时间：2023-03-05 06:44:56
2.掌握简单电解池的电极反应和电解反应方 程式书写。
3.掌握用惰性电极电解电解质溶液的类型
学习重点 电解的原理及应用。电解池的电极反应和电解 反应方程式书写
学习难点 电解池的电极反应和电解反应方程式书写
【课前检测】
1.下列有关电解叙述正确的是（ ）
A 电解池是把电能转化为化学能的装置
B 电解过程式可逆的
C 电解只能在电解质溶液中进行
D 电解池在阴极上发生氧化反应
2.用石墨作电极电解氯化铜溶液时，下列叙述错误的是（ ）
A 通电时电子由电源负极流向电解池得到阴极
B 能使湿润的淀粉碘化钾试纸变蓝的电极为阳极
C 阴阳两极通过的电流相等
D氯化铜溶液导电的过程就是电解氯化铁溶液的过程
3.电解是 的过程。电解时电子从直流电源的 通过导线流向电解池的 该极上发生 反应，电解池另一极上发生 反应，电子由该电极通过导线再回到直流电源的 。
4.金属钠常温下与氯气能自发的反应，反应是 ，金属铝常温下与氧气能自发的反应，反应是 。工业上以氯化钠和氧化铝为原料生产金属钠和金属铝，能量转化形式为 。
P18 利用原电池实现 ，通过电解使 ，并实现 。
【新课学习】
一、电解池的工作原理
[交流讨论]阅读教材P18-19电解熔融态氯化钠（电极不参加反应）
1.熔融态氯化钠的电离 ，离子的运动特点 。
2.通电后离子的运动特点
3.通电后电极表面发生的反应：阴极 电极反应式
4.电解过程中电子的流向
5.电解的总方程式
总结：教材P19第二段
1.阴极 2.阳极
3.电解 4.电解池
二、电解时电极产物的判断和电极反应式的书写
1.明确什么是活性电极和惰性电极
活性电极 惰性电极
2.明确阴离子的放电顺序：常见阴离子的失电子的能力排序
3.明确阳离子的放电顺序：常见阳离子的得电子的能力排序
4.电极产物的判断及电极反应的书写
阳极：先看电极后看离子
（1） 若为活泼金属电极，则金属电极本身失电子（除金和铂），被氧化消耗
（2） 惰性电极（金、铂、石墨）：溶液中阴离子失去电子， 失电子能力为：
S2- >I - > - >Cl - >OH - >含氧酸根>F-
S2― --- 2e-=S 2I ---- 2e-=I2
2 Br ---- 2e-=Br2 2Cl ---- 2e-=Cl 2
4OH - -- 4e-=2H2O + O2
阴极：阴极本身不参加反应。溶液中阳离子得电子被还原为单质，得电子能力：
Ag+ > Cu2+ > H+ （酸、水） > Al3+ > Mg2+ > Na+……
离子放电规律：
阴极： __电子，发生__反应，离子__越强，反应越容易。
阳极： __电子，发生__反应，离子__越强，反应越容易。
5.电解过程及电极反应式书写――注意分析方法
方法：先看电极（阳极材料）――确定溶液中存在的离子――确定离子的放电顺序――书写电极反应式――总化学方程式
练习1 分析用铂作阳极石墨作阴极电解氯化铜溶液
练习2 分析用石墨作电极电解饱和食盐水
练习3 用石墨作电极电解Na2SO4溶液
练习4 用石墨作电极电解CuSO4溶液
三、习题巩固
1.图中X、Y分别是直流电源的两极，通电后发现 a 极板质量增加，b 极板处有无色无臭的气体放出，符合这一情况的是
2.下列关于铜电极的叙述正确的是
A、铜锌原电池中铜是正极
B、用电解法精炼粗铜时铜作阳极
C、在镀件上电镀铜时可用金属铜作阳极
电化学(原电池和电解池)教学是中学化学教学的难点和重点，尤其是电极的判断、电极现象、电极反应方程式的书写、燃料电池电极方程式的书写、电镀等内容是高考考点，也是学生们最容易混淆、出错的地方。本教具将电化学教学中的两个知识点，即原电池与电解池放在同一个教学仪器中进行演示，使学生通过比较来学习各自的原理，进一步加深对电化学的理解。
制作材料
木板2块，饮料瓶4个，电流表1个，直流电源1个，开关2个，固定带、螺丝若干。
使用方法
将本教具放置在水平桌面上，检查装置的气密性。
加液。断开开关S1、S2，将1、2号瓶瓶底上的胶头去掉，通过加液器向1、2、3号瓶中加入滴有酚酞的饱和食盐水，使食盐水的水面高于电极的下端。
实验
电解池部分
以电解饱和食盐水为例：
工作原理：
阳极：2Clsup>－－2esup>－＝CI2
阴极：2Hsup>＋－2esup>－=H2
总反应：2NaCl＋2H2O＝2NaOH＋H2＋CI2
操作方法：断开开关S1，闭合开关S2。
实验现象：1、2号瓶中均有气体产生，经验证1号瓶中的气体为氯气，2号瓶中的气体为氢气，与电源负极相连的瓶中的溶液变成粉红色(2号瓶中)。
原电池部分
以电解过程中产生的氯气、氢气、氢氧化钠组成原电池为例：
工作原理：
正极：Cl2＋2e-＝2CI-
负极：H2＋20H-－2e-＝2H2O
总反应：C12＋2H2＋2OH-＝2Hsub>2O＋2CI-
操作方法：断开开关S2，闭合开关Sl(1、2号瓶中的液面未脱离电极)。
实验现象：电流表的指针发生偏转。
教学效果
将原电池和电解池放在同一实验中，并以电解池部分电解产生的产物为原料来演示原电池部分实验，使学生通过具体的比较来学习各自的原理。
操作简单、安全。利用干电池、电流表和开关组成一个简单电路，通过开关分别控制原电池和电解池两种情况，学生可以清楚地看到两种情况下的实验现象，能较好地理解电化学这个考点。
（2）离子还原性顺序：活泼金属原子>S2->SO 2-3>I->Fe2+>Br->Cl->OH->SO2-4>NO3->F-
例采用燃料电池为电源，以惰性材料为电极来电解物质的量之比为3∶1的NaCl和
H2SO4的混合溶液。如图1所示，请写出各步的电极反应式和总反应，并标出电子电流流动方向；分析电解过程中电解质溶液pH的变化情况，同时进一步考虑，欲使溶液恢复原来的浓度和pH，需要加入什么物质？所加入物质的物质的量是多少？
原电池的负极失去电子正极得到电子，而电解池的阳极失去电子阴极得到电子。故电子流动方向为：C1C4和C3C2；电流和电子流动方向恰好相反，所以电流的流动方向为：C4C1和C2C3。而在电解质溶液中不存在电子和电流，在其溶液中，是阴阳离子的定向移动形成了电流，进而产生电子流向。
与原电池正极相连的电极为阳极，与负极相连的为阴极。构成电解池，两个电极均为惰性材料-碳，电解物质的量之比为3∶1的NaCl和H2SO4的混合溶液，根据两个电极附近的阴阳离子放电顺序及混合溶液的电解所得到的电极产物，电解过程可明显分为三个阶段。
电解时，首先是HCl溶液提供的H+、Cl-放电，生成H2和Cl2；其次是NaCl溶液提供的H+、Cl-放电，生成H2、NaOH和Cl2；最后是Na2SO4溶液，实际上电解水，生成H2和O2。由于第一个阶段消耗H+，第二个阶段产生OH-，第三个阶段是电解水，c（OH-）=n（OH-）V，随着电解的进行，n（OH-）不变，而溶液的体积V不断的减小，故溶液的c（OH-）不断增大，pH不断增大。
欲使电解后的溶液恢复至原来的浓度和pH值，电解出什么物质加入什么物质，加入的物质是阴阳两极的化合产物，故在每个电解阶段，加入的物质分别为HCl气体、HCl气体和H2O，其物质的量是电解出多少加入多少。所以加入的物质是一定浓度的盐酸溶液。
【设计思路】本内容是人教版高中化学（必须+选修）选修4第四章《电化学基础》第三节《电解池》中的第一课时内容。该内容是中学化学中电化学的重要组成部分，是高中化学教学的一个重点和难点。学生已经学习了原电池的相关知识，在此基础上进一步学习电解知识平台。本人采用实验教学模式，教学过程中教师为学生创设学习情境，搭建一系列的问题支架，引导学生去发现问题，解决问题。让学生在观察中学习，在学习中思考，在思考中升华，然后将知识运用到具体的应用中；力求做到“以转变学生的学习方式，提高学生的科学素养，培养学生的科学探究能力为主”的新课程教学理念。
【教学目标】
1、理解电解的原理，能够准确判断电解池的阴、阳两极。
2、知道惰性材料做电极时，离子的放电顺序以及阴、阳极上产物的分析判断。
3、通过实验演示投影及引导学生对实验现象的观察、分析和推理，让学生体验科学探的过程，形成一定的实验能力、观察能力和思维能力。
4、通过实验探究，培养学生良好的科学态度和科学方法，渗透由现象看本质、由个别到一般、由一般到特殊的辩证唯物主义观点。
【教学重点、难点】 电解池的工作原理，离子放电顺序、电极产物的判断。
【教学方法】 实验探究、启发讨论
【教学用具】 电解槽 碳棒（4支） 学生电源 导线 氯化铜溶液 KI-淀粉试纸 烧杯 玻璃棒 多媒体
【教学过程】
【引言】前面我们已经学习了原电池的有关知识，知道了化学能在一定条件下能够转化为电能，我们把实现这种转化的装置叫原电池；我们也知道：能量之间可以实现相互转化。
那么，能不能设计一种装置，将电能转变为化学能呢？在初中，我们接触了电解水，当电流通过水时，水被电解生成了氢气和氧气。那么，当我们把电流通过水或水溶液时，到底发生了哪些变化？这种变化是否存在一定的规律？这节课我们就一起来探究这个课题：电解池。
【板书】 第三节 电解池
【投影演示实验】提醒学生认真仔细地观察实验现象。（同时板书：实验）
【演示实验1】将两根碳棒分别电解槽中，浸一会儿取出。
（引导学生观察碳棒表面上有没有新物质生成。结论：碳棒和氯化铜不反应。）
【演示实验2】用导线连接两根碳棒后再浸入溶液一段时间，取出观察。
（碳棒表面也没有新物质生成。结论：没有构成原电池，不发生反应。）
【演示实验3】浸入溶液的两根碳棒分别跟直流电源的正极和负极相连接。接通电源，让不家务事观察两极的现象。（提醒学生连接的是交流电还是直流电的两极）
[找学生回家实验过程中的现象，教师适当进行补充。]
【学生发言】一个碳棒覆盖有一层紫红色物质（铜），另一个碳棒表面有小气泡生成，。用湿润的碘化钾淀粉试纸检验产生的刺激性气体，试纸变蓝色，说明该气体是氯气。
【问题】通过观察到的实验现象，我们发现了什么过程？这个过程是物理变化还是化学变化？
【师生小结】（投影实验装置）通过以上实验说明氯化铜溶液受到电流的作用，在导电的同时发生了化学变化，生成铜和氯气。
【投影设问1】氯化铜固体即使在加热的时候也很难分解，为什么其溶液在电流的作用下会分解成铜和氯气呢？
【板书】（电解氯化铜溶液原理）分析
【投影设问2】为了解决这个问题，请大家思考：
1、通电前，溶液中存在哪些离子？这些离子作如何的运动？
2、通电中，1）溶液中的离子运动情况有何变化？是什么因素导致了这种变化？
2）电路中的电流与电子流向如何？当阴、阳离子移向碳电极表面时，哪些离子发生了变化？
3）你能写出两个碳电极上发生的反应并指出反应的类型吗？总反应如何呢？
3、想一想，整个过程中能量是如何转化的？
【学生活动】学生分组讲座回答如下问题，教师及时点评。
【投影】链接运画投影“电解氯化铜微观模拟”，让学生通过以上问题的分析加深对电解过程的微观与宏观认识。
【讲述】为了与原电池的两电极区别，我们把与电源正极相连的电极称为阳极，与负极相连的电极称为阴极。
【板书】阳极：与电源的正极相连。阴极：与电源的负极相连。
【学生活动】学生完成阴、阳两极上的电极反应，并指出反应类型。教师纠正。
【小结】通过以上分析，我们知道了当电流通过氯化铜电解质溶液时，离子定向移动到阴、阳两极后发生氧化还原反应，生成了新的物质。在这个过程中，电能转化为化学能。
【过渡】大家能明白什么是电解，什么是电解池吗？
【板书】1、电解：使电流通过电解质溶液而在阴阳两极上引起氧化还原反应的过程。
2、电解池：把电能转化成化学能的装置。
【投影设问3】思考2：根据以上电解氯化铜的装置，以及联系原电池的构成条件，你能否总结出电解池的一般构成条件？
【学生活动】学生相互讨论后，回答问题。教师予以适当引导。
【板书】3、电解池的构成条件
（1）两个电极（能导电的金属或非金属）（2）电解质 （3）有外加直流电源，并形成闭合回路
【投影设问4】思考3：在电解过程中，电子、离子是如何移动以形成闭合回路的？（再次投影“微观模拟”，分析总结电解过程中电子、离子的移动方向）
【板书】4、电子的流向
阳极 电源正极 电源负极 阴极【课常小结】（略）
【投影作业】
2、结合已经学习的原电池，查资料自主列表比较原电池与电解池的联系与区别。
【教学反思】
关键词：化学史；实验探究；实验改进；设计理念
中图分类号：G632.41 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2014）28-0170-02
在具体实施过程中，我充分发挥了实验探究的功能。学生通过自己动手做实验，能够更好地观察实验现象，加深对知识的理解，从中体会自己发现问题、提出问题、解决问题的乐趣，提高自身的实验探究能力。为此，本节课我设计了3个学生分组实验：首先是电解氯化铜溶液，探索电解原理；然后是电解碳酸钾溶液，对比电解氯化铜溶液引起认知冲突，初步了解放电顺序；最后先预测电解NaCl溶液的产物，再进行实验验证，使所学知识得到迁移运用。
一、实验微型化减量化方便化的改进
鉴于本节课要完成3个分组实验，而教材实验装置如图1虽然简单、便于观察，但是作为学生分组实验，药品用量多，污染大，还需要一些配套装置，不方便更换电解质溶液，耗时会比较长，为此根据微型化、减量化的原则，我对实验进行了如下改进如图2：2节干电池作电源；用学生涂卡用的铅笔芯作石墨电极，并事先用透明胶布将两根铅笔芯及导线的铁夹固定好以防止电极接触产生短路；把U形管换作点滴板，这样每一次实验所取溶液不到一滴管，而且可以做多组实验，只需换一个凹槽放溶液即可。改进后还有以下好处：（1）这样的微型装置节约了药品，减少了污染，几秒钟就能出现明显现象，比如图3是电解氯化铜溶液的图片，有利于学生把重点放在对实验现象的观察上。（2）电解碳酸钾溶液时如图4，很容易观察到一极气泡多一极气泡少。（3）该微型装置可以初步检验电解产物，如图5：电解氯化钠溶液时，两极是都有气泡的，我们可以把淀粉碘化钾试纸平铺在电极上面观察哪一极首先变蓝，可以判断氯气的产生，检验产物氢氧化钠时若是电解前滴酚酞还可以观察到阴极首先变红。所以改进后的装置不仅具有与教材装置相同的功能，而且保证了三个探究实验的顺利完成。
二、以化学史创设情境引入课题
在古代的物质观中不管是中国的“阴阳五行说”还是西方的“四元素说”，都认为水是一种不能够被分解的元素.这是因为水很稳定，随后我提出以下两个问题：一是水为什么难以分解为氢气和氧气呢？二是如何实现水的分解？设计的目的是引导学生从能量的角度分析水难以分解是因为该过程需要吸收很高的能量，而电解法可以提供能量，有助于学生能量观的建构。然后介绍：在化学发展史上第一次实现水电解为氢气和氧气是在1800年伏打发明电池后，自此“水是一种元素”的传统认识彻底被打破，电解法的出现给人类带来了一场认识上的革命，当时英国化学家戴维敏感的意识到它可以用于研究物质的组成，大胆尝试用电解的方法去分解一些当时人们认为不能够被分解的物质，结果在短短一年时间内发现了6种新的金属元素。开头的设计，向学生展示了电解产生的时代背景和产生后给化学的发展带来的巨大影响，使学生对于本节课的学习充满期待。
三、那戴维到底是如何发现的新金属呢？沿着戴维的探索思路，开展下面的探究活动
1.戴维最初想法是水通电可以分解为氢气和氧气，那物质的水溶液通电又会怎样呢？由此引入对电解氯化铜溶液的探究。通过实验学生发现一极析出红色物质，一极有刺激性气体生成，据此写出电极反应式和总反应式。然后我从能量变化的角度引导学生：铜在氯气中燃烧是放热的，那氯化铜分解则是能量升高的，从而从能量变化的角度归纳出电解池的定义，进一步建构学生的能量观。并根据刚才的实验总结电解池的构成条件。为了突破电解原理这一重难点我制作了动画。电子从电源的负极出发流入电解池的阴极，溶液中的铜离子移向阴极，氯离子移向阳极，铜离子得到电子析出铜，氯离子失去电子生成氯气，电子流回电源的正极。进一步理解闭合回路的形成，强调阴离子的移动方向与外电路中电子的移动方向一致，阳离子的移动方向与外电路中电流的方向一致。通过观看动画从微观角度体会电解池工作的原理。为了深化学生对阴极和阳极的认识，我请学生们自己归纳阴极和阳极的区别，从装置的角度，与电源正极相连的叫做阳极，与电源负极相连的叫做阴极；从变化的角度，得电子、发生还原反应的是阴极，失电子发生氧化反应的是阳极。在学生对于电解装置有了深刻理解之后请同学们尝试从物质变化的角度归纳电解池的定义。这一环节的设计理念是：让学生经历概念的形成过程，通过发现问题，解决问题，实现学生从实验现象的感性认识上升到电解原理的理性认识。
2.在理解电解原理的基础上，我以戴维进行的具体探索为切入点。戴维时代人们认为从草木灰中提取出来的碳酸钾是一种元素，但是戴维不迷信前人的结论，他想通过电解法使其分解。从而转入对碳酸钾溶液的探究。学生通过动手实验，观察到两极均产生气泡，且速度有快有慢。有了直观的认识，我给出当年戴维的实验结果：戴维实验了几十次，结果在两极得到了两种气体，经分析是水电解产生的氢气和氧气，而碳酸钾本身并没有变化。那为什么电解碳酸钾溶液相当于电解水呢？学生经过讨论一致认为溶液中的离子在两极是竞争着去得失电子的。联系金属活动顺序表很容易得出离子的放电是有顺序。这一环节的设计理念是：通过实验发现新的问题-通过推理解决问题，初步理解离子的放电顺序就是还原性、氧化性顺序，从而完善对电解原理的认识，同时引导学生学习戴维勇于探索的精神。规律指导实践，实践验证规律。为此我设计了实验三电解氯化钠溶液。通过以下三步：①预测能够得到的产物。②设计实验检验产物。③写出电极反应式和总反应式。体会研究水溶液电解产物的一般过程和方法。简单交流之后达成共识电解产物为氯气，氢气和氢氧化钠。氢氧化钠可以滴加酚酞检验，但由于此时两极都有气泡，不能够通过刺激性气味来判断氯气在哪一极生成。而我们的微型装置同样实现了淀粉碘化钾试纸检验氯气。我们将试纸平铺在电极上面此时试纸润湿，观察到阳极首先变蓝，改变角度，豁然开朗。
3.在实验过程中，学生还提出了3个问题，使课堂得到了意外的生成。并经过同学们的相互帮助，找到了原因。
问题1：阳极产生气泡慢是由于产生的氯气溶解在了碱性溶液中。
问题2：电解前滴酚酞阴极首先变红是由于氢离子放电破坏了水的电离平衡。
问题3：红色过一会变浅是由于氯气溶解后产生了具有漂白作用的物质。这一环节的设计：学生从中体验成功的喜悦和知识的应用价值，课堂的意外生成开启了学生思考和求知的大门。
那戴维到底如何发现的新元素呢？分析戴维发现金属元素的特点，都是前2个主族的。学生联系所学金属冶炼方法意识到要排除水的干扰，可以电解熔融态的物质。而这也正是戴维当年实验的思路，戴维最后通过电解熔融的氢氧化钾得到了金属钾。他创立的最强大的氧化还原手段――电解法，使数千年都没有被发现的活泼金属从其熔融液中还原出来，受戴维的启发，在电解法出现后的44年间科学家发现了31种新元素。电解的方法到今天依然具有重要的应用价值，相信以后也将会发挥更重要的作用，从而结束本节课.
四、课下作业
辩证主义的观点认为：对立面之间是可以相互转化，相互渗透的。本节电解池，与已学原电池，实现了对立面电能和化学能之间的相互转化，课下请同学们比较原电池和电解池之间的联系和区别。
五、板书设计
电解池
1.定义：
2.构成条件：
3.放电顺序：Cu2+>H+>K+ Cl- >OH- >CO32-
六、课后反思
关键词： 高中化学教学 原电池 电解池 氧化还原反应
引言
高中化学是一门具有较强实践性与逻辑性的学科，给学生的学习工作带来了一定的困难。尤其对于“原电池”与“电解池”相关内容而言，内容相对比较抽象，学生不容易理解，同时这部分内容又是高中化学的重要内容。为此，在该部分内容教学过程中，教师应充分把握两者之间的异同点，并根据学生自身需求，灵活选择教学方法，以强化学生对于该部分内容的理解与认知。
1.原电池与电解池的区别与判断
学生在学习原电池与电解池时，很容易将这两个概念混为一谈，高二学习原电池，高三学习电解池，很多基础知识在学后者时就把前面的忘了。要想让学生记忆深刻，就要提高学生对原电池和电解池的兴趣，可以在学习的同时增加客观鲜明的实验来提高学生兴趣，通过实验可增进学生对原电池和电解池的了解，增强学生对原理的认识，根据实验让学生更好地记住电解池需要外接电源，而原电池是不需要外接电源，这样做会使学生的遗忘率大大降低[1]。
2.原电池正负极的判断与电极反应的书写
不管是关于原电池的计算题还是关于原电池的选择题，都是要求学生明确原电池的正负极，在判断原电池的正负极时，可根据原电池的电极端所用的金属活泼性来判断，所用一端金属较另一端活泼的为原电池的负极，则另一端较为不活泼的为原电池的正极。学生通过金属的活动顺序可轻松地判断原电池的正负极（由活泼到不活泼的金属活动性顺序：钾、钙、钠、镁、铝、锌、铁、锡、铅、氢、铜、汞、银、钯、金），负极总是失电子，正极总是得电子，原电池正极上的电极反应则必须根据电解液的成分来决定，电解液成分不同，在正极上的电极反应也不同。假如在铜锌原电池中，用锌做负极，铜棒做正极，用稀硫酸溶液作为电解液。在这时负极的锌失去两个电子被氧化为锌离子，负极：Zn-2e■=Zn■正极：2H■+2e■=H■（气体），这样就能使学生正确简单地写出电极反应式。
3.电解池中阴阳极的判断
在辨别电解池的阴极与阳极的时候要比原电池的正负极判断的方法简单。无论什么作为电解液，只要在正确的电解池中与电源正极相连接的一定是正极，与电源负极连接的一定是阴极。阳极发生氧化反应，电解液中阴离子移动到阳极失去电子，阴极发生还原反应，电解液中阳离子移动到阴极得到电子，在两极个生成相应的产物，并根据电解池的组成可判断阴阳极上的产物是什么。
4.电解池中电极材料、电解液与电解产物的关系
电解池中电极材料和电解液决定着电解产物的生成，主要根据电极材料可分为两种情况，一种是采用惰性电极，另一种采用非惰性电极[2]。第一，采用惰性材料电极，如碳棒等。惰性电极一般不考虑参加反应，在电解条件下，如果电解液中存在多种金属阳离子时，要根据所含金属阳离子的金属活动性来判断在电极上析出的顺序越不活泼的阳离子容易在电极上析出。第二，采用非惰性材料电极，当阴阳极与电解液中的阳离子相同时可用为金属的炼精，假如在铜的精炼上，阴阳极为铜棒，电解液为铜的盐溶液，当接通电源时，阳极的铜失去电子变为铜离子，阴极铜离子的电子形成铜被析出。在相同电解条件下，铜棒上的杂质如锌、铁等会溶解在电解液中，以阳离子形式存在，因为比铜的金属活动性强，所以在阴极的铜棒上不能析出这些金属只能析出铜，然而比铜不活泼的金属在阳极不能失去电子形成阳离子，只能以单质形态存在，这些金属单质沉淀在电解池底部，通常叫它们阳极泥。这种方法还有很多用处，如阴极保护法：利用电源的负极，使被保护的物体作为阴极，另一端用碳棒作为阳极，这样阴极就不容易腐蚀了。简单地讲述上面这些内容，对扩大学生的知识面与提高学习兴趣大有裨益。
5.原电池与电解池实验的重要性
在课程安排时，开课初安排学生进行试验，实现多组模式，同学之间进行分组讨论研究。第一，原电池与电解池的实验具有能够让学生直观方法了解反应原理，整个实验具有不存在环境污染、现象明显等特点。第二，能促进学生在学习原电池和电解池的知识，让学生在课堂上互动起来，把传统的枯燥的学习理念转化为学生积极主动地去学习，有助于学生的个性成长，有助于学生在实验和神获得创新能力，有助于学生对学习科学树立正确的态度，以学生为中心，教师在学生讨论时给予正确的指导，大大促进学生之间的交流，有助于学生正确地表达自己的观点，培养学生的自主学习能力，调动学生在学习上的积极主动性，实现学生化学水平的全面提升。
结语
总之，在学习原电池和电解池的部分内容时，要综合考虑到学生的兴趣和记忆深度的关系，培养学生分析及解决问题的能力，提高学生在学习上的积极主动性，真正实现学以致用。与此同时，在相关内容教学过程中，教师还应注重与学生生活实践的有效结合，通过他们的生活体验来强化他们对于该部分内容的理解与认知，以切实促进学生化学素养的全面提升。
参考文献：
[1]胡国生.高中化学教学中关于原电池与电解池的综合分析[J].考试周刊，2009（3）：219-220.
一、原电池与电解池的相关问题探讨
1．原电池的形成条件
原电池的工作原理：原电池反应属于放热的氧化还原反应.还原剂与氧化剂之间的常规碰撞不会使原电池的电子产生转移，原电池的电子转移是还原剂在负极上失电子发生氧化反应，电子再通过外电路传送到正极上，氧化剂在正极上得到电子发生还原反应，进而实现氧化剂与还原剂之间的电子转移.而两极之间溶液中的离子按照固定的方向移动和外部导线中的电子按照固定的方向移动构成了闭合回路，使两个电极反应不停地发生有规律的电子转移，产生电流，实现化学能转化成电能.
原电池的构成条件：（1）电极材料由两种不同活动性的金属或由其他导电的材料（非金属或某些氧化物等）组成；（2）两电极之间有导线连接，形成闭合回路；（3）两电极一定要浸泡在电解质溶液中.以上三个构成条件都具备才可以构成原电池.
2．电解池判断及反应的类型
电解池是将电能转化成化学能的装置.电解池的两极分别是阳极和阴极.电解池的阳极与电源正极相连，表现为元素价态升高、电解质溶液中的阴离子失电子发生氧化反应；电解池的阴极与电源负极相连，表现为元素价态降低、电解质溶液中的阳离子得电子发生还原反应.
3．原电池与电解池相关教学重难点
以原电池和电解池原理为主的电化学是历年高考都会考查的重点的内容.该部分专题考查的主要内容涉及：原电池原理的理解与掌握、化学腐蚀与电化学腐蚀方法的理解、电解的基本原理的理解及应用.高考考查的方式除了以教材上的原电池和电解池原理为基础的直接考查外，还会将原电池与电解池领域的新科技和新应用实例结合高中化学课程目标进行信息迁移式的考查，进而考查学生对教材基础知识的掌握情况和实践创新能力.
4．原电池与电解池反应式的书写
要能正确书写原电池与电解池反应式，就要求学生掌握牢固的知识基础，否则生硬地要求学生掌握该部分的内容是比较困难的.根据高中电化学的教学经验：氧化还原反应中一定要存在电子的转移，任意一个自发进行的氧化还原反应都能够设计出一个电池.采取恰当的方法就可以让转移的电子通过外电路产生电流，从而对外供电.一个总的电池反应就构成了一个氧化还原反应，这是化学电池的理论基础.
在书写电极反应式时应遵循下列原则：（1）质量守衡原则：即反应式的两边各元素原子的总数要配平；（2）电荷守恒原则：即反应式两边电性相同而电量相等；（3）电子守恒原则：即负极反应式中失电子的总数要与正极反应式中得电子的总数相等；（4）事实性原则：即书写的反应式要与实际相符.
正极：（1）当负极材料能与电解液直接反应时，溶液中的阳离子得到电子.例如，锌铜原电池中，电解液为HCl，正极H+得电子生成H2.（2）当负极材料不能与电解液反应时，溶解在电解液中的O2得到电子.假若电解液呈现酸性，O2+4e-+4H+=2H2O；如果电解液呈中性或碱性，O2+4e-+2H2O=4OH-.
负极：活泼金属失电子，看电解液中是不是存在很多的阳离子.如果金属阳离子与电解液中的离子无法共存，就进行进一步的反应.例如，甲烷燃料电池中，电解液为KOH，负极甲烷失8个电子生成CO2和H2O，但CO2不能与OH-共存，要进一步反应生成碳酸根.
二、高中化学原电池与电解池教学问题分析
对于原电池与电解池的学习，学生只靠记忆是肯定不行的，如果缺乏对这部分知识的真正理解，就无法掌握和运用.即便暂时可以解出某些试题，也不会长时间地灵活运用.在“原电池”与“电解池”的教学中，我们发现学生对于原电池与电解池的判断与区别存在一些问题，这与学生在原电池与电解池的学习不牢固有很大的关系.
同时，有些化学教师在教学中缺乏对学生在原电池与电解池概念与实验操作上的教学.虽然原电池与电解池的内容在教材有一些演示实验，但这两种演示实验的现场操作性和实验观察性较低，实验装置也比较小型，学生印象不够深刻，记忆不够牢固.
三、高中化学教学中原电池与电解池的综合试题分析
1．原电池与电解池原理的理解与运用
例1 将质量分数为0.052的NaOH溶液1L（密度为
1.06g•cm-3）用铂电极电解，当溶液中NaOH的质量分数改变了0.010时停止电解，则这时溶液中应符合的关系是（）.
NaOH的质量分数阴极析出的物质的质量/g阳极析出的物质的质量/g
A0.06219152
B0.06215219
C0.0421.29.4
D0.0429.41.2
分析：本题主要考查考生对电解原理的理解.在设计试题时特意给学生留了一些可以应用的信息，以此考查考生在这方面的思维能力.
常规解法：由题设条件可知，1L的NaOH溶液中含有的溶质质量为：
1000mL×1.06g•cm-3×0.052=55.12g
电解稀硫酸，事实上消耗了水，使溶液浓度增大，停止电解时，溶质的质量分数为0.062.
停止电解时，溶液的质量为55.12÷0.062=889g.
被电解的水为1060g-889g=171g.
根据电解水的化学方程式可求得，在阳极析出的氧气为171g×1618=152g，在阴极析出的氢气为171g×218=19g.
答案为B.
非常规解法：根据电解NaOH溶液事实上是电解水这一结论，部分学生就会得出，溶液中溶质的质量分数随着电解的进行逐渐增加，这样，C、D两项就可以排除.电解水是阳极析出氧气，阴极析出氢气，它们的物质的量之比应为21，前者质量大于后者，只有选项B符合题意.
2．原电池与电解池反应式书写
例2 熔融盐燃料电池具有较高的发电效率，所以实际应用也很多.可用Li2CO3和Na2CO3的熔融盐混合物作电解质，CO为阳极燃气，空气与CO2的混合气体为阴极助燃气，制得在650℃下工作的燃料电池，完成有关的电池反应式：阳极反应式：2CO+2CO2-3－4e=4CO2
阴极反应式：，
电池总反应式：.
解析：作为燃料电池，总的效果就是把燃料进行燃烧.本题中CO为还原剂，空气中O2为氧化剂，电池总反应式为：2CO+O2=2CO2.用总反应式减去电池负极（即题目指的阳极）反应式，就可得到电池正极（即题目指的阴极）反应式：O2+2CO2+4e=2CO2-3.
关键词：固体聚合物电解质；质子交换膜；水电解池；燃料电池
中图分类号：TM911.4文献标识码：A文章编号：16749944（2013）04031003
1引言
质子交换膜（Proton Exchange Membrane， PEM）燃料电池的发展历史可以追溯到20世纪60年代初美国通用电器（GE）公司为美国航空航天管理局（NASA）研制的空间电源[1]，虽然最终用于Apollo登月飞行的电源并不是PEM燃料电池而是碱性燃料电池（AFC）[2]。固体聚合物电解质（Solid Polymer Electrolyte， SPE）水电解技术是在PEM燃料电池研制的基础上发展起来的，也是由GE公司于20世纪60年代所开创[3，4]。在20世纪80年代末期之前，人们在燃料电池领域的研究热点主要集中在磷酸燃料电池和碱性燃料电池上，而此时PEM燃料电池的发展比较缓慢，相比之下SPE水电解技术发展得要成熟一些，从而为PEM燃料电池的发展打下坚实的基础；到了20世纪80年代末期特别是在20世纪90年代，由于以军事应用为目的的研制与开发，使得PEM燃料电池技术取得了长足的发展，反过来也极大地促进了SPE水电解技术的进步[5]。
2SPE水电解池与H2/O2型PEM燃料
电池的共同特点SPE水电解池与H2/O2型PEM燃料电池在电池组成和结构上几乎完全相同。以单电池（电解池）来讲，都是由双极板、扩散层、催化剂层以及固体聚合物电解质膜（质子交换膜）等部件构成，如图1所示；其电池（或电解池）堆结构也都采用多个单电池串联的压滤式结构，如图2。此外，两者还有许多共同点，比如电解质都是导电的固体聚合物（如Nafion膜）而非电解质溶液、其核心部件都是膜电极（膜和电极的结合体）、膜电极的制备工艺也大致相同、电极上发生的都是电化学反应等。
1.带有流道的双极板；2.密封垫片；3.扩散层；
4.催化剂层；5.固体聚合物电解质膜（质子交换膜）
图1SPE水电解池与H2/O2型PEM燃料电池组成
示意1.端板；2.电池（电解池）组；3.螺母；4.螺栓；5.垫片
图2SPE水电解池与H2/O2型PEM燃料电池
堆结构示意3SPE水电解池与H2/O2型PEM燃料
电池的差异虽然SPE水电解池与H2/O2型PEM燃料电池在诸多方面有着共同特点，但二者毕竟是具有不同用途的装置，因此在电化学反应、材料使用以及其他方面也有一些不同之处，现简述如下。
3.1电化学反应
在SPE水电解池与H2/O2型PEM燃料电池中，发生的是互为可逆的电化学反应过程，前者使用电能将H2O电化学分解为H2和O2[6，7]，后者是将H2和O2的化学能转变为电能同时生成H2O[8，9]。
3.2双极板材料
在双极板的选材上，PEM燃料电池可以选用石墨板或者石墨树脂复合板[10]，但是SPE水电解池却不可以使用石墨这种含碳材料，因为在较高的阳极电位和氧气氛围下，碳材料会分解变成二氧化碳而逐渐消耗。目前，SPE水电解池多选用金属钛作为双极板材料[11]。
3.3扩散层材料
目前，PEM燃料电池主要选用碳纸或碳布作为扩散层[12]。但是，SPE水电解池的阳极扩散层也不可以使用这两种碳材料，理由同上；阴极扩散层由于不存在被氧化的问题，因此可以使用碳纸和碳布这两种材料。SPE水电解池阳极扩散层一般采用钛网[13]或者多孔钛板[14]。
3.4氧电极催化剂
在氧电极催化剂的选用上，一方面由于上述氧化分解的问题，SPE水电解氧电极催化剂不可以使用碳载的催化剂，如Pt/C或PtRu/C等；另一方面虽然对于PEM燃料电池来说Pt或者PtRu是比较好的催化剂，但是对于SPE水电解来说并不是好的析氧催化剂，因为在较高的阳极电位下，Ru容易被腐蚀，Pt也会由于表面生成高阻抗的氧化物而活性降低[15]。目前，SPE水电解一般使用Ir[16]或者IrO2[17]作为析氧催化剂。
2013年4月绿色科技第4期
卫国强，等：SPE水电解池与H2/O2型PEM燃料电池比较工程技术
3.5膜电极制备及亲水性
在膜电极组件的制备工艺中，PEM燃料电池的膜电极可以先把催化剂涂敷到作为扩散层的碳纸或碳布上，然后再和质子交换膜热压到一起形成五合一膜电极[1]。但是，由于碳纸或碳布不可以用作SPE水电解的阳极扩散层，因此SPE水电解的膜电极一般都是把催化剂通过喷涂、化学镀或者转拓的方式和膜结合在一起形成三合一的膜电极[5]。扩散层（钛网或多孔钛板）通常不和膜电极热压在一起，只是在装配电解池时通过机械作用和膜电极进行电接触。
在SPE水电解中，膜电极就是浸泡在水中工作的，水需要到达催化剂层才能被分解，而且固体聚合物电解质膜需要吸收水以求保持含水量，因此SPE水电解中的膜电极一般使用亲水性膜电极[5]。相反，在PEM燃料电池中由于要及时排出生成的水以防止电极被淹没，因此在膜电极的制备过程中要添加一些疏水性材料如PTFE以使电极具有一定的疏水性[1]。
3.6加湿系统
由于PEM燃料电池所用的质子交换膜需要一定的含水量才可以传导质子，而且一般来说含水量越高质子传导性越好，因此在PEM燃料电池工作时必须保持一定的湿度条件。为了使燃料电池堆（组）内部保持满意的湿度环境，通常要对供给的氢气和氧气进行加湿，因此PEM燃料电池堆（组）一般都配有加湿系统[18]，这就增加了PEM燃料电池系统的体积和重量，从而降低了系统的能量密度。与之相反，由于SPE水电解反应物就是纯水，固体聚合物电解质膜一直是浸泡在水中工作的，根本不需要加湿系统即可保持饱和湿度，因此SPE水电解系统可以省去加湿装置，从而使系统变得简单[5]。
3.7冷却系统
由于要及时排出燃料电池工作时产生的热量，调节燃料电池堆（组）的温度，PEM燃料电池系统通常要安装冷却装置。冷却系统一般包括水泵、热交换器组成的主回路和由去离子装置组成的辅助回路[19]。在SPE水电解系统中，水既是反应剂又是冷却剂，因此可以省去附加的冷却系统，减小了装置的体积和重量[20]。
3.8商业化障碍
在商业化的问题上，PEM燃料电池除了要解决成本高的问题外，面临的另一个重要难题就是怎样解决氢燃料的储存、运输问题以及加氢站等基础设施的建设问题[21]；而对于SPE水电解来说，不但要解决材料成本高的问题，而且由于操作过程中电费占设备运行费用很大比例，因此如何获得廉价的电能也是SPE水电解大规模商业化必须克服的难题之一[22]。
4结语
通过比较可以看出，SPE水电解池和H2/O2型PEM燃料电池有着诸多的共同特点，同时也存在许多不同之处。然而，两者之间的相同和相似之处也许更值得关注。因为，在SPE水电解池和H2/O2型PEM燃料电池的发展过程中，相关研究工作总是相互促进，相辅相成的。因此，从事SPE水电解研究的科技工作者必须同时关注PEM燃料电池的发展，尤其要关注PEM燃料电池在质子交换膜、电催化剂和膜电极研究方面的进展，反之亦然。随着研究工作的进展，相信SPE水电解池和H2/O2型PEM燃料电池这两种产品会尽早实现商业化。 参考文献：
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针对电解池中阴阳极放电的特殊情况，以近几年高考化学试题为例，深入剖析，关注化学反应本质，以便对电解原理有一个深入、全面、正确的理解。
[关键词]
高考;电解池;放电
在分析电解池中的电极反应时，一般规律是阴离子移向阳极放电（失电子），阳离子移向阴极放电（得电子），这对学生来说既容易接受，又很好理解。但也有一些例外，会出现阳离子在阳极放电，阴离子在阴极放电，分子在阴阳两极放电等情况，这对学生来说是一个极大的挑战，可能想不通。同时，在电解池中的含氧酸根离子也有可能参与反应，这似乎也违背常规。实际上，以上几种情况均符合电解规律。现结合近几年高考试题谈一谈，以供大家参考。
一、电解池中的阳离子可能在阳极放电
例1：（2014・北京卷・28）用FeCl3酸性溶液脱除H2S后的废液，通过控制电压电解得以再生。某同学使用石墨电极，在不同电压（x）下电解pH=1的0.1mol/L的FeCl2溶液，研究废液再生机理。记录如表1所示（a、b、c代表电压数值）：
表1 实验记录
[序号＼&压/V＼&阳极现象＼&检验阳极产物＼&I＼&x≥a＼&电极附近出现黄色，有气泡产生＼&有Fe3+、有Cl2＼&II＼&a>x≥b＼&电极附近出现黄色，无气泡产生＼&有Fe3+、无Cl2＼&III＼&b>x>0＼&无明显变化＼&无 Fe3+、无Cl2＼&]
（1）用KSCN检验出Fe3+的现象是____________。
（2）I中，Fe3+产生的原因可能是Cl―在阳极放电，生成的Cl2将Fe2+氧化。写出有关反应：___________。
（3）由II推测，Fe3+产生的原因还可能是Fe2+在阳极放电，原因是Fe2+具有_________性。
（4）II中虽未检验出Cl2，但Cl―在阳极是否放电仍需进一步验证。电解pH=1的NaCl溶液做对照实验，记录如表2所示：
表2 实验记录
[序号＼&压/V＼&阳极现象＼&检验阳极产物＼&IV＼&a>x≥c＼&无明显变化＼&有Cl2＼&V＼&c>x≥b＼&无明显变化＼&无Cl2＼&]
①NaCl的浓度是_________mol/L
②IV中检测Cl2的实验方法_______。
③与II对比，得出的结论（写出两点）：
_______________，___________________。
解析：（1）在电解池中，氯离子在阳极放电：2Cl--2e-=Cl2，生成的Cl2能够与溶液中的Fe2+发生氧化还原反应：Cl2+2Fe2+2Cl-+2Fe3+。
（2）阳极产物没有氯气，二价铁离子具有还原性，也可能是二价铁离子失电子变为三价铁离子，体现了其还原性。
（3）①根据对照试验，则需要Cl-浓度等于原FeCl2溶液中Cl-的浓度：0.1mol/L×2=0.2mol/L;②用湿润的淀粉碘化钾试纸来检验有无氯气，若试纸变蓝，说明有氯气生成;③与Ⅱ对比，电压较大时有Cl2产生，说明电压较大时Cl-放电;电压较小时没有Cl2产生，说明在电压较小的时候，Cl-没有放电，即Fe2+放电变为Fe3+，故放电顺序：Fe2+>Cl-。
答案：（1）溶液变红
（2）2Cl―-2e―=Cl2 Cl2+2Fe2+=2Cl―+2Fe3+
（3）还原
（4）①0.2 ②取少量阳极附近的溶液，滴在淀粉KI试纸上，试纸变蓝 ③通过控制电压，证实了产生Fe3+的两种原因都成立;通过控制电压，验证了Fe2+先于Cl-放电
说明：（1）阳离子可以在阳极放电，因为部分阳离子具有还原性（失电子），所以这也合情合理。而且我们早就知道还原性：I->Fe2+>Br->Cl-。
（2）电解池中阴阳极放电情况受电压的影响，这一点也符合工业实际。
又如：2014年全国II卷理综第27题考查了Pb2+在阳极放电：Pb2++2H2O-2e―=PbO2+4H+;2013年福建理综第23题和2013年天津理综第9题均考查了Fe2+在阳极放电：Fe2+-e-=Fe3+。
二、电解池中的阴离子可能在阴极放电
例2：（2014・山东卷・30节选）离子液体是一种室温熔融盐，为非水体系，由有机阳离子、Al2Cl7―和AlCl4―组成的离子液体作电解液时，可在钢制品上电镀铝。
（1）钢制品应接电源的__________极，已知电镀过程中不产生其他离子且有机阳离子不参与电极反应，阴极电极反应式为______________。若改用AlCl3水溶液作电解液，则阴极产物为______________。
解析：（1）在钢制品上电镀铝时，即钢制品为镀件，电镀时作为阴极（与电源的负极相连）;在电镀时，阴极生成Al单质，所以电极反应为4Al2Cl7―+3e-=Al+7AlCl4―;电镀时若用AlCl3水溶液作为电解液，则由水电离出的H+在阴极放电生成H2 。
答案：（1）负 4Al2Cl7―+3e-=Al+7AlCl4― H2
说明：在非水体系中，（Al2Cl7―阴离子）在阴极放电，而在水溶液中H+在阴极放电。可见，电解池中阴阳极放电情况与电解液的性质有关。
又如：2013年山东理综第28题和2013年重庆理综第29题均考查了NO3-在阴极放电：NO3-+e-+2H+=NO2+H2O;2NO3-+6H2O+10e-=N2+12OH-。
三、电解池中的含氧酸根离子可能在阳极放电
例3：（2012・北京卷・25节选）直接排放含SO2的烟气会形成酸雨，危害环境。利用钠碱循环法可脱除烟气中的SO2。
（2）在钠碱循环法中，Na2SO3溶液作为吸收液，可由NaOH溶液吸收SO2制得，该反应的离子方程式是_________________________________。
（3）吸收液吸收SO2的过程中，pH随n（SO）∶n（HSO）的变化关系如表3所示：
表3 实验记录
[n（SO32-）∶n（HSO3-）＼&91∶9＼&1∶1＼&9∶91＼&pH＼&8.2＼&7.2＼&6.2＼&]
（4）当吸收液的pH降至约为6时，需送至电解槽再生。再生示意图如图1所示：
图1 电解示意图
HSO3-在阳极放电的电极反应式是__________。
当阴极室中溶液pH升至8以上时，吸收液再生并循环利用。简述再生原理：___________。
解析：由图示可知，HSO3-在阳极失去电子生成SO42-，根据化合价变化、质量守恒和电荷守恒定律写出电极反应式。
答案：（2）SO2+2OH-=SO32-+H2O
（4）阳极：HSO3--2e-+H2O=SO42-+3H+
H+在阴极得电子生成H2，溶液中的c（H+）降低，促使HSO3-电离生成SO32-，且Na+进入阴极室，当PH>8时，由表中的数据可知：SO32-和HSO3-混合溶液中SO32-的物质的量分数已经超过了90%，可继续吸收SO2，故吸收液得以再生。
说明：一般来说，电解时阳离子向阴极移动、阴离子向阳极移动，OH-比含氧酸根离子容易放电，但有些含氧酸根离子还原性较强，容易失去电子，如HSO3-、SO32-、MnO42-等含氧酸根离子比OH-更容易失去电子，故含氧酸根离子可以参与阳极放电。
又如：2014届广东省揭阳市高三4月第二次模拟理综第31题考查了
MnO42-放电：MnO42--e-=MnO4-。
四、电解池中的气体分子可能在阴阳极放电
例4：（2014・北京卷・26节选）NH3经一系列反应可以得到HNO3，如图2所示。
图2 转化示意图
（4）IV中，电解NO制备NH4NO3，其工作原理如图3所示，为使电解产物全部转化为NH4NO3，需补充物质A，A是________，说明理由：______________。
图3 电解示意图
解析：（4）根据工作原理装置图，可以确定阳极为NO失去电子转变为NO3-，阴极NO得到电子转变为NH，电极反应式为：
阳极：NO-3e-+2H2ONO3-+4H+
阴极：NO+5e-+6H+NH4++H2O
然后根据得失电子守恒，硝酸根离子物质的量比铵根离子物质的量多，所以需要向溶液中加入的物质为NH3 。
答案：（4）NH3 根据反应8NO+7H2O[电解]4NH4NO3+2HNO3，电解产生的HNO3多。
说明：NO既有氧化性，又有还原性，所以能得电子，也能失电子，完全符合氧化还原反应的规律。
又如2011年江苏高考化学第20题也考查了尿素分子在阳极放电的情况：
CO（NH2）2+8OH--6e-=CO32-+N2+6H2O
五、结语
在电解池中，离子的放电先后顺序是个较为复杂的问题，它与电极材料、离子浓度、溶液的酸碱性、离子的氧化性或还原性强弱以及离子的移动速率、电压等因素均有密切的关系。中学阶段一般我们主要以离子的氧化性或还原性强弱作为判据，强者优先。但老师要不断学习，更新知识，不要将错误的知识传授给学生（如：电解池中阳极都是阴离子失电子，阴极都是阳离子得电子等）。虽然化学中普遍存在着一般规律，但往往也存在着特殊规律，所以化学教师切忌将所有问题绝对化，否则要出错。同时，这也不利于创新型人才的培养。对学生而言，做题时也不能形成思维定势，要灵活处理，尤其是在掌握了基本规律的基础上要做到具体问题具体分析，理解题意，尊重题意。关注化学反应的本质，从物质的性质去分析可能发生的反应，这样才不会出错，才能做好每年高考试题中的新题。
[参 考 文 献]
关键词：电解池；流程图；学习困难；教学建议
文章编号：1008-0546（2017）07-0002-05 中图分类号：G632.41 文献标识码：B
doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2017.07.001
一、前言
电解池知识在新课程人教版的“化学反应原理”中列为学生学习重点知识，也是高考必考的知识点。通过对这部分知识的学习使学生了解电解池反应所遵循的规律，知道电解池知识在生产、生活和科学研究中的作用。电解池的相关概念和原理较为抽象，需要学生从宏观、微观和符号三个层次进行理解，具有较强的系统性和抽象性，是中学化学教学的难点。目前国内对电解池的研究集中于研究电解池与原电池的对比、有关电化学的教学设计、电解池的教学策略等[1-9]。大多数关于电解池的研究均与原电池相结合，单独涉及到电解池的研究较少，且关于专门针对电解池的学习困难的研究也较少。本研究通过认知结构测查与纸笔测验相结合的方式，试图探查学生在“电解池”领域的知识结构特征及可能存在的学习困难，打破以往仅通过教师经验分析或纸笔测验结果认识学生在具体知识点掌握方面所存在的模式[10]，解释学生建构该领域知识过程中的规律及其问题，并提出针对性的教学建议。
二、研究设计
1. 研究对象
被试群体为陕西省西安市东元路学校高三年级的21名学生，这21名学生代表着不同的学习成绩水平，其中7名优等生、7名中等生、7名学困生。
2. 研究方法
本研究采用流程图法[11-12]表征学生的认知结构。流程图法是在自然状态下，用一种非直接的方式获得人的思维顺序和结构组织特征，并用特定图形来展示受访者回忆内容的序和内容之间的网络联系。即通过转录绘制流程图展现学生对于电解池内容的认知结构，采用线性箭头将学生的知识表达顺序连接，采用回归箭头表示重复知识点或相关知识点之间的逻辑关联。还需统计学生回答访谈问题所消耗的时间，需排除研究者提问所花费时间。有关认知结构变量及信息处理策略变量的内涵及计算如表1、表2所示。
三、研究结果与分析
1. 认知结构的定性分析
转录文本绘制21名学生的认知结构流程图，因篇幅有限，只选择列出学优生1、中等生2、学困生3的认知结构流程图，见图1。
通过展示3名学生关于电解池的流程图，可看出认知结构是具有整体性、层次性和差异性的组织系统。3名学生对电解池认知结构的广度和丰富度具有差异性。学生1认知结构的知识点较丰富，知识间的网络联系比较丰富，知识间系统性强。叙述框架有6个层次，依次为电解池的构成条件、电解池本质、阴阳极的判断、两极反应规律、阴阳极放电顺序及电解原理的应用，思路清晰，层次分明。学生2的叙述依次为电解池构成条件、两极反应规律及电解原理的应用，层次较鲜明，但条理性较差，说出两条电解池构成条件且未掌握阴阳极放电顺序。学生3认知结构的层次性和条理性都较差，只谈到电解池的本质、阴阳极判断及阴阳离子在溶液中的移动方向，未提及电解池的构成条件，未领会阴阳极知识的重要方面即阴阳极反应规律与阴阳极放电顺序。学生3与学生2和学生1相比，认知结构的整体性较差，需要后续进一步的提高和完善。
2. 数据处理与分析
（1）认知结构的定量分析
对学生认知结构整体结果进行分析，3名学生认知结构变量和信息处理策略数据的结果见表3。
由表中数据可以看出，学生1对于电解池可说出的知识点数目和知识之间的联系较多，且认知结构变量的整合度高于中等生与学困生，不存在错误描述，信息检索率相对较高。
电解池知识的信息处理策略中，学生1与学生2都倾向于用描述的信息处理策略表达电解池的构成条件。学生1能熟练地使用比较与对比的信息处理策略处理电解池阴阳极相关的知识，且倾向于使用情景推理与解释的信息处理策略处理电解池应用的相关知识。学生2倾向于使用描述的信息处理策略处理电解池应用的相关知识。学生2与学生3也能够使用比较与对比的信息处理策略处理电解池阴阳极的相关知识，但存在知识缺陷。
3. 相关性分析
（1）认知结构变量与成绩的相关性分析
从表4可得，关于“电解池”知识内容，学生的纸笔测试成绩与认知结构的丰富度和整合度密切相关（？鄢？鄢P < 0.01），纸笔测试成绩越高的学生其头脑中知识之间的联系越丰富、知识结构的整合度越高。
此外，认知结构的广度和丰富度、整合度、信息检索率密切相关（？鄢？鄢P < 0.01，？鄢P < 0.05）；丰富度与整合度、信息检索率密切相关（？鄢？鄢P < 0.01，？鄢P < 0.05）；有趣的是认知结构的错误概念与丰富度、整合度成负相关性（？鄢？鄢P < 0.01），而与信息检索率成正相关性（？鄢P < 0.05），这说明学生头脑中知识之间的关系越密切、知识结构的整合性越强，头脑中出现的错误概念就越少，但是学生若追求快速而准确的提取信息还是有一定困难的，容易出现错误概念。
（2）信息处理策略与成绩的相关性分析
由表5可得，关于“电解池”知识内容，学生的纸笔测试成绩与比较和对比、情景推理信息处理策略密切相关（？鄢P < 0.05），即学习成绩好的学生在呈现电解池相关知识时善于用较高级的信息处理策略。
（3）认知结构变量与信息处理策略的相关性分析
由表6可得，关于“电解池”知识内容，学生认知结构的广度和丰富度与比较和对比、情景推理信息处理策略显著相关（？鄢？鄢P < 0.01，？鄢P < 0.05）；此外，认知结构的广度还与描述密切相关（？鄢？鄢P < 0.01）；认知结构的整合度与比较和对比显著性相关（？鄢P < 0.05）；信息检索率也与情景推理密切相关（？鄢？鄢P < 0.01）。说明学生所掌握的知识越多，对知识间的联系理解得越透彻，则更倾向于使用比较对比、情景推理与解释的较高级信息处理策略。
4. 学生的学习困难
对学生关于电解池知识的掌握情况及学习困难进行分析：
（1）电解池定义与原理：学生掌握的情况欠佳，提到电解池能量转化，电解池工作原理与电解池对应手机充放电的人数较少，所占比例分别为20%、33.3%、13.3%。说明学生对电解池的定义与本质不够重视。
（2）电解池的构成条件：学生对电解池构成条件掌握不全面。大部分学生都可以正确回答出电解池构成条件有阴阳极，所占人数为66.7%，这与电解池与阴阳极紧密相关不可分割，且学生可以回忆出来的知识点之间的联系也大多与阴阳极有关，如：阴阳极的判断、阴阳极的反应规律及阴阳极的放电顺序。学生回答出电解池构成条件电解质、外接电源与闭合回路，所占比例分别为20%、23.3%、10%。
学生对电解池构成条件存在的迷思概念是学生认为电解池构成条件含盐桥，但人数很少，仅6.7%。出现这种情况的原因可能是学生未将电解池构成条件与原电池构成条件区分，对原电池与电解池的区别与联系掌握的不够透彻。
（3）两极反应规律：56.7%的学生能正确判断阴阳极且理解阴阳极得失电子发生的氧化反应与还原反应。然而，仅13.3%的学生可正确将原电池正负极与电解池阴阳极类比进行叙述。10%的学生在该知识上存在迷思概念，认为电解池阳极对应原电池正极，电解池阴极对应原电池负极。说明学生对电解池与原电池的区别与联系辨别不清。
对于电解池两极的材料，10%的学生提到电解池发生的电极反应与阴阳极的材料相关。13.4%的学生存在迷思概念，其中6.7%的学生认为电解池两极的材料均为惰性金属，6.7%的学生认为若用活泼金属做电极材料，则电解两极的金属。学生未真正认识到电解池阴阳极材料与电解池发生的具体反应之间的关系。
（4）离子移动方向：46.7%的学生能正确说出电解质溶液中离子移动方向，6.7%的学生存在迷思概念。W生对电解池溶液中离子移动方向较不重视，且部分学生没有真正理解阴阳离子在溶液中移动的方向与电路中电子移动的关系。
（5） 阴阳极离子放电顺序：20%的学生能正确回答出电解池中阴极阳离子放电顺序和阳极阴离子放电顺序。6.7%的学生提到“阴极放电顺序：氯离子、溴离子在氢之前反应”，学生未理解溶液中离子移动方向且混淆离子放电顺序。6.7%的学生认为阴极放电顺序为强的金属离子先于弱的金属离子放电，忽略阴极阳离子放电以氢离子为界限。说明仅少数同学理解了阴阳极离子放电顺序。
（6）电解池的应用：学生可以举出部分电解池的应用实例。如：精炼铜、电镀、电解氯化钠、贵金属提炼等。但存在较多的迷思概念。如：轮船的保护、析氢腐蚀与吸氧腐蚀、燃料电池等，所占比例均为6.7%，原因可能是学生未区分清楚原电池与电解池的应用。有6.7%的学生提到电解池的应用是将其他形式的能量储存起来转换为电能，学生未理解电解池的原理是将电能转换为化学能。
四、讨论与教学建议
通过运用流程图法与纸笔测验法对高中学生关于电解池知识学习困难的测查与分析得出以下结论：首先，有关电解池的认知结构完整性、层次性与条理性较差，不能对电解池的原理与本质、构成条件、阴阳极反应规律、溶液中离子移动方向、阴阳极离子放电顺序及电解池的应用有系统且全面的认识；其次，学生对于电解池知识存在的迷思概念较多且分布较广；最后，学生对电解池与原电池的区别与联系理解不够透彻，如：原电池与电解池的工作原理；原电池正负极与电解池阴阳极的对应关系；原电池的应用与电解池的应用等。但是，在分析流程图中发现学生倾向于将电解池的阴极与阳极知识进行对比描述，条理清楚，表述明确。
针对以上学生关于电解池认知结构的情况，提出以下教学建议：（1）在电解池知识的教授过程中，使用对比教学策略，将电解池与原电池的工作原理与本质及装置构成条件进行比较，再辅以动画模拟或实践操作设计电解池与原电池，使学生直观形象、清楚明了地理解电解池与原电池的区别与联系。
（2）教师可在电解池阴阳极教学时强化学生的学习。即将阴阳极判断、溶液中离子的移动方向、阴阳极反应规律、阴阳极离子放电顺序的知识系统化、层次化、条理化，使学生整体上把握与理解电解池中关于阴阳极的知识。
（3）与物理学电路知识相联系，引导学生认识、理解电解池中电流与电子的移动方向，从而去推理判断电解质溶液中离子的移动方向与阴阳极离子的放电顺序。
（4）重视对比金属防腐蚀时电解池与原电池的工作原理，找出两种方法在金属防腐蚀方面的区别与联系，使学生理解它们的共同点与不同点。
（5）注重电解池知识的整体性，采取有效措施动画模拟或实践操作等使学生认识理解电解池的完整性，建立系统的知识体系脉络及清晰的认知结构。
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