化学选修4第四章老师参考书.docx
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化学选修4第四章老师参考书
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一、教学目标
1.进一步了解原电池的工作原理，能写出其电极反应和电池反应方程式。
2.了解常见的化学电源的种类及其工作原理，知道它们在生产、生活和国防中的实际应用。
3.了解电解池的工作原理，知道电解在氯碱工业、电镀、电冶金方面的应用。
4.能解释金属发生电化学腐蚀的原因，认识金属腐蚀的危害，知道防护金属腐蚀的方法，并能从实验探究中获得体会。
二、内容分析
1.地位和功能
本教科书的第一章着重研究了化学反应与热能的关系，本章着重研究化学反应与电能的关系，二者都属于热力学研究的范畴。
电化学是研究化学能与电能相互转换的装置、过程和效率的科学，它的应用十分广泛，在分析、合成等领域应用很广，由此形成的工业也很多，如电解、电镀、电冶金、电池制造等。
因此本章知识有利于学生们了解电化学反应所遵循的规律，知道电化学知识在生产、生活和科学研究中的作用。
同时，本章还设计了一些有趣的实验和科学探究活动，这有利于学生增强探索化学反应原理的兴趣，树立学习和研究化学的志向。
2.内容结构
本章包括原电池、化学电源、电解池、金属的电化学腐蚀与防护四部分内容。
原电池学生在必修化学2中学习了由锌片、铜片和稀硫酸溶液组成的简单原电池，初步了解了原电池原理。
在本章第一节中将学习带有盐桥的较复杂的原电池，进一步认识原电池的构成和反应原理，了解设计原电池、选用正、负电极的原则。
化学电源学生在必修化学2中对于化学电池的原理和应用，已有了初步的了解，本章在电池选用的标准，以及在一次电池、二次电池和燃料电池的反应原理方面，均有所拓宽和加深。
电解池教科书以CuCl2溶液的电解为例，介绍了电解的原理。
由于课程标准不要求介绍电极电势、分解电压等概念，因此这里只是简单地说明电解的产物，而不能定量地分析电解过程中什么离子能参与放电。
在电解原理的应用中，教科书简单地介绍了电解饱和食盐水制取烧碱、氯气和氢气，电镀，铜的电解精炼以及电冶金制取活泼金属的知识，目的是拓宽学生的知识面，开拓他们的科学技术视野。
金属的电化学腐蚀与防护教科书阐述了金属腐蚀造成的严重危害，指出金属腐蚀分为化学腐蚀和电化学腐蚀两类。
这里着重讨论了电化学腐蚀的机制，阐述了析氢腐蚀和吸氧腐蚀的反应原理，指出金属电化学腐蚀的本质是金属表面形成了微型原电池，使金属失去电子而被氧化。
同时指出，人们根据对金属电化学腐蚀本质的认识，发明了防护金属电化学腐蚀的方法，并具体地介绍了牺牲阳极的阴极保护法和外加电流的阴极保护法。
本章知识的逻辑关系如下：
3.内容特点
前面已经谈到，本章部分内容在必修化学2中已经涉及，在这里做了扩展与提高。
由于在材料广度和理论深度上有所限制，不涉及技术细节和电极电势、分解电压等定量概念，所以本章内容还是比较容易掌握的。
本章内容密切联系社会生产和生活实际，而且设计了一些有趣的实验和科学探究活动，教学中能够引起学生的学习兴趣。
三、课时分配建议
第1节 原电池 1课时
第2节 化学电源 1课时
第3节 电解池 2课时
第4节 金属的电化学腐蚀与防护 1课时
复习机动 1课时
小计 6课时
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一、教学设计
本节内容以必修化学2第二章第二节“化学能与电能”为基础，进一步介绍原电池的组成和工作原理，通过对原电池中闭合电路形成过程的分析，引出半电池、盐桥、内电路、外电路等概念，要求学生能够写出相关的电极反应式和电池反应方程式。
同时，帮助学生对电化学的研究和应用范围形成一个概貌性的认识。
鉴于课程标准对电极电势等概念不作要求，在理论方面控制了知识的深度，因此在教学中只需要借助氧化还原反应理论和金属活动性顺序以及物理学中的电学知识对有关问题进行一些定性的介绍和分析（如对原电池中正、负电极的判断，设计原电池时对正、负电极材料和电解质溶液的选择以及对电极反应产物的判断等）。
本节教学可采用实验探究法，即引导学生通过对原电池产生电流现象的观察和分析，去发现原电池在实现能量转化过程中存在的矛盾，并设想解决矛盾的思路，理解现有的解决矛盾的方法。
应该说，在原电池中设置盐桥不是一个普通的技术改进，而是对旧的思维模式的一个质的突破。
过去认为氧化剂、还原剂只有直接接触、相互作用才能发生电子转移，而现在，是使氧化剂和还原剂近乎完全隔离，并在不同的区域之间通过特定的装置实现了电子的定向转移，为原电池持续、稳定地产生电流创造了必要的条件，也为原电池原理的实用性开发奠定了理论基础。
本节教学重点：
进一步了解原电池的工作原理，能够写出电极反应式和电池反应方程式。
本节教学难点：
原电池的工作原理。
教学建议如下：
1.本课教学，应充分调动学生在学习过程中的自主意识，以实验为载体，创设问题情境，将对原有知识的回顾与新知识的引入融为一体，将实验探究与思考交流交替进行，凸现学生的主体作用。
2.新课引言，需要从知识的系统性方面让学生对本章内容有一个总体认识。
了解电化学“是研究化学能与电能相互转换的装置、过程和效率的科学”，了解电化学包含的两种反应过程与能量转换的关系。
同时，可通过播放一些有关氯碱工业、电镀、电冶金工艺和各类电池的图像，帮助学生对电化学的研究领域和工艺形成一些感性认识。
3.关于本课教学的重心——原电池，可以在教科书【实验4-1】的基础上补充一组探究性实验，以深化对原电池原理的理解。
具体方案：
【补充实验4-1-1】学生分组实验（或投影相关的实验过程）将锌片和铜片分别通过导线与电流计连接，并使锌片和铜片直接接触，然后浸入盛有硫酸铜溶液的烧杯中。
现象：
铜片表面明显有铜析出，电流计指示无电流通过。
问题与思考：
上述实验装置构成了原电池吗？
如果没有发生原电池反应，铜片表面为什么明显有红色的铜析出，并且锌片逐渐溶解？
如果实验装置就是原电池，为什么电流计的指针又不动，表现出无电流产生？
（实验中可单独置一铜片于该CuSO4溶液中，以作对比，说明铜不与硫酸铜溶液反应。
）
判断：
根据“铜片表面明显有红色的铜析出，并且锌片逐渐溶解”的实验现象，应该表现出原电池中电极反应的特点；借助物理学中的电学知识可以判断，电流计指针不动的原因可能跟锌片与铜片直接接触有关。
设想：
如果要证明上述装置就是原电池，确实实现了化学能与电能之间的转换，就必须证明锌片与铜片之间确实有电流通过，如何证明？
【补充实验4-1-2】将锌片和铜片分别通过导线与电流计连接，并使锌片和铜片不直接接触，再同时浸入盛有CuSO4溶液的烧杯中。
现象1：
电流计指针发生偏移，并指示电子是由锌片流向铜片，在铜片表面有红色的铜析出。
结论：
发生了原电池反应，可以肯定【补充实验4-1-1】中的装置构成了原电池。
并且，其中锌为原电池的负极，铜为正极。
现象2：
随着上述实验时间的延续，电流计指针偏转的角度逐渐减小，最终又没有电流通过。
同时锌片表面逐渐被铜全部覆盖。
分析：
由于锌片与CuSO4溶液直接接触，在反应一段时间后，难以避免溶液中有Cu2+在锌片表面被直接还原，一旦有少量铜在锌片表面析出，即在负极（锌）表面也构成了原电池，进一步加速铜在负极表面析出，致使向外输出的电流强度减弱。
当锌片表面完全被铜覆盖后，反应终止了，也就无电流再产生。
思考：
作为原电池，其功能就是要将化学能转换成电能，上述实验中负极上的变化势必影响原电池的供电效率。
能否设法阻止溶液中的Cu2+在负极（锌）表面还原？
讨论后，演示教科书中的【实验4-1】。
分析：
改进后的装置能持续、稳定的产生电流的原因。
分析过程中，要求学生指出上述原电池装置是将什么反应的化学能转换成电能，并分别写出其中负极和正极的电极反应式以及该电池的总反应方程式。
【补充实验4-1-3】将上述实验装置中的硫酸铜溶液换成相同浓度的稀硫酸，观察并比较产生电流强度的大小。
分析：
可借助金属活动性顺序分析上述实验电流强度大小不同的原因，同时也可以说明溶液中H+与Cu2+离子在正极放电的顺序。
【补充实验4-1-4】师生共同探讨如何利用：
Cu+2AgNO3==Cu（NO3）2+2Ag的反应原理，设计一个能持续产生电流的原电池装置。
（设计中需注意烧杯中电解质溶液和盐桥内电解质溶液的合理选用，在进行讨论后，可根据实际情况由教师或学生在讲台上演示实验。
）
4.关于本课的小结可组织学生完成，最终归纳时可侧重以下几个方面：
（1）原电池的功能：
将化学能转换成电能。
（2）原电池输出电能的能力：
首先取决于组成原电池的反应物的氧化还原能力；同时，装置设计的合理性以及影响电极反应的条件也是至关重要的因素。
（3）对本课教学过程中的探究活动予以适度评价。
另外，关于原电池原理应用于技术产品的开发应注意哪些方面的问题，可作为学生预习下一节——“化学电源”的思考题，也可作为学生利用课外时间开展的小型研究性活动课题。
二、活动建议
【实验4-1】
实验前应用砂纸将锌片表面打磨，除去氧化膜，以便观察到正常的电流强度由大到小的变化情况。
所用电解质溶液的浓度一般控制在1mol/L。
盐桥的制作方法：
方法1：
取1g琼脂置于烧杯中，加入100mL饱和KCl溶液，加热，使琼脂融化成糊状，趁热加入U形管中，待冷却后即可充当盐桥。
方法2：
将KCl饱和溶液装入U形管，用棉花堵住管口即可。
【科学探究】
图4-1用不同金属片制作原电池
准备以下金属片：
Cu、Ag、Zn、Fe、Al
正极：
Cu或Ag
负极：
Zn或Fe、Al
电解质溶液：
NaCl溶液（实验装置如图4-1所示）
操作步骤：
1.将用作正、负极的金属片用砂纸打磨干净（银电极可以自制，通过银镜反应在一洁净的小玻璃片上镀上银即可）。
2.用导线分别将正、负极与灵敏电流计相连，将4层滤纸夹在正极片与负极片之间，置于一塑料方盒中（可用盛装过试纸的空塑料盒，务必使两极与滤纸紧贴在一起），再滴入食盐水浸湿滤纸，观察现象。
3.按上述操作分别用Cu、Ag（正极）和Zn、Fe、Al（负极）组成的原电池作实验，观察它们的差异。
讨论：
（1）通过以上探究活动，你认为哪两种金属组成原电池正、负极时，产生的电流强度较大？
（2）你认为上面组成的各原电池具体是利用什么反应使化学能转换成电能的？
（3）关于原电池的电流强度大小除了受金属活动性影响之外，还与哪些因素有关？
（4）在利用原电池原理研制具有实用性的化学电池时，你认为需要考虑哪些问题？
三、习题参考
参考答案
1.由化学能转变为电能的装置。
氧化反应，负极；还原反应，正极。
2.铜，Cu-2e-==Cu2+；银，Ag++e-==Ag。
3.a、c、d、b。
4.B; 5.B、D。
图4-2锌铁原电池装置
6.装置如图4-2所示。
负极：
Zn-2e-==Zn2+
正极：
Fe2++2e-==Fe
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一、教学设计
前面关于原电池的学习，是了解化学能怎样转换成电能的理论性问题，而本节教学是要进一步了解依据原电池原理开发的技术产品——化学电池。
化学电池是一类应用范围广、实用性强的电源，小到手表、单放机、儿童玩具，大到航空航天、卫星通讯，几乎无处不在。
因此，学生在过去的学习和生活中已经对许多不同类型的电池有所了解。
正是基于这一点，教科书一开始设置的“学与问”就是要学生自觉地将自己已经积累的感性知识与新课教学内容紧密联系起来。
为了帮助学生对化学电池的了解继续深入一步，在具体知识方面，教科书概要性地介绍了电池的分类、优点以及质量优劣的判断标准，并以三大类型电池——一次电池、二次电池、燃料电池的相关知识为主线，以碱性锌锰电池、铅蓄电池和氢氧燃料电池为代表，简要介绍了电池的基本构造、工作原理、性能和适用范围，引出了“活性物质”、“比能量”、“比功率”、“自放电率”、“记忆效应”以及“绿色”环保等概念。
其他各类电池的内部构造、各类电池电极反应的实际过程比较复杂，不便逐一深究，所以教学中对相关知识深度的把握应以课程标准和教科书为准。
本节教学注重电化学知识与科技发展的紧密联系，教科书中提供了“锌银电池”“锂电池”“微型燃料电池”等阅读资料，目的是帮助学生了解电池工业发展的现状和前景。
在教学中，我们还应密切关注能源、环保方面的时事新闻，关注科技发展的动态，以适时地为教学补充相关素材。
本节教学重点：
一次电池、二次电池和燃料电池的反应原理、性能及其应用。
本节教学难点：
化学电池的反应原理。
教学建议如下：
本课可采取讲授与讨论相结合的模式和分类比较的方法进行教学。
1.新课引入，重在激发学生学习的兴趣。
在学生活动的基础上，可配合使用一些实物或图片的展示，加上对各类电池标志的辅助说明，或者引用一段关于电池工业的新闻报道，都有助于引起学生对本课教学内容的关注和积极参与探究的意识。
2.关于一次电池、二次电池和燃料电池的教学可以从不同角度展开，既可以从学科知识的角度介绍化学电池的分类、工作原理和用途，也可以从历史的角度介绍化学电池工业随社会、科技发展而发展的历程和前景，同时还应注意帮助学生理解——要使一项理论性研究成果转化成技术产品，实现其应用价值，需要考虑许多复杂的技术问题和社会问题。
3.教学中的主要过程可以围绕下列问题进行：
（1）通过日常生活和学习，你知道哪些电池？
其中有哪些属于化学电池？
它们在哪些方面得到应用？
（2）化学电池与其他能源相比较有哪些优点？
（参考教科书）
（3）判断电池的优劣标准主要是什么？
（参考教科书）
（4）目前化学电池主要分为哪几大类？
主流产品有哪些？
在性能等方面它们各自有何特点？
产生电能的基本原理是什么？
关于化学电池的分类：
教学中可结合【实践活动】，就上述各类电池的代表性产品作些具体的介绍和交流，然后在比较的基础上列表归纳，以便了解各自的特点。
表4-1部分主流产品供电的基本原理、性能和相对价格（供参考）
二、活动建议
【实践活动】
建议（可有选择地组织以下活动）：
1.前往超市、电器商店、汽车配件商店调查：
（1）电池的种类、型号、用途；
（2）选购电池的注意事项（质量、产地、厂家、价格等）。
2.到图书馆或上网查阅有关资料：
（1）电池的发明及电池工业的发展史；
（2）目前几种主要类型电池的供电原理（同时要注意将物理中电学知识与化学中的电化学知识相联系）；
（3）电池的应用范围以及生产和销售的市场走向；
（4）电池的生产和使用与环境问题；
（5）电池回收的价值以及目前在相关管理和技术操作中有待解决的问题。
3.可组织到生产电池的企业参观考察。
4.在实践活动的基础上，可组织学生探讨以下问题：
（1）如果你是一个电池制造业的管理者，你在开发新产品时将主要考虑哪些问题？
①对市场需求信息的准确把握，以便了解新产品的市场开发前景和预期可能获得利润的大小；
②本企业研制、生产新产品的技术、资金、设备、人力等条件。
（2）如果你是一个研制电池的工程师，在开发新产品时将主要考虑哪些问题？
需要了解新产品的技术指标和生产成本的最基本要求。
例如：
①电池功率的大小（这涉及活性物质及相关电解质溶液等填充物的选择）；
②电池的使用环境（涉及电池使用的安全性以及对电池的外形、质量大小和外包装等方面的要求）；
③电池的连续工作时间或使用寿命（涉及活性物质用量、电池的记忆效应以及电池自放电率的大小等因素）；
④电池废弃后，其内容物可能对环境的影响等等。
（3）如果你拥有一个笔记本电脑，你希望电脑中的电池有哪些优点？
电容量大，工作寿命长，充电时间短，体积小，质量轻，性价比高等。
以上三个问题旨在引导学生综合运用所学知识，立足于社会这个大背景之下，以更开阔的视野从管理、技术、环境和消费等不同角度来分析实际问题。
在教学中可作为研究性学习的小课题并依据实际情况选用。
三、习题参考
参考答案
1.A； 2.C； 3.C。
4.铅蓄电池放电时的电极反应如下：
负极：
Pb（s）+SO42-（aq）－2e-==PbSO4（s）
正极：
PbO2（s）+4H+（aq）+SO42-（aq）+2e-==PbSO4（s）+2H2O（l）
铅蓄电池充电时的电极反应如下：
阴极：
PbSO4（s）+2e-==Pb（s）+SO42-（aq）
阳极：
PbSO4（s）+2H2O（l）－2e-==PbO2（s）+4H+（aq）+SO42-（aq）
总反应方程式：
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一、教学设计
本节内容包括两大部分：
一是电解原理，二是电解原理的应用。
电解原理和原电池原理都是电化学的重要基础理论。
不同的是，原电池原理研究的是如何利用能够自发进行的氧化还原反应将化学能转变为电能；而电解原理研究的是如何借助电能使不能自发进行的氧化还原反应能够发生，从而使电能转换成化学能。
教科书将理论研究与实践探讨都放在了十分突出的地位，“电解池”是将理论与实际相联系的实体，通过“电解氯化铜溶液实验”引出电解原理，又在理解电解原理的基础上介绍相关化工生产方面的应用，如氯碱工业、电解精炼铜、电镀工业以及电冶金等。
教科书中还安排了两个活动，一是【思考与交流】，将原电池和电解池作对比，另一个是【科学探究】，要求设计一套电解饱和食盐水的装置并进行实验。
以帮助学生了解使电能转变为化学能的条件和方法，加深对氧化还原反应的认识，提高辩证思维的能力。
同时，还可以帮助学生牢固树立理论联系实际的学风。
本节教学的重心是认识“电能如何转换成化学能”，为避免重心偏移，对以下知识点的深度要予以适当控制。
（1）对于电解过程中阴、阳两极上离子的放电顺序，只要求学生通过对实验现象的观察和分析有一个粗略的了解。
具体来说，在阳极，几种阴离子的放电顺序可依据常例为：
Cl-＞OH-＞SO42-。
若是金属单质作阳极，则除Pt、Au、Ti等少数金属以外，其他金属将优先于阴离子在阳极放电。
在阴极，阳离子的放电顺序一般是：
按金属活动性顺序，越不活泼金属，其阳离子越容易被还原。
而铝以前的金属均不可能在水溶液中被还原。
要特别注意：
教学中不要把阴、阳离子在电极上的放电顺序绝对化。
因为阴、阳离子在两极上的放电情况比较复杂，与离子性质、溶液浓度、电流密度和电极材料等都有关系。
（2）关于电解原理在氯碱工业、电解精炼铜和电冶金工业中金属钠的冶炼等方面的应用仅限于主要原理介绍，对生产的主要设备只作一般性的了解，而对具体生产流程则不作要求。
本节教学可采取实验探究与讲授相结合的方式。
本节教学重点和难点：
电解原理及其应用。
教学建议如下：
1.课时分配。
第一课时，电解原理；第二课时，电解原理的应用。
2.新课引入。
第一课时，可以通过“电解氯化铜溶液”的实验直接引入；也可以通过回顾科学发展史引入，例如可以用这样一段话作为引言（同时投影背景图片资料）：
“1799年，当意大利人发明了最原始的电池——伏打电池之后，许多科学家对电产生了浓厚的兴趣，电给世界带来了太多的不可思议，好奇心驱使着人们去进行各种尝试，想看看它还能否出现什么奇特的现象。
1807年，当英国化学家戴维将铂电极插入熔融的氢氧化钾并接通直流电源时，奇迹终于发生了，在阴极附近产生一种银白色的金属，随即形成紫色的火焰。
这就是发现钾元素的主要过程，当时在社会上引起了轰动。
他随后用电解法又相继发现了钠、钙、锶、钡、镁、硼、硅等元素，戴维成为发现化学元素最多的人。
这其中的奥妙是什么呢？
电解时，物质的变化是如何发生的呢？
……”
通过这种引入方式可以使学生将前面学习的原电池原理与本课将要了解的电解池原理自然地结合在一起，有利于激发学生的求知欲。
3.教学中要把握好重心。
“电解氯化铜溶液”的实验既是理解电解原理的突破口，也是本节教学的重心，应充分发挥该实验在教学中的作用，努力引导学生通过自己的观察，了解电解装置和电解过程中的实验现象，并用所学知识分析电极表面发生变化的原因，进而认识电解池的功能，认识“电解质溶液的导电过程，就是电解质的电解过程”。
教学过程中，“电解氯化铜”的实验可以是教师演示，学生通过观察、记录，再予以分析；如果条件允许，最好是由学生分组实验、分组讨论，然后由教师组织大家归纳总结。
围绕“电解氯化铜溶液”的实验，应要求学生注意以下几点：
（1）仿照教科书中的装置示意图（图4-8）进行组装，了解电解装置的基本构造（包括电解池及其与直流电源的连接方式）。
（2）如实记录实验过程和现象，并加以准确的表述。
（3）应用电解质的电离和氧化还原反应等理论知识，对有关变化的过程和现象进行分析并作出结论。
上述实验的具体过程可分三步进行（以突出电流对阴、阳两极发生化学反应的影响，并区别于原电池的反应）。
①将两根碳棒分别插进U形管内的CuCl2溶液中（稍候，若碳棒表面无明显实验现象，可取出碳棒继续下一步操作）；
②将两根碳棒用导线连接后，浸入U形管内的CuCl2溶液中（稍候，若碳棒表面无明显实验现象，可取出碳棒继续下一步操作）；
③将两根碳棒分别跟直流电源的正极和负极相连接，浸入U形管内的CuCl2溶液中，再接通直流电（稍候，若碳棒表面有气泡产生，则应分析产生气泡的可能原因，并设计方案予以检验）。
最终的结论是：
在没有接通直流电时，两根碳棒无论是否用导线相连，都不能使CuCl2溶液发生变化。
但是，在直流电的作用下，溶液中的CuCl2被分解了，在阴极析出还原产物Cu，在阳极析出氧化产物Cl2，实现了电能转换为化学能的过程。
4.为强化学生对电离与电解、原电池与电解池等知识点的理解，可引导学生采用列表比较法进行归纳。
在完成“电解氯化铜溶液”的实验及相关讨论之后，就可以插入教科书安排的【思考与交流】活动，基本内容如表4-2和表4-3所示。
表4-2电离与电解的比较
表4-3原电池与电解池的比较
5.第二课时，可将教科书中的【科学探究】作为课前思考题，组织有兴趣的学生在课前进行实验探究活动，然后在上课时作为讨论题引入，并演示“电解饱和食盐水”的实验。
为了引导学生思考，必要时可将问题分解为以下几点：
（1）通电前，饱和食盐水中存在哪些离子？
这些离子的运动情况怎样？
（2）在电解装置中，可否选用铜作阴、阳极的电极材料，为什么？
（3）通电后，溶液中的离子运动发生了什么变化？
（4）溶液中的Na+是否可能被还原为金属钠，为什么？
（5）电解后，在阴极区和阳极区分别得到的产物是什么？
如何证明？
在上述活动中，应尽量避免“老师问，学生答”的格式化，努力为学生主动地发现问题、提出问题并解决问题提供必要的时间和思维空间。
帮助学生在理解电解原理的基础上将思维的触角向应用方面自然延伸。
6.关于电镀，为方便学生形成感性认识，加深理解，可补充电镀铜的演示实验，并将电镀铜与电解氯化铜溶液作对比。
表4-4电镀铜和电解氯化铜溶液的比较
7.关于电冶金，是以电解熔融NaCl为例，说明电解原理在冶金方面的应用。
教学中需要强调电冶金工业在生产原理和反应条件方面的特殊性，并和电解饱和食盐水的原理作对照。
使学生了解：
对于一些活泼的金属，由于难有还原剂将它们从其化合物中还原出来，而“电解法是最强有力的氧化还原手段”，所以“电解法几乎是唯一可行的工业方法”。
这也从一个侧面说明，为什么在人类数千年的文明发展历程中，这些活泼的金属直到近三、四百年才被陆续的发
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