高中二年級(jí)上學(xué)期化學(xué)《化學(xué)電源》教學(xué)設(shè)計(jì)

化學(xué)電源一、課標(biāo)解讀1．內(nèi)容要求認(rèn)識(shí)化學(xué)能與電能相互轉(zhuǎn)化的實(shí)際意義及其重要作用；了解常見(jiàn)的化學(xué)電源，并利用相關(guān)信息分析化學(xué)電源的工作原理。2．學(xué)業(yè)要求能列舉常見(jiàn)的化學(xué)電源，并能正確書寫有關(guān)電池的電極反應(yīng)和電池反應(yīng)。二、教材分析新教材突出對(duì)原電池模型的建構(gòu)與認(rèn)識(shí)，突出方法、模型、研究視角的構(gòu)建去引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，結(jié)合已學(xué)氧化還原反應(yīng)知識(shí)進(jìn)行探究推理，并應(yīng)用電子守恒的觀念書寫電極反應(yīng)式。發(fā)展學(xué)生多角度直觀地進(jìn)行概念和模型建構(gòu)的能力，培養(yǎng)學(xué)生“變化守恒”“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”素養(yǎng)。在對(duì)原電池工作原理、正負(fù)極區(qū)域電解質(zhì)溶液、電極材料進(jìn)一步探究的實(shí)驗(yàn)探究教學(xué)中，發(fā)展學(xué)生“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”“科學(xué)探究與創(chuàng)新意識(shí)”素養(yǎng)。從宏觀實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象入手，分析現(xiàn)象背后的微觀本質(zhì)，用電極反應(yīng)式進(jìn)行符號(hào)表征，促進(jìn)學(xué)生運(yùn)用現(xiàn)象與本質(zhì)、宏觀與微觀相結(jié)合的方法思考化學(xué)問(wèn)題、解決化學(xué)問(wèn)題，發(fā)展學(xué)生“宏觀辨識(shí)與微觀探析”素養(yǎng)。人教版舊教材中，化學(xué)電源的內(nèi)容屬于第四章第二節(jié)的內(nèi)容，在新教材中屬于選擇性必修一第四章第一節(jié)原電池的第二、第三課時(shí)的內(nèi)容，把舊教材中的第一節(jié)和第二節(jié)的內(nèi)容合并為一節(jié)，使得節(jié)奏更加緊湊。與舊教材相比，新教材將干電池的概念調(diào)后至介紹一次電池時(shí)才出現(xiàn)，編排更加合理。在對(duì)二次電池的介紹中，資料卡片的內(nèi)容刪去了鋅銀電池和鋰電池的具體內(nèi)容，改為對(duì)使用范圍更廣的鋰離子電池進(jìn)行詳細(xì)的介紹，并且將鋰離子電池的適用范圍從小型設(shè)備為主改為適用于大型儲(chǔ)能電站，表述更加準(zhǔn)確且與時(shí)俱進(jìn)，體現(xiàn)科技的進(jìn)步與社會(huì)的發(fā)展。新教材強(qiáng)調(diào)原電池的核心要素是以發(fā)生在電子導(dǎo)體間（比如金屬與離子導(dǎo)體），以電解質(zhì)溶液接觸界面上的氧化還原反應(yīng)為基礎(chǔ)，從而實(shí)現(xiàn)化學(xué)能與電能的相互轉(zhuǎn)化。與舊教材相比，表述更為嚴(yán)謹(jǐn)貼切。此外，新教材更加突出思路和方法的引導(dǎo)，更突顯培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)科素養(yǎng)。新教材更加突出要求學(xué)生在理解原電池工作原理的基礎(chǔ)上，能自行分析解釋電池的工作原理，并設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單的原電池。新教材突出對(duì)原電池模型的構(gòu)建和認(rèn)識(shí)，突出方法，模型研究的視角構(gòu)建。引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注生產(chǎn)、生活、科技及國(guó)防等領(lǐng)域中的能量變化，關(guān)注科技前沿社會(huì)熱點(diǎn)問(wèn)題。三、學(xué)情分析通過(guò)以前章節(jié)的學(xué)習(xí)，學(xué)生已經(jīng)掌握了化學(xué)反應(yīng)的自發(fā)性以及原電池的原理等理論知識(shí)，對(duì)一些簡(jiǎn)單的原電池的工作原理已經(jīng)有一定的分析能力，但是對(duì)于陌生的化學(xué)電源模型的反應(yīng)原理以及電極反應(yīng)產(chǎn)物的分析，電極反應(yīng)式的書寫還存在困難。四、素養(yǎng)目標(biāo)【學(xué)習(xí)目標(biāo)】1.能深入了解原電池的反應(yīng)原理；2.能根據(jù)原電池的工作原理分析陌生的化學(xué)電源模型的工作原理；3.能書寫化學(xué)電源的電極反應(yīng)方程式?！驹u(píng)價(jià)目標(biāo)】1.通過(guò)對(duì)原電池反應(yīng)原理的討論，診斷學(xué)生對(duì)原電池概念的掌握程度；2.通過(guò)對(duì)陌生的化學(xué)電源組成、結(jié)構(gòu)和工作原理的分析對(duì)比研究，認(rèn)識(shí)不同電池的優(yōu)點(diǎn)和缺陷，診斷并發(fā)展學(xué)生的分析推理能力；3.通過(guò)對(duì)化學(xué)電源電極反應(yīng)方程式的書寫，診斷并發(fā)展學(xué)生的證據(jù)推理能力與模型認(rèn)知素養(yǎng)。五、教學(xué)重點(diǎn)、難點(diǎn)教學(xué)重點(diǎn)：化學(xué)電源中一次電池、二次電池的反應(yīng)原理、性能及其應(yīng)用。教學(xué)難點(diǎn)：化學(xué)電源電極反應(yīng)方程式的書寫。六、教學(xué)過(guò)程環(huán)節(jié)教師活動(dòng)學(xué)生活動(dòng)溫故知新【課堂導(dǎo)入】教師引導(dǎo)學(xué)生回顧原電池模型的反應(yīng)原理等基本信息。構(gòu)成原電池，需要自發(fā)氧化還原反應(yīng)中的氧化反應(yīng)和還原反應(yīng)，在原電池裝置中被拆分成為發(fā)生在不同區(qū)域進(jìn)行的電極反應(yīng)，借助裝置中的電極材料、離子導(dǎo)體和電子導(dǎo)體，就可以將反應(yīng)物中的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能。回顧已學(xué)知識(shí)課堂引入【教師提問(wèn)】科學(xué)家在依據(jù)原電池的原理設(shè)計(jì)化學(xué)電源時(shí)要綜合考慮全面分析哪些因素？根據(jù)生活經(jīng)驗(yàn)，認(rèn)識(shí)原電池和化學(xué)電源的差別，分析科學(xué)家設(shè)計(jì)化學(xué)電源時(shí)要必須解決的問(wèn)題，比如比能量、原料、安全、成本及環(huán)保等。建立模型【教師提問(wèn)】在日常生活和學(xué)習(xí)中，大家用過(guò)哪些電池？使用電池時(shí)是否關(guān)注過(guò)電池上的標(biāo)識(shí)嗎？這些電池在工作的過(guò)程中是否發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，這些化學(xué)反應(yīng)的類型是什么？列舉日常生活中常用的化學(xué)電源?！窘處熤v解】最初的普通鋅錳干電池使用壽命短，科學(xué)家研究了使用壽命更長(zhǎng)，現(xiàn)在廣泛使用的堿性鋅錳干電池，考慮到干電池?zé)o法充電，研究人員研發(fā)了可反復(fù)使用的二次電池，電池在需求和創(chuàng)意的推動(dòng)下，不斷的向更新的方向發(fā)展，而這些化學(xué)電源的雛形都是原電池。根據(jù)已學(xué)的原電池知識(shí)，結(jié)合生活中的實(shí)際理解，對(duì)化學(xué)電源的要求與發(fā)展趨勢(shì)有初步認(rèn)識(shí)。認(rèn)識(shí)模型【教師講解】一次電池就是放電后不可再重復(fù)使用的電池。隨著使用，一次電池中能發(fā)生氧化還原反應(yīng)的物質(zhì)逐漸被消耗，這些物質(zhì)消耗到一定程度時(shí)電池就不能繼續(xù)使用。一次電池中電解質(zhì)溶液制成膠狀不流動(dòng)，也叫做干電池，市售的一次電池品種很多，除了普通鋅錳電池，還有堿性鋅錳電池，銀鋅電池等等。普通鋅錳電池是最早進(jìn)入市場(chǎng)實(shí)用的電池，電池中部由二氧化錳糊狀物，插入石墨棒作為電極材料，電池的外殼鋅筒作為還原劑，在這兩部分中間填充了由淀粉固化的氯化銨作為電解質(zhì)溶液。普通鋅錳電池工作原理存在爭(zhēng)議，其中一種觀點(diǎn)認(rèn)為，鋅錳電池在放電時(shí)發(fā)生的主要反應(yīng)為鋅和氯化銨和二氧化錳反應(yīng)生成二氯二氨合鋅和氫氧化氧錳?，F(xiàn)在請(qǐng)大家結(jié)合資料和電池構(gòu)造示意圖，分析電極反應(yīng)中的活性物質(zhì)、電極材料和離子導(dǎo)體分別是什么，并寫出正負(fù)極的電極反應(yīng)方程式。觀察普通鋅錳電池的構(gòu)造，根據(jù)已有知識(shí)書寫電極反應(yīng)方程式。對(duì)自己及其他同學(xué)書寫的電極反應(yīng)方程式給予評(píng)價(jià)。應(yīng)用模型【課堂練習(xí)】讓學(xué)生觀察圖中的細(xì)節(jié)，如介質(zhì)、內(nèi)容物等，書寫電極反應(yīng)方程式?！窘處熢u(píng)價(jià)】用實(shí)物投影展示學(xué)生練習(xí)，結(jié)合學(xué)生書寫給予評(píng)價(jià)。評(píng)價(jià)模型【教師提問(wèn)】普通鋅錳電池曾長(zhǎng)期占有市場(chǎng)，但是隨著時(shí)代的進(jìn)步，它逐漸被其他電池替代，你認(rèn)為可能的原因是什么？【教師講解】從普通鋅錳干電池的結(jié)構(gòu)示意圖可以看出，它的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，因此易于生產(chǎn)，價(jià)格低廉，這使得他曾經(jīng)在干電池市場(chǎng)上占有很大的份額，但是它的缺點(diǎn)就是存在自放電的情況。電池在不使用時(shí)，鋅會(huì)逐漸被酸性的電解質(zhì)溶液氧化，所以存放時(shí)間較短?，F(xiàn)在大家看到的就是放置不同時(shí)間后的普通干電池，可以看出它電池的腐蝕情況。聯(lián)系生活實(shí)際討論交流認(rèn)識(shí)模型【教師講解】人們?yōu)榱私鉀Q這些問(wèn)題，經(jīng)歷了漫長(zhǎng)的研究過(guò)程，直到二十世紀(jì)五十年代左右，在普通鋅錳電池的基礎(chǔ)上，研制出了堿性鋅錳電池。與普通鋅錳干池比，堿性鋅錳電池不僅容量高，壽命長(zhǎng)，還能實(shí)現(xiàn)大電流連續(xù)放電。堿性鋅錳干電池中部填充鋅粉和氫氧化鉀糊狀混合物，電池外部填充了二氧化錳和石墨粉的混合，外側(cè)包括金屬殼做電解質(zhì)材料。兩種混合物之間用離子型導(dǎo)電隔膜分割，電池中發(fā)生的總反應(yīng)是鋅和二氧化錳和水，生成氫氧化氧錳和氫氧化鋅。觀察堿性鋅錳電池的構(gòu)造，根據(jù)已有知識(shí)書寫電極反應(yīng)方程式。對(duì)自己及其他同學(xué)書寫的電極反應(yīng)方程式給予評(píng)價(jià)。應(yīng)用模型【課堂練習(xí)】現(xiàn)在請(qǐng)大家結(jié)合資料和電池構(gòu)造示意圖，分析電極反應(yīng)中的活性物質(zhì)、電極材料和離子導(dǎo)體分別是什么，并寫出正負(fù)極的電極反應(yīng)方程式。評(píng)價(jià)模型【教師講解】與普通鋅錳電池相比，堿性鋅錳電池中的活性物質(zhì)，電極材料和離子導(dǎo)體都進(jìn)行了改進(jìn)，將鋅片改為鋅粉，增加了反應(yīng)的接觸面積，加快反應(yīng)速率，提高單位時(shí)間通過(guò)截面的電量，從而增大電流，用導(dǎo)電性更好電解質(zhì)溶液KOH，減小電池的內(nèi)阻，增大工作時(shí)的電流，提高電池的電壓。聯(lián)系生活實(shí)際討論交流認(rèn)識(shí)模型【教師講解】不論是普通鋅錳電池，還是堿性鋅錳電池，都屬于一次電池，一次電池不能充電，使用后只能棄取，還有可能造成環(huán)境污染。所以人們?yōu)榱四軌蚬?jié)約資源和成本，設(shè)計(jì)并制造了可充電的二次電池。二次電池又稱為可充電電池或蓄電池，可以反復(fù)充電和放電，是電池發(fā)展的一個(gè)重要方向。二次電池放電時(shí)是一個(gè)原電池，將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，充電時(shí)是一個(gè)電解時(shí)，外加直流電源，使電池內(nèi)發(fā)生的電池反應(yīng)的逆反應(yīng)，將電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能存儲(chǔ)起來(lái)。生活中我們經(jīng)常能接觸到的鎳氫充電電池，手機(jī)電池、鉛蓄電池和新能源汽車主流動(dòng)力電池都是二次電池。應(yīng)用模型【教師講解】鉛酸蓄電池是一種常見(jiàn)的二次電池，深灰色所示的正極板，板上覆蓋有二氧化鉛。淺灰色所示的負(fù)極板上覆蓋有鉛單質(zhì)。硫酸作為電解質(zhì)溶液，鉛蓄電池的電壓穩(wěn)定，使用方便，安全可靠，價(jià)格低廉，在生產(chǎn)生活中使用廣泛。例如鉛蓄電池多用于啟動(dòng)和維持汽車用電系統(tǒng)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)?！菊n堂練習(xí)】給出鉛酸蓄電池的構(gòu)造示意圖，講解鉛酸蓄電池放電時(shí)的工作原理，讓學(xué)生書寫電極反應(yīng)方程式，并對(duì)學(xué)生的書寫進(jìn)行評(píng)價(jià)。鉛蓄電池放電的總反應(yīng)式鉛和二氧化鉛和硫酸生成硫酸鉛和水。其中硫酸鉛難溶于水，充電的反應(yīng)是上述反應(yīng)的逆過(guò)程。與書寫堿性性錳干電池電極反應(yīng)的方法相同。根據(jù)總反應(yīng)可知，鉛是還原劑，失去電子氫元素的化合價(jià)升高變?yōu)檎r(jià)。在有硫酸根離子的環(huán)境中生成難溶物硫酸鉛附著在負(fù)極材料上。觀察鉛酸蓄電池的構(gòu)造，根據(jù)已有知識(shí)書寫電極反應(yīng)方程式。評(píng)價(jià)模型【課堂討論】從鉛酸蓄電池的結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，這個(gè)電池的優(yōu)點(diǎn)體現(xiàn)在電流穩(wěn)定、使用方便、安全可靠、價(jià)格低廉。但鉛酸蓄電池也存在單位質(zhì)量輸出的電能少（比能量低），廢棄電池污染環(huán)境等缺點(diǎn)，因此適用范圍受到限制。認(rèn)識(shí)模型【教師講解】表格中給出當(dāng)轉(zhuǎn)移相同電量時(shí)的部分常見(jiàn)金屬所需要的質(zhì)量，可以看出轉(zhuǎn)移相同的電量時(shí)，金屬鋰所需要的質(zhì)量最少，符合對(duì)新型化學(xué)電源的要求，因此科學(xué)家將目光聚焦在鋰元素上，研制出了比能量高的鋰離子電池?！菊n堂討論】請(qǐng)大家結(jié)合鋰單質(zhì)的化學(xué)性質(zhì)，思考用金屬鋰做負(fù)極材料需要注意什么問(wèn)題？考慮到鋰元素位于元素周期表中第二周期第一主族，因此金屬物理有較強(qiáng)的還原性。易與水和氧氣發(fā)生反應(yīng)，所以電池中不能含水，同時(shí)電池要嚴(yán)格的密封，防止金屬鋰與空氣接觸而燃燒。結(jié)合已有知識(shí)，練習(xí)生活實(shí)際，討論交流認(rèn)識(shí)模型【教師講解】這就是目前使用較多的鋰離子電池的結(jié)構(gòu)示意圖。它的負(fù)極材料是嵌有鋰單質(zhì)的層狀結(jié)構(gòu)的石墨，正極材料是同樣具有層狀結(jié)構(gòu)的鈷酸鋰，電池放電時(shí)，負(fù)極的鋰單質(zhì)失去電子成為鋰離子從石墨層中脫出，嵌入層狀鈷酸鋰中，其放電時(shí)的總反應(yīng)如圖所示。觀察鋰離子電池的構(gòu)造，根據(jù)已有知識(shí)書寫電極反應(yīng)方程式。課堂小結(jié)通過(guò)討論我們知道基于原電池工