(共47张PPT)
第四章
复习
高二年级
化学
学习目标
深入理解原电池的工作原理；
深入理解电解池的工作原理；
建立电化学系统认识模型；
提高对陌生电池的分析能力；
建立比较清晰的依据已知氧化还原反应设计电化学装置的主要思路和方法。
任务一
探究电解法制备氢能的原理
氢能
清洁高效
来源广泛
安全性好
可持续新能源
任务一
探究电解法制备氢能的原理
H2O
C
C
H20
H20
H20
H20
H20
H20
H20
H20
H+
OH-
H20
H20
【活动1】设计电解水制备氢气的装置
2H2O
2H2
＋O2
电解
任务一
探究电解法制备氢能的原理
H2O
2H2O
2H2
＋O2
电解
阳极：4OH－－4e－
O2
＋2H2O
阴极：4H＋＋4e－
2H2
C
C
H20
H20
H20
H20
H20
H20
H20
H20
H+
OH-
H20
H20
【活动2】分析电解水制备氢气的原理
e-
e-
e-
e-
OH-
H+
H20
H20
H20
H20
H20
阳极：2H2O－4e－
O2
＋4H＋
阴极：4H2O＋4e－
2H2
＋4OH－
电解池构成要素
阳极
阳极反应
（氧化反应）
阳极材料
阴极
阴极反应
（还原反应）
阴极材料
e-
e-
离子导体
阳离子
阴离子
非自发氧化还原反应
e-
e-
任务一
探究电解法制备氢能的原理
H2O
C
C
H20
H20
H20
H20
H20
H20
H20
H20
H+
OH-
H20
H20
【活动3】优化电解水制备氢气的装置
思考：电解纯水制备氢气，为什么气泡产生速率极慢？
电极反应物
离子导体
任务一
探究电解法制备氢能的原理
Na2SO4溶液
2H2O
2H2
＋O2
电解
C
C
H20
H20
H20
H20
H20
H20
H20
H20
H20
H+
OH-
Na+
Na+
Na+
Na+
SO42-
SO42-
H20
【活动3】优化电解水制备氢气的装置
阳极：4OH－－4e－
O2
＋2H2O
阴极：4H＋＋4e－
2H2
任务一
探究电解法制备氢能的原理
【活动3】优化电解水制备氢气的装置
电解H2O
电解Na2SO4溶液
阴极
阴极
思考：
如何预防该制备方案中H2和O2混合爆炸的危险？
C
C
Na2SO4溶液
任务一
探究电解法制备氢能的原理
【活动3】优化电解水制备氢气的装置
离子交换膜
C
C
Na2SO4溶液
任务一
探究电解法制备氢能的原理
【活动3】优化电解水制备氢气的装置
思考：
如何预防该制备方案中H2和O2混合爆炸的危险？
任务一
探究电解法制备氢能的原理
Na+
阳离子交换膜
（2）避免Cl2与
NaOH
反应。
（1）防止H2、Cl2
混合爆炸。
Na2SO4溶液
阳离子交换膜
Na+、H+
任务一
探究电解法制备氢能的原理
【活动3】优化电解水制备氢气的装置
思考：
如何预防该制备方案中H2和O2混合爆炸的危险？
C
C
阴离子交换膜
SO42-、OH-
思考：
如何预防该制备方案中H2和O2混合爆炸的危险？
任务一
探究电解法制备氢能的原理
【活动3】优化电解水制备氢气的装置
C
C
Na2SO4溶液
思考：
加了交换膜之后,
生产过程真的就安全了吗？
离子交换膜
任务一
探究电解法制备氢能的原理
【活动3】优化电解水制备氢气的装置
C
C
Na2SO4溶液
传统的电解水制氢技术中需要调节非常稳定的电压输出，以尽可能地减小H2和O2对膜造成的压力。但由于电压对产生H2和O2的速率影响不同，会造成膜两侧存在压差，尤其是瞬间压差较大，导致膜破损和气体混合的危险。
资料
任务一
探究电解法制备氢能的原理
【活动3】优化电解水制备氢气的装置
Ni(OH)2由于具有良好的循环可逆性及高理论容量已被广泛地应用到碱性可充电电池体系中，其基本原理为Ni(OH)2和NiOOH在碱性电解液中可以实现可逆转换。
任务一
探究电解法制备氢能的原理
【活动3】优化电解水制备氢气的装置
资料
【活动4】分析无膜化分步电解水制备H2和O2的装置图
阳极:2Ni(OH)2－2e－＋2OH－
2NiOOH＋2H20
阴极:2H2O＋2e－
H2
＋2OH－
连接K1：制备H2
任务一
探究电解法制备氢能的原理
阳极:4OH－－4e－
O2
＋2H20
阴极:4NiOOH＋4H2O＋4e－
4Ni(OH)2＋4OH－
【活动4】分析无膜化分步电解水制备H2和O2的装置图
任务一
探究电解法制备氢能的原理
连接K2：制备O2
小结
电解法
制备物质
依据
生产目的
电解池
构成要素
步骤
选择原理
设计装置
装置优化
电解法制备物质的思路和方法
几种常见的氢氧燃料电池
电池
与
代号
氢氧
碱电池
AFC
氢氧
磷酸电池
PAFC
质子交换膜
氢氧电池
PEMFC
工作温度/℃
60～120
180～210
80～100
燃料
高纯H2
H2
H2
氧化剂
高纯O2
空气
空气
电解质
KOH
H3PO4
质子交换膜
阴极催化剂
Pt
Pt
Pt
阳极催化剂
Pt
Pt
Pt
资料
任务二
探究氢氧燃料电池的工作原理
2H2＋O2
2H2O
【活动1】依据
反应设计原电池装置
原电池
构成要素
氧化还原反应
电极材料
离子导体
电子导体
√
√
√
√
任务二
探究氢氧燃料电池的工作原理
【活动2】分析该氢氧燃料电池的工作原理
Na2SO4溶液
C
C
A
负极：
2H2－4e－
4H＋
正极：
O2
＋4e－＋2H2O
4OH－
e－
e－
e－
e－
SO4、OH－
Na＋
、H＋
2－
电极反应式的书写
分析电极反应物
及其得失电子的趋势
定量分析得失电子的数目
结合电解质环境
判断电极产物
三大守恒配平并检验
氢氧燃料电池
（
Na2SO4溶液为电解质）
O2
＋
e－
4
4OH－
2H2O
＋
【迁移应用】
电解质溶液
电池反应：
2H2＋O2
2H2O
中性
负极
正极
酸性
负极
正极
碱性
负极
正极
2H2－4e－
4H＋
O2＋2H2O＋4e－
4OH－
2H2－4e－
4H＋
O2＋4H＋＋4e－
2H2O
2H2＋4OH－－4e－
4H2O
O2＋2H2O＋4e－
4OH－
任务二
探究氢氧燃料电池的工作原理
【活动3】实验验证氢氧燃料电池的工作原理
饱和Na2SO4溶液
任务二
探究氢氧燃料电池的工作原理
任务二
探究氢氧燃料电池的工作原理
【活动4】优化氢氧燃料电池的装置
思考：这样的装置能达到提高电池工作效率的目的吗？
任务二
探究氢氧燃料电池的工作原理
影响电池
工作效率的因素
体系
环境
电解质溶液的浓度
两电极间的距离
电极材料种类
电极材料表面积
压强
温度
催化剂
任务二
探究氢氧燃料电池的工作原理
测量：驱动小风扇转动的时间
任务二
探究氢氧燃料电池的工作原理
改进方案1：改变电解质溶液的浓度
硫酸钠浓度(mol/L)
0.1
0.5
1.0
风扇转动时间(s)
13
23
36
多孔石墨电极，两极距离
5
cm，
Na2SO4溶液浓度越大，电池效率越高。
任务二
探究氢氧燃料电池的工作原理
改进方案2：改变两极距离
两极的距离(cm)
5
2
近乎零（用滤纸隔开）
风扇转动时间(s)
36
45
68
多孔石墨电极，硫酸钠浓度
1
mol/L，
两电极间的距离越小，电池效率越高。
改进方案3：改变电极材料种类
任务二
探究氢氧燃料电池的工作原理
电极材料
多孔石墨电极
铂丝电极
风扇转动时间（s）
36
15
两极距离
5
cm，硫酸钠浓度
1
mol/L，铂电极电池效率不如石墨电极，猜想是因为铂丝太细以及铂电极中孔隙少的原因。
任务二
探究氢氧燃料电池的工作原理
改进方案4：改变石墨棒的表面积
电极
普通石墨
多孔石墨
风扇转动时间（s）
18
36
两极距离
5
cm，硫酸钠浓度
1
mol/L，将石墨电极换成多孔石墨电极，增大接触面积后提高了电池的效率。
任务二
探究氢氧燃料电池的工作原理
改进方案5：加入催化剂
燃料气体H2和O2都是共价分子，首先要在一定温度下经催化解离才能快速地给出电子，所以筛选催化剂很关键，现在常采用的是Pt、Ni、Au、Ag等贵金属。
资料
任务二
探究氢氧燃料电池的工作原理
2H2＋O2
2H2O
可优化要素
电极材料
离子导体
电子导体
催化剂
【活动4】优化氢氧燃料电池的装置
离子交换膜
碳纸电极
任务二
探究氢氧燃料电池的工作原理
任务二
探究氢氧燃料电池的工作原理
燃料电池堆
增大电流：电池并联
增大电压：电池串联
氢氧燃料电池车的历史与展望
1839年，
威廉·格罗甫首先
发现氢氧燃料电池
2014年，日本丰田上市第一款量产销售氢氧燃料电池车
2018年，上海上汽集团交付100台氢氧燃料电池车
2020年，氢氧燃料电池汽车推广量翻番
氢氧燃料电池的未来
原电池和电解池
原理
装置
氧化还原
反应
相同点
不同点
同时不同地
是否自发
相同点
不同点
电极
反应物
电极
材料
离子
导体
电子
导体
闭合回路
有无电源
一种新型燃料电池，它是以多孔镍为电极，插入KOH溶液中，然后分别向两极上通入乙烷和氧气，其电极反应式为
C2H6＋18OH－－14e－
2CO3＋12H2O；7H2O＋
O2＋14e－
14OH－
有关此电池的推断正确的是（
）
A．通氧气的电极为负极
B．电解质溶液中，CO3
向正极移动
C．参加反应的O2和C2H6的物质的量之比为7∶2
D．放电一段时间后，KOH的物质的量浓度保持不变
【练习】
C
2-
－
7
2
2-
【练习】
NOx是汽车尾气中的主要污染物之一，通过NOx传感器可监测NOx的含量，其工作原理如图所示：
?①
Pt电极上发生的是
反应（填“氧化”或“还原”）。
②
写出NiO电极的电极反应式：
___
。
还原
NO＋O2－－2e－＝NO2
熔融盐燃料电池具有很高的发电效率，可用Li2CO3和Na2CO3的熔融盐混合物作电解质，向负极充入燃料气CO，用空气与CO2的混合气作为正极的助燃气，制得在650
℃下工作的燃料电池。完成有关电池反应。
负极反应式为2CO＋2CO3
－4e－
4CO2
正极反应式为____________________________
总电池反应式为__________________________
【练习】
O2＋4e－＋2CO2
2CO3
2CO＋O2
2CO2
2-
2-
次磷酸（H3PO2）是一元弱酸，工业可用右图所示装置电解NaH2PO2制H3PO2。回答下列问题：
【练习】
（1）阳极反应式为_______________________
阴极反应式为_______________________
2H2O－4e－
O2
＋4H＋
4H2O＋4e－
2H2
＋4OH－
【练习】
（2）①
是_______（填“阳”或“阴”）离子交换膜，
②
是_______离子交换膜。
阴
阳
次磷酸（H3PO2）是一元弱酸，工业可用右图所示装置电解NaH2PO2制H3PO2。回答下列问题：
H2PO2-
Na+
【练习】
（3）此法的缺点是产品中混有___________杂质。请你结合今天所学“膜”的知识优化该电解装置，减少该杂质的生成。
H3PO4
次磷酸（H3PO2）是一元弱酸，工业可用右图所示装置电解NaH2PO2制H3PO2。回答下列问题：
H2PO2-
H+
质子交换膜
课
堂
小
结
一个原理
四种电极
三个守恒
负极、正极
阳极、阴极
得失电子守恒、
原子守恒、
电荷守恒
二个装置
原电池装置、电解池装置
氧化还原原理教
案
教学基本信息
课题
第四章
电化学基础
复习
学科
化学
学段：
高中
年级
高二
教材
书名：《化学反应原理》
出版社：人民教育出版社
出版日期：2019年7月
教学目标及教学重点、难点
教学目标：
通过对电解水制备氢能的原理分析和装置优化过程，深入理解电解池的工作原理，建立电解法制备物质的一般思路和方法；
通过对氢氧燃料电池电池的原理分析和装置优化过程，深入理解原电池的工作原理，并能建立依据已知依据氧化还原反应设计电池装置的认识模型；
通过对电解水制备氢气和氢氧燃料电池装置优化过程的不断探究，感受氧化还原反应的价值，初步形成绿色应用的意识，增强社会责任感。
评价目标：
通过对电解水制备氢气及氢氧燃料电池的分析，诊断学生物质转化与能量转化的认识水平，发展学生对化学反应的认识视角（物质视角、能量视角）；
通过电解池和原电池的方案设计，诊断学生实验设计与评价水平（物质水平、元素水平和微粒水平）；
通过电池装置的不断优化过程，诊断学生解决实际问题的能力水平（学科价值视角、学科和社会价值视角）。
教学重点：
原电池和电解池的工作原理、电极反应式的书写
教学难点：
原电池和电解池的工作原理
教学过程(表格描述)
教学环节
主要教学活动
设置意图
环节1
引入
【引入】氢能被视为21世纪具有极大发展潜力的能源。具有来源丰富、绿色清洁、可再生等特点，然而，氢能的绿色制备仍然是世界性的难题，电解水制氢技术被寄予厚望。
通过氢能优点的介绍，激发学生的学习动机；引出学习任务。
环节2
探究电解池的工作原理和装置优化过程
【任务】设计电解水制备氢气的方案。
【分析】电解水制备氢气方案分析与点评。
【讲解】电解池的构成要素
【问题】分析电解水制备氢气的原理
【问题】优化电解水制备氢气的装置
（1）改变电子导体
（2）加入离子交换膜
（3）无膜化制备高纯氢气
通过对电解池工作原理的分析，建立电解池认识模型，依据模型，优化电解池的装置要素，提高反应的安全性和制备气体的纯度。
环节3
探究原电池的工作原理和装置优化过程
【任务】设计装置使氢气和氧气生成水的反应实现化学能向电能转化
【问题】分析氢氧燃料电池的工作原理
【问题】优化氢氧燃料电池的装置
（1）改变电解质浓度
（2）改变电极材料距离
（3）改变电机材料种类
（4）改变电极材料表面积
（5）加入催化剂
【任务】对比原电池和电解池的异同。
通过氢氧燃料电池的工作原理分析和装置优化，提高电池工作效率。体会装置设计的合理性，对于能量的转换效率至关重要，不同牌号的电池质量差别很大就是一个实例。实现了知识价值和化学价值向应用价值的转化。
环节4
学以致用
【练习1】乙烷燃料电池
【练习2】氮氧化物检测传感器
【练习3】熔融盐燃料电池
【练习4】电解法制备次磷酸
通过练习巩固所学，举一反三，迁移应用。
环节5
总结提升
【总结】
1个原理：氧化还原原理。
2个装置：原电池装置和电解池装置。
3个守恒：得失电子守恒、原子守恒、电荷守恒。
4种电极：原电池的正负极和电解池的阴阳极。
通过梳理知识与方法的活动，培养学生归纳总结能力，提升模型认知素养。
学以致用，体现学科与社会价值。
