第四章化學反應與電能第一單元原電池一、單元概覽一、單元概覽本單元通過對原電池的學習，繼續(xù)發(fā)展“宏觀辨識與微觀探析”“科學探究與創(chuàng)新意識”化學學科核心素養(yǎng)，重點發(fā)展“變化觀念與平衡思想”“證據(jù)推理與模型認知”“科學態(tài)度與社會責任”化學學科核心素養(yǎng)。核心素養(yǎng)發(fā)展重點內(nèi)容要求學業(yè)要求變化觀念與平衡思想認識到化學能能夠轉(zhuǎn)化成電能，并能利用這種能量轉(zhuǎn)化實現(xiàn)能量的儲存和再利用以及物質(zhì)的轉(zhuǎn)化。能在宏觀、微觀層面分析化學能與電能相互轉(zhuǎn)化的原理。1.認識化學能與電能相互轉(zhuǎn)化的實際意義及其重要應用。2.了解原電池及常見化學電源的工作原理。1.能分析、解釋原電池的工作原理，能設計簡單的原電池。2.能列舉常見的化學電源，并能利用相關(guān)信息分析化學電源的工作原理。3.能舉例說明化學在解決能源危機中的重要作用，能分析能源的利用對自然環(huán)境和社會發(fā)展的影響。4.能綜合考慮化學變化中的物質(zhì)變化和能量變化來分析、解決實際問題，如煤炭的綜合利用、新型電池的開發(fā)等。證據(jù)推理與模型認知構(gòu)建對化學能與電能相互轉(zhuǎn)化的原理和裝置的認識模型，并能基于該認識模型分析陌生的化學電池的工作原理、設計電池，實現(xiàn)能量轉(zhuǎn)化或物質(zhì)轉(zhuǎn)化。科學態(tài)度與社會責任能從能源利用率、環(huán)境保護等角度綜合考慮，提出利用化學變化實現(xiàn)能量儲存和釋放的有實用價值的建議。單元整體設計構(gòu)思：本單元主要討論化學反應與電能的有關(guān)問題，從而完整、全面地落實課程標準中選擇性必修1的主題1“化學反應與能量”的教學內(nèi)容和要求。在單元編排方面，注重理論與實際的緊密聯(lián)系，一方面通過分析和說明電化學裝置（原電池）及其工作原理，揭示其中的化學能與電能的聯(lián)系；另一方面通過常見的化學電源、電解、電鍍、電冶金和金屬腐蝕與防護等教學內(nèi)容，將上述化學反應原理應用于科研、生產(chǎn)和生活之中。本單元整體構(gòu)思如下。單元教學目標：（1）能運用原電池思維模型分析其工作原理，體會變化與守恒思想。（2）形成并應用原電池工作原理的認識模型；知道原電池的構(gòu)成要素，并能從其分析解決原電池的設計問題。（3）認識常見化學電池的工作原理和不同類化學電源的特點；學會復雜電極反應方程式書寫的方法。（4）體會環(huán)境中氧氣在空氣電池中的作用；體會設計電池過程中，原理與技術(shù)的應用；鞏固分析原電池相關(guān)問題的角度和思路。3.課時安排：建議3課時二、情境與任務二、情境與任務情境：汽車等機動車往往需要配備電池，人造衛(wèi)星、宇宙飛船等必須攜帶電池，人們在日常生活中也經(jīng)常要使用電池……這些足以說明電池的重要作用。現(xiàn)在，為滿足人們生產(chǎn)和生活水平不斷提高的需要，性能優(yōu)異的新型電池相繼出現(xiàn)，例如，比亞迪汽車公司使用磷酸鐵鋰電池可以滿足“充電一小時，續(xù)航500公里”等。那么，電池究竟是一種什么樣的裝置？它們在工作時，裝置中發(fā)生了什么變化？在生產(chǎn)實踐中，人們是如何利用電能的呢？離子交換膜在電化學工業(yè)中的應用如何？任務及任務分解：課時任務第1課時【任務一】探究電流產(chǎn)生的秘密——原電池的構(gòu)成條件【任務二】探究如何產(chǎn)生穩(wěn)定的電流——原電池工作原理【任務三】應用認知模型解決問題——隔膜型原電池第2課時【任務一】認識一次電池——干電池【任務二】認識二次電池——鉛蓄電池【任務三】認識燃料電池【任務四】廢舊電池的回收問題第3課時【任務一】鹽水小汽車電池工作原理分析【任務二】認識不同的汽車動力電池【任務三】認識鋰電池發(fā)展史【任務四】二次鋰離子電池的工作原理問題以及廢舊鋰離子電池的回收問題三、三、資源與支持訓練1．從能量轉(zhuǎn)化的特點引出鋅銅原電池裝置學生已經(jīng)知道，把銅片和鋅片置于稀硫酸中并用導線連接起來可以獲得電流。必修階段的教學要求是“以原電池為例，認識化學能可以轉(zhuǎn)化為電能，從氧化還原反應的角度初步認識原電池的工作原理”，所以，在教學中教師引導學生重點關(guān)注的是電流表指針會發(fā)生偏轉(zhuǎn)，而對于其中的電流不穩(wěn)定、溶液溫度升高等現(xiàn)象及其產(chǎn)生的原因并沒有進行探討。在本節(jié)內(nèi)容的教學中，教師可利用該實驗引入，并用溫度計測量反應過程中溶液的溫度變化。實驗中注意引導學生關(guān)注負極表面的變化及電流的穩(wěn)定性，以獲得該體系中化學能沒有完全轉(zhuǎn)化為電能的實驗證據(jù)。圍繞此實驗，可組織學生討論以下問題。（1）該裝置中發(fā)生了哪些能量轉(zhuǎn)化？（2）在正極、負極上分別發(fā)生了什么反應？（3）電流是否衰減？如果是，衰減的原因可能是什么？（4）你能否設計防止電流衰減的裝置？在評價學生設計的實驗裝置的基礎上，教師可以演示教材中的實驗4－1，幫助學生明確鋅銅原電池中各組成部分的功能，梳理鋅銅原電池的工作原理。2．精心設計學習活動，助力原電池思維模型的建構(gòu)與應用在必修階段，學生對原電池往往會存在很多模糊認識。例如，負極材料必須參與電極反應，鋅與稀硫酸接觸引發(fā)了電池反應才產(chǎn)生電流等。教學中可結(jié)合實物、圖畫或?qū)嶒瀯?chuàng)設真實情境，組織學生開展分析解釋、推理預測、設計評價等學習活動，轉(zhuǎn)化認識偏差，促使學生認識到電極反應、電極材料、離子導體、電子導體是原電池構(gòu)成的基本要素，逐步建立系統(tǒng)分析原電池的思路。（1）完善原電池思維模型可以讓學生觀察教材中給出的鋅銅原電池裝置，預測該裝置能否產(chǎn)生電流，并說明原因。之后讓學生進行實驗來驗證預測，同時結(jié)合教材中的第一個“思考與討論”中的問題，梳理鋅銅原電池的工作原理，如圖4－1所示。圖4－1鋅銅原電池的工作原理示意圖明確鋅銅原電池的工作原理后，可引導學生結(jié)合第二個“思考與討論”中的問題進行抽象概括，歸納出原電池裝置中各組成要素的功能，將構(gòu)成原電池的四要素進行有序關(guān)聯(lián)，結(jié)合本章“整理與提升”的內(nèi)容，建立對原電池工作過程動態(tài)的系統(tǒng)分析思路，如圖4－2所示。由此完成原電池思維模型的建構(gòu)。圖4－2原電池工作原理示意圖（2）應用思維模型，分析或設計原電池可以參考如下教學活動。活動一：展示教材中的氫氧燃料電池工作原理示意圖，讓學生分析該燃料電池的工作原理，認識質(zhì)子交換膜的作用，培養(yǎng)他們的遷移能力。活動二：展示NOx傳感器的工作原理示意圖（如圖4－3），分析電極反應，建立原電池裝置與電極反應之間的關(guān)聯(lián)，認識原電池原理在實現(xiàn)物質(zhì)轉(zhuǎn)化、檢測NOx等解決實際問題中的應用。圖4－3NOx傳感器工作原理示意圖活動三：依據(jù)反應2Fe3+＋2I－＝I2＋2Fe2+，設計原電池，實現(xiàn)化學能轉(zhuǎn)化為電能，并概括設計原電池的一般思路，即：分析氧化反應和還原反應→與電極反應相對應→選擇電極材料→選擇正極區(qū)、負極區(qū)的電解質(zhì)溶液。活動四：結(jié)合教材中的“研究與實踐”，布置課外活動。這些活動，對于學生理解并運用原電池的思維模型具有重要的作用。3．剖析化學電源，認識電池構(gòu)成的四要素，體會變化與守恒思想在日常生活中，化學電源比比皆是。如何讓學生將所學習的原電池原理應用于各種化學電源呢？教學中可設計解構(gòu)鋅錳電池的活動：由學生解剖一款干電池，觀察電池內(nèi)部各物質(zhì)的性狀，與構(gòu)成原電池的四要素進行一一對應，推測電極反應，并通過實驗來驗證。再展示教材中堿性鋅錳電池的構(gòu)造示意圖，讓學生分析該電池各組成部分的功能及產(chǎn)生電流的原因，培養(yǎng)學生運用原電池思維模型分析、解決實際問題的能力。在進行書寫電極反應與電池反應的教學時，要注意挖掘其中蘊含的變化與守恒思想。可結(jié)合教材中的“方法導引”欄目，同時引導學生關(guān)注介質(zhì)對電極產(chǎn)物的影響。例如，氫氧燃料電池（電解質(zhì)溶液為堿性）電極反應的分析思路為：先確定電極上的反應物和產(chǎn)物，再依據(jù)化合價的變化確定得到或失去的電子數(shù)目，然后根據(jù)電子得失守恒書寫總反應。具體來說，H2在負極上失去電子生成H＋，H＋與電解質(zhì)溶液中的OH－結(jié)合生成H2O，所以負極反應為H2－2e－＋2OH－＝2H2O，而不能書寫為H2－2e－＝2H＋；O2在正極上得到電子，正極反應為O2＋4e－＋2H2O＝4OH－；因為H2在負極失去電子的數(shù)目等于O2在正極得到電子的數(shù)目，所以電池總反應為2H2＋O2＝2H2O。建議在進行化學電源（如堿性鋅錳電池、鉛酸蓄電池、甲烷燃料電池等）的教學時，采用多種教學方式培養(yǎng)學生的正向和逆向思維，以強化變化與守恒思想。例如，可給出化學電源，讓學生書寫電極反應和電池總反應，也可給出電池總反應，由學生分析其正極、負極及所發(fā)生的電極反應。4．介紹電