資源簡介

教學設計
課程基本信息
學科 高中化學 年級 高一 學期 春季
課題 化學反應與能量變化（第二課時）
教學目標
1．通過實驗探究認識化學能可以轉化為電能，加深對氧化還原反應本質的理解； 2．通過實驗探究，分析總結原電池的構成條件； 3．通過電極反應、電子移動方向、電極現象、溶液中離子的移動方向等問題的分析總結，理解原電池的工作原理。
教學內容
教學重點： 了解原電池的形成條件；
2. 分析簡單原電池的原理。 教學難點： 原電池的工作原理
教學過程
【導入】我們日常使用的電能主要來自火力發電。火力發電是通過化石燃料燃燒時發生的氧化還原反應，使化學能轉化為熱能，加熱水使之汽化為蒸汽以推動蒸汽輪機，帶動發電機發電。請同學們分析火力發電的過程，想想火力發電有哪些弊端？ 【學生】根據火力發電的過程，我們能發現其弊端有： ①使用的化石燃料屬于不可再生能源； ②化石燃料的燃燒會產生大量的有害氣體，污染環境； ③能量經過多次轉化，利用率低。 【思考】那如何提高能量利用率呢？ 【引導】能不能減少中間的能量轉化環節，將化學能直接轉化為電能？那如何才能讓化學能直接轉化為電能呢？ 【教師】我們知道火力發電過程中，其中，燃燒涉及的氧化還原反應是關鍵。我們一起回顧一下氧化還原反應的相關知識點。氧化還原反應的本質是什么？ 【學生】氧化還原反應的本質是：電子轉移。 【思考】若能設計一種裝置使電子持續地定向流動起來，結果會怎樣？ 【學生】結果會：形成電流。 【總結】要提高能量利用率，我們需要設計一種裝置，使反應中的電子轉移在一定條件下形成電流，讓氧化還原反應釋放的能量直接轉化為電能。 【過渡】我們都知道電子轉移是肉眼看不見的，那我們能否通過實驗感受它的存在？ 【環節一】通過實驗感受氧化還原反應的電子轉移 【實驗1】將鋅片和銅片同時放入盛有稀硫酸的燒杯中，觀察分別有什么現象？ 【學生】鋅片溶解、其表面產生大量氣泡；銅片上無明顯變化；并且溶液顏色沒有發生變化。 【教師】寫出鋅與稀硫酸反應的離子方程式，并思考Cu片表面無明顯現象的原因。 【學生】鋅片反應的離子方程式是：Zn+2H+ = Zn2++H2↑ Cu片表面無明顯現象的原因是：銅排在金屬活動性順序表氫的后面，不能從酸溶液中置換出氫氣。 【過渡】那如果用導線連接鋅片和銅片呢？又會產生什么現象？ 【實驗2】用導線連接鋅片和銅片，觀察、比較導線連接前后的現象 【學生】鋅片溶解，銅片上出現大量氣泡，溶液顏色沒有發生變化。 【思考】用導線連接鋅片和銅片，Cu片表面為什么就產生大量氣泡了呢？我們可不可以認為是Cu與稀硫酸反應生成了氫氣？ 【學生】顯然是不可能的，首先銅在金屬活動性順序表H的后面，不可能與酸反應生成氫氣；其次，若銅片反應，則 Cu 片會溶解，同時溶液會變藍色，與事實不符。 【總結】因此用導線連接鋅片和銅片，Cu片表面產生氣泡的原因是：鋅片失去電子，電子通過導線流向Cu片，溶液中的H+從Cu片上得到電子被還原，以H2的形式在銅片上逸出。 【過渡】既然有電子轉移，我們能否又用實驗來證明電子的轉移？ 【環節二】通過實驗證明氧化還原反應中的電子轉移 【教師】在前面的學習中，我們知道電子轉移會產生電流。因此我們可以用導線在鋅片和銅片之間串聯個電流表，看看有什么現象？ 【實驗3】用導線連接鋅片和銅片，并在鋅片和銅片之間串聯一個電流表，觀察電流表指針是否偏轉 【學生】電流表指針發生偏轉。 【教師】電流表指針發生偏轉說明：反應過程中有電流產生。像這種能將化學能轉化為電能的裝置叫做原電池。在原電池中，我們把電子流出的一極稱為負極；電子流入的一極稱為正極。 【總結】原電池的反應本質是將氧化反應和還原反應分別在兩個不同的區域進行，可以使氧化還原反應中轉移的電子通過導體發生定向移動，形成電流，從而實現化學能向電能的直接轉化。 【過渡】通過宏觀的實驗現象證明了電流的產生，那么微觀的反應是如何進行的呢？ 【環節三】原電池的工作原理 【展示】原電池的模擬動畫：在外電路中，鋅失去電子，被氧化，生成鋅離子，鋅離子進入溶液，電子從鋅片流出，經導線，流入銅片，溶液中的H+從Cu片上得到電子被還原，以H2的形式在銅片上逸出。在內電路中，為保持兩極溶液的電荷守恒，氫離子和鋅離子定向移動至聚集大量電子的正極，硫酸根離子定向移動至產生大量鋅離子的負極。 【教師】整個電路構成了閉合回路，通過帶電粒子定向移動產生電流。根據原電池的負極電極反應式和正極反應式，同學們寫出原電池的總反應。 【學生】原電池的總反應式為：Zn+2H+ = Zn2++H2↑ 【總結】原電池中各種微粒的移動方向： 電子移動方向：負極→導線→正極； 電流移動方向：正極→導線→負極； 離子移動方向：陽離子→正極，陰離子→負極。 【思考】為什么導線連接后電子會從Zn片轉移到Cu片上？ 【類比】河水從高處往低處流，動能來自勢能轉化；同樣，電子流動產生的動能來自電子勢能的轉化。因為電子勢能鋅大于銅，因此電子會從Zn片轉移到Cu片上。若金屬活潑性差異越大，電子勢能差越大，電壓越大，電子轉移趨勢越大。 【思考】銅鋅原電池各部分的作用是什么？ Zn—負極電極，提供電子； Cu—正極電極，作用為導電； 稀硫酸—提供得電子的氫離子和定向移動至負極的硫酸根離子； 導線—連接正負極，傳遞電子； 電流表—用來檢測電流。 【過渡】要構成一個原電池，以上裝置的各個組成部分是否唯一不可替代呢？除了銅鋅原電池裝置外，是否可以設計別的原電池？ 【學生】(1)只改變Zn片,還可選擇Mg、Al、Fe等； (2)只改變Cu片,還可選擇Sn、Ag、石墨等； (3)只改變稀H2SO4,還可選擇稀鹽酸、CuSO4溶液等。 【環節四】總結構成原電池的條件 【總結】①具有活性不同的兩個電極； ②兩電極均插入電解質溶液中； ③兩極用導線相連，形成閉合回路； ④有自發進行的氧化還原反應。 【思考】下面的裝置是否可以構成原電池？ ①②③ ④ 【學生】第一個裝置兩個電極相同，無法形成電勢差，不可以構成原電池；第二個裝置沒有構成閉合回路，不可以構成原電池；第三個裝置蔗糖溶液為非電解質溶液，無法提供自由移動的離子，不可以構成原電池；第四個有點困惑。 【教師】四個裝置蘋果汁中有很多有機酸，相當于銅鋅原電池中的稀硫酸，整個裝置滿足原電池的四個條件，可以構成原電池，我們把這樣的電池稱為水果電池，其實生活中還有很多水果可以替代蘋果，比如西紅柿、獼猴桃或檸檬等。學習原電池原理后，我們還可以設計一些簡易電池。 【觀看】簡易電池的設計與制作。 【學以致用】Cu-Zn原電池能給手機充電嗎？ 【信息】Cu-Zn原電池電壓1.2V，手機充電器必須達到4.2V以上才能給手機充電。 【學生】Cu-Zn原電池電壓是不夠的，無法給手機充電。 【教師】如何增大原電池的電壓？ 【學生】方案一、把幾個原電池裝置串聯起來；方案二、通過更換電極來增大電壓：電子勢能差越大，電壓越大，故Zn電極換成Mg電極，Cu電極換成石墨可以增大電壓。 【過渡】銅鋅原電池雖然可以將化學能直接轉化為電能，減少中間的能量轉化環節，提高了能量的利用率，但銅鋅原電池要運用到生活中，仍還存在諸多不足：電壓小、電流不穩定、攜帶不便等，因此還需要改進。 【環節五】化學電池 【教師】原電池應該是人類最原始的電源，但根據原電池原理，人們經過不斷的探索，研制出很多結構與性能各異的化學電池，以滿足不同的用電需要。目前我們廣泛使用的電池有鋅錳干電池和鉛酸蓄電池。請同學們找出鋅錳干電池和鉛酸蓄電池的優點與缺點。 【學生】鋅錳干電池使用方便但放電之后不能充電，屬于一次電池；鉛酸蓄電池可以實現充電與放電循環，屬于二次電池，但其主要原材料鉛是有毒物質，若管理不善，會造成環境污染，危害人體健康。 【教師】科學技術的進步加速了電池技術的發展，鋅錳干電池、鉛酸蓄池等傳統電池的性能有了明顯提高。各種高效、安全、環保的新型化學電池不斷涌現，其中鋰離子電池和燃料電池發展較快。手機、計算機、照相機等電器所用的電池大多為鋰離子電池。 【總結】所有電池改進，核心就是圍繞如何讓電子“更多、更久、更好”地轉移，從而 造福我們偉大的人類。望同學們努力學習，將來也能為科技進步做出自己的貢獻！ 【課堂練習】 1.某小組為研究電化學原理，設計如圖裝置。下列敘述錯誤的是 A. 和不用導線連接時，鐵片上會有氣泡生成
B. 和用導線連接時，銅片上發生的反應為
C. 無論和是否連接，鐵片均會溶解，溶液均逐漸變成淺綠色
D. 和用導線連接時，電子由銅片通過導線流向鐵片 【答案】D 【解析】 和不用導線連接時，不能形成閉合回路，未構成原電池，鐵直接與稀硫酸反應，鐵片上會有氣泡生成，項正確；
和用導線連接時，形成原電池，鐵比銅活潑，銅作正極，正極發生的反應為，項正確；
無論和是否連接，鐵片均會溶解，溶液均逐漸變成淺綠色，項正確；
和用導線連接時，構成原電池，鐵比銅活潑，鐵作負極，電子由負極通過導線流向正極，即由鐵片通過導線流向銅片，項錯誤。 2.某實驗興趣小組以和為電極，稀硫酸為電解質溶液組成原電池，并對實驗進行了拓展研究，以下實驗記錄錯誤的是 A. 銅片上有氣泡產生，鋅片逐漸溶解
B. 電流在導線中從電極流向電極
C. 把換成，電流計指針發生逆向偏轉
D. 把稀硫酸換成硫酸銅溶液，電流計指針依然偏轉 【答案】B 【解析】 負極發生氧化反應，失去電子變成，逐漸溶解，正極銅附近的得到電子生成，可以觀察到氣泡，故A正確；
電流從正極到負極，即從電極流向電極，故B錯誤；
把換成后，與作為原電池的電極，比更活潑，作負極，作正極，電流方向與原來相反，電流計指針會發生逆向偏轉，故C正確；
硫酸銅溶液是電解質溶液，且能與發生氧化還原反應，滿足構成原電池的條件，電流計指針依然偏轉，故D正確。

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