把原電池的問題徹底搞清楚後,可以接著去研究它的應用。原電池是把化學能轉變為電能的裝置,這是對人們有利的一麵,它也有對人們有害的一麵,我們通常說到的金屬的腐蝕有一大部分都屬於發生電化學反應造成的。要想降低金屬被腐蝕的程度,延長它們的使用壽命,我們需要了解它們被腐蝕的原理,才能夠針對這些問題,更好地采取防治措施。下麵介紹析氫腐蝕和吸氧腐蝕。
腐蝕是在周圍環境酸性較強的條件下發生的。由於絕大多數的金屬都含有雜質,這實際上就滿足了有兩種活潑性不同的材料作為電極的條件;在金屬中,這兩種材料由於是混合在一起的,實際上就又滿足了有導線連接這個條件;在酸性較強的溶液中,又具備了電解質溶液,因此基本具備了形成原電池的條件。那麼析氫腐蝕到底是怎樣進行的呢?因為這個反應速度太慢,學生無法觀察到這個實驗現象,最多隻能看到一個實驗的結果:金屬生鏽,而無法看到它是怎樣生鏽的。那麼,以鐵中含有碳為例,用現代教學媒體來模擬這個過程:
在水麵下浸泡著一塊鐵,將鐵中含的碳的顆粒放大,這時我們會看到鐵失電子變為,電子集中在碳的顆粒上,溶液中的在碳的表麵得電子,轉化成放出。腐蝕實際上還算比較容易理解,不管怎麼說,畢竟還是鐵與溶液中的發生反應,與銅、鋅原電池有異曲同工之處,隻是正極材料不同而已。事實上真正難理解的是吸氧腐蝕,而在日常生活中大量發生的是吸氧腐蝕。吸氧腐蝕指的是在酸性較弱或中性的條件下,空氣中的氧氣溶解在水中得電子,形成離子;就是我們通常看到的鐵鏽。學生對這個問題總感覺不可理解,經過現代教學媒體演示,才明晰了這個過程:水麵下浸泡著一塊鐵,畫麵上將鐵中含的碳的顆粒放大,這時我們會看到鐵失電子變為,電子集中在碳的顆粒上,溶解在溶液中的在碳的表麵的電子,形成價的氧,而氧在水溶液中不能單獨存在,它與水分子結合形成、然後繼續結合,最終生成鐵鏽。
原電池討論清楚後,電解池的難度相對就降低了一些。電解池與原電池相反,是將電能轉變為化學能的裝置。其實學生對電解池是有感性認識的,初中化學裏就有電解水的實驗,但他們的認識停留在:通電,發生化學反應的層麵上,至於反應是如何進行的就不清楚了。為此,老師在介紹電解池時,還是應先給學生一個感性認識。
老師先帶著學生觀察裝置,用U形管盛溶液,插人兩個石墨電極,通直流電,觀察現象。過一段時間後,學生會發現:在與直流電源正極相連的石墨電極附近,有刺激性氣味的氣體生成,用澱粉碘化鉀試紙檢驗,試紙變藍,說明有氯氣生成;同時在與直流電源負極相連的電極上,有紅色固體——銅生成,溶液的顏色逐漸變淺。從實驗現象,非常直觀地判斷出電解氯化銅溶液的產物是銅和氯氣。在這個溶液中究竟發生了怎樣的過程呢?首先讓學生思考下麵幾個問題:(1)氯化銅溶液中都有哪些微粒?(2)通電之前,這些微粒在溶液中的運動狀態如何?
通電之後,這些微粒在溶液中的運動狀態有什麼變化?兩個電極上分別發生了什麼反應?學生會分析到氯化銅溶液中有大量的分子,還有少量的離子,是水電離出來的;通電之前,這些微粒在溶液中做無規則的運動;通電之後,離子會做定向移動,具體怎麼移動,還是不太清楚。這時,給學生播放電解氯化銅溶液的模擬動畫。學生可以看到:通電後,兩個極板一個帶正電、一個帶負電,由於靜電引力,溶液中的離子分別向兩個極板做定向移動,移動到與電源負極相連的極板周圍,和移動到與電源正極相連的極板周圍,然後在電極上得電子轉化為銅單質析出,在電極上失電子轉化為氯氣放出。
這是最基本的一種情況,這時老師可以問學生,我們以前觀察過的電解水是什麼原理?學生會想到水可以電離出,在外接電源的作用下,也可以發生定向運動,在電極上得失電子。
若是電解溶液呢?這是一個重點,也是一個難點,老師要由此引出離子的放電順序,因此這個例子也要詳細分析。仍是先通過演示實驗,讓學生觀察現象。將氯化鈉溶液置於電解槽中,加入幾滴酚酞溶液,通電。
過一段時間後,我們會發現在電解池的陽極有刺激性氣味的氣體產生,經檢驗是氯氣;在陰極附近有無色無味的氣體產生,經收集檢驗後證明為氫氣,且在陰極附近的溶液變為紅色。要求學生根據這些現象試著分析溶液中的變化,兩個電極上發生的反應,寫出電解食鹽水的化學方程式。
學生由反應現象可以直接判斷出電解氯化鈉溶液的產物有三種——氯氣、氫氣和氫氧化鈉溶液,這三種物質是怎樣得到的呢?從反應現象倒推,在陽極上放電的是廣,在陰極上放電的是,哪來的呢?隻能是水電離出來的。
然後給學生演示氯化鈉溶液在通電前後各種微粒的運動狀態的變化。由於在溶液中,和丨―是大量的,而和是極少量的,但是通電後,電子從電源的負極流到電解池的陰極,於是和向陰極移動,在陰極表麵,是少量的在放電而非,因此在陰極附近,實際上水的電離平衡被破壞了,轉化成紮放出,溶液中產生了越來越多的,所以使得陰極附近的溶液變紅了;而陽極帶正電,廣和向陽極移動,廣在陽極失電子,電子通過電解池的陽極流回電源的正187極。
這裏涉及一個離子放電順序的問題,為什麼在陰極表麵是放電而不是??呢?學生從實驗結果和微觀過程的再現都看到了這個結論,他們需要思考在陰極上發生的是什麼反應?陽離子在陰極得電子,發生還原反應,哪種微粒的氧化性強,哪種微粒就優先放電。
―基礎上介紹氯堿工業,由於它的產物既含有氯氣,又包括堿(氫氧化鈉),所以稱氯堿工業。在工業生產中,為了防止生成的氯氣與氫氣接觸會發生反應,也為了防止氯氣與堿接觸起反應生成鹽,采用的裝置含有一種特殊的膜,稱為立式隔膜電解槽。老師通過動畫,演示立式隔膜電解槽是如何防止上麵的兩個反應發生的。電解時,一和不斷地被加入到溶液中,立即移向電源負極移向電源正極。學生從動畫中可以看到膜就如同一張網,氣體分子比較大,不能穿過膜的空隙,這就避免了兩種氣體的接觸;離子的體積較大,也不能穿越膜的空隙,因此生成的氫氧化鈉和氫氣在電解槽的一邊,氯氣在另一邊,無法接觸。
在此基礎上,還可以給學生介紹陽離子和陰離子選擇性膜。本來電解硫酸鈉溶液就相當於電解水,現在我們在電解池中分別插人陽離子選擇性膜和陰離子選擇性膜,將整個電解池分為三部分(其中陰離子選擇性膜靠近陽極,陽離子選擇性膜靠近陰極)。加入硫酸鈉後,通電。通電後,陰離子選擇性膜隻允許通過,運動到陽極附近,陽極是離子放電,溶液中剩餘,與結合就得到;陽離子選擇性膜隻允許通過,運動到陰極附近,陰極是離子放電,溶液中剩餘,結合就得到。於是,看上去不可能發生的事情,由於陰、陽離子選擇性膜的引人而實現了。在講解電解原理的基礎上,教師和學生一起分析了電解氣化銅、電解水和電解氯化鈉的三種不同的情況,接下來可以讓學生應用學過的電解原理和具體的實例,來比較電解質溶液電解時有幾種基本情況。
學生對比已討論過的三種情況會發現:
(1)電解氯化銅溶液是最基本的一種,完全是溶質被電解,溶劑水並沒有參加反應;
(2)電解水是另外一種極端的情況;
氯化鈉溶液的電解與氯化銅相比,它的反應更複雜一些,溶質和溶劑中的部分離子都參與了放電,所以最終水一定會出現在反應物中,相應的氫氣或氧氣一定會出現在產物中。
針對這三種情況,學生會想到還有一種情況:仍是溶質和溶劑中的部分離子放電,但溶劑中放電的可以是,也可以是;因此還有一種情況,就是電解後溶液顯酸性,有酸生成了。在學生討論的基礎上,教師趁熱打鐵,給出陰、陽離子放電順序,學生就能夠根據這個順序非常迅速地判斷出電解究竟屬於哪種情況,電解產物是什麼了。
為了鞏固這部分知識,老師還可以進一步問學生:蒸餾水的導電性怎樣?電解蒸餾水的反應很慢,怎樣能夠加快它的反應,而又不影響反應產物呢?這個問題的難度較大,要求學生綜合運用電解原理和離子放電順序來考慮、解答。
在上述問題中應用這種實驗觀察、媒體演示、分析、應用的模式後,學生掌握這部分內容的程度有明顯提高,事實上,像離子反應、鹽的水解和電解的知識,一旦真正理解了它的微觀過程,在應用知識進行判斷就不困難了。