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电化学基础

一、教学内容概述

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。

原电池内容是学生在化学必修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。

化学电源内容是学生在必修化学2中对于化学电池的原理和应用已有了初步的了解的基础上,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。

电解池的内容,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。电镀侧重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内容教科书着重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:

二、本章教学内容在模块内容体系中的地位和作用

“化学反应原理”模块主要是面向将来学习理工科专业的学生,以及对化学反应原理感兴趣的学生。本模块承担着为选修本模块学生提供较为完整和系统的化学反应原理知识,为学生理解和运用化学反应原理奠定知识基础。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。通过向学生提供大量体现化学反应原理对社会发展贡献的实例,加深学生对电化学反应所遵循规律的了解;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,提高学习社会的责任感,同时树立学习和研究化学的远大志向。

本章涉及许多化学核心知识,其中,有些知识在必修化学中没有出现,如电解;有些内容在必修课程中要求较低,如原电池反应,化学必修2只要求学生知道电池是利用氧化还原反应将化学能转化成电能的装置。还有些知识在其它模块中以不同的视角和研究方式呈现,如金属的腐蚀和防护,不仅在本章中作为重要的一节内容来研究,在《化学与生活》模块中则从生活入手来学习,在《化学与技术》中是从金属材料的使用和保护角度来学习。所以,本章知识在整个高中化学学习中占有十分重要的地位,是在必修化学的基础上,帮助学生从氧化还原的本质上,从化学反应与能量的关系上,进一步学习和探索化学反应的规律及其应用,构建较为完整和系统的化学反应原理知识体系。从生活实际入手,使学生在学习基础知识的同时,体验科学、社会、技术、环境之间的关系,初步树立可持续发展的思想,为将来学习与化学相关专业课程奠定基础。

三、教学目标分析

(一) 关于本章必修模块与选修模块课标、学习要求的对比分析

《必修课标标准》

《必修模块学习要求》

《选修课标标准》

《选修模块学习要求》

举例说明化学能与电能的转化关系及其应用。

1举例说明化学能与电能的转化关系及其应用。

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。

1通过进行化学能转化为电能的探究活动,了解原电池工作原理,能正确书写原电池的正、负极的电极反应式及电池反应方程式。

2知道电池是利用氧化还原反应将化学能转化成电能的装置。

2通过电能转变为化学能的探究活动,了解电解池工作原理,能正确书写电解池的阴、阳极的电极反应式及电解反应方程式。

3通过制作简易原电池的实验,了解原电池的概念和原理。

认识提高燃料的燃烧效率、开发高能清洁燃料和研制新型电池的重要性。

通过具体实例说明提高燃料燃烧效率的方法,能够举出一些清洁燃料和新型电池,体会提高燃料的燃烧效率、开发高能清洁燃料和研制新型电池的重要性 。

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。

1通过查阅资料等途径了解常见化学电源的种类及工作原理,认识化学能转化为电能的实际意义。

2知道电解在氯碱工业、精炼铜、电镀、电冶金等方面的应用。认识电能转化为化学能的实际意义。

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了解金属腐蚀带来的危害,认识防止金属腐蚀的重要意义。

2了解化学腐蚀和电化学腐蚀的涵义,理解电化学腐蚀发生的条件,能解释金属发生电化学腐蚀的原因。

3认识钢铁吸氧腐蚀和析氢腐蚀发生的条件及原理,会书写电极反应式和总反应式。

4通过实验探究防止金属腐蚀的措施,了解常见的防止金属腐蚀的方法及其原理。

(二)本章教学目标分析

在必修学习过程中,只要求学生知道电池是利用氧化还原反应将化学能转化成电能的装置,不要求书写电极反应及总反应方程式。在本章学习中则强调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;从电化学反应原理解决实际问题的角度引出金属腐蚀与防护,要求学生理解电化学腐蚀发生的条件,认识钢铁吸氧腐蚀和析氢腐蚀发生的条件及原理,通过实验探究防止金属腐蚀的措施,了解常见的防止金属腐蚀的方法及其原理;通过实验探究掌握电解池的工作原理,知道电解在氯碱工业、电镀、电冶金方面的应用。

1.知识与技能目标

(1)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,知道防护金属腐蚀的方法。

2.过程与方法目标

(1)通过进行化学能转化为电能的探究活动,体验原电池的工作原理,熟练书写电极反应和电池反应方程式。

(2)通过查阅资料等途径了解常见化学电源的种类及工作原理,认识化学能转化为电能在生产生活中的实际意义。掌握三类电池的基本构造、工作原理、性能和适用范围。

(3)通过“电解氯化铜溶液实验”探究,了解电解池工作原理,能正确判断电解池的阴极和阳极,能正确书写电解池的阴、阳极的电极反应式及电解反应方程式。知道电解原理在氯碱工业、精炼铜、电镀、电冶金等方面的应用。

(4)通过揭示金属腐蚀的严重性和危害性,分析发生金属腐蚀的原因,探讨防止金属腐蚀的思路和方法。

3.情感态度与价值观目标

通过化学能与电能相互转化关系的学习,使学生从能量的角度比较深刻地了解化学科学对人类的贡献,体会能量守恒的意义。在探究三种电池的基础上,学会利用能源与创造新能源的思路和方法,提高环保意识和节能意识。通过电解原理在氯碱工业、精炼铜、电镀、电冶金等方面的应用,激发学生学习的积极性,提高学生社会责任感和公民意识。在实验探究与交流活动中,训练学生的思维能力,以及分析处理信息的能力,学会合作与交流的能力。

四、重难点分析

学生在初中化学和必修模块化学的学习中,已经了解了化学反应中能量的变化是旧化学键的断裂和新化学键的生成,化学反应的能量变化可以伴随着释放能量,也可以伴随着吸收能量,化学反应的能量可以与其他形式的能量相互转化。本章是在学生原有知识的基础上,重点掌握电化学的工作原理,电极及电池方程式的书写,应用原理解决生活中的实际问题。难点是应用氧化还原反应的本质解决电极的确定及两极的反应。

本章教学重点:

1.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。

2.了解一次电池、二次电池和燃料电池的反应原理、性能及其应用。

3.电解原理及其应用。

4.金属的电化学腐蚀及金属的电化学防护。

本章教学难点:

1.原电池的工作原理。

2.电解原理及其应用。

3.金属发生吸氧腐蚀的电化学原理。

五、教学方式与教学方法分析

(一)联系生活实际,激发学生学习化学反应原理的兴趣

“化学反应原理”模块的理论性很强,在教学中容易陷入从理论到理论的教学误区,容易导致理论脱离实际,使学生逐渐丧失学习化学的兴趣。所以在教学中要尽可能的从解决生活中的问题入手,如“为什么自行车会生锈”,“如何防止自行车等零件腐蚀”等,介绍金属的腐蚀的原理及防腐措施;从生活中的电池入手,认识三类电池,并学会评价电池的优劣,提高环保意识和生存意识。从而进一步激发学生学习的积极性和主动性。

(二)灵活运用多种教学方式,突出重点,突破难点

利用对比的方法分析氧化还原反应在构成原电池前后的异同,可深刻领会原电池的工作原理及反应特征;通过类比的方法,推出燃料电池构成及电极反应和电池反应;通过列表的方法对照分析原电池与电解池的异同点,如对半电池、盐桥、电解池、吸氧腐蚀等。在难点突破上,可以采用实验探究的方法,视频动画的方式,生活中的实际例子等方式,将知识与技能、过程与方法、情感态度价值观有机的结合起来。还可以通过小组实验、探究、讨论的活动方式,认识和了解电化学反应的发展历程和前景,以及存在的问题。提高学生分析问题和解决问题的能力,提高学生的科学素养。

(三)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。0

(四)充分利用信息资源,提高学生社会责任感

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;可利用教科书中提供的“锌银电池”“锂电池”“微型燃料电池”等阅读资料,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。

(五)研读“课标”,把握好教学知识内容的深浅度

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。

2.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。

3.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。

六、教学资源建议

(一)可有选择地组织以下学生实践活动

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.围绕着金属腐蚀和防护组织社会调查等活动。

(1)在当地,金属腐蚀的现状及其危害;

(2)在当地,人们对金属腐蚀的严重性和危害性的认识程度;

(3)通过观察和资料收集,你了解哪些防治金属腐蚀的方法?在社会上相关的科学技术有无新的进展?

(二 )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以及回收价值等等。

(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?如电容量大,工作寿命长,充电时间短,体积小,质量轻,性价比高等。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。

七、学时建议

第1节 原电池 1学时

第2节 化学电源 1学时

第3节 电解池 2学时

第4节 金属的电化学腐蚀与防护 1学时

复习与机动 1学时

合计 6学时

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