单元教学设计8 化学能与电能-高中化学单元教学设计

139 << 单元教学设计 8  化学能与电能  ★ 一、单元教学主题确定 “电化学”亦可称为“化学反应与电能”，是高中化学理论体系中很重要的一部 分。其知识跨越了必修与选择性必修阶段。从整体上看，本单元属于化学基本原理 内容，是氧化还原反应的进阶和具体应用，也是学生认识化学反应与能量变化的载 体和范例。本单元不仅涉及单元内的相关基本概念和理论知识，如原电池与电解池、 电极与电极反应、电化学腐蚀与防护等，还涉及其他单元的基础知识，如电解质与 电离、离子反应、氧化还原反应以及元素化合物等，更是物质的性质、转化及实验 等理论知识的深度融合与综合应用。考虑到教材编排，结合高考评价体系及化学学 科核心素养的要求，立足于复习时重塑电化学的答题思路模型，为了有效提高学生 解决此类题型的速度和准确率，有必要将学科知识由碎片化变为结构化，充分发挥 知识的认知功能，改“结论为本”为“素养为本”。本单元从宏观与微观、现象与本 质以及能量转化等方面引导学生以“宏—微—符—图示”四重表征认识化学能与电 能的相互转化，以能量观为核心协同建构微粒观、转化观、守恒观、实验观及科学 价值观等多重核心观念。所以，以“电化学”或“化学能与电能”为主题的单元复 习教学对学生化学学科核心素养的形成与发展起着至关重要的作用。 >> 140 　高中化学单元教学设计　  ★ 二、单元教学内容分析 （一）在教材中的地位和作用 在现行的人教版教材中，该部分内容包含原电池、电解池及金属腐蚀与金属防 护等学科核心知识，存在一条“化学能转化为电能→电能转化为化学能→化学能与 电能的辩证统一”知识主线。章节内部均按照“工作原理 - 应用”顺序编排，条理 明确且兼顾知识的逻辑顺序和学生的认识顺序。 教材编写注重必修模块与选择性必修模块的衔接性，该部分内容属于氧化还原 反应和离子反应的进阶。在原电池原理部分教材首先分析必修模块单液原电池的优 缺点，进而引出盐桥、双液原电池等知识作为对必修知识的补充，同时为后续建构 复杂电化学装置模型奠定基础，之后则是原电池的应用。 在必修课程阶段初识原电池，学生从简单单液原电池入手在宏观角度认识原电 池构成要素，在微观层面形成以氧化还原反应为核心的简单原电池原理，用简单原 理分析解释常见化学电源，在知识关联结构基础上形成“装置 - 原理”二维认知模 型，发展原电池问题的分析思路，在教学过程中着重发展“变化观念与平衡思想” 学科核心素养，促进微粒观、变化观、能量观等核心观念的形成。 在选择性必修阶段不仅讨论化学能转化为电能—原电池，还讨论电能转化为化 学能—电解，并以“工作原理”引导学生建立对电化学过程的系统分析思路，为破 除原电池构成三要素模型的局限性，将其修正为四要素模型能更加反映本质，同时 提高学生对电化学本质的认识，且在该阶段也更加强调分析和解决真实问题的思路 和电化学知识的实际应用价值。 （二）在教学中的地位和作用 高中阶段的电化学主要由原电池、电解池和金属的腐蚀与防护等内容构成。原 电池和电解池是两个能量转化相反的过程，原电池是系统发生化学反应时对环境做 电功，电解池则是环境对系统做电功发生化学反应，电池、电合成、金属的电化学 防护等就是原电池和电解池模型在生产生活中的具体应用。 原电池和电解池是电化学系统中的核心内容，二者均包含原理模型及模型的实 际应用，原电池和电解池各自都可以看作一个小的独立系统，当然两者之间从装置 　单元教学设计 8  化学能与电能　 141 << 到原理又密切联系。从装置维度看，原电池和电解池的装置构成基本相同，均包括 得失电子的场所（负极或阳极为失电子场所，正极或阴极为得电子场所）、离子导体 （电解质溶液或熔融电解质）、电子导体（导线）。从原理维度看，毫无疑问氧化还 原反应理论是解决电化学问题的上位知识，当然也要考虑电化学与电解质的电离及 平衡、金属的导电性及金属活动性顺序等之间的关联。 电化学原理本质上是氧化还原反应，由于借助了特殊的装置，因而氧化还原反 应转移的电子可形成电流或由于有电流而发生氧化还原反应。电化学发生的氧化还 原反应与一般的氧化还原反应有所不同，主要体现在以下几方面：①能量转化形式 不同。电化学实现化学能和电能的相互转化，而一般的氧化还原反应实现化学能转 化为热能。②电子转移不同。电化学装置实现了电子的有序转移，而普通氧化还原 反应的电子转移是“无序的”。③反应的区域不同。电化学反应中，氧化剂和还原剂 可以不接触就发生氧化还原反应，氧化反应和还原反应分开发生在两个区域，而一 般氧化还原反应中，氧化剂和还原剂必须接触且在同一个区域发生反应。 电化学是化学学科重要的理论内容，在整个高中化学学习中占有重要地位。尤 其是新型电池和光电设备不仅能体现化学学科的价值，而且有利于学生获取相关的 知识与科学方法，更好地促进学生掌握化学学科规律。学习和使用电化学知识既能 解决化学问题又能发展和提高学生的化学学科核心素养。从社会价值看，电化学丰 富了人类制备物质的新视角，“从艺术领域到重工业领域都有电解技术的用武之地”， 电化学将化学物质中储存的能量转变为实用的电能，应用在生活、生产中的各个方 面。尤其是新型电池是目前电化学研究的热点领域，是高考化学试卷中考查的重点 和难点，所以有必要从知识和核心素养的视角分析和认识电化学，这有助于学生对 知识间的关联和认识的进阶，有利于促进化学学科核心素养在教学和考试中落实。  ★ 三、单元教学学情分析 （一）学生已有知识和能力 通过对氧化还原反应、常见离子的氧化性与还原性、电解质等内容的复习，学 生能够从电子转移这个微观角度分析氧化还原反应的本质，能较为熟练地分析氧化 还原反应中得失电子的情况；了解电解质的导电过程，能够书写电离方程式和离子 >> 142 　高中化学单元教学设计　 方程式；知道日常生活中用到的电池能够为用电器提供电能；初步掌握了原电池、 电解池的构成条件及工作原理；了解活泼金属的冶炼方法，知道工业上采取电解饱 和食盐水的方法制取氯气。此外，学生已具备设计简单原电池的经验，能够独立或 者以小组合作形式进行简单的实验探究，由实验现象推测化学反应实质。 （二）学生学习障碍点 学生对原电池、电解池构成及原理认识停留在理论模型层面，对复杂的实际问 题难以抽提出简单的模型；对原电池、电解池原理很多概念仍然很模糊，容易混淆 电解质电离和电解过程，以及阴阳极的反应及现象；电极反应方程式不熟练，不能 厘清电子和阴阳离子定向移动的动力来源；对电解原理认识不足，分析二次电池的 充电过程可能面临困难。对高考中出现的新情境下电化学问题处理起来不那么得心 应手。因此在面对复杂问题时缺乏综合分析和应用的能力以及科学创新思维和实验 综合分析能力。 （三）学生学习发展点 逐步引导学生有序认识原电池、电解池原理，掌握分析原电池、电解池装置的 思路，进行分析解释、推论预测、设计评价等学习活动，更进一步地体会电化学原 理的形成过程，真正建立一个系统且有效分析和解决电化学问题的认知模型。并运 用此认知模型解决分析真实情境下各类电化学问题，并从多角度评价电化学装置， 培养学生综合分析和评价能力，使学生从多角度辩证地看待科学技术。  ★ 四、本单元的概念层级 第 8 单元的概念层级如图 8-1 所示。 　单元教学设计 8  化学能与电能　 143 << 图 8-1　第 8 单元的概念层级图  ★ 五、单元教学目标设计 从课程标准对电化学的要求来看，主要包括原电池及电解池基本的工作原理， 知道电化学在能量和物质转化方面的重要意义，并能结合理论分析、解释并解决实 际问题，基于此，本单元的教学目标设计如下。 1.基于原电池和电解池装置的辨析，复习电化学体系的基本要素（电极反应、 电极材料、离子导体、电子导体），建构电化学认知模型，知道从装置和原理 两个角度分析原电池及电解池工作原理，建立对电化学工作的系统分析思路， 提高对电化学本质的认识。 2. 基于原电池和电解池的工作原理，能够设计简单的原电池及电解池，培 养学生动手操作能力及科学创新精神；能运用认知模型分析真实情境中的各类 原电池以及电解池的工作原理，并会用符号表征两极反应式，且会利用守恒思 想解决相关计算。 3. 基于电化学应用与创新，复习电化学腐蚀与防护措施、电镀、精炼、电 冶金、氯碱工业等相关知识，认识化学能与电能相互转化的实际意义和重要应 用，体会化学在生产生活中的重要价值。培养学生创新意识，激发社会责任感， 为设计出更优良的新型电池而努力。 >> 144 　高中化学单元教学设计　  ★ 六、单元教学评价目标设计 1. 通过学生对原电池和电解池装置和现象的描述，以及对微观变化过程的 分析，诊断学生对电化学的认知模型建构的能力，以及电化学是化学反应与能 量变化的载体的认知水平。 2. 通过学生设计简单的原电池及电解池，分析真实情境中的各类化学电源 以及电解池的工作原理，诊断学生对电化学认知模型的思维进阶发展水平。 3. 通过学生对生产生活中电化学原理的实际应用，诊断学生对化学能与电 能相互转化的实际意义和重要应用的认知水平。  ★ 七、单元整体教学框架 第 8 单元第 1 课时、第 2 课时、第 3 课时的整体教学框架分别如图 8-2、图 8-3、 图 8-4 所示。 图 8-2　第 8 单元第 1 课时的整体教学框架图 　单元教学设计 8  化学能与电能　 145 << 图 8-3　第 8 单元第 2 课时的整体教学框架图 图 8-4　第 8 单元第 3 课时的整体教学框架图 >> 146 　高中化学单元教学设计　  ★ 八、单元整体教学流程 （一）第 1课时：化学能与电能的能量转化及实质 【教学情境】随着社会环保意识的加强及现代科技的发展，一种被称为“绿色交 通工具”的电动自行车越来越受到人们的关注和青睐。电动车电池充电器工作原理 为蓄电池的充放电。带着问题引领学生置身于环境中解决实际问题复习电化学。 【板块一】宏观辨识化学能与电能的转化。 【任务 1】基于主要的能量转化途径区分“两池”。 【学生活动】根据电动自行车充放电过程总结归纳原电池、电解池能量转化形式 （图 8-5）。 图 8-5　原电池、电解池能量转化形式 【设计意图】创设生活情境，为学生构建能量转化模型，使学生切实体会“能量 观”与“变化观”化学核心观念，凸显大单元的核心—“化学能与电能之间的相互 转化”大观念。 【任务 2】通过多个装置的辨析，抽提“两池”构成要素。 【学生活动】独立思考，小组分析典型例题并总结两池构成条件然后进行交流 汇报。 （1）原电池的构成条件： ②电子导体—导线。 ③离子导体—电解质（溶液、固体氧化物、熔融碳酸盐等）。 　单元教学设计 8  化学能与电能　 147 << ④自发的氧化还原反应。 （2）电解池的构成条件： ①直流电源。 ②两个电极。 ③电子导体—导线。 ④离子导体—电解质（溶液、固体氧化物、熔融碳酸盐等）。 【设计意图】基于装置和原理二维角度初识原电池、电解池。在简单二维模型的 构建与应用中结合电化学实现宏 - 微表征能力的养成。 【板块二】微观探析能量转化实质—“两池”的工作原理。 【任务 3】以锌铜原电池、惰性电极电解池 CuCl2 溶液为例，从离子导体、电子 导体角度构建“两池”认知模型。 【学生活动】小组交流讨论，从离子导体、电子导体角度总结归纳“两池”的认 知模型（图 8-6、图 8-7）。 A C C 图 8-6  A C C 图 8-7  >> 148 　高中化学单元教学设计　 【设计意图】通过对原电池、电解池模型的探究，学生构建从工作原理角度分析 问题的思路，对装置有了多重角度的认识，为新型化学电源装置的工作原理分析做 出铺垫。 【任务 4】通过原电池正、负极判断及电解池阴、阳极判断，完成对“两池”工 作原理的行为表征。 【学生活动】学生独立思考后总结归纳原电池正负极、电解池阴阳极的判断规律 （图 8-8）。 图 8-8  原电池正负极、电解池阴阳极的判断规律 【设计意图】从认知模型上升到行为表征，双向深入理解“两池”的工作原理， 完成思维的进阶。 【任务 5】原电池、电解池工作原理的符号表征。 【学生活动】以锌铜稀硫酸原电池、惰性电极电解 CuCl2 溶液为例，独立书写原 电池、电解池的电极反应式以及总反应式。小组讨论后总结归纳原电池、电解池电 极反应规律。 【设计意图】巩固两池工作原理，揭示知识的形成过程，形成证据意识。 【任务 6】基于“两池”的构成要素设计原电池、电解池装置。 【学生活动】独立思考，小组汇报。 ①根据方程式 2FeCl3+Cu=2FeCl2+CuCl2，设计画出原电池（含盐桥与不含盐 桥）装置图并书写两极反应式。 ②根据方程式 2H2SO4+Cu=2CuSO4+H2，设计画出电解池装置图并书写两极反 应式。 　单元教学设计 8  化学能与电能　 149 << 【设计意图】了解知识的前因后果，洞悉知识的本质与规律，建构知识框架，形 成学科思维模型，实现化学知识到核心素养的转变。 【回归实际生活】拓展活动：某品牌电动自行车所用电池为铅酸蓄电池，基于两 池工作原理分析电池的优缺点，大胆尝试改进措施。 【学生活动】学生查阅资料分析铅酸蓄电池的优缺点并提出改进措施。 优点：价格低廉、放电性能良好。 缺点：循环寿命短、充电时间长、铅是重金属，污染环境。 措施：研发新型电池，回收处理旧铅酸蓄电池。 【设计意图】让学生在解决问题的过程中感知科学技术进步的曲折上升趋势。锻 炼学生的创造性思维，进而实现课堂知识现实化。 （二）第2课时：认识各类原电池、电解池 【教学情境】刀片电池是比亚迪于 2020 年 3 月 29 日发布的电池产品。该电池采 用磷酸铁锂技术，将首先搭载于“汉”车型。具备超级安全、超级强度、超级续航、 超级寿命的特点。 【板块一】定性认识原电池。 【任务 1】认识可逆电池。 【学生活动】自主运用原电池模型，解决陌生问题。 例 1　将反应“AsO43-+2I-+2H+  AsO33-+I2+H2O”设计成的原电池装置，如 图 8-9 所示，其中 C1、C2 均为碳棒。向 B 烧杯中逐滴加入适量 40% NaOH 溶液。 A A B C1 I2 Na3AsO3、 Na3AsO4 KI、 C2 图 8-9　原电池装置图 【设计意图】进一步巩固电极方程式的书写，建构分析原电池问题的思路与 方法。 【任务 2】通过对普通锌锰干电池、碱性锌锰电池、纽扣式锌银电池、锂电池的 学习认识一次电池。 【学生活动】基于总反应方程式，完成电极反应式的书写。 >> 150 　高中化学单元教学设计　 普通锌锰电池：Zn+2NH4Cl+2MnO2=Zn(NH3)2Cl2+2MnO(OH)。 碱性锌锰电池：Zn+2MnO2+2H2O=2MnO(OH)+Zn(OH)2。 纽扣式锌银电池：Zn+Ag2O=ZnO+2Ag。 小组交流讨论并总结，引出碱性锌锰电池的内部结构、工作原理。 【设计意图】培养学生分析解决问题的能力。认识从理论到实践要不断改进，了 解电池不断改良的过程。能独立完成电极方程式的书写。 【任务 3】通过铅酸蓄电池、碱性镍镉电池、镍氢电池、锂离子电池的学习认识 二次电池。 【学生活动】基于总反应方程式，完成电极反应式的书写。 铅蓄电池总反应：Pb+PbO2+2H2SO4=2PbSO4+2H2O。 镍镉电池总反应：Cd+2NiOOH+2H2O=Cd(OH)2+2Ni(OH)2。 镍氢电池总反应：H2+2NiO(OH)=2Ni(OH)2。 锂离子电池总反应：LixCy+Li1-xCoO2=LiCoO2+Cy。 【设计意图】知识系统化，利用氧化还原反应，建构解决问题模型。 【任务 4】通过常见的燃料电池、微生物电池的学习总结工作原理。 【学生活动】基于总反应方程式，完成不同环境（酸性、碱性、熔融碳酸盐、固 体电解质等）电极反应式的书写并体会燃料电池是环境友好电池的这一特点。 氢氧燃料电池总反应：2H2+O2=2H2O。 以葡萄糖为燃料的微生物燃料电池总反应：C6H12O6+6O2=6CO2 ↑ +6H2O。 X Y CO2 MnO2 Mn2+ Cm(H2O)n 图 8-10  【设计意图】使学生体会电解质的不同影响电极反应。 【任务 5】认识物质循环转化型电池，独立思考，分析工作原理。 【学生活动】小组交流，总结解题思路。 例 2　图 8-11 为一种中性 Zn/Fe 液流电池的结构分析工作原理图。 　单元教学设计 8  化学能与电能　 151 << Zn2+ K+ K+ K+ Zn Fe ZnBr24 ZnBr24 Fe(CN)46 Fe(CN)46 Fe(CN)36 Fe(CN)36 图 8-11　一种中性 Zn/Fe 液流电池的结构分析工作原理图 总结：根据元素化合价的变化或离子的移动判断电池的正、负极是分析解答该 电池的关键。 【设计意图】培养学生解决陌生问题的能力。 【任务 6】认识浓差电池。 【学生活动】独立思考，分析工作原理。小组交流，总结解题思路。 例 3　某热再生浓差电池工作原理如图 8-12 所示，通入 NH3 时电池开始工作， 左侧电极质量减少，右侧电极质量增加，中间 A 为阴离子交换膜，放电后可利用废 热进行充电再生。 已知： Cu 4NH Cu(NH )2+ 2++ 3 3 4 。 图 8-12　某热再生浓差电池工作原理图 小组交流分享成果：物质或离子均有由“高浓度”转化为“低浓度”的趋势， 这是判断浓差电池正负极的关键。 【设计意图】培养学生解决陌生问题的能力，实现电池总反应式不一定是发生氧 化还原反应的知识进阶。 【板块二】定性认识组合装置。 >> 152 　高中化学单元教学设计　 【教学情境】学生已认识各种电池，有了一定的分析问题解决问题的基础，从而 将原电池、电解池串联在一起进行知识的拓展。 【任务 7】多池串联装置的判断及原理分析。 【学生活动】独立思考，总结两池判断方法。 例 4 图 8-13  A 为 ，B 为 。 【设计意图】进一步巩固对原电池、电解池认知模型的理解，培养学生解决问题 能力。 【任务 8】多室装置的分析判断以及离子交换膜的分类和应用。 【学生活动】了解交换膜在电化学上的应用。小组交流总结某室质量变化的解题 思路。 例 5　（2021 年广东卷改编）钴（Co）的合金材料广泛应用于航空航天、机械制 造等领域。如图 8-14 为水溶液中电解制备金属钴的装置示意图 图 8-14　溶液中电解制备金属钴的装置示意图 生成 1 mol Co，Ⅰ室溶液质量理论上减少 g。 总结：既要考虑该区（或该电极）的化学反应，又要考虑通过“交换膜”的离 　单元教学设计 8  化学能与电能　 153 << 子带来的质量变化。 【板块三】电化学的定量分析。 【任务 9】通过原电池和电解池电路中转移电子的物质的量、电极产物的质量、 气体体积、溶液的 pH 或物质的量浓度等的相关计算体会守恒思想。 【学生活动】独立思考，小组交流。 例 6　（2023 年全国卷改编）用可再生能源电还原 CO2 时，采用高浓度的 K+ 抑 制酸性电解液中的析氢反应来提高多碳产物（乙烯、乙醇等）的生成率，装置如图 8-15 所示。 IrOx Ti H 2 SO 4 KCl H 3 PO 4 C 2 H 4 , C 2 H 5 OH CO 2 图 8-15　用可再生能源电还原 CO2 的装置图 每转移 1mol 电子，阳极生成 L 气体（标准状况）。 【任务 10】厘清法拉第常数与阿伏加德罗常数的关系；能利用题中新定义信息逆 向求解比能量、比功率、电流利用效率等问题；归纳物质与能量两大题型，解决理 论物质消耗和析出的相关计算、能量转化效率等相关问题 【学生活动】 例 7　以石墨为电极，用电流强度为 I 的直流电电解足量RCly的水溶液，t min后， 精确测得电极上析出 n g 金属 R，设金属 R 的摩尔质量为 M g/mol，则阿伏加德罗常 数的计算式可表示为（每个电子电量：1.6×10-19 C） 。 例 8　若用放电电流强度 I ＝ 2.0 A 的电池工作 10 min，电解精炼铜得到铜 0.32 g， 则电流利用效率为 （保留小数点后一位）。（已知：F ＝ 96 500 C/mol，电流 利用效率＝ 利用量 池出量 ×100%） 【设计意图】培养学生基于守恒思想指导下的计算能力，运用物理学科知识解决 化学问题的能力。 【拓展活动】基于刀片电池的工作原理，解决实际问题。 >> 154 　高中化学单元教学设计　 【学生活动】学生通过查阅资料了解刀片电池的结构及工作原理。 （1）正负极片：刀片电池的正极和负极都是由一个非常薄的金属片制成的。这 两个金属片的材质通常都是锂钴氧化物（LiCoO2），锂铁磷酸（LiFePO4）或镍钴锰 酸锂（LiNiMnCoO2）等锂离子电池材料。 （2）电解质：电解质是刀片电池中间的一个薄膜层，它起到隔离正负极的作用。 电解质材料通常是聚丙烯或聚乙烯。 （3）电池封装：刀片电池的所有部分需要封装在一个塑料外壳中。这个外壳可 以保护电池内部的各个部分，还可以为电池提供机械和热学保护。 正极反应：Li1-xFePO4+xe-+xLi+=LiFePO4。 负极反应：LiC6-xe-=xLi++Li1-xC6。 首先，隔膜能够防止正负极相碰撞而导致的短路。其次，隔膜可以控制正负离 子的传输速率，从而稳定电池的输出电压。最后，隔膜能够提高电池的安全性能， 防止电池过热、爆炸等意外情况的发生。 【设计意图】拓展学生视野，提高学生利用所学知识解决实际问题的能力。 （三）第3课时：电化学原理的应用与创新 【教学情境】重约 40 吨的沧州铁狮子屹立千年不倒。直到 20 世纪 50 年代开始 对铁狮子进行保护。当时的保护方案是在铁狮子的底座上加建一方八角亭，用以遮 风挡雨。然而，这一方案却加速了铁狮子的腐蚀，导致其逐渐变形，于是拆除了八 角亭。 【板块一】金属的腐蚀与防护。 【任务 1】认识金属腐蚀的本质及类型。 【学生活动】基于情境分析归纳腐蚀的本质、腐蚀的类型并书写电极反应式。独 立书写、小组交流。学生分享交流成果（表 8-1）。 本质：M-ne-=Mn+。 表8-1  金属腐蚀的类型和反应式 类  型 析氢腐蚀 吸氧腐蚀 条件 水膜酸性较强 水膜酸性很弱或呈中性 负极 Fe-2e-=Fe2+ 正极 2H++2e-=H2 ↑ O2+4e-+2H2O=4OH- 联系 吸氧腐蚀更普遍 　单元教学设计 8  化学能与电能　 155 << 【设计意图】 （1）培养学生对情境的分析能力，透过现象分析问题本质的能力。 （2）培养学生对文物保护的意识。 【任务 2】认识金属腐蚀的快慢规律。 【学生活动】由加建一方八角亭腐蚀反而加快，分析原因并总结金属腐蚀快慢的 规律，独立思考、小组交流并完善。 金属腐蚀快慢规律：①电解原理引起的腐蚀 > 原电池原理引起的腐蚀（活动性 不同的两种金属，活动性差别越大，腐蚀速率越快 > 化学腐蚀 > 有防护措施的腐蚀； ②外界条件相同时，电解质浓度越大，金属腐蚀越快。 【任务 3】从多角度了解金属腐蚀的防护措施 【学生活动】小组交流汇报，总结如下（图 8-16）。 图 8-16  金属腐蚀的防护措施 【设计意图】 （1）能进行深入归纳并找出解决问题的方法。 （2）巩固基础知识，培养学生从实际问题到理论归纳，再从理论回归现实并灵 活运用知识的能力。 【任务 4】让学生感受金属防护在生产中的实际应用。 【学生活动】以电镀铜为例分析。 （1）电极及电解质溶液的选择。 （2）电极反应式书写。 （3）解决溶液和电极质量变化问题。 >> 156 　高中化学单元教学设计　 独立书写、小组交流后分享成果（图 8-17）。 图 8-17  电镀铜的电极材料、电镀液、电极反应总结 【设计意图】通过对电镀应用的分析进一步巩固基础知识并提高学生解决实际问 题的能力。 【板块二】电解原理在生活生产中的应用。 【任务 5】电解原理在物质提纯中的应用。 【学生活动】以电解精炼铜为例分析：（1）电极和电解质溶液的选择；（2）书写 电极式；（3）解决电子转移及溶液质量变化问题。独立书写、小组交流。（图 8-18） 电 解 精 炼 铜 电极 材料 电极 反应 阳极（含Zn、Ni、Ag、Au等杂质） Zn-2e- =Zn、Ni-2e- =Ni2+、Cu-2e- =Cu2+ 阳极：粗铜 阴极：纯铜 阴极：Cu2++2e- =Cu 图 8-18  电解精炼铜的电极材料、电极反应总结 【任务 6】电解原理在无机物制备中的应用 【学生活动】以氯碱工业为例分析：（1）电极产物；（2）电解质溶液和膜的选择； （3）书写电极反应式。 【任务 7】电解原理在有机合成方面的应用。 【学生活动】通过解答典型例题梳理解题思路，归纳有机物的电极反应式的书写 特点。 例 1　乙醛酸（HOOCCHO）是有机合成的重要中间体。工业上以乙二醛 　单元教学设计 8  化学能与电能　 157 << （OHCCHO）和乙二酸（HOOCCOOH）为原料，用“双极室成对电解法”生产乙醛 酸，原理如图 8-19 所示。 M N H+ Cl2 图 8-19　用“双极室成对电解法”生产乙醛酸的原理 该装置中阴、阳两极均为惰性电极，两极室均可产生乙醛酸，其中乙二醛与 M 电极生成的物质反应生成乙醛酸。下列说法错误的是（　　）。 A. M 极与直流电源的正极相连 B. N 极上的电极反应式为 HOOCCOOH+2e-+2H+==HOOCCHO+H2O C. 电解一段时间后，N 极附近溶液的 pH 变小 D. 若有 2 mol H+ 通过质子交换膜，则该装置中生成 2 mol 乙醛酸 【任务 8】电解原理在污水处理方面的应用。 【学生活动】解答实际问题：判断电源，书写电极反应式及溶液中的总反应式， 判断电极区域溶液 PH 的变化。 例 2　某工厂采用电解法处理含铬废水，耐酸电解槽用铁板作阴、阳极，槽中盛 放酸性含铬废水，原理示意图如图 8-20 所示，下列说法不正确的是（　　）。 ～ A B H2 图 8-20　电解法处理含铬废水的原理示意图 >> 158 　高中化学单元教学设计　 A. 阳极区溶液中发生的反应为 Cr O 6Fe 14H 2Cr 6Fe 7H O2 7 2 2 2 3 3− + + + ++ + = + + B. 电解过程中阳极区有 Fe OH( )3 、 Cr OH( )3 沉淀生成 C. 阳极的铁板换成铜板也可以完成处理酸性含铬废水的目的 D. 工业上常在酸性含铬废水中加入氯化钠固体，以增强溶液的导电性，提高电 解效率 【设计意图】培养学生应用电解池模型对陌生复杂装置进行迁移应用的能力。 【任务 9】电解原理在碳中和方面的应用。 【学生活动】独立思考 解答典型例题。 例 3　实现“碳中和”的重要方式之一是将 CO2 重新转化成能源，在金属氧化 物电解池中，高温下电解 H2O-CO2 的混合气体制备 H2 和 CO 是一种新的能源利用方 式，基本原理如图 8-21 所示。下列说法错误的是（　　）。 X Y O2 H2O CO2 H2 CO 图 8-21　“碳中和”的基本原理 A. Y 是电源的正极 B. 阳极的电极反应式是 2O2--4e-=O2 ↑ C. 总反应可表示为 H O + CO H + CO + O2 2 2 2 电解 D. 阴、阳两极生成的气体的物质的量之比是 1 ∶ 2 【设计意图】解决实际问题，体会实现碳达峰、碳中和的一种途径。 　单元教学设计 8  化学能与电能　 159 <<  ★ 九、教学反思 本教学案例以一轮复习化学能与电能的教学内容设置教学单元，以能量守恒、 不同能量可以相互转化为学科大概念统领并组织教学内容，促进学生形成对大概念 的理解，使学生能够形成结构化的电化学知识，并能将其转化为解决问题的具体思 路与方法。例如，在梳理完原电池和电解池的原理之后，对具体事实进行具象概括 从而建构电能与化学能转化的微观模型，让学生在微观层面上对氧化还原的本质是 电子转移形成可视化认知，并在之后的金属腐蚀与防护中解决相关问题，提升学生 的可持续发展能力。 在具体教学过程中，围绕大概念开展的电化学教学，以驱动电化学知识产生的 大问题为线索形成教学结构，例如：“如何将化学能高效转化为电能”，学生通过学 过的单液原电池与双液原电池的对比，进而推出将氧化反应、还原反应分隔在两池 中更高效，而双液原电池的盐桥还可以用离子交换膜代替，这样层层推进的知识学 习，可以有效推动教学环节的进行，促进学生认知框架的发展与完善，培养学生的 思维能力。这样的问题情境创设，落实了素养为本的教学要求，有助于学生逐步完 善化学学科观念、化学学科思维。 通过设计电化学的完整教学过程不难发现，以大概念为统摄的教学能够帮助学 生将碎片化的知识结构化，促进课程内容情境化，使知识发生有机联系，提高学生 解决实际问题的能力，有助于学生体会化学在生产生活中促进社会可持续发展方面 的重要作用。例如，金属管道或铁轨在潮湿地下防腐措施的选用，可以锻炼学生对 实际问题的解决能力，体会化学在生产生活中的作用。