2019-2020年高中化学《化学能与电能的转化》教案8 苏教版选修2.doc

2019-2020年高中化学化学能与电能的转化教案8 苏教版选修2一、简介化学能转化为电能是苏教版化学2(必修)中专题2化学反应与能量转化，第三单元化学能与电能的转化的第一节内容。本节的教学重点是原电池装置工作原理和构成条件；教学难点在于引导学生理解原电池装置工作原理，即将氧化还原反应分别在正(还原)、负(氧化)两极进行，负极上失去的电子流入正极，产生电流，从而实现化学能向电能的转化。本节的设计从化学类型的角度入手，指出只有氧化还原反应具有的化学能才可能转化为电能。同时，通过探究实验和动画模拟，帮助学生理解原电池的工作原理，并通过现场演示实验引导学生推导出原电池的构成条件；同时，利用原电池原理解释生活中存在的相关现象钢铁的电化学腐蚀。二、学习者分析学习者为高一学生。学生好奇心强，思维活跃，能积极主动地学习，同时已具备一定的化学思维基础和基础实验技能，但对实验现象及结果的分析和处理能力还有一定的欠缺，需要教师不失时机的引导。此外，其年龄特点决定了他们对于直接感性的事物接触能较快的接受，而对于较抽象的概念则存在理解模糊或概念不清晰的问题。对于化学能转化为电能的主要知识点中，构成原电池的工作原理，涉及到较多需要想象的抽象思维概念，学生理解起来较为费力。因此，采用实验结合课件模拟的教学形式有利于学生更快更深刻地理解相关概念。另外，在此之前，学生已经掌握氧化还原反应的概念及化学反应中存在能量的变化和转化，是学习本节重要的知识基础。三、教学/学习目标及其对应的课程标准1. 通过实验探究，认识化学能可以转化为电能；2. 掌握原电池的工作原理和构成条件；3. 了解原电池原理在生产、生活中的实际应用。四、教学理念和教学方式教学过程是教与学的双向交流形式。因此，必须坚持师生互动、互学增知的教学理念，充分发挥学生的主体作用和教师的主导作用。化学作为一门以实验为基础的学科，其教学还应注重通过实验验证推理的科学方法，使学生亲身经历“实践-认识-再实践-再认识”的认知过程；对学生渗透对立统一规律的辨证唯物主义思想教育。采用实验法、讲授法、探究法和阅读讨论法。在教学过程中，让学生亲自动手去发现问题，并用模拟动画分别进行理论探索，推导原电池的工作原理，并总结原电池的形成条件，从而完成本节课两个知识点的教学。同时将物理学中测电流的方法应用与电极的确定，目的在于加强了化学与物理知识的综合，提高综合能力。五、教学过程 板书 化学能转化为电能讲述 我们从初中开始学习化学，就见到各种各样的化学反应方程式。幻灯片上的几个反应，是我们已经学过一些常见的化学反应。观察这些反应，并根据你们所学的知识，从反应类型看，下列哪个反应与其它三个反应不同，其特点是什么？ppt演示 学生讨论 第四个反应与其它三个反应不同，是个氧化还原反应，其特点是发生电子转移。引入 在这个反应中，锌失去电子转化成锌离子，硫酸的氢离子则得到电子生成氢气。在氧化还原反应中，存在电子的转移。而其他反应并没有电子的转移，属于非氧化还原反应。那么，存在电子的转移对于我们研究化学反应能量的转化有着重要意义。我们知道在化学反应中，常伴随着发光、发热现象的发生，这是由于化学能转化为热能和光能。除此之外，化学能还可以转化为电能或者其他形式的能量。电能的存在，必须有电子的定向移动。因此只有发生电子转移的化学反应所具有的化学能才能转化为电能。根据我们上面的分析，只有氧化还原反应，存在的电子的转移。因此，也只有氧化还原反应中的化学能可以被转化为电能。ppt演示讲述 下面，我们就通过实验来探究氧化还原反应是如何将化学能转化为电能的。讲述 在实验台上，有下列物品：锌片、铜片和稀硫酸，一个带盖的塑料盒和几个烧杯。此外，还有导线和电流表。下面请同学们依次完成下面的实验。首先，请大家按照幻灯片上的要求，将Zn片和Cu片各自插入稀H2SO4中，观察反应现象。大家可以将稀硫酸倒入到塑料盒中，大概装一半就够了。ppt演示 学生实验 学生动手操作，老师引导观察。提问 请做完实验的同学来描述一下自己观察到的现象，并做解释。学生回答 实验1中，锌片插入稀H2SO4后，锌片表面有气泡产生，生成无色无味的气体。这是因为锌是活泼的金属，在金属活动顺序表排在氢的前面，它能与稀H2SO4反应，置换出氢气。铜片插入稀H2SO4后，无明显反应现象，这是因为铜是不活泼的金属，在金属活动顺序表排在氢的后面，它不能与稀H2SO4反应，置换出氢气。实验2中，锌片和铜片同时插入稀H2SO4后，锌片表面有气泡产生，而铜片表面仍然无明显反应现象。这也是和金属活动顺序表表述是一致的。实验3中，用导线连接两块金属片后，锌片表面仍有气泡产生，但同时铜片表面也有气泡冒出。这点和我们所学的似乎有差别，不知道怎么解释。讲述 他回答得非常正确，锌是活泼金属，能与稀H2SO4反应置换出氢气。该反应的离子方程式表示如下。板书 Zn + 2H+ = Zn2+ + H2(氧化还原反应)讲述 锌片溶解形成锌离子，而溶液中的氢离子得到电子形成氢分子。反应中，锌失去电子，化合价升高；氢离子得到电子，化合价降低。反应中存在化合价的升降，因此这是一个氧化还原反应。而铜在金属活动顺序表排在氢的后面，在常温常压下，不能和稀酸反应置换出氢气。两种金属同时放入稀H2SO4后，并没有改变原先的结论。但用导线连接后，我们可以看到在铜片的表面也有大量的气泡产生了，而锌片表面的气泡则减少了，这是为什么呢？难道是连接起来后，铜片可以与稀H2SO4反应了，而锌片则不再溶解了吗？这不是违反了金属活动顺序表吗？如果我们仔细观察一段时间，就会看到锌片表面气泡虽然减少，但是，锌片体积变小了，说明锌片仍然继续溶解。我们可以写出锌片上的反应式：Zn失去电子生成Zn2+溶于溶液中，Zn是活泼金属，本身失去电子，发生氧化反应。而铜片体积没有变小且溶液的颜色并没有变蓝，这表示没有铜离子形成，铜片没有溶解，说明铜片本身并没有参加反应。但铜表面产生的气体，则是溶液中H+从铜表面得到电子后，所生成的H2，由于这里它得到电子，这属于还原反应。引导 铜片并没有溶解，也就是铜并没有失去电子，那么在它表面氢离子形成氢分子所需要的电子是怎么得到的呢？我们比较第三和第四个实验，发现两套装置的差异仅仅在于多了一跟导线，多了这根导线后，铜片表面就放出了氢气。导线可以用来连接电路，使电子能够进行定向流动。那么电子可以由谁来提供，是不是锌？锌失去电子，形成锌离子，电子可以直接进入溶液中，也可以经过导线到达铜片，然后由铜片进入溶液中。也就是锌所失去的电子经由导线达到铜片，然后提供给溶液中的氢离子形成氢分子。电子的定向移动可以用电流计测试。电子通过电流计会使其指针发生偏转。现在，请同学们在导线间接入一个电流计来验证我们刚才的推理是否正确。 请大家注意连接电流计的时候，大家用黑色的导线将锌片和电流计的黑色接线柱连接，将铜片与电流计中的红色的接线柱连接，最好用量程是0.6mA的，因为量程小，其灵敏度更高。ppt演示 讲述 现在，我们在导线中间连接一个灵敏电流计，请大家注意观察电流计上指针的变化。(操作之)。大家看到了，电流计的指针发生偏转，说明导线中有电流通过。因此，像这样能将化学反应中的化学能转化为电能的装置，我们称之为原电池。板书 一、原电池ppt演示 一、原电池：将化学能转化为电能的装置。引导 这里，我请大家注意观察一下，连接电流计后，电流计的偏转方向是向顺时针方向偏转。我们根据物理学的知识，可以知道，只有当电流从电流计的红色接线柱进入，从黑色接线柱流出时候，这也说明在这个反应中锌片是原电池的负极，铜片是原电池的正极。设问 那么，原电池装置是如何把化学能转化为电能的呢？我们一起来分析它的工作原理。板书 二、工作原理讲解 锌片和铜片用导线连接后插入稀硫酸。锌是较活泼的金属，先失去电子，得到Zn2+，发生氧化反应，而这些电子通过外接导线流向较不活泼的金属铜，铜是中性原子，不需要得到电子，而溶液中的H+在铜片表面得到锌所失去的电子，成为氢气逸出，发生还原反应。我们把发生氧化反应的一极称为负极，把发生还原反应的称为正极。电流的流向是由正极流向负极。上述反应均是在电极上进行的，我们称之为电极反应。将两个电极上的电极反应合起来即为电池总反应。ppt演示引导 这与我们刚才直接将Zn片插到稀H2SO4中的反应是一样的。由此，我们发现了原电池的工作原理是将氧化还原反应分别在正、负两极进行，氧化还原反应分别在正、负两极进行，还原剂(负极)失去电子，通过导线流向正极，转移给氧化剂，从而产生电流，从而实现化学能向电能的转化。ppt演示 工作原理：氧化还原反应分别在正、负两极进行，还原剂(负极)失去电子，通过导线流向正极，转移给氧化剂，从而产生电流。讲述 那么构成原电池需要哪些条件呢？我们一起来探究原电池的构成条件！板书 三、构成条件ppt演示设问 首先，我们刚才做的实验中，只有锌片插入稀硫酸能否构成原电池？将Zn片和Cu片分开插入稀硫酸能否构成原电池？学生 不行。两个电极必须相互连接。ppt演示 结论1：必须有两个相连的电极 连接形式可以直接接触或用导线连接讲解 没错。因此，我们得到的第一个结论就是：必须有两个相互连接的电极。但电极的连接形式可以是通过导线连接，也可以是直接相互接触，因为，直接接触也能使电子从Zn片流向Cu片，从而构成原电池。接下来，我们探究一下电极的材料有什么要求。我按照幻灯片上面的装置组装仪器，然后请大家观察电流计的指针是否发生了偏转。演示实验 老师演示实验学生 可以是活泼性不同的金属，也可以通过金属和非金属构成原电池。讲解 没错。活泼性不同的两种金属，或者一种是金属，一种是非金属，如石墨；用石墨的原因是它虽然是非金属，但也可以导电；因此电极材料必须是导体。而且通过观察电流计的指针偏转方向，我们可以判断，活泼金属为负极，不活泼金属或者非金属作为正极。当然电极材料也可以是其他材料，例如在燃料电池中采用的是多孔材料，如多孔碳，多孔镍等。ppt演示 结论2：讲述 我们把连接好的锌片和铜片两个电极放到汽油中，观察指针偏转情况。演示实验 老师演示实验学生 电极浸渍在汽油中的时候，指针没有偏转。讲解 因为硫酸是电解质，而汽油不是电解质。因此，构成原电池还需要一个条件就是必须有电解质溶液。ppt演示 结论3：必须有电解质溶液讲述 现在，我们用两个相连的电极分别插在两杯稀硫酸溶液，用导线将电极与电流计连接起来；观察指针偏转情况。如上面装置所示，进行实验。演示实验 老师演示实验学生 指针并未偏转。因为它们没有构成一个闭合回路。讲解 这就跟我们把一个电池的正极、负极分离，结果无法形成一个闭合的回路。因此，没有电流产生。ppt演示 结论4：电极与电解质溶液应构成闭合回路。讲解 综上所述，原电池的构成条件，我们将上述4个结论，整合成两个必备条件。第一，必须有两个相连的电极。电极材料可以是活泼性不同的金属或者是金属与非金属构成。较活泼的金属为负极，较不活泼的金属或非金属为正极。第二是必须有电解质溶液，且与两个电极接触，形成闭合回路。ppt演示讲述 现在请大家根据上述的标准来判断下列几个装置能否构成原电池。ppt演示 学生 B能构成原电池。Fe为负极，C为正极。A和C不能构成原电池。讲解 正确。A中两个电极都是铁电极，活泼性相同，无法构成原电池。C中溶液为汽油，不是电解质溶液。B中铁置换出CuSO4溶液的铜。铁是活泼金属，在原电池中作为负极；C为非金属，作为正极。讲述 学习原电池的工作原理和构成条件，我们来看看它有什么应用。一方面，我们利用原电池原理来制备各种各样的化学电源，包括常见的干电池、蓄电池，以及我们手机中使用的锂离子电池。ppt演示讲述 此外，我们还能利用所学知识来帮助我们解释生活中常见的一些现象，例如我们学过的钢铁的腐蚀。根据这个提示，请大家看书本P39的交流与讨论。试说明其中的原因。ppt演示 在一块表面无锈的铁片上滴上一大滴含酚酞的食盐水，放置一段时间后可以看到液滴周围逐渐呈现红色，并慢慢形成褐色的锈斑。试说明产生此现象的原因。讲解 钢铁在潮湿的空气中会很快被腐蚀。原因在于它已经构成了原电池。我们知道，钢铁不是纯净物，它的主要成分是铁，但还有杂质碳，这就形成了两个相连的电极。下雨或者空气潮湿，都会在钢铁表面形成一层薄薄的水膜，也就是电解质溶液。在铁表面，铁失去电子形成亚铁离子；碳表面则是将由铁失去的电子提供给溶液中的氧气和水，形成氢氧根离子。Fe2+和OH会反应生成Fe(OH)2，其总反应是铁与水和氧气形成Fe(OH)2。Fe(OH)2在空气中被氧化后失水形成了铁锈。因此，电化学腐蚀的原因是不纯的金属跟电解质溶液接触形成原电池，较活泼的金属失去电子被氧化而导致金属的腐蚀。像这样，由于构成原电池而引起的电化学腐蚀，存在吸收氧气的过程，我们称之为吸氧腐蚀。而如我们前面用铁和炭棒在硫酸中发生的电化学腐蚀，有氢气析出，我们称之为析氢腐蚀。通常在中性或碱性条件下，主要发生吸氧腐蚀；在强酸性条件下，主要发生析氢腐蚀。ppt演示H2O NaCl溶液讲述 我们用实验模拟来证实上述的体系可以构成原电池。比如，我们用铁片和炭棒与电流计连接，直接插入水中，观察指针的偏转。然后，我们添加氯化钠，观察指针偏转情况。演示实验 老师演示实验学生 插入水中后，指针发生偏转。往其中添加氯化钠后，偏转的幅度增大。讲解 如上述所说，这是因为铁和炭棒及水溶液形成原电池，发生电化学腐蚀。而氯化钠添加后，电流增大，因此电解质的添加会加快电化学腐蚀。而上述的“交流与讨论”中在NaCl溶液中进行，其溶液应为中性，发生的电化学腐蚀主要是吸氧腐蚀。生成的氢氧化亚铁在空气中容易被氧气氧化成氢氧化铁。氢氧化铁部分失水形成铁锈。ppt演示讲述 因此，了解原电池的工作原理不仅可以用来制备各种化学电池，还可以帮助我们解释电化学腐蚀等常见的实际问题。小结 我们一起回顾今天所学的知识体系。原电池装置需要有两个相连的电极，和电解质溶液形成闭合回路。相对活泼的金属作为负极，不活泼金属或非金属作为正极。电子由负极流向正极，从而产生电流，将化学能转化为电能。ppt演示作业 今天，我们通过实验学习了原电池的工作原理，并总结了它的构成条件。回去请大家完成两份作业，第一是动手题，请大家搜集废干电池并拆开，弄清它的构造及原理；第二是动脑题，请同学们完成书本P43第3题。作业