電化學(xué)原理及實驗操作學(xué)案**一、學(xué)習(xí)目標(biāo)**1.知識目標(biāo)理解原電池、電解池的核心構(gòu)成條件與工作原理；掌握電極反應(yīng)式、總反應(yīng)式的書寫規(guī)則；熟悉金屬電化學(xué)腐蝕的類型（吸氧腐蝕、析氫腐蝕）及防護(hù)方法。2.能力目標(biāo)能獨立設(shè)計簡單原電池實驗，分析實驗現(xiàn)象并推導(dǎo)原理；掌握電解池實驗的基本操作（電極連接、電解質(zhì)選擇、產(chǎn)物檢驗）；能運用電化學(xué)原理解釋實際問題（如電池、金屬腐蝕等）。3.情感目標(biāo)培養(yǎng)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度（如實驗操作的規(guī)范性、數(shù)據(jù)記錄的真實性）；體會電化學(xué)在能源（電池）、環(huán)境（腐蝕防護(hù)）中的應(yīng)用價值，增強(qiáng)環(huán)保意識。**二、電化學(xué)基礎(chǔ)原理**（一）原電池：將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的裝置1.核心構(gòu)成條件兩個活性不同的電極（負(fù)極：較活潑金屬；正極：較不活潑金屬/非金屬/氧化物）；電解質(zhì)溶液（提供自由移動的離子，構(gòu)成內(nèi)電路）；閉合回路（導(dǎo)線連接電極，鹽橋溝通內(nèi)電路）；自發(fā)的氧化還原反應(yīng)（反應(yīng)的ΔG<0）。2.工作原理（以鋅銅原電池為例）負(fù)極（Zn）：發(fā)生氧化反應(yīng)，失去電子；反應(yīng)式：\(\text{Zn}-2\text{e}^-=\text{Zn}^{2+}\)（鋅片溶解）；正極（Cu）：發(fā)生還原反應(yīng)，得到電子；反應(yīng)式：\(\text{Cu}^{2+}+2\text{e}^-=\text{Cu}\)（銅片上析出紅色物質(zhì)）；總反應(yīng)：\(\text{Zn}+\text{Cu}^{2+}=\text{Zn}^{2+}+\text{Cu}\)；電子流向：負(fù)極→導(dǎo)線→正極（外電路）；離子移動：電解質(zhì)溶液中，\(\text{Zn}^{2+}\)向正極移動，\(\text{SO}_4^{2-}\)向負(fù)極移動；鹽橋中，\(\text{K}^+\)向正極區(qū)移動，\(\text{Cl}^-\)向負(fù)極區(qū)移動（保持電荷平衡）。3.電極判斷技巧負(fù)極：“失電子、被氧化、溶解、電流流出”；正極：“得電子、被還原、析出物質(zhì)、電流流入”。4.鹽橋的作用溝通內(nèi)電路，使溶液保持電中性；防止電解質(zhì)溶液直接混合，避免氧化還原反應(yīng)在電極表面直接進(jìn)行，延長電池壽命。（二）電解池：將電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能的裝置1.核心構(gòu)成條件直流電源（提供電能，確定電極極性）；兩個電極（陽極：與電源正極相連；陰極：與電源負(fù)極相連）；電解質(zhì)溶液/熔融電解質(zhì)（提供離子，參與反應(yīng)）；閉合回路。2.工作原理（以電解氯化銅溶液為例）陽極（石墨，惰性電極）：發(fā)生氧化反應(yīng)，陰離子失去電子；反應(yīng)式：\(2\text{Cl}^--2\text{e}^-=\text{Cl}_2↑\)（產(chǎn)生黃綠色氣體，用濕潤淀粉碘化鉀試紙檢驗，試紙變藍(lán)）；陰極（石墨）：發(fā)生還原反應(yīng)，陽離子得到電子；反應(yīng)式：\(\text{Cu}^{2+}+2\text{e}^-=\text{Cu}\)（陰極表面析出紅色物質(zhì)）；總反應(yīng)：\(\text{CuCl}_2\xlongequal{\text{電解}}\text{Cu}+\text{Cl}_2↑\)；電子流向：電源負(fù)極→導(dǎo)線→陰極；陽極→導(dǎo)線→電源正極（外電路）；離子移動：電解質(zhì)溶液中，\(\text{Cu}^{2+}\)向陰極移動，\(\text{Cl}^-\)向陽極移動。3.電極反應(yīng)規(guī)律陽極（氧化反應(yīng)）：活性電極（如Cu、Fe）：電極本身失去電子（\(\text{Cu}-2\text{e}^-=\text{Cu}^{2+}\)）；惰性電極（如石墨、Pt）：陰離子按“放電順序”失去電子（\(\text{S}^{2-}>\text{I}^->\text{Br}^->\text{Cl}^->\text{OH}^->\text{含氧酸根}\)）。陰極（還原反應(yīng)）：陽離子按“放電順序”得到電子（\(\text{Ag}^+>\text{Fe}^{3+}>\text{Cu}^{2+}>\text{H}^+\)（酸）>\(\text{Fe}^{2+}>\text{Zn}^{2+}>\text{H}^+\)（水）>\(\text{Al}^{3+}>\text{Mg}^{2+}\)）；陰極材料不參與反應(yīng)（無論活性與否）。4.電解的應(yīng)用電解精煉（如粗銅精煉：陽極用粗銅，陰極用純銅，電解質(zhì)溶液用\(\text{CuSO}_4\)）；電鍍（如鍍銅：陽極用純銅，陰極用待鍍物品，電解質(zhì)溶液用\(\text{CuSO}_4\)）；電解制金屬（如電解熔融\(\text{Al}_2\text{O}_3\)制鋁，電解熔融\(\text{NaCl}\)制鈉）；電解水（加入\(\text{H}_2\text{SO}_4\)或\(\text{NaOH}\)增強(qiáng)導(dǎo)電性，陽極產(chǎn)\(\text{O}_2\)，陰極產(chǎn)\(\text{H}_2\)，體積比1:2）。**三、典型實驗操作**（一）實驗1：原電池的設(shè)計與探究1.實驗?zāi)康尿炞C原電池的構(gòu)成條件；觀察原電池的工作現(xiàn)象，分析電極反應(yīng)。2.實驗用品儀器：電流計、導(dǎo)線、燒杯、鹽橋（含\(\text{KCl}\)瓊脂）；試劑：鋅片、銅片、\(\text{ZnSO}_4\)溶液、\(\text{CuSO}_4\)溶液、砂紙。3.操作步驟（1）電極處理：用砂紙打磨鋅片和銅片，去除表面氧化膜；（2）組裝裝置：將鋅片浸入\(\text{ZnSO}_4\)溶液，銅片浸入\(\text{CuSO}_4\)溶液，用導(dǎo)線連接鋅片、電流計、銅片（注意電流計的正負(fù)極：鋅片接負(fù)極，銅片接正極）；（3）插入鹽橋：將鹽橋兩端分別浸入兩個燒杯的溶液中，觀察電流計指針偏轉(zhuǎn)情況；（4）現(xiàn)象記錄：鋅片逐漸溶解，銅片上析出紅色物質(zhì)，電流計指針偏轉(zhuǎn)（指示電流方向）。4.注意事項鹽橋需完全浸入溶液，且不能破損（防止\(\text{KCl}\)泄漏影響實驗）；電極表面的氧化膜必須打磨干凈（否則接觸不良，無電流產(chǎn)生）。（二）實驗2：電解氯化銅溶液1.實驗?zāi)康恼莆针娊獬氐牟僮鞣椒?；驗證電解池中電極反應(yīng)的規(guī)律。2.實驗用品儀器：直流電源、石墨電極（2支）、燒杯、導(dǎo)線、淀粉碘化鉀試紙；試劑：\(\text{CuCl}_2\)溶液（0.5mol/L）、酚酞試液。3.操作步驟（1）組裝裝置：將兩個石墨電極插入\(\text{CuCl}_2\)溶液中，用導(dǎo)線連接電源（陽極接正極，陰極接負(fù)極）；（2）通電觀察：陽極產(chǎn)生黃綠色氣體，陰極表面析出紅色物質(zhì)；（3）產(chǎn)物檢驗：用濕潤的淀粉碘化鉀試紙靠近陽極，試紙變藍(lán)（證明有\(zhòng)(\text{Cl}_2\)生成）；取陰極附近溶液，滴加酚酞試液，無明顯變化（說明\(\text{Cu}^{2+}\)優(yōu)先放電）。4.注意事項氯氣有毒，實驗需在通風(fēng)櫥中進(jìn)行；電源電壓不宜過高（6-12V即可），避免電流過大導(dǎo)致電極發(fā)熱。（三）實驗3：金屬的電化學(xué)腐蝕與防護(hù)1.實驗?zāi)康奶骄胯F的吸氧腐蝕原理；驗證犧牲陽極法的防護(hù)效果。2.實驗用品儀器：試管、鐵釘、鋅片、導(dǎo)線；試劑：水、植物油、酚酞試液、KSCN溶液。3.操作步驟（1）鐵的吸氧腐蝕：取一支試管，加入少量水，放入一枚鐵釘（鐵釘部分浸入水中）；向試管中滴加2滴酚酞試液和2滴KSCN溶液，觀察現(xiàn)象；現(xiàn)象：鐵釘表面逐漸生銹（紅棕色），水面附近的溶液變紅（酚酞遇\(\text{OH}^-\)），稍后溶液變紅色（KSCN遇\(\text{Fe}^{3+}\)）。（2）犧牲陽極法防護(hù)：取另一支試管，加入少量水，放入一枚鐵釘和一塊鋅片（用導(dǎo)線連接）；重復(fù)上述步驟，觀察現(xiàn)象；現(xiàn)象：鋅片逐漸溶解（發(fā)生氧化反應(yīng)），鐵釘無明顯生銹（\(\text{Zn}\)作為犧牲陽極，保護(hù)\(\text{Fe}\)）。4.注意事項鐵釘需用砂紙打磨（去除表面銹層，露出新鮮鐵表面）；植物油可用于隔絕空氣（驗證吸氧腐蝕需要氧氣）。**四、思考與討論**1.原電池中，若將鋅片和銅片直接接觸放入\(\text{CuSO}_4\)溶液中，是否會有電流產(chǎn)生？為什么？2.電解池中，若陽極用銅電極，電解\(\text{CuSO}_4\)溶液，陽極反應(yīng)式是什么？陰極會有什么現(xiàn)象？3.鐵在潮濕的空氣中生銹，主要發(fā)生哪種腐蝕（吸氧/析氫）？請寫出電極反應(yīng)式。4.犧牲陽極法中，為什么鋅片會被腐蝕而鐵釘不會？其原理與原電池有何聯(lián)系？**五、拓展應(yīng)用**1.電池技術(shù)的發(fā)展干電池（一次電池）：如鋅錳電池，負(fù)極是鋅筒，正極是石墨，電解質(zhì)是\(\text{NH}_4\text{Cl}\)（反應(yīng)后無法充電）；鋰電池（二次電池）：以鋰離子為載體，正極用\(\text{LiCoO}_2\)，負(fù)極用石墨，充電時鋰離子嵌入石墨，放電時脫出（能量密度高，循環(huán)壽命長）；燃料電池（連續(xù)電池）：如氫氧燃料電池，負(fù)極通入\(\text{H}_2\)（\(\text{H}_2-2\text{e}^-=2\text{H}^+\)），正極通入\(\text{O}_2\)（\(\text{O}_2+4\text{H}^++4\text{e}^-=2\text{H}_2\text{O}\)），產(chǎn)物是水（環(huán)保無污染）。2.工業(yè)電解的應(yīng)用電解鋁：電解熔融\(\text{Al}_2\text{O}_3\)（加入冰晶石\(\text{Na}_3\text{AlF}_6\)降低熔點），陽極用石墨（生成\(\text{CO}_2\)），陰極得到鋁（\(\text{Al}^{3+}+3\text{e}^-=\text{Al}\)）；電鍍：如鍍鎳，陽極用純鎳（\(\text{Ni}-2\text{e}^-=\text{Ni}^{2+}\)），陰極用待鍍物品（\(\text{Ni}^{2+}+2\text{e}^-=\text{Ni}\)），電解質(zhì)溶液用\(\text{NiSO}_4\)（保持\(\text{Ni}^{2+}\)濃度穩(wěn)定）。3.金屬防護(hù)的實際案例犧牲陽極法：輪船的船底鑲嵌鋅塊（鋅比鐵活潑，優(yōu)先腐蝕）；陰極保護(hù)法：地下輸油管道連接電源負(fù)極（使管道成為陰極，避免氧化）；涂層防護(hù)：汽車表面噴漆（隔絕氧氣和水）；改變金屬成分：不銹鋼（加入鉻、鎳等合金元素，形成鈍