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2019-2020年高中化學《化學能與電能的轉化》教案8 蘇教版選修2 一、簡介 《化學能轉化為電能》是蘇教版化學2(必修)中專題2化學反應與能量轉化，第三單元化學能與電能的轉化的第一節(jié)內容。本節(jié)的教學重點是原電池裝置工作原理和構成條件；教學難點在于引導學生理解原電池裝置工作原理，即將氧化還原反應分別在正(還原)、負(氧化)兩極進行，負極上失去的電子流入正極，產(chǎn)生電流，從而實現(xiàn)化學能向電能的轉化。本節(jié)的設計從化學類型的角度入手，指出只有氧化還原反應具有的化學能才可能轉化為電能。同時，通過探究實驗和動畫模擬，幫助學生理解原電池的工作原理，并通過現(xiàn)場演示實驗引導學生推導出原電池的構成條件；同時，利用原電池原理解釋生活中存在的相關現(xiàn)象——鋼鐵的電化學腐蝕。 二、學習者分析 學習者為高一學生。學生好奇心強，思維活躍，能積極主動地學習，同時已具備一定的化學思維基礎和基礎實驗技能，但對實驗現(xiàn)象及結果的分析和處理能力還有一定的欠缺，需要教師不失時機的引導。此外，其年齡特點決定了他們對于直接感性的事物接觸能較快的接受，而對于較抽象的概念則存在理解模糊或概念不清晰的問題。對于《化學能轉化為電能》的主要知識點中，構成原電池的工作原理，涉及到較多需要想象的抽象思維概念，學生理解起來較為費力。因此，采用實驗結合課件模擬的教學形式有利于學生更快更深刻地理解相關概念。 另外，在此之前，學生已經(jīng)掌握氧化還原反應的概念及化學反應中存在能量的變化和轉化，是學習本節(jié)重要的知識基礎。 三、教學/學習目標及其對應的課程標準 1. 通過實驗探究，認識化學能可以轉化為電能； 2. 掌握原電池的工作原理和構成條件； 3. 了解原電池原理在生產(chǎn)、生活中的實際應用。 四、教學理念和教學方式 教學過程是教與學的雙向交流形式。因此，必須堅持師生互動、互學增知的教學理念，充分發(fā)揮學生的主體作用和教師的主導作用?；瘜W作為一門以實驗為基礎的學科，其教學還應注重通過實驗驗證推理的科學方法，使學生親身經(jīng)歷“實踐-認識-再實踐-再認識”的認知過程；對學生滲透對立統(tǒng)一規(guī)律的辨證唯物主義思想教育。 采用實驗法、講授法、探究法和閱讀討論法。在教學過程中，讓學生親自動手去發(fā)現(xiàn)問題，并用模擬動畫分別進行理論探索，推導原電池的工作原理，并總結原電池的形成條件，從而完成本節(jié)課兩個知識點的教學。同時將物理學中測電流的方法應用與電極的確定，目的在于加強了化學與物理知識的綜合，提高綜合能力。 五、教學過程 [板書] 化學能轉化為電能 [講述] 我們從初中開始學習化學，就見到各種各樣的化學反應方程式?；脽羝系膸讉€反應，是我們已經(jīng)學過一些常見的化學反應。觀察這些反應，并根據(jù)你們所學的知識，從反應類型看，下列哪個反應與其它三個反應不同，其特點是什么？ [ppt演示] [學生討論] 第四個反應與其它三個反應不同，是個氧化還原反應，其特點是發(fā)生電子轉移。 [引入] 在這個反應中，鋅失去電子轉化成鋅離子，硫酸的氫離子則得到電子生成氫氣。在氧化還原反應中，存在電子的轉移。而其他反應并沒有電子的轉移，屬于非氧化還原反應。那么，存在電子的轉移對于我們研究化學反應能量的轉化有著重要意義。我們知道在化學反應中，常伴隨著發(fā)光、發(fā)熱現(xiàn)象的發(fā)生，這是由于化學能轉化為熱能和光能。除此之外，化學能還可以轉化為電能或者其他形式的能量。電能的存在，必須有電子的定向移動。因此只有發(fā)生電子轉移的化學反應所具有的化學能才能轉化為電能。根據(jù)我們上面的分析，只有氧化還原反應，存在的電子的轉移。因此，也只有氧化還原反應中的化學能可以被轉化為電能。 [ppt演示] [講述] 下面，我們就通過實驗來探究氧化還原反應是如何將化學能轉化為電能的。 [講述] 在實驗臺上，有下列物品：鋅片、銅片和稀硫酸，一個帶蓋的塑料盒和幾個燒杯。此外，還有導線和電流表。下面請同學們依次完成下面的實驗。首先，請大家按照幻燈片上的要求，將Zn片和Cu片各自插入稀H2SO4中，觀察反應現(xiàn)象。大家可以將稀硫酸倒入到塑料盒中，大概裝一半就夠了。 [ppt演示] [學生實驗] 學生動手操作，老師引導觀察。 [提問] 請做完實驗的同學來描述一下自己觀察到的現(xiàn)象，并做解釋。 [學生回答] 實驗1中，鋅片插入稀H2SO4后，鋅片表面有氣泡產(chǎn)生，生成無色無味的氣體。這是因為鋅是活潑的金屬，在金屬活動順序表排在氫的前面，它能與稀H2SO4反應，置換出氫氣。銅片插入稀H2SO4后，無明顯反應現(xiàn)象，這是因為銅是不活潑的金屬，在金屬活動順序表排在氫的后面，它不能與稀H2SO4反應，置換出氫氣。 實驗2中，鋅片和銅片同時插入稀H2SO4后，鋅片表面有氣泡產(chǎn)生，而銅片表面仍然無明顯反應現(xiàn)象。這也是和金屬活動順序表表述是一致的。 實驗3中，用導線連接兩塊金屬片后，鋅片表面仍有氣泡產(chǎn)生，但同時銅片表面也有氣泡冒出。這點和我們所學的似乎有差別，不知道怎么解釋。 [講述] 他回答得非常正確，鋅是活潑金屬，能與稀H2SO4反應置換出氫氣。該反應的離子方程式表示如下。 [板書] Zn + 2H+ = Zn2+ + H2↑(氧化還原反應) [講述] 鋅片溶解形成鋅離子，而溶液中的氫離子得到電子形成氫分子。反應中，鋅失去電子，化合價升高；氫離子得到電子，化合價降低。反應中存在化合價的升降，因此這是一個氧化還原反應。而銅在金屬活動順序表排在氫的后面，在常溫常壓下，不能和稀酸反應置換出氫氣。 兩種金屬同時放入稀H2SO4后，并沒有改變原先的結論。但用導線連接后，我們可以看到在銅片的表面也有大量的氣泡產(chǎn)生了，而鋅片表面的氣泡則減少了，這是為什么呢？難道是連接起來后，銅片可以與稀H2SO4反應了，而鋅片則不再溶解了嗎？這不是違反了金屬活動順序表嗎？如果我們仔細觀察一段時間，就會看到鋅片表面氣泡雖然減少，但是，鋅片體積變小了，說明鋅片仍然繼續(xù)溶解。我們可以寫出鋅片上的反應式：Zn失去電子生成Zn2+溶于溶液中，Zn是活潑金屬，本身失去電子，發(fā)生氧化反應。而銅片體積沒有變小且溶液的顏色并沒有變藍，這表示沒有銅離子形成，銅片沒有溶解，說明銅片本身并沒有參加反應。但銅表面產(chǎn)生的氣體，則是溶液中H+從銅表面得到電子后，所生成的H2，由于這里它得到電子，這屬于還原反應。 [引導] 銅片并沒有溶解，也就是銅并沒有失去電子，那么在它表面氫離子形成氫分子所需要的電子是怎么得到的呢？我們比較第三和第四個實驗，發(fā)現(xiàn)兩套裝置的差異僅僅在于多了一跟導線，多了這根導線后，銅片表面就放出了氫氣。導線可以用來連接電路，使電子能夠進行定向流動。那么電子可以由誰來提供，是不是鋅？鋅失去電子，形成鋅離子，電子可以直接進入溶液中，也可以經(jīng)過導線到達銅片，然后由銅片進入溶液中。也就是鋅所失去的電子經(jīng)由導線達到銅片，然后提供給溶液中的氫離子形成氫分子。電子的定向移動可以用電流計測試。電子通過電流計會使其指針發(fā)生偏轉?，F(xiàn)在，請同學們在導線間接入一個電流計來驗證我們剛才的推理是否正確。 請大家注意連接電流計的時候，大家用黑色的導線將鋅片和電流計的黑色接線柱連接，將銅片與電流計中的紅色的接線柱連接，最好用量程是0.6mA的，因為量程小，其靈敏度更高。 [ppt演示] [講述] 現(xiàn)在，我們在導線中間連接一個靈敏電流計，請大家注意觀察電流計上指針的變化。(操作之)。大家看到了，電流計的指針發(fā)生偏轉，說明導線中有電流通過。因此，像這樣能將化學反應中的化學能轉化為電能的裝置，我們稱之為原電池。 [板書] 一、原電池 [ppt演示] 一、原電池：將化學能轉化為電能的裝置。 [引導] 這里，我請大家注意觀察一下，連接電流計后，電流計的偏轉方向是向順時針方向偏轉。我們根據(jù)物理學的知識，可以知道，只有當電流從電流計的紅色接線柱進入，從黑色接線柱流出時候，這也說明在這個反應中鋅片是原電池的負極，銅片是原電池的正極。 [設問] 那么，原電池裝置是如何把化學能轉化為電能的呢？我們一起來分析它的工作原理。 [板書] 二、工作原理 [講解] 鋅片和銅片用導線連接后插入稀硫酸。鋅是較活潑的金屬，先失去電子，得到Zn2+，發(fā)生氧化反應，而這些電子通過外接導線流向較不活潑的金屬銅，銅是中性原子，不需要得到電子，而溶液中的H+在銅片表面得到鋅所失去的電子，成為氫氣逸出，發(fā)生還原反應。我們把發(fā)生氧化反應的一極稱為負極，把發(fā)生還原反應的稱為正極。電流的流向是由正極流向負極。上述反應均是在電極上進行的，我們稱之為電極反應。將兩個電極上的電極反應合起來即為電池總反應。 [ppt演示] [引導] 這與我們剛才直接將Zn片插到稀H2SO4中的反應是一樣的。由此，我們發(fā)現(xiàn)了原電池的工作原理是將氧化還原反應分別在正、負兩極進行，氧化還原反應分別在正、負兩極進行，還原劑(負極)失去電子，通過導線流向正極，轉移給氧化劑，從而產(chǎn)生電流，從而實現(xiàn)化學能向電能的轉化。 [ppt演示] 工作原理：氧化還原反應分別在正、負兩極進行，還原劑(負極)失去電子，通過導線流向正極，轉移給氧化劑，從而產(chǎn)生電流。 [講述] 那么構成原電池需要哪些條件呢？我們一起來探究原電池的構成條件！ [板書] 三、構成條件 [ppt演示] [設問] 首先，我們剛才做的實驗中，只有鋅片插入稀硫酸能否構成原電池？將Zn片和Cu片分開插入稀硫酸能否構成原電池？ [學生] 不行。兩個電極必須相互連接。 [ppt演示] 結論1：必須有兩個相連的電極 連接形式可以直接接觸或用導線連接 [講解] 沒錯。因此，我們得到的第一個結論就是：必須有兩個相互連接的電極。但電極的連接形式可以是通過導線連接，也可以是直接相互接觸，因為，直接接觸也能使電子從Zn片流向Cu片，從而構成原電池。接下來，我們探究一下電極的材料有什么要求。我按照幻燈片上面的裝置組裝儀器，然后請大家觀察電流計的指針是否發(fā)生了偏轉。 [演示實驗] 老師演示實驗 [學生] 可以是活潑性不同的金屬，也可以通過金屬和非金屬構成原電池。 [講解] 沒錯?；顫娦圆煌膬煞N金屬，或者一種是金屬，一種是非金屬，如石墨；用石墨的原因是它雖然是非金屬，但也可以導電；因此電極材料必須是導體。而且通過觀察電流計的指針偏轉方向，我們可以判斷，活潑金屬為負極，不活潑金屬或者非金屬作為正極。當然電極材料也可以是其他材料，例如在燃料電池中采用的是多孔材料，如多孔碳，多孔鎳等。 [ppt演示] 結論2： [講述] 我們把連接好的鋅片和銅片兩個電極放到汽油中，觀察指針偏轉情況。 [演示實驗] 老師演示實驗 [學生] 電極浸漬在汽油中的時候，指針沒有偏轉。 [講解] 因為硫酸是電解質，而汽油不是電解質。因此，構成原電池還需要一個條件就是必須有電解質溶液。 [ppt演示] 結論3：必須有電解質溶液 [講述] 現(xiàn)在，我們用兩個相連的電極分別插在兩杯稀硫酸溶液，用導線將電極與電流計連接起來；觀察指針偏轉情況。如上面裝置所示，進行實驗。 [演示實驗] 老師演示實驗 [學生] 指針并未偏轉。因為它們沒有構成一個閉合回路。 [講解] 這就跟我們把一個電池的正極、負極分離，結果無法形成一個閉合的回路。因此，沒有電流產(chǎn)生。 [ppt演示] 結論4：電極與電解質溶液應構成閉合回路。 [講解] 綜上所述，原電池的構成條件，我們將上述4個結論，整合成兩個必備條件。第一，必須有兩個相連的電極。電極材料可以是活潑性不同的金屬或者是金屬與非金屬構成。較活潑的金屬為負極，較不活潑的金屬或非金屬為正極。第二是必須有電解質溶液，且與兩個電極接觸，形成閉合回路。 [ppt演示] [講述] 現(xiàn)在請大家根據(jù)上述的標準來判斷下列幾個裝置能否構成原電池。 [ppt演示] [學生] B能構成原電池。Fe為負極，C為正極。A和C不能構成原電池。 [講解] 正確。A中兩個電極都是鐵電極，活潑性相同，無法構成原電池。C中溶液為汽油，不是電解質溶液。B中鐵置換出CuSO4溶液的銅。鐵是活潑金屬，在原電池中作為負極；C為非金屬，作為正極。 [講述] 學習原電池的工作原理和構成條件，我們來看看它有什么應用。一方面，我們利用原電池原理來制備各種各樣的化學電源，包括常見的干電池、蓄電池，以及我們手機中使用的鋰離子電池。 [ppt演示] [講述] 此外，我們還能利用所學知識來幫助我們解釋生活中常見的一些現(xiàn)象，例如我們學過的鋼鐵的腐蝕。根據(jù)這個提示，請大家看書本P39的交流與討論。試說明其中的原因。 [ppt演示] 在一塊表面無銹的鐵片上滴上一大滴含酚酞的食鹽水，放置一段時間后可以看到液滴周圍逐漸呈現(xiàn)紅色，并慢慢形成褐色的銹斑。試說明產(chǎn)生此現(xiàn)象的原因。 [講解] 鋼鐵在潮濕的空氣中會很快被腐蝕。原因在于它已經(jīng)構成了原電池。我們知道，鋼鐵不是純凈物，它的主要成分是鐵，但還有雜質碳，這就形成了兩個相連的電極。下雨或者空氣潮濕，都會在鋼鐵表面形成一層薄薄的水膜，也就是電解質溶液。在鐵表面，鐵失去電子形成亞鐵離子；碳表面則是將由鐵失去的電子提供給溶液中的氧氣和水，形成氫氧根離子。Fe2+和OH－會反應生成Fe(OH)2，其總反應是鐵與水和氧氣形成Fe(OH)2。Fe(OH)2在空氣中被氧化后失水形成了鐵銹。因此，電化學腐蝕的原因是不純的金屬跟電解質溶液接觸形成原電池，較活潑的金屬失去電子被氧化而導致金屬的腐蝕。像這樣，由于構成原電池而引起的電化學腐蝕，存在吸收氧氣的過程，我們稱之為吸氧腐蝕。而如我們前面用鐵和炭棒在硫酸中發(fā)生的電化學腐蝕，有氫氣析出，我們稱之為析氫腐蝕。通常在中性或堿性條件下，主要發(fā)生吸氧腐蝕；在強酸性條件下，主要發(fā)生析氫腐蝕。 [ppt演示] H2O NaCl溶液 [講述] 我們用實驗模擬來證實上述的體系可以構成原電池。比如，我們用鐵片和炭棒與電流計連接，直接插入水中，觀察指針的偏轉。然后，我們添加氯化鈉，觀察指針偏轉情況。 [演示實驗] 老師演示實驗 [學生] 插入水中后，指針發(fā)生偏轉。往其中添加氯化鈉后，偏轉的幅度增大。 [講解] 如上述所說，這是因為鐵和炭棒及水溶液形成原電池，發(fā)生電化學腐蝕。而氯化鈉添加后，電流增大，因此電解質的添加會加快電化學腐蝕。而上述的“交流與討論”中在NaCl溶液中進行，其溶液應為中性，發(fā)生的電化學腐蝕主要是吸氧腐蝕。生成的氫氧化亞鐵在空氣中容易被氧氣氧化成氫氧化鐵。氫氧化鐵部分失水形成鐵銹。 [ppt演示] [講述] 因此，了解原電池的工作原理不僅可以用來制備各種化學電池，還可以幫助我們解釋電化學腐蝕等常見的實際問題。 [小結] 我們一起回顧今天所學的知識體系。原電池裝置需要有兩個相連的電極，和電解質溶液形成閉合回路。相對活潑的金屬作為負極，不活潑金屬或非金屬作為正極。電子由負極流向正極，從而產(chǎn)生電流，將化學能轉化為電能。 [ppt演示] [作業(yè)] 今天，我們通過實驗學習了原電池的工作原理，并總結了它的構成條件?；厝フ埓蠹彝瓿蓛煞葑鳂I(yè)，第一是動手題，請大家搜集廢干電池并拆開，弄清它的構造及原理；第二是動腦題，請同學們完成書本P43第3題。 [作業(yè)]