师:同学你好,欢迎来到高尔化学选修四。今天我们复习选修四第四章内容。首先了解教学目标:一是运用对比复习法复习原电池和电解质工作原理,掌握常见化学电源和电解简单应用;二是通过新型电源和电解质例题分析,探究新情境下电极反应式的书写方法,提高获取和应用新信息的能力;三是通过解决真实情境下电化学问题,感受电化学知识在生活生产中的重要应用。
了解教学目标后,进入课堂。先回顾本章知识脉络,主要围绕原电池和电解池两池展开。今天的复习内容围绕两池的工作原理、装置辨认、电极判断、电极反应方程式书写以及综合应用。下面进入原电池的复习环节。
知识回顾:以铜锌原电池(电解质为硫酸铜)回顾原电池构造及原理。总反应是铜和锌的置换反应,在这个装置中,如何判定电极呢?有哪些方法?首先可根据金属活泼性判断,像锌片是活泼金属,做负极,铜片做正极。但这种判断方法存在局限性,比如镁和铝在氢氧化钠做电解质时构成的电池,最终是铝做负极,还有常见的燃料电池。所以可以从粒子角度,即电子转移来判断,锌失电子,正极得电子,电解质溶液中的阴离子向负极移动,阳离子向正极移动。不过并非所有电池都有对应装置,还可借助电极反应。在锌片上,锌失电子变成锌离子,这是氧化反应;在正极,铜离子得电子变成铜单质,这是还原反应,也就是说可通过反应类型来判定。实际上,我们构建了从材料到粒子再到概念这样三个层次,完成从宏观到微观再到综合的模型构建。
完成知识回顾后,进行训练。看这道题,锂氢和过氧化氢电池可驱动无人驾驶的潜航器,该电池以海水为电解质溶液。根据刚才分析,可借助装置中的电极材料判断正负极,镁和石墨电极,镁为活泼电极,所以镁是负极。据此分析A、B、C、D四个选项,A选项说镁电极是该电池的……刚才已判断镁是负极,所以A错误;B选项说过氧化氢在石墨电极发生氧化,而石墨电极是正极,应发生还原反应,所以B中氧化反应说法错误;跳过C看D选项,溶液中的离子迁移方向,是正向正,负向负,即氯离子应该向负极移动,所以D也错误。现在只有C是正确答案,为什么C正确呢?思考一下,石墨电极上发生的反应类型是过氧化氢得电子,在碱性环境中过氧化氢得电子应该生成什么呢?应该生成氢氧根,所以电极反应为过氧化氢得电子变成氢氧根,pH增大,所以选C。
并非所有电池都有装置,再看相对复杂一点的电池。研究人员发现一种水电池,能利用淡水和海水之间含盐量差别进行发电。在海水中,电池总反应可表示为二氧化锰和银,在氯化钠作用下生成锰酸钠和氯化银。这个问题没有装置,没有微观粒子,怎么办呢?可以借助概念,分析所给反应中元素的化合价变化,判定氧化还原反应过程。可以看到锰化合价从正4价降为平均价态3.6价,银从0价升为正价,所以锰被还原,做正极,银被氧化,做负极。据此分析A、B、C、D选项,A中说正极反应,所给反应应该是负极反应,因此A要么改为负极,要么改掉电极反应式;B选项每生成一摩尔的锰酸钠,转移两摩尔的电子,在这个过程中5摩尔的二氧化锰生成锰酸钠时消耗了两摩尔的银,也就转移了两摩尔电子,所以B正确;C选项钠离子不断向水电池的正极移动,正向正,负向负,所以C正确;D选项氯化银是氧化产物,所以D错误,综上只能选B。完成电池训练后,两池对比,能否用刚才原电池的分析方法来对电解池进行复习呢?
下面来看电解池,以电解氯化铜为例(使用惰性电极),如何判断电解池的电极呢?可以借助几种方法,一是电源,与正极相连的叫阳极,与负极相连的叫阴极。但不是所有电解装置都有电源,还可借助离子。溶液中往往存在多种阴阳离子,如何判定放电顺序呢?前面学习已知有顺序表。在阳极上主要是阴离子放电,顺序依据是还原性,阳极发生氧化反应,还原性强的离子先被氧化,顺序是硫离子大于碘离子,最终到氢氧根到含氧酸根。注意前提是惰性电极,如果是活泼性的阳极材料,阳极先参与反应,所以标注活泼电极强于它们。阴极上阳离子的放电顺序依据是氧化性,氧化性强的先放电,顺序是银离子强于铁离子强于铜离子强于氢离子,这里的氢离子指酸性环境,后面还有水中的氢离子,具体到问题再谈。在电解氯化铜中,氯离子先放电生成氯气,可通过离子判断。当离子发生氧化或还原时,外电路中电子方向也可作为判断依据。同样,不是所有离子都能标注,能不能用概念呢?分析可知,在电解池的阳极上发生氧化反应,氯离子失电子变成氯气;在阴极上发生还原反应,铜离子得电子变成铜单质,从概念角度也完成判断。通过电解氯化铜为例,也完成从宏观到微观再到综合的模型构建,这里的宏观是外在的电源材料。
完成电解装置回顾后,通过具体问题巩固。例3,山东节选,用如图所示装置制备氢氧化铝,两个区电解液分别为氢氧化锂和氯化锂。先看装置,找解决问题关键,刚才说三个要素,先找电源,再找离子,最后用概念。这里有电源没电极,怎么办?看其中信息,惰性电极B区产生氢气,氢离子得电子变成氢气,发生还原反应,此极为阴极。判定这一侧为阴极后,氢离子得电子留下氢氧根,所以这个区的电解液应该为氢氧化锂,第一个空就解决了。这样多线链接A区就变成氯化锂,此时哪个离子放电呢?根据前面分析,应该是氯离子放电,氯离子失电子变成氯气。电解过程中负离子向哪极移动呢?阳离子向阴极迁移,负离子向阳极迁移,所以负离子应该向B迁移。完成电解问题后小结,解决电解池问题,关键是明确溶液中存在哪些离子,确定离子的放电顺序,这个过程要注意两个要素,一是电极材料阳极是惰性还是活泼,二是阴阳离子的放电顺序。最后根据阳极氧化、阴极还原分析得出产物,完成电极书写。
