化學(xué)反應(yīng)與能量轉(zhuǎn)化

1、專題2 化學(xué)反應(yīng)與能量轉(zhuǎn)化第三單元 化學(xué)能與電能的轉(zhuǎn)化§2.3.1 化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能(1課時(shí))教材: 蘇教版 必修2設(shè)計(jì)者：福州一中化學(xué)教研組 徐藝展 指導(dǎo)老師：陳熙一、簡介化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能是蘇教版化學(xué)2(必修)中專題2化學(xué)反應(yīng)與能量轉(zhuǎn)化，第三單元化學(xué)能與電能的轉(zhuǎn)化的第一節(jié)內(nèi)容。本節(jié)的教學(xué)重點(diǎn)是原電池裝置工作原理和構(gòu)成條件；教學(xué)難點(diǎn)在于引導(dǎo)學(xué)生理解原電池裝置工作原理，即將氧化還原反應(yīng)分別在正(還原)、負(fù)(氧化)兩極進(jìn)行，負(fù)極上失去的電子流入正極，產(chǎn)生電流，從而實(shí)現(xiàn)化學(xué)能向電能的轉(zhuǎn)化。本節(jié)的設(shè)計(jì)從化學(xué)類型的角度入手，指出只有氧化還原反應(yīng)具有的化學(xué)能才可能轉(zhuǎn)化為電能。同時(shí)，通過探究實(shí)驗(yàn)和

2、動畫模擬，幫助學(xué)生理解原電池的工作原理，并通過現(xiàn)場演示實(shí)驗(yàn)引導(dǎo)學(xué)生推導(dǎo)出原電池的構(gòu)成條件；同時(shí)，利用原電池原理解釋生活中存在的相關(guān)現(xiàn)象鋼鐵的電化學(xué)腐蝕。二、學(xué)習(xí)者分析學(xué)習(xí)者為高一學(xué)生。學(xué)生好奇心強(qiáng)，思維活躍，能積極主動地學(xué)習(xí)，同時(shí)已具備一定的化學(xué)思維基礎(chǔ)和基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)技能，但對實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象及結(jié)果的分析和處理能力還有一定的欠缺，需要教師不失時(shí)機(jī)的引導(dǎo)。此外，其年齡特點(diǎn)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(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的主要知識點(diǎn)中，構(gòu)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(xué)生理解起來較為費(fèi)力。因此，采用實(shí)驗(yàn)結(jié)合課件模擬的

3、教學(xué)形式有利于學(xué)生更快更深刻地理解相關(guān)概念。另外，在此之前，學(xué)生已經(jīng)掌握氧化還原反應(yīng)的概念及化學(xué)反應(yīng)中存在能量的變化和轉(zhuǎn)化，是學(xué)習(xí)本節(jié)重要的知識基礎(chǔ)。三、教學(xué)/學(xué)習(xí)目標(biāo)及其對應(yīng)的課程標(biāo)準(zhǔn)1. 通過實(shí)驗(yàn)探究，認(rèn)識化學(xué)能可以轉(zhuǎn)化為電能；2. 掌握原電池的工作原理和構(gòu)成條件；3. 了解原電池原理在生產(chǎn)、生活中的實(shí)際應(yīng)用。四、教學(xué)理念和教學(xué)方式教學(xué)過程是教與學(xué)的雙向交流形式。因此，必須堅(jiān)持師生互動、互學(xué)增知的教學(xué)理念，充分發(fā)揮學(xué)生的主體作用和教師的主導(dǎo)作用?；瘜W(xué)作為一門以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的學(xué)科，其教學(xué)還應(yīng)注重通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證推理的科學(xué)方法，使學(xué)生親身經(jīng)歷“實(shí)踐-認(rèn)識-再實(shí)踐-再認(rèn)識”的認(rèn)知過程；對學(xué)生滲透對立統(tǒng)

4、一規(guī)律的辨證唯物主義思想教育。采用實(shí)驗(yàn)法、講授法、探究法和閱讀討論法。在教學(xué)過程中，讓學(xué)生親自動手去發(fā)現(xiàn)問題，并用模擬動畫分別進(jìn)行理論探索，推導(dǎo)原電池的工作原理，并總結(jié)原電池的形成條件，從而完成本節(jié)課兩個(gè)知識點(diǎn)的教學(xué)。同時(shí)將物理學(xué)中測電流的方法應(yīng)用與電極的確定，目的在于加強(qiáng)了化學(xué)與物理知識的綜合，提高綜合能力。五、教學(xué)過程 板書 化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能講述 我們從初中開始學(xué)習(xí)化學(xué)，就見到各種各樣的化學(xué)反應(yīng)方程式?；脽羝系膸讉€(gè)反應(yīng)，是我們已經(jīng)學(xué)過一些常見的化學(xué)反應(yīng)。觀察這些反應(yīng)，并根據(jù)你們所學(xué)的知識，從反應(yīng)類型看，下列哪個(gè)反應(yīng)與其它三個(gè)反應(yīng)不同，其特點(diǎn)是什么？ppt演示 學(xué)生討論 第四個(gè)反應(yīng)與其它三

5、個(gè)反應(yīng)不同，是個(gè)氧化還原反應(yīng)，其特點(diǎn)是發(fā)生電子轉(zhuǎn)移。引入 在這個(gè)反應(yīng)中，鋅失去電子轉(zhuǎn)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(yīng)中，存在電子的轉(zhuǎn)移。而其他反應(yīng)并沒有電子的轉(zhuǎn)移，屬于非氧化還原反應(yīng)。那么，存在電子的轉(zhuǎn)移對于我們研究化學(xué)反應(yīng)能量的轉(zhuǎn)化有著重要意義。我們知道在化學(xué)反應(yīng)中，常伴隨著發(fā)光、發(fā)熱現(xiàn)象的發(fā)生，這是由于化學(xué)能轉(zhuǎn)化為熱能和光能。除此之外，化學(xué)能還可以轉(zhuǎn)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(zhuǎn)移的化學(xué)反應(yīng)所具有的化學(xué)能才能轉(zhuǎn)化為電能。根據(jù)我們上面的分析，只有氧化還原反應(yīng)，存在的電子的轉(zhuǎn)移。因此，也只有氧化還原反應(yīng)中的化學(xué)能可以被

6、轉(zhuǎn)化為電能。ppt演示講述 下面，我們就通過實(shí)驗(yàn)來探究氧化還原反應(yīng)是如何將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的。講述 在實(shí)驗(yàn)臺上，有下列物品：鋅片、銅片和稀硫酸，一個(gè)帶蓋的塑料盒和幾個(gè)燒杯。此外，還有導(dǎo)線和電流表。下面請同學(xué)們依次完成下面的實(shí)驗(yàn)。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(yīng)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(xué)生實(shí)驗(yàn) 學(xué)生動手操作，老師引導(dǎo)觀察。提問 請做完實(shí)驗(yàn)的同學(xué)來描述一下自己觀察到的現(xiàn)象，并做解釋。學(xué)生回答 實(shí)驗(yàn)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?yàn)殇\是活潑的金屬，在金屬活動順序表排

7、在氫的前面，它能與稀H2SO4反應(yīng)，置換出氫氣。銅片插入稀H2SO4后，無明顯反應(yīng)現(xiàn)象，這是因?yàn)殂~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(yīng)，置換出氫氣。實(shí)驗(yàn)2中，鋅片和銅片同時(shí)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(yīng)現(xiàn)象。這也是和金屬活動順序表表述是一致的。實(shí)驗(yàn)3中，用導(dǎo)線連接兩塊金屬片后，鋅片表面仍有氣泡產(chǎn)生，但同時(shí)銅片表面也有氣泡冒出。這點(diǎn)和我們所學(xué)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(yīng)置換出氫氣。該反應(yīng)的離子方程式表示如下。板書 Zn + 2H+ = Zn2+ + H2(氧化還原反應(yīng))

8、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(yīng)中，鋅失去電子，化合價(jià)升高；氫離子得到電子，化合價(jià)降低。反應(yīng)中存在化合價(jià)的升降，因此這是一個(gè)氧化還原反應(yīng)。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(yīng)置換出氫氣。兩種金屬同時(shí)放入稀H2SO4后，并沒有改變原先的結(jié)論。但用導(dǎo)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(yīng)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(xì)觀察一段時(shí)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

9、。我們可以寫出鋅片上的反應(yīng)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(yīng)。而銅片體積沒有變小且溶液的顏色并沒有變藍(lán)，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(yīng)。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(yīng)。引導(dǎo) 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(gè)實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)兩套裝置的差異僅僅在于多了一跟導(dǎo)線，多了這根導(dǎo)線后，銅片表面就放出了氫氣。導(dǎo)線可以用來連接電路，使電子能夠進(jìn)行定向流動。那么電子可以由誰來提供，是不

10、是鋅？鋅失去電子，形成鋅離子，電子可以直接進(jìn)入溶液中，也可以經(jīng)過導(dǎo)線到達(dá)銅片，然后由銅片進(jìn)入溶液中。也就是鋅所失去的電子經(jīng)由導(dǎo)線達(dá)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(jì)測試。電子通過電流計(jì)會使其指針發(fā)生偏轉(zhuǎn)?，F(xiàn)在，請同學(xué)們在導(dǎo)線間接入一個(gè)電流計(jì)來驗(yàn)證我們剛才的推理是否正確。 請大家注意連接電流計(jì)的時(shí)候，大家用黑色的導(dǎo)線將鋅片和電流計(jì)的黑色接線柱連接，將銅片與電流計(jì)中的紅色的接線柱連接，最好用量程是0.6mA的，因?yàn)榱砍绦?，其靈敏度更高。ppt演示 講述 現(xiàn)在，我們在導(dǎo)線中間連接一個(gè)靈敏電流計(jì)，請大家注意觀察電流計(jì)上指針的變化。(操作之)。大家看到了，電流計(jì)的指針

11、發(fā)生偏轉(zhuǎn)，說明導(dǎo)線中有電流通過。因此，像這樣能將化學(xué)反應(yīng)中的化學(xué)能轉(zhuǎn)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(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的裝置。引導(dǎo) 這里，我請大家注意觀察一下，連接電流計(jì)后，電流計(jì)的偏轉(zhuǎn)方向是向順時(shí)針方向偏轉(zhuǎn)。我們根據(jù)物理學(xué)的知識，可以知道，只有當(dāng)電流從電流計(jì)的紅色接線柱進(jìn)入，從黑色接線柱流出時(shí)候，這也說明在這個(gè)反應(yīng)中鋅片是原電池的負(fù)極，銅片是原電池的正極。設(shè)問 那么，原電池裝置是如何把化學(xué)能轉(zhuǎn)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(dǎo)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(yīng)，而

12、這些電子通過外接導(dǎo)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(yīng)。我們把發(fā)生氧化反應(yīng)的一極稱為負(fù)極，把發(fā)生還原反應(yīng)的稱為正極。電流的流向是由正極流向負(fù)極。上述反應(yīng)均是在電極上進(jìn)行的，我們稱之為電極反應(yīng)。將兩個(gè)電極上的電極反應(yīng)合起來即為電池總反應(yīng)。ppt演示引導(dǎo) 這與我們剛才直接將Zn片插到稀H2SO4中的反應(yīng)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(yīng)分別在正、負(fù)兩極進(jìn)行，氧化還原反應(yīng)分別在正、負(fù)兩極進(jìn)行，還原劑(負(fù)極)失去電子，通過導(dǎo)線流向正極，轉(zhuǎn)移給氧化劑，從而產(chǎn)生電流，從而實(shí)現(xiàn)化學(xué)能向電能的轉(zhuǎn)化。

13、ppt演示 工作原理：氧化還原反應(yīng)分別在正、負(fù)兩極進(jìn)行，還原劑(負(fù)極)失去電子，通過導(dǎo)線流向正極，轉(zhuǎn)移給氧化劑，從而產(chǎn)生電流。講述 那么構(gòu)成原電池需要哪些條件呢？我們一起來探究原電池的構(gòu)成條件！板書 三、構(gòu)成條件ppt演示設(shè)問 首先，我們剛才做的實(shí)驗(yàn)中，只有鋅片插入稀硫酸能否構(gòu)成原電池？將Zn片和Cu片分開插入稀硫酸能否構(gòu)成原電池？學(xué)生 不行。兩個(gè)電極必須相互連接。ppt演示 結(jié)論1：必須有兩個(gè)相連的電極 連接形式可以直接接觸或用導(dǎo)線連接講解 沒錯(cuò)。因此，我們得到的第一個(gè)結(jié)論就是：必須有兩個(gè)相互連接的電極。但電極的連接形式可以是通過導(dǎo)線連接，也可以是直接相互接觸，因?yàn)?，直接接觸也能使電子從Zn

14、片流向Cu片，從而構(gòu)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(jì)的指針是否發(fā)生了偏轉(zhuǎn)。演示實(shí)驗(yàn) 老師演示實(shí)驗(yàn)學(xué)生 可以是活潑性不同的金屬，也可以通過金屬和非金屬構(gòu)成原電池。講解 沒錯(cuò)?；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(dǎo)電；因此電極材料必須是導(dǎo)體。而且通過觀察電流計(jì)的指針偏轉(zhuǎn)方向，我們可以判斷，活潑金屬為負(fù)極，不活潑金屬或者非金屬作為正極。當(dāng)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(jié)論2：講述 我們把連接好的鋅片和銅片

15、兩個(gè)電極放到汽油中，觀察指針偏轉(zhuǎn)情況。演示實(shí)驗(yàn) 老師演示實(shí)驗(yàn)學(xué)生 電極浸漬在汽油中的時(shí)候，指針沒有偏轉(zhuǎn)。講解 因?yàn)榱蛩崾请娊赓|(zhì)，而汽油不是電解質(zhì)。因此，構(gòu)成原電池還需要一個(gè)條件就是必須有電解質(zhì)溶液。ppt演示 結(jié)論3：必須有電解質(zhì)溶液講述 現(xiàn)在，我們用兩個(gè)相連的電極分別插在兩杯稀硫酸溶液，用導(dǎo)線將電極與電流計(jì)連接起來；觀察指針偏轉(zhuǎn)情況。如上面裝置所示，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。演示實(shí)驗(yàn) 老師演示實(shí)驗(yàn)學(xué)生 指針并未偏轉(zhuǎn)。因?yàn)樗鼈儧]有構(gòu)成一個(gè)閉合回路。講解 這就跟我們把一個(gè)電池的正極、負(fù)極分離，結(jié)果無法形成一個(gè)閉合的回路。因此，沒有電流產(chǎn)生。ppt演示 結(jié)論4：電極與電解質(zhì)溶液應(yīng)構(gòu)成閉合回路。講解 綜上所述，原電

16、池的構(gòu)成條件，我們將上述4個(gè)結(jié)論，整合成兩個(gè)必備條件。第一，必須有兩個(gè)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(gòu)成。較活潑的金屬為負(fù)極，較不活潑的金屬或非金屬為正極。第二是必須有電解質(zhì)溶液，且與兩個(gè)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(biāo)準(zhǔn)來判斷下列幾個(gè)裝置能否構(gòu)成原電池。ppt演示 學(xué)生 B能構(gòu)成原電池。Fe為負(fù)極，C為正極。A和C不能構(gòu)成原電池。講解 正確。A中兩個(gè)電極都是鐵電極，活潑性相同，無法構(gòu)成原電池。C中溶液為汽油，不是電解質(zhì)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(fù)極；C為非金屬，作為正極。講述 學(xué)習(xí)原電池的工作

17、原理和構(gòu)成條件，我們來看看它有什么應(yīng)用。一方面，我們利用原電池原理來制備各種各樣的化學(xué)電源，包括常見的干電池、蓄電池，以及我們手機(jī)中使用的鋰離子電池。ppt演示講述 此外，我們還能利用所學(xué)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(xué)過的鋼鐵的腐蝕。根據(jù)這個(gè)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(shí)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(gòu)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(zhì)碳，這就形成

18、了兩個(gè)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(zhì)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(yīng)生成Fe(OH)2，其總反應(yīng)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(xué)腐蝕的原因是不純的金屬跟電解質(zhì)溶液接觸形成原電池，較活潑的金屬失去電子被氧化而導(dǎo)致金屬的腐蝕。像這樣，由于構(gòu)成原電池而引起的電化學(xué)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(xué)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(qiáng)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(shí)驗(yàn)?zāi)M來證實(shí)上述的體系可以構(gòu)成原電池。比如，我們用鐵片和炭棒與電流計(jì)連接，直接插入水中，觀察指針的偏轉(zhuǎn)。然后，我們添加氯化鈉，觀察指針偏轉(zhuǎn)情況。演示實(shí)驗(yàn) 老師演示實(shí)驗(yàn)學(xué)生 插入水中后，指針發(fā)生偏轉(zhuǎn)。往其中添加氯化鈉后，偏轉(zhuǎn)的幅度增大。講解 如上述所說，這是因?yàn)殍F和炭棒及水溶液形成原電池，發(fā)生電化學(xué)腐蝕。而氯化鈉添加后，電流增大，因此電解質(zhì)的添加會加快電化學(xué)腐蝕。而上述的“交流與討論”中在NaCl溶液中進(jìn)行，其溶液應(yīng)為中性，發(fā)生的電化學(xué)腐蝕主要是吸氧腐蝕。生成的氫氧