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本节课内容是人教版高中化学选修4《化学反应原理》中第四章电化学第三节电解池的第1课时内容。本节着重研究化学反应与电能的关系。电解池是将理论与实际相联系的实体,通过“电解水和电解CuCl2溶液实验分析”引出电解原理。
二、教学目标
[知识与技能]
1.利用视屏播放电解水实验,建立电解池的装置模型;
2.学会分析电解池的工作原理;
3.学会简单电极反应式及总反应式的书写。
[过程与方法]
1.学生在探究性实验中理解电解池的工作原理,并得到电解池的组成条件。
2.培养学生的科学思维方法、增强实验能力和创新能力。
[情感态度与价值观]
1.通过自主探究根据现象设疑求解的模式,进行自主学习,激发学生的学习兴趣,培养科学探究态度和科学创新精神。
2.在小组合作的过程中,培养团结合作的探究学习观念,强化合作意识。
三、教学重点
电解池的工作原理。
四、教学难点
电极反应的判断及电极反应式的书写。
五、教学思路
实验视频——得出结论——提出问题——自主解决——给出两级名称——内、外电路分析——形成闭合回路——构建电解池装置——提出电解盐溶液的问题——多媒体播放动画模拟实验——解决问题——得出结论——实践上升为理论——电解池原理
六、教学用品
多媒体设备:多媒体电脑及电子白板。
七、教学过程设计
[实验视频]电解水实验视频。
[学生活动]观察实验现象,写出电解水的化学方程式。
[板书]■
[得出结论]借助一个通直流电的装置,实现了水的分解,这个装置就是电解池。
[板书]第三节电解池。
[教师分析]电解池如何能够实现水的电解,这要从电解原理分析。
[议一议]
1.纯水中存在哪些微粒?如何运动?
2.接通电源后,微粒如何运动?
3.H+﹑OH-分别移向电解池的哪极?
[学生活动]自主解决问题1、2。
[白板画出电解池装置图]
■
[学生活动]分析接通电源后电子的移动方向。
电子从电源负极移向电解池的阴极,从电解池的阳极移向电源的正极。
[解决第三个问题]内电路H+移向电解池的阴极,OH-移向电解池的阳极。
[教师总结]外电路电子的移动,内电路离子的定向运动构成闭合回路。
[学生活动]归纳电解池的构成条件。
1.直流电源。
2.两电极(导电的材料)。
3.电解质溶液。
4.构成闭合回路。
[教师活动]引导学生分析。
H+在阴极上得到电子,发生还原反应。
OH-在阳极上失去电子,发生氧化反应。
[学生活动]试着写出两电极反应式
阴极:4H++4e-=2H2
阳极:4OH—-4e-=2H2O+O2
[学生活动]提出问题,电解池可以分解水,那么能不能电解盐溶液?
[教师活动]多媒体播放CuCl2溶液的动画模拟实验。
[探究问题]
1.CuCl2溶液中存在哪些微粒?如何运动?
2.接通电源,微粒如何运动?
3.两电极可能的产物是什么?
[学生活动]产物的检验,实验现象。
阴极:有红色固体析出——Cu
阳极:有气泡产生,气体使湿润的淀粉KI试纸变蓝色——Cl2
[教师活动]多媒体播放实验。
[学生活动]写出电解CuCl2溶液的电极反应式及总反应式。
阴极:Cu2++2e-=Cu
阳极:2Cl—-2e-=Cl2
总反应式: ■
[观看动画模拟实验]分析电解实质,实践上升为理论。
[学生活动]归纳电解原理:直流电通过电解质溶液,使溶液中阴、阳离子分别移向电解池的阳极和阴极,并在两极上完成氧化还原反应。
[学生活动]阅读课本79页到80页第一段,理解名词。
1.电解______________ _____________
2.电解装置名称 ____________________
定义_____________________
阴极_____________阳极___________
[巩固练习]
1.分析下图,哪些是原电池( )哪些是电解池( )
■
2.下列关于电解槽的叙述中不正确的是( )
A.溶液中的阳离子向电解槽的阴极定向移动并发生氧化反应;
B.与电源负极相连的是电解槽的阴极;
C.在电解槽的阳极发生氧化反应;
D.电子从电源的负极沿导线流入电解槽的阴极。
3.下图是电解CuCl2溶液的装置,其中c、d是石墨电极。则下列有关的判断正确的是( )
A.a 为负极,b为正极
B.a为阳极,b为阴极
C.电解过程中,d电极质量增加
D.电解过程中,氯离子浓度不变
■
[板书设计]
第三节 电解池
1. 电解池的构成条件
2. 电解原理
3. 电解装置名称及定义
■
阴极:4H++4e-=2H2
阳极:4OH—-4e-=2H2O+O2
阴极:Cu2++2e-=Cu
阳极:2Cl—-2e-=Cl2
关键词: 高中化学教学 原电池 电解池 氧化还原反应
引言
高中化学是一门具有较强实践性与逻辑性的学科,给学生的学习工作带来了一定的困难。尤其对于“原电池”与“电解池”相关内容而言,内容相对比较抽象,学生不容易理解,同时这部分内容又是高中化学的重要内容。为此,在该部分内容教学过程中,教师应充分把握两者之间的异同点,并根据学生自身需求,灵活选择教学方法,以强化学生对于该部分内容的理解与认知。
1.原电池与电解池的区别与判断
学生在学习原电池与电解池时,很容易将这两个概念混为一谈,高二学习原电池,高三学习电解池,很多基础知识在学后者时就把前面的忘了。要想让学生记忆深刻,就要提高学生对原电池和电解池的兴趣,可以在学习的同时增加客观鲜明的实验来提高学生兴趣,通过实验可增进学生对原电池和电解池的了解,增强学生对原理的认识,根据实验让学生更好地记住电解池需要外接电源,而原电池是不需要外接电源,这样做会使学生的遗忘率大大降低[1]。
2.原电池正负极的判断与电极反应的书写
不管是关于原电池的计算题还是关于原电池的选择题,都是要求学生明确原电池的正负极,在判断原电池的正负极时,可根据原电池的电极端所用的金属活泼性来判断,所用一端金属较另一端活泼的为原电池的负极,则另一端较为不活泼的为原电池的正极。学生通过金属的活动顺序可轻松地判断原电池的正负极(由活泼到不活泼的金属活动性顺序:钾、钙、钠、镁、铝、锌、铁、锡、铅、氢、铜、汞、银、钯、金),负极总是失电子,正极总是得电子,原电池正极上的电极反应则必须根据电解液的成分来决定,电解液成分不同,在正极上的电极反应也不同。假如在铜锌原电池中,用锌做负极,铜棒做正极,用稀硫酸溶液作为电解液。在这时负极的锌失去两个电子被氧化为锌离子,负极:Zn-2e■=Zn■正极:2H■+2e■=H■(气体),这样就能使学生正确简单地写出电极反应式。
3.电解池中阴阳极的判断
在辨别电解池的阴极与阳极的时候要比原电池的正负极判断的方法简单。无论什么作为电解液,只要在正确的电解池中与电源正极相连接的一定是正极,与电源负极连接的一定是阴极。阳极发生氧化反应,电解液中阴离子移动到阳极失去电子,阴极发生还原反应,电解液中阳离子移动到阴极得到电子,在两极个生成相应的产物,并根据电解池的组成可判断阴阳极上的产物是什么。
4.电解池中电极材料、电解液与电解产物的关系
电解池中电极材料和电解液决定着电解产物的生成,主要根据电极材料可分为两种情况,一种是采用惰性电极,另一种采用非惰性电极[2]。第一,采用惰性材料电极,如碳棒等。惰性电极一般不考虑参加反应,在电解条件下,如果电解液中存在多种金属阳离子时,要根据所含金属阳离子的金属活动性来判断在电极上析出的顺序越不活泼的阳离子容易在电极上析出。第二,采用非惰性材料电极,当阴阳极与电解液中的阳离子相同时可用为金属的炼精,假如在铜的精炼上,阴阳极为铜棒,电解液为铜的盐溶液,当接通电源时,阳极的铜失去电子变为铜离子,阴极铜离子的电子形成铜被析出。在相同电解条件下,铜棒上的杂质如锌、铁等会溶解在电解液中,以阳离子形式存在,因为比铜的金属活动性强,所以在阴极的铜棒上不能析出这些金属只能析出铜,然而比铜不活泼的金属在阳极不能失去电子形成阳离子,只能以单质形态存在,这些金属单质沉淀在电解池底部,通常叫它们阳极泥。这种方法还有很多用处,如阴极保护法:利用电源的负极,使被保护的物体作为阴极,另一端用碳棒作为阳极,这样阴极就不容易腐蚀了。简单地讲述上面这些内容,对扩大学生的知识面与提高学习兴趣大有裨益。
5.原电池与电解池实验的重要性
在课程安排时,开课初安排学生进行试验,实现多组模式,同学之间进行分组讨论研究。第一,原电池与电解池的实验具有能够让学生直观方法了解反应原理,整个实验具有不存在环境污染、现象明显等特点。第二,能促进学生在学习原电池和电解池的知识,让学生在课堂上互动起来,把传统的枯燥的学习理念转化为学生积极主动地去学习,有助于学生的个性成长,有助于学生在实验和神获得创新能力,有助于学生对学习科学树立正确的态度,以学生为中心,教师在学生讨论时给予正确的指导,大大促进学生之间的交流,有助于学生正确地表达自己的观点,培养学生的自主学习能力,调动学生在学习上的积极主动性,实现学生化学水平的全面提升。
结语
总之,在学习原电池和电解池的部分内容时,要综合考虑到学生的兴趣和记忆深度的关系,培养学生分析及解决问题的能力,提高学生在学习上的积极主动性,真正实现学以致用。与此同时,在相关内容教学过程中,教师还应注重与学生生活实践的有效结合,通过他们的生活体验来强化他们对于该部分内容的理解与认知,以切实促进学生化学素养的全面提升。
参考文献:
doi:10.3969/j.issn.1008-0546.2017.07.001
一、前言
电解池知识在新课程人教版的“化学反应原理”中列为学生学习重点知识,也是高考必考的知识点。通过对这部分知识的学习使学生了解电解池反应所遵循的规律,知道电解池知识在生产、生活和科学研究中的作用。电解池的相关概念和原理较为抽象,需要学生从宏观、微观和符号三个层次进行理解,具有较强的系统性和抽象性,是中学化学教学的难点。目前国内对电解池的研究集中于研究电解池与原电池的对比、有关电化学的教学设计、电解池的教学策略等[1-9]。大多数关于电解池的研究均与原电池相结合,单独涉及到电解池的研究较少,且关于专门针对电解池的学习困难的研究也较少。本研究通过认知结构测查与纸笔测验相结合的方式,试图探查学生在“电解池”领域的知识结构特征及可能存在的学习困难,打破以往仅通过教师经验分析或纸笔测验结果认识学生在具体知识点掌握方面所存在的模式[10],解释学生建构该领域知识过程中的规律及其问题,并提出针对性的教学建议。
二、研究设计
1. 研究对象
被试群体为陕西省西安市东元路学校高三年级的21名学生,这21名学生代表着不同的学习成绩水平,其中7名优等生、7名中等生、7名学困生。
2. 研究方法
本研究采用流程图法[11-12]表征学生的认知结构。流程图法是在自然状态下,用一种非直接的方式获得人的思维顺序和结构组织特征,并用特定图形来展示受访者回忆内容的?序和内容之间的网络联系。即通过转录绘制流程图展现学生对于电解池内容的认知结构,采用线性箭头将学生的知识表达顺序连接,采用回归箭头表示重复知识点或相关知识点之间的逻辑关联。还需统计学生回答访谈问题所消耗的时间,需排除研究者提问所花费时间。有关认知结构变量及信息处理策略变量的内涵及计算如表1、表2所示。
三、研究结果与分析
1. 认知结构的定性分析
转录文本绘制21名学生的认知结构流程图,因篇幅有限,只选择列出学优生1、中等生2、学困生3的认知结构流程图,见图1。
通过展示3名学生关于电解池的流程图,可看出认知结构是具有整体性、层次性和差异性的组织系统。3名学生对电解池认知结构的广度和丰富度具有差异性。学生1认知结构的知识点较丰富,知识间的网络联系比较丰富,知识间系统性强。叙述框架有6个层次,依次为电解池的构成条件、电解池本质、阴阳极的判断、两极反应规律、阴阳极放电顺序及电解原理的应用,思路清晰,层次分明。学生2的叙述依次为电解池构成条件、两极反应规律及电解原理的应用,层次较鲜明,但条理性较差,说出两条电解池构成条件且未掌握阴阳极放电顺序。学生3认知结构的层次性和条理性都较差,只谈到电解池的本质、阴阳极判断及阴阳离子在溶液中的移动方向,未提及电解池的构成条件,未领会阴阳极知识的重要方面即阴阳极反应规律与阴阳极放电顺序。学生3与学生2和学生1相比,认知结构的整体性较差,需要后续进一步的提高和完善。
2. 数据处理与分析
(1)认知结构的定量分析
对学生认知结构整体结果进行分析,3名学生认知结构变量和信息处理策略数据的结果见表3。
由表中数据可以看出,学生1对于电解池可说出的知识点数目和知识之间的联系较多,且认知结构变量的整合度高于中等生与学困生,不存在错误描述,信息检索率相对较高。
电解池知识的信息处理策略中,学生1与学生2都倾向于用描述的信息处理策略表达电解池的构成条件。学生1能熟练地使用比较与对比的信息处理策略处理电解池阴阳极相关的知识,且倾向于使用情景推理与解释的信息处理策略处理电解池应用的相关知识。学生2倾向于使用描述的信息处理策略处理电解池应用的相关知识。学生2与学生3也能够使用比较与对比的信息处理策略处理电解池阴阳极的相关知识,但存在知识缺陷。
3. 相关性分析
(1)认知结构变量与成绩的相关性分析
从表4可得,关于“电解池”知识内容,学生的纸笔测试成绩与认知结构的丰富度和整合度密切相关(?鄢?鄢P < 0.01),纸笔测试成绩越高的学生其头脑中知识之间的联系越丰富、知识结构的整合度越高。
此外,认知结构的广度和丰富度、整合度、信息检索率密切相关(?鄢?鄢P < 0.01,?鄢P < 0.05);丰富度与整合度、信息检索率密切相关(?鄢?鄢P < 0.01,?鄢P < 0.05);有趣的是认知结构的错误概念与丰富度、整合度成负相关性(?鄢?鄢P < 0.01),而与信息检索率成正相关性(?鄢P < 0.05),这说明学生头脑中知识之间的关系越密切、知识结构的整合性越强,头脑中出现的错误概念就越少,但是学生若追求快速而准确的提取信息还是有一定困难的,容易出现错误概念。
(2)信息处理策略与成绩的相关性分析
由表5可得,关于“电解池”知识内容,学生的纸笔测试成绩与比较和对比、情景推理信息处理策略密切相关(?鄢P < 0.05),即学习成绩好的学生在呈现电解池相关知识时善于用较高级的信息处理策略。
(3)认知结构变量与信息处理策略的相关性分析
由表6可得,关于“电解池”知识内容,学生认知结构的广度和丰富度与比较和对比、情景推理信息处理策略显著相关(?鄢?鄢P < 0.01,?鄢P < 0.05);此外,认知结构的广度还与描述密切相关(?鄢?鄢P < 0.01);认知结构的整合度与比较和对比显著性相关(?鄢P < 0.05);信息检索率也与情景推理密切相关(?鄢?鄢P < 0.01)。说明学生所掌握的知识越多,对知识间的联系理解得越透彻,则更倾向于使用比较对比、情景推理与解释的较高级信息处理策略。
4. 学生的学习困难
对学生关于电解池知识的掌握情况及学习困难进行分析:
(1)电解池定义与原理:学生掌握的情况欠佳,提到电解池能量转化,电解池工作原理与电解池对应手机充放电的人数较少,所占比例分别为20%、33.3%、13.3%。说明学生对电解池的定义与本质不够重视。
(2)电解池的构成条件:学生对电解池构成条件掌握不全面。大部分学生都可以正确回答出电解池构成条件有阴阳极,所占人数为66.7%,这与电解池与阴阳极紧密相关不可分割,且学生可以回忆出来的知识点之间的联系也大多与阴阳极有关,如:阴阳极的判断、阴阳极的反应规律及阴阳极的放电顺序。学生回答出电解池构成条件电解质、外接电源与闭合回路,所占比例分别为20%、23.3%、10%。
学生对电解池构成条件存在的迷思概念是学生认为电解池构成条件含盐桥,但人数很少,仅6.7%。出现这种情况的原因可能是学生未将电解池构成条件与原电池构成条件区分,对原电池与电解池的区别与联系掌握的不够透彻。
(3)两极反应规律:56.7%的学生能正确判断阴阳极且理解阴阳极得失电子发生的氧化反应与还原反应。然而,仅13.3%的学生可正确将原电池正负极与电解池阴阳极类比进行叙述。10%的学生在该知识上存在迷思概念,认为电解池阳极对应原电池正极,电解池阴极对应原电池负极。说明学生对电解池与原电池的区别与联系辨别不清。
对于电解池两极的材料,10%的学生提到电解池发生的电极反应与阴阳极的材料相关。13.4%的学生存在迷思概念,其中6.7%的学生认为电解池两极的材料均为惰性金属,6.7%的学生认为若用活泼金属做电极材料,则电解两极的金属。学生未真正认识到电解池阴阳极材料与电解池发生的具体反应之间的关系。
(4)离子移动方向:46.7%的学生能正确说出电解质溶液中离子移动方向,6.7%的学生存在迷思概念。?W生对电解池溶液中离子移动方向较不重视,且部分学生没有真正理解阴阳离子在溶液中移动的方向与电路中电子移动的关系。
(5) 阴阳极离子放电顺序:20%的学生能正确回答出电解池中阴极阳离子放电顺序和阳极阴离子放电顺序。6.7%的学生提到“阴极放电顺序:氯离子、溴离子在氢之前反应”,学生未理解溶液中离子移动方向且混淆离子放电顺序。6.7%的学生认为阴极放电顺序为强的金属离子先于弱的金属离子放电,忽略阴极阳离子放电以氢离子为界限。说明仅少数同学理解了阴阳极离子放电顺序。
(6)电解池的应用:学生可以举出部分电解池的应用实例。如:精炼铜、电镀、电解氯化钠、贵金属提炼等。但存在较多的迷思概念。如:轮船的保护、析氢腐蚀与吸氧腐蚀、燃料电池等,所占比例均为6.7%,原因可能是学生未区分清楚原电池与电解池的应用。有6.7%的学生提到电解池的应用是将其他形式的能量储存起来转换为电能,学生未理解电解池的原理是将电能转换为化学能。
四、讨论与教学建议
通过运用流程图法与纸笔测验法对高中学生关于电解池知识学习困难的测查与分析得出以下结论:首先,有关电解池的认知结构完整性、层次性与条理性较差,不能对电解池的原理与本质、构成条件、阴阳极反应规律、溶液中离子移动方向、阴阳极离子放电顺序及电解池的应用有系统且全面的认识;其次,学生对于电解池知识存在的迷思概念较多且分布较广;最后,学生对电解池与原电池的区别与联系理解不够透彻,如:原电池与电解池的工作原理;原电池正负极与电解池阴阳极的对应关系;原电池的应用与电解池的应用等。但是,在分析流程图中发现学生倾向于将电解池的阴极与阳极知识进行对比描述,条理清楚,表述明确。
针对以上学生关于电解池认知结构的情况,提出以下教学建议:(1)在电解池知识的教授过程中,使用对比教学策略,将电解池与原电池的工作原理与本质及装置构成条件进行比较,再辅以动画模拟或实践操作设计电解池与原电池,使学生直观形象、清楚明了地理解电解池与原电池的区别与联系。
(2)教师可在电解池阴阳极教学时强化学生的学习。即将阴阳极判断、溶液中离子的移动方向、阴阳极反应规律、阴阳极离子放电顺序的知识系统化、层次化、条理化,使学生整体上把握与理解电解池中关于阴阳极的知识。
(3)与物理学电路知识相联系,引导学生认识、理解电解池中电流与电子的移动方向,从而去推理判断电解质溶液中离子的移动方向与阴阳极离子的放电顺序。
牛晚扬 陈彦文 潘文浩 孙小巍
(沈阳建筑大学材料科学与工程学院 辽宁 沈阳 110168)
[摘 要]电极的名称及其规定是电化学中最基本的问题。在查阅英文资料和参照英文教材时,
由于中、英文两种语言的差异,有时会造成混淆,甚至歧义。本文通过原电池和电解池两种情况的讨论,阐述中、英文教材对于电极反应的本质和名称的规定。
[关键词]原电池 电解池 正极 负极 阳极 阴极
中图分类号:G633.8 文献标识码:A 文章编号:1009-914X(2014)21-0137-01
电化学是化学学科的重要内容,主要研究原电池和电解池中的化学变化。
原电池是能使氧化还原反应转变为电流的装置,而电解池是在外电源作用下被迫发生氧化还原反应的装置;原电池将化学能转变为电能,电解池将电能转变为化学能。
电化学主要研究原电池和电解池中的化学反应和相关计算,尤其是电极上的化学变化。所以,对于电极名称严格的、明确的规定就是研究电化学问题的基础和前提。
中、美教材中对于电极的名称规定不完全相同,这对于国内教师和学生参照英文教材和查阅英文文献造成很大不便,甚至造成混淆,故有必要对此进行说明。
国内教材中,电极的名称和使用范围都有严格的、明确的界定。
1、原电池中只使用“正极”、“负极”,不使用“阳极”、“阴极”;电解池中只使用“阳极”、“阴极”,不使用“正极”、“负极”。
2、从得失电子角度来看,原电池中,失去电子(化合价升高)的电极为负极,如Cu-Zn原电池中的Zn极;得到电子(化合价降低)的电极为正极,如上述原电池中的Cu极。
从氧化还原反应角度来看,发生氧化反应的电极是负极,发生还原反应的电极是正极。
从电流方向和电子流动方向来说,电流流入(电子流出)的电极为负极,电流流出(电子流入)的电极为正极。
3、电解池中,连接外部电源正极的电极为阳极,电势高;连接外部电源负极的电极为阴极,电势低。
从电性角度来看,阳极上正电荷过剩,溶液(电解液)中的负离子(阴离子)向该极移动;阴极上负电荷过剩,溶液中的正离子(阳离子)向该极移动。
从得失电子和氧化反应角度来讲,负离子在阳极上失去电子被氧化,正离子在阴极上得到电子被还原。
4、对照原电池和电解池,原电池的负极和电解池的阳极上发生失去电子的氧化反应,原电池的正极和电解池的阴极上发生得到电子的还原反应。从这个角度讲,原电池的负极与电解池的阳极相当,而原电池的正极与电解池的阴极相当。
相对地,在美国化学教材中,电极的名称与其应用于原电池或是电解池无关。无论原电池还是电解池,电极的名称只有“cathode”,“anode”两个单词。
汉英字典中,对“cathode”的解释为“负极”、“阴极”,“anode”的解释为“正极”、“阳极”。而从上述对中文教材电极名称的讨论中已知:负极与阳极相当,而正极与阴极相当。这就使得两种不同文字的内容在阅读和翻译时容易造成混淆和混乱。
美国化学教材中,不论谈及原电池还是电解池,电极名称只取决于该电极上发生的反应类型:
只要是发生氧化反应(oxidation)的电极都叫“anode”,而发生还原反应(reduction)的电极都叫“cathode”。
如此,若按字典中的释义,对于电解池中电极的名称,中文、英文含义一致,即如表1:
但是在原电池中,中文、英文的称呼与含义恰好相反,这是最易出错的,也是最应引起注意的。
原电池中,正极(发生还原反应的电极)对应的英语为“cathode”(发生reduction反应的电极),可是字典释义为“负极”(或“阴极”);负极(发生氧化反应的电极)对应的英语为“anode”(发生oxidation反应的电极),字典的释义为“正极”(或“阳极”),也就是说,对于原电池,“正极”(英文中为“cathode”而汉语)译文为“负极”(或“阴极”),“负极”(英文中为“anode”而汉语)译文为“正极”(或“阳极”),即如表2:
这样,在原电池中,不仅出现英文、中文相互矛盾的情况,也与电解池中相关电极的名称相悖。
综上,不论对于原电池还是电解池,美国化学教材中关于电极的名称和规定更加明晰、简单、一致,电极名称只与该电极上发生的反应类型(氧化或还原)有关,即名称只与反应本质有关,而与所处环境无关。
“化合价升高被氧化,是还原剂;化合价降低被还原,是氧化剂。”这是解析氧化还原反应的总则,亦是总要求。化合价升高,说明该元素失去电子,被氧化,发生了氧化反应,该反应的产物为氧化产物,反应物是还原剂。化合价降低,说明该元素得到电子,被还原,发生了还原反应,该反应的产物为还原产物,反应物是氧化剂。
一、氧化还原反应的“热”和电化学的“冷”
在高中化学阶段,大多数学生对氧化还原反应比较熟悉,化学老师一般把其作为难点和重点,详细讲解,反复纠正练习,直到学生熟练掌握为止。同时,对于高考这个指挥棒,学生和老师不得不听从指挥,不管无机还是有机,牵扯到氧化还原反应的较多,所以氧化还原反应是化学高考的热门话题。
作为电化学,在书本中介绍的不多,篇幅较少,并且只讲原理和部分应用,内容艰涩难懂。在做题过程中容易以偏代全、断章取义,稍不注意细节问题就容易出错,造成学生认为电化学难,成为化学学习中的冷门。
近观化学高考,越来越接近生活,涉及电化学知识的也颇多。例如,日常生活的干电池,电动车和手机的可充电电池,以及将来保护环境的燃烧电池等等。这类题的特点是题型新颖、起点不高、内容难度不大,但学生却失分较多,令人痛惜。结果成考试是热点,成绩是冷门。针对氧化还原反应的“热”和电化学的“冷”,可把二者有机结合起来,进行系统整理和归纳,达到他山之石可以攻玉的目的,造成双赢的局面。
二、电化学本身就属于氧化还原反应的范畴
电化学是氧化还原反应的一个比较特殊的分支。电化学分两大部分,原电池和电解池(电镀池属于电解池)。原电池是把化学能转化为电能的装置,怎么把化学能转化为电能呢?通过电子转移(电子由负极流向正极)。而电子转移就是氧化还原的本质,所以说原电池属于氧化还原反应。
电解就是在电流通过电解质溶液而在阴阳两极引起的氧化还原过程,借助于电流引起氧化还原反应的装置叫电解池。从定义上就可看出,电解池也属于氧化还原反应。
电化学属于氧化还原反应的范畴,又具有一定的特殊性。首先,原电池和电解池都有电流通过,原电池基本上是自发的,电解池是人为的,并且必须有电源,这是二者的重要区别;同时,原电池的电极有正极、负极之分,而电解池的电极有阴极、阳极之说,包括电源亦有正极、负极之称。这些都是氧化还原所没有的,这就加大了解析电化学的难度。
电极的判断正确与否,是解析电化学的关键,所以运用氧化还原反应解析电化学,必须把电极判断联系上,否则会前功尽弃、满盘皆输,因此电化学是特殊的氧化还原反应。
三、利用氧化还原反应解析原电池
“活性为负被氧化,惰性为正被还原。”这是利用氧化还原反应解析原电池的总则。
一般情况下是比较原电池的两个电极的金属活动性,活泼的电极作为负极,发生了氧化反应;不活泼的电极作为正极,发生了还原反应。例如,铜锌原电池,稀硫酸作为电解质溶液:
电极材料 电极名称 电极反应式 反应类型
锌棒 负极 Zn-2e-=Zn2+氧化反应
铜棒 正极 2H++2e-=H2还原反应
这个例子充分证明总则的正确性,但亦不尽然。如燃料电池,全部是惰性电极(任何情况下都不参与反应的电极叫惰性电极),电极本身不参加反应,但它肯定有燃料和助燃剂,燃料中某一元素的化合价一定升高,化合价升高,发生了氧化反应,该电极就是负极,照样可以把两个惰性电极分清正极和负极,只不过倒过来使用罢了。
还有一些特殊的原电池,也符合这个原则。例如,铜铁原电池,浓硝酸作为电解质溶液。铁虽然比铜活泼,但是铁遇到冷的浓硝酸发生了钝化,很难参加反应;铜反而在常温下,能与浓硝酸发生氧化还原反应。在这种情况下,铜棒作为负极,发生氧化反应,铁棒作为正极,发生还原反应。可见,电极的判断不但与电极的金属活动性有关,还与电解质溶液有关,是两者共同决定的。但不论哪种原电池,负极被氧化、正极被还原这个总则是不变的。
四、利用氧化还原反应解析电解池
作为电解池,肯定有电源,电源分正极和负极。“正极为阳被氧化,负极为阴被还原”,这是利用氧化还原反应解析电解池的总则。
跟电源正极相连的电极称为阳极,阳极吸引阴离子,阴离子失去电子,发生氧化反应;若阳极本身是活性电极,则失去电子,发生氧化反应。与电源负极相连的电极叫阴极,阴极吸引阳离子,阳离子得到电子,发生还原反应。
电源的正极和负极、电解池的阳极和阴极、反应类型的氧化反应(失电子反应)和还原反应(得电子反应),这三个方面六个要点相辅相成,只要抓住其中一点,其他五点就迎刃而解了。例如,知道电解池中一个电极上有金属析出,推出金属是由金属阳离子得到电子而产生的,是还原反应,该电极是阴极,连接的电源为负极,同一电解池的另一电极恰恰相反,一目了然。