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《实验化学》专题5电化学问题研究一、课程标准相关要求《实验化学》模块是6个选修模块其中之一，是普通高中化学课程的重要组成部分。设置该课程模块有助于学生更深刻地认识实验在化学科学中的地位，掌握基本的化学实验方法和技能，培养学生的创新精神和实践能力。实验化学模块教材十分注重引导学生运用化学原理理解化学实验技术的内涵与操作要求，理论与实践相结合。化学实验是化学科学赖以产生和发展的基础，以实验为基础是化学学科重要特征之一，为充分体现化学实验的功能，高中化学新课程专门设置了“实验化学”这个选修模块。通过本模块的学习，学生应主要在以下几个方面得到发展：1、认识化学实验是学习化学知识、解决生产和生活中的实际问题的重要途径和方法；2、掌握基本的化学实验方法和技能，了解现代仪器在物质的组成、结构和性质研究中的应用；了解化学实验研究的一般过程，初步形成运用化学实验解决问题的能力；过程与方法：知识与技能：通过本模块的学习，学生应主要在以下几个方面得到发展：1、认识化学实验是学习化学知识、解决生产和生活中的实际问题的重要途径和方法；2、掌握基本的化学实验方法和技能，了解现代仪器在物质的组成、结构和性质研究中的应用；3、了解化学实验研究的一般过程，初步形成运用化学实验解决问题的能力；4、形成实事求是、严谨细致的科学态度，具有批判精神和创新意识；5、形成绿色化学的观念，强化实验安全意识。该模块又分成二个主题，分别为“化学实验基础”和“化学实验探究”。通过化学实验探究，要求学生能达到以下几方面要求：①能发现学习和生产、生活中的意义的化学问题，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。二、本实验基本原理及其在实验化学中的地位传统教材：实验目的→实验原理→实验用品→实验步骤→实验记录→问题与讨论新教材：知识预备→课题方案设计→记录与结论→交流讨论功能：1、将各知识性栏目穿插在课题的各部分内容中，使学生的知识目标和实验技能目标有机地整合在每一个课题中。2、实验已非纯粹的实验，而是一个内涵丰富的课题，通过对课题的学习，学生将会在化学知识、实验技能、实验方法、科学态度、创新精神与实践能力等方面得到全面的发展。3、充分利用各种教学时机，对学生进行绿色化学、科学态度等方面的教育，同时注意和现代实验技术发展联系起来，开拓学生的视野，培养学生的情操。本专题研究时要考虑的问题：1、了解原电池的工作原理，认识几种常见电池的化学原理。2、了解电解和电镀中包含的化学知识，加深对化学与生活的联系。4、化学实验的本质就是在有条件控制下发生的化学变化。3、通过原电池、电解和电镀实验，培养观察能力、操作能力和思维能力。实验探究活动的目的：1、通过实验探究活动，掌握基本的化学实验技能和方法。2、体验实验探究的基本过程，认识实验在化学科学研究和化学学习中的重要作用，提高化学实验能力3、为了帮助学生学习一些重要的科学方法，形成严谨的科学态度课题1：原电池本研究课题的实验方法：“原电池实验的探究”是通过不同的电极和电解质溶液对产生电流的影响的差异，从中认识到电极和电解质溶液和去极化剂种类的选择、电极的表面积、极板之间的距离等对实验效果的影响，同时通过对实验现象的观察、对比和分析，加深学生对化学反应条件控制的重要性的认识。一、背景材料分析（一）从现行教材看课题1原电池实验课题2制作氢氧燃料电池课题3金属的电化学腐蚀拓展课题干电池的模拟实验课题1原电池教材资料：锌-铜-稀硫酸为材料的原电池。专题作业：从理论上分析用铝-铜-氢氧化钠为材料，能否形成原电池。（二）从学科指导看基本要求：通过原电池实验，加深对原电池工作原理的认识。发展要求：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：电极的极化作用对原电池产生电流的影响只作一般了解。课时安排：1课时，（总2课时，制作氢氧燃料电池和析氢腐蚀、吸氧腐蚀拟放在第二课时）（三）从实验视角看必修2第38页“化学能转变为电能的活动与探究”一是电流微弱，用灵敏检流计检测；二是供电时间短暂，电池的放电效率低；三是锌极板有大量气泡，干扰铜极板现象的观察。（三）从实验视角看选修3第12页“原电池的工作原理活动与探究”克服了锌极板有大量气泡的现象盐桥能说明内电路中离子的迁移电流密度依然较小，不足以使小灯泡发亮提出课题——用更有说服力的实验来证实具有实际价值的电池探究电池效率的因素，放大电池的电流密度，延长电池的工作时间。二、实验基本原理电子迁移正极负极Cu2++2e-=CuZn-2e-=Zn2+电池反应Zn+Cu2+=Zn2++Cu离子迁移外电路检流计内电路盐桥ZnSO4溶液K+迁入Cl-迁入CuSO4溶液实验表明：电池的电流密度的大小与电极的表面积、极板之间的距离和介质等因素有关；无论何种材料制作的原电池，电池的极化作用都是很强的，极化作用会使电极的放电反应变得迟钝，影响电池的工作时间，而去极化剂（如高锰酸钾、重铬酸钾和过氧化氢等氧化剂）由于有效降低了电极的极化作用，提高了电池的放电效率。为此设计了如下图的实验装置。铜锌原电池三、实验操作要点1．装置的组装取一块锌片（6cm×3.3cm）和一块铜片（6cm×3.3cm），两者之间放一块海绵（厚度2cm），用橡皮筋固定好，用导线把小灯泡（2.5V0.3A）和锌片、铜片连接起来，插入放有50ml蒸馏水的100ml小烧杯中，组装这样的装置多个备用。2．去极化剂的选择向三个装置中分别加入10ml的稀硫酸，编号为甲、乙、丙，观察小灯泡是否发光。向甲装置中加入5ml3%的双氧水，振荡溶液，记录小灯泡发光的时间和亮度。向乙装置中加入0.5g的重铬酸钾晶体，振荡溶液，记录小灯泡发光的时间和亮度。向丙装置中加入0.5g的高锰酸钾晶体，振荡溶液，记录小灯泡发光的时间和亮度。加入物质小灯泡发光的时间小灯泡发光的亮度实验结论5ml3%的双氧水约6min灯丝亮重铬酸钾效果最好0.5g重铬酸钾约13min三者中最亮0.5g高锰酸钾约4min较双氧水亮3．电极材料的选择电极材料：Zn－C（直径1.1cm），与Zn－Cu对比溶液介质：稀硫酸去极化剂：重铬酸钾晶体电极材料：Al－C（直径1.1cm），与Al－Cu对比溶液介质：稀盐酸去极化剂：重铬酸钾晶体按照上述实验装置和操作方法进行实验，观察现象。电极材料电解液小灯泡发光的亮度实验结论Zn－C稀硫酸亮，可照明碳电极优于铜电极Al－C稀盐酸亮，可照明4．溶液介质的选择Zn－C－NaOH：小灯泡不亮，检流计偏转。Al－C－NaOH：小灯泡不亮，两极有气泡。电极材料：Zn－C（直径1.1cm），Al－C溶液介质：加入约10g氢氧化钠固体去极化剂：重铬酸钾晶体按照上述实验装置和操作方法进行实验，观察实验现象。四、实验注意事项1．电解质用浓硫酸或固体氢氧化钠立即加水配制成溶液，由于它们溶解放热，形成热的介质，加快了电极反应。2．如要灯泡持续发亮，不断振荡是关键。可以用电极搅拌溶液。海绵比两极板稍长，以防碰破烧杯底。3.锌片和铜片先用碱液处理，再用酸液处理，然后用蒸馏水漂洗。课题2：电解与电镀本研究课题的实验方法：“电解与电镀”实验的探究是通过对电解液、电流大小、电极的处理、溶液的pH值、电镀的时间等对电解的影响，从而对实验现象进行观察、对比和分析，加深对条件控制的重要性的认识。一、背景材料分析：（一）从现行的教材分析课题2：电解与电镀问题1：电解饱和食盐水问题2：电镀拓展实验：①阿伏加德罗常数的测定②用铜电极电解饱和食盐水专题作业：工业上如何精炼铜。课时安排：3课时（二）从学科指导意见分析基本要求：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、学会设计简单的电解、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、初步了常见阳离子在溶液中电极上的放电次序。2、能根据阳离子的放电次序判断电解池阴极产物。说明：1、拓展实验“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、拓展实验“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，引起学生思考，并结合自己已有的知识作出解释，不必寻求结论的完整和统一。（三）从实验角度分析：1、必修（I）的专题1已经涉及到电解饱和食盐水，但它重在电解的产物，对电解知识不作要求。2、必修（II）的专题2P41-43页已经涉及，但要求不高。3、选修4—化学反应原理的专题1P17-19页也涉及，主要从原理上分析。本专题主要从实验的层面上进行操作，且对各种现象能作出解释，这样对所学的理论知识更具有说服力。主要是探究电解时的电解液、电流大小、电极的处理、溶液的pH值、电镀的时间对实验的影响。电镀实验原理分析：从理论上分析，电镀是电解原理的应用。电镀（electroplating）是应用电解原理在某些金属表面镀上一薄层其他金属或合金的过程。电镀时，待镀的金属制品作阴极，镀层金属作阳极，用含有镀层金属离子的溶液作电解液。在直流电的作用下，阳极发生氧化反应，金属失去电子成为阳离子进入溶液；阴离子发生还原反应，金属离子在阴极上获得电子，沉积在镀件表面形成一层均匀，光洁而致密的镀层。以铁钉上镀锌为例说明：实验原理：该实验为无氰镀锌法，以烧杯作为电解槽，锌片作阳极，镀件铁钉作阴极。电解时：阳极（锌片）Zn-2e==Zn2+阴极（铁钉）Zn2++2e==Zn实验仪器：托盘天平，烧杯，玻璃棒，药匙，导线，细纱纸，直流电源，酒精灯，pH试纸实验试剂：铁钉，锌片，2mol/LNaOH溶液，固体KCl，固体ZnCl2，浓HCl，浓硝酸，蒸馏水实验装置：电解液的配制：先向烧杯中加入50ml蒸馏水，再加入3.5gZnCl2，12.5gKCl，搅拌使之溶解，用硼酸或盐酸调节溶液的pH为5-6。说明：如果没有硼酸则用二滴盐酸来代替也可。ZnCl2的作用是提供Zn2+离子，加入KCl是为了使Cl-离子与Zn2+结合形成[ZnCl4]2-络离子，从而使Zn2+离子浓度降低，使电镀得到的产品光洁。硼酸或盐酸起到调节酸度的作用。镀件的处理：用细砂纸打磨铁钉，使铁钉粗糙的表面变得光滑，用水洗净；把铁钉放入到80℃2mol/LNaOH溶液中浸泡5分钟，除去油污，用水洗净；再将铁钉放入45℃的浓盐酸中浸泡2分钟，取出，洗净；最后将铁钉放入V（浓硝酸）：V（水）=1：100的稀硝酸中浸泡3-5秒，取出，洗净。镀前处理大致包括以下基本内容：除油、除锈、除氧化层、浸蚀、酸洗、活化等。资料：镀件在加工后会存在着不同程度的毛刺，表面可能沾染油污，有的表面甚至已经严重锈蚀。这样就使工件表面呈现介电、疏松、钝态、电阻大等不良状况。如果不将这些东西清除干净，则会给整个电镀过程带来很大的障碍。它们会阻碍电流的通过，给电解液中金属离子的放电带来很大的阻力。同时，这些缺陷会降低镀层金属与基体金属间的结合力，甚至使工件局部或整个表面不能获得镀层，即使勉强获得镀层，也容易产生疏松、发花、起泡、蜕皮、不连续等疵病。因此，镀层质量好坏与否，镀前处理是非常重要的一个环节。电镀操作：用烧杯做电解槽，锌片作阳极，镀件铁钉作阴极，接通6V的支流电源，电解25分钟。实验现象：电镀液的配置加入ZnCl2，KCl之后溶液浑浊，加入几滴HCl后溶液变清浑浊是由于形成了氢氧化物沉淀以及锌的碱式盐镀件的处理：先将铁钉用砂纸打磨至亮色，再加入到NaOH溶液中浸泡。再放入到45℃的浓盐酸中产生大量的气泡，溶液变浅绿色，铁钉呈亮；将铁钉放入V（浓硝酸）：V（水）=1：100的稀硝酸中浸泡3-5秒，镀件表面变灰，用水冲洗后又变亮。NaOH起到除油污的作用，盐酸起到酸洗的作用，硝酸具有氧化性，使铁钉表面活化。电镀操作：用烧杯做电解槽，锌片作阳极，镀件铁钉作阴极，接通6V的支流电源，电解25分钟。铁钉