电池工作原理的认识2.通过制作氢氧燃料电池，了解燃料电池的工作原理。3.能用实验的方法证明钢铁的析氢腐蚀和吸氧腐蚀的发生，并能用化学知识加以解释。发展要求初步了解生活中常见电池的化学原理，能根据已知的电池总反应式，判断电池的正负极，书写电极反应式。说明1．生活中常见电池的工作物质及电池反应式不作要求。2．电极的极化作用对原电池产生电流的影响只作一般了解。课题2电解和电镀基本要求1．通过电解饱和食盐水实验，加深对电解原理的理解。2．通过铁钉镀锌实验，加深对电镀原理的认识。3．学习设计简单的电解、电镀装置。4．体会观察和分析实验现象对于化学研究的重要性。发展要求1.初步了解溶液中常见阳离子在电极上放电顺序。2.能根据阳离子的放电顺序判断电解池阴极产物。说明1．拓展课题“阿伏加德罗常数的测定”重在让学生体验用电化学手段进行科学研究的方法，使学生能按给出的方案进行实验，采集数据，能根据给出的公式处理实验数据并得出结论，不要对实验原理进行纠缠。2．拓展课题“用铜电极电解饱和食盐水”重在让学生通过对实验现象的观察，引起学生的思考，并结合自己已有的知识作出解释，不必追求结论的完整和统一。2、教学建议①对电化学知识进行较为系统的整理和回顾，可将部分实验研究专题穿插在《化学反应原理》模块中进行，向整合要效益。如“原电池实验”可穿插在《化学反应原理》P12的“活动与探究”中；“制作氢氧燃料电池”如在《化学2》P40已做过就可不做，也可穿插在《化学反应原理》P15的“资料卡”中；“金属的电化学腐蚀”可穿插在《化学反应原理》P23的“活动与探究”中；拓展课题5-1干电池模拟实验可穿插在《化学反应原理》P14中的“化学电源”中让有兴趣的学生在课后去做；电解饱和食盐水肯定在《化学1》中做过，可分析其原理并让学生来操作；铁钉镀锌可穿插在《化学反应原理》P19的“观察与思考”或P25的“牺牲阳极的阴极保护法”中；拓展课题5-2“阿伏加德罗常数的测定”和5-3“用铜电极电解饱和食盐水”可穿插在《化学反应原理》中“电解池的工作原理及应用”一节学完后让有兴趣的学生在课后组成研究性学习小组去做。②引导学生仔细观察电极上发生的各种现象，有兴趣的学生可课内和课外有机结合，开放实验室。③努力创造条件,注重探究过程，采用多种实验活动方式，突出实验的实用价值。④通过实验探究让学生了解水溶液中阳离子的放电顺序，部分实验研究专题可和高三总复习有机结合。⑤处理好实验课题和拓展课题的关系，有兴趣的学生可通过组织研究性学习小组学习拓展课题提高自己的理论水平。三、实验研究1、课题1原电池1．1原电池实验（可穿插在《化学反应原理》P12的“活动与探究”中）1．1．1装置的连接在锌片与铜片（各6cm×）间放一块海绵(厚度,用橡皮筋绕几圈固定,用导线把小灯泡,、锌片和铜片连好后插入盛有稀硫酸的电解槽（8cm×5cm×8cm）中。1．1．2实验对比电解质浓度、温度不同的对比电解质溶液小灯泡结论H2O2(30%,1ml)KMnO4(1g)K2Cr2O7(1g)冷H2SO4（1:100）搅也不亮搅也不亮搅也不亮搅也不亮热H2SO4比冷H2SO4效果好;重铬酸钾效果最好;可选择1:10的H2SO4热H2SO4（1:100）搅也不亮搅也不亮灯丝微红15s灯丝微红37s冷H2SO4（1:10）搅也不亮搅也不亮灯丝红1min18s较亮3min15s热H2SO4（1:10）搅也不亮搅也不亮较亮3min14s亮9min40s冷H2SO4（1:5）搅也不亮不搅不亮亮40s亮2min10s热H2SO4（1:5）搅也不亮灯丝红21s亮2min6s30min后还是亮电极材料不同的对比电极材料去极剂冷H2SO4（1:10）热H2SO4（1:10）结论Cu-Zn小灯泡搅也不亮搅也不亮Cu-Zn和Zn-C中热H2SO4比冷H2SO4效果好;重铬酸钾效果最好;Al-Cu作电极时灯泡不亮,Al片经铝汞齐处理后还是不亮,原因是SO42-对Al与H+的反应有阻碍,改用稀HCl后,加入H2O2和KMnO4灯泡不亮,加K2Cr2O7灯丝发红,同时HCl浓度不能大,否则加KMnO4和K2Cr2O7时会产生有毒的Cl2,也就是说Al-Cu作电极时要用碱性溶液(如NaOH)用电解质。H2O2(30%,1ml)搅也不亮搅也不亮KMnO4(1g)灯丝红1min18s较亮3min14sK2Cr2O7(1g)较亮3min15s亮9min40sZn-C小灯泡搅也不亮搅也不亮H2O2(30%,1ml)搅也不亮搅也不亮KMnO4(1g)较亮13s较亮2min11sK2Cr2O7(1g)较亮1min12s较亮7min40sAl-Cu小灯泡均不亮均不亮H2O2(30%,1ml)均不亮均不亮KMnO4(1g)均不亮均不亮K2Cr2O7(1g)均不亮均不亮电解装置不同的对比装置①②③现象电流强度不大；灯泡不亮；Cu、Zn板都有大量气泡电流强度不大；灯泡不亮；Cu板有大量气泡，Zn板无明显变化灯泡发亮；Cu板产生气泡结论比较①②说明电流密度与电解质溶液有关，同时②装置用盐桥避免了Zn板产生气泡；比较①③说明电流密度与电极的距离有关，同时③装置用加去极化剂的方法减小了极化作用；比较②③说明电流密度与电极的距离有关注:盐桥也可用饱和KCl溶液浸润的棉线代替。1．1．3注意事项①海绵可用滤纸代替。②放去极剂时要用电极搅拌,溶解后再测时间。③可使灯泡持续发亮的关键是用电极不断搅拌溶液。④改用,的小灯泡效果会更好。1．2制作氢氧燃料电池（可穿插在《化学反应原理》P15的“资料卡”中）1．2．1装置的连接制好多孔碳棒后用导线与6V直流电源连接，插入各种2mol/L电解质溶液电解20s后，切断电源，迅速连接电流计（或音乐卡（生日音乐卡上拆下）、二极管（可拆自霓虹灯）、小灯泡（,）、蜂鸣器（701型，6V））1．2．2实验研究1．2．实验对比2mol/L电解质电解时现象电流计音乐卡二极管小灯泡蜂鸣器KNO3阳极气泡多于阴极指针会由大到小偏转咿咿呀呀唱不全一直亮10s不响Na2SO4（几乎饱和）阴极气泡多于阳极咿咿呀呀唱不全一直亮41s不响KOH两极气泡最多且阴极气泡多于阳极咿咿呀呀唱不全最亮，迅速变成较亮36s不响结论三种溶液均可；建议用电流计、二极管和,的小灯泡1．2．实验改进改进方法改进装置操作注意点改进1:让气体积聚不逸出漏斗颈部必须在液面以下；用大一点的U形管，否则多孔碳棒与漏斗颈部会接触而影响效果。改进2:用双刀双掷开关以便于控制。如要连接电流计则要注意正负极改进3:让气体积聚不逸出同时用双刀双掷开关以便于控制。漏斗颈部必须在液面以下；用大一点的U形管，否则多孔碳棒与漏斗颈部会接触而影响效果。1．2．3注意事项①配250mL2mol/LKNO3（m=）溶液时,溶解很慢(吸热),最好用热水溶解再冷却(温度低时会有晶体析出)。②用大一点的碳棒（直径1cm）比用小一点的碳棒（直径）效果好。③电流会由大到小变化，不用改进装置，连接电流计等设备时动作一定要快。1．3金属的电化学腐蚀（可穿插在《化学反应原理》P23的“活动与探究”中）1．3．1析氢腐蚀1．3．1．1试剂的配制与仪器的组装先准备一些铁钉,一半的铁钉绕上用砂皮打磨过的铜丝,分别把不绕与绕铜丝的铁钉加入到试管中，然后配制L和1mol/L的盐酸溶液,L和L(几乎饱和)的K3[Fe(CN)6]溶液,先加入HCl，注意溶液应浸没铁钉，再滴加2滴K3[Fe(CN)6]。1．3．1．2实验对比酸性环境LK3[Fe(CN)6]LK3[Fe(CN)6]L盐酸无Cu铁钉无气泡；K3[Fe(CN)6]溶液向下扩散即出现蓝色；蓝色无明显多少无气泡；K3[Fe(CN)6]溶液向下扩散即出现蓝色；蓝色无明显多少绕Cu铁钉1mol/L盐酸无Cu铁钉无气泡；K3[Fe(CN)6]溶液向下扩散即出现蓝色；绕Cu铁钉出现的蓝色比无Cu铁钉稍多无气泡；K3[Fe(CN)6]溶液向下扩散即出现蓝色；绕Cu铁钉出现的蓝色比无Cu铁钉稍多、扩散稍快绕Cu铁钉浓盐酸（直接取用）无Cu铁钉大量气泡；不出现蓝色，稀释时均变蓝；溶液呈浅黄绿色大量气泡；不出现蓝色，稀释时均变蓝；溶液呈棕黄色绕Cu铁钉结论K3[Fe(CN)6]浓度大小对实验基本无影响；建议用1-3mol/L盐酸提供酸性环境1．3．1．3注意事项与探讨①按书中步骤进行操作，不能把溶液混合后再放铁钉，否则马上出现蓝色。②探讨：不知为何L盐酸比1mol/L盐酸出现蓝色的速度快？（可能是K3[Fe(CN)6]在浓度小的溶液中扩散速度快？）1．3．2吸氧腐蚀1．3．2．1实验准备取一铁片（铁锡合金）（7cm×3cm），用砂皮打磨表面，然后在铁片上各滴几滴1mol/L和饱和的NaCl溶液，静置。1．3．2．2实验对比中性环境变红时间结论1mol/LNaCl溶液2min液滴周边有一处出现红色，4min二处出现红色，7min液滴1/3圈呈红色，约2小时一半液滴变红建议用稀NaCl溶液（如1mol/LNaCl溶液）饱和的NaCl溶液无明显变化备注：金属的电化学腐蚀可参考《化学教育》2022年第2期P53-54中的对比实验（较复杂）。1．4拓展课题5-1干电池模拟实验（可穿插在《化学反应原理》P14中的“化学电源”中让有兴趣的学生在课后去做）1．4．1实验步骤取一只直径的塑料瓶,用烧红的铁丝烫出30个小孔,瓶内衬一张滤纸,把3gNH4Cl、10mL水、9gMnO2、3g活性炭粉和2g面粉调成糊状，中间插一根直径的碳棒作正极;烧杯中加入200mL水、20gNH4Cl和10g面粉加热成糊状后倒入电解槽中，把上述塑料瓶置于其内，用电线连接Zn片、电流计和碳棒做实验。再分别用铁片与镁条代替锌片做实验。1．4．2实验对比负极实验现象解释与结论锌片稍有气味；电流计指针偏转约2大格半（量程为5V）产生NH3所以稍有气味；活泼性Mg＞Zn＞Fe铁片稍有气味；电流计指针偏转约2大格（量程为5V）镁条稍有气味；电流计指针偏转约4大格半（量程为5V）1．4．3注意事项①NH4Cl、水、MnO2、活性炭粉混合时必须放些面粉，否则碳棒不能粘在其内，放入电解槽中会渗出液体，使整个电解槽内电解质变黑。②最好在热水中加入面粉与NH4Cl，否则NH4Cl溶解很慢（溶解吸热）。③锌片、铁片、镁条都须打磨。④电解槽内受糊状面粉影响现象不明显。⑤用电极搅动电解质可使电压变大。2、课题2电解与电镀2．1电解饱和食盐水（可分析其原理并让学生来操作）建议用导管直接伸入泡液（小孩玩吹泡泡的）中吹出气泡再点燃，这样可以提高成功率。2．2铁钉镀锌（可穿插在《化学反应原理》P19的“观察与思考”或P25的“牺牲阳极的阴极保护法”中）2．2．1操作过程中的现象与注意点：①ZnCl2易潮解，用后须密封保存；②药品溶解较慢，有白色絮状物浮着，可适当加热；③按书中质量配比pH刚好在5、6间；④45OC的浓盐酸必须在通风橱内用水浴受热，否则将挥发出大量酸雾，用后的浓盐酸应封藏；⑤电解过程中1202型高中学生电源会经常过载，改用4V，电解一段时间又过载了（试了很多的学生电源），建议改用干电池提供6V电压；⑥电解时，铁钉（）表面先出现大量气泡，并伴有嘶嘶声，几分钟后铁钉附近出现较多黑色片状悬浮物，同时溶液逐渐变成青白色；⑦接触电解槽外壁感觉发热；⑧有无硼酸无明显区别。2．2．2结论：严格按照书中步骤操作，铁钉表面镀上的锌层并不光滑，擦去外面疏松层倒可发现已镀上了锌。2．3拓展课题5-2阿伏加德罗常数的测定（可穿插在《化学反应原理》中“电解池的工作原理及应用”一节学完后让有兴趣的学生在课后组成研究性学习小组去做）2．3．1实验对比第1组铜片距离电解前质量（g）电解后质量（g）改变的质量（g）结论阴极1cm×4cmcm电流强度不能大,否则误差大;电解时间稍长,否则质量改变小,无法称量;质量改变均不大，用托盘天平称误差太大，最好用分析天平称(我用的是电子天平,误差。阳极电流强度（A）1电解时间（s）900阿伏加德罗常数NA（mol-1）×1024第2组铜片距离电解前质量（g）电解后质量（g）改变的质量（g）阴极2cm×2cmcm阳极电流强度（A）1电解时间（s）900阿伏加德罗常数NA（mol-1）×1024第3组铜片距离电解前质量（g）电解后质量（g）改变的质量（g）阴极1cm×4cmcm阳极电流强度（A）电解时间（s）1800阿伏加德罗常数NA（mol-1）×10232．3．2注意事项①先擦去表面氧化膜后再剪，最好剪成1cm×4cm的铜片(浸入约2/3)。②胆矾加浓H2SO42mL还是溶解很慢，可适当受热。③电极距离保持,相对而列,可用透明胶固定。④电流强度大时电解槽内会残余灰黑色回体,过滤后才发现是铜。电流强度小时，电解槽内不会残余铜。⑤通电时电流强度会逐渐变小，可调整电阻或学生电流上的电压，使之保持电流强度约为。2．4拓展课题5-3用铜电极电解饱和食盐水（可穿插在《化学反应原理》中“电解池的工作原理及应用”一节学完后让有兴趣的学生在课后组成研究性学习小组去做）2．4．1装置的连接剥开双芯导线的两端，一端分叉后伸入装着NaCl溶液的U形管中或试管中；另一端分叉后跟学生电源的正负极相连，调节电压，启动开关进行实验。实验结束后，取沉淀物分别与稀H2SO4、稀HCl、浓氨水反应。2．4．2实验对比2．4．2．1用U形管进行电解（电压：6V）时间饱和NaCl1mol/LNaCl阳极阴极阳极阴极1min无明显变化铜极上有大量气泡无明显变化铜极上有少量气泡2min铜下端变黑铜极上有大量气泡；极小气泡分布在溶液中使溶液变模糊无明显变化铜极上有少量气泡；溶液澄清15min铜变黑，下端溶液略变浑浊铜极上有大量气泡；极小气泡分布在溶液中使溶液变模糊铜棒周围及下面液体出现青白色絮形带状物铜极上有少量气泡；溶液澄清25min铜下端黑又变红；溶液浑浊，有不易觉察的淡青色絮状物向下延伸铜极上有大量气泡；溶液更模糊絮状物变多延伸到U形管底部铜极上有少量气泡；溶液略变浑浊1小时铜全部变红；U形管下端出现橙黄色凝聚块状物铜极上有大量气泡；溶液模糊底部出现淡黄色凝聚块状物铜极上有少量气泡；溶液略变浑浊3小时铜丝明显变细；凝聚物变多且移到U形管阴极下端铜极上有大量气泡；溶液模糊铜丝略变细，凝聚物变多且移到U形管下端偏向阴极铜极上有少量气泡；溶液略变浑浊结论同时间内，电解饱和NaCl溶液比电解1mol/LNaCl溶液现象更明显电解结束后的实验：滴入溶液用滴管取出的悬浊液过滤出的沉淀结论稀H2SO4沉淀消失，溶液呈无色沉淀消失，溶液呈淡蓝色Cu2O在硫酸中歧化生成Cu2+,浓度小颜色不明显稀HCl沉淀消失，溶液呈无色沉淀消失，溶液仍呈无色形成CuCl2-无色离子浓氨水沉淀消失，溶液呈无色，慢慢变淡蓝色沉淀消失，溶液呈无色，慢慢变蓝色Cu(NH3)2+(无色)被O2氧化成Cu(NH3)42+注：饱和NaCl溶液与1mol/LNaCl溶液电解结束后的沉淀物做以上实验无明显区别。2．4．2．2用大试管进行电解（电压：3V）时间饱和NaCl1mol/LNaCl阳极阴极阳极阴极15s溶液略显浑