第四章第二節(jié)化學(xué)電源教學(xué)設(shè)計(jì)

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第二節(jié) 化學(xué)電源 一、教材分析 通過以前章節(jié)的學(xué)習(xí)，學(xué)生已經(jīng)掌握了能量守恒定律、化學(xué)反應(yīng)的限度、化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行的方向和化學(xué)反應(yīng)的自發(fā)性、以及原電池的原理等理論知識(shí)，為本節(jié)的學(xué)習(xí)做好了充分的理論知識(shí)準(zhǔn)備?；瘜W(xué)電池是依據(jù)原電池原理開發(fā)的具有很強(qiáng)的實(shí)用性，和廣闊的應(yīng)用范圍的技術(shù)產(chǎn)品。本節(jié)的教學(xué)是理論知識(shí)在實(shí)踐中的延伸和拓展，將抽象的理論和學(xué)生在日常生 活中積累的感性體驗(yàn)聯(lián)系起來，幫助學(xué)生進(jìn)一步的深入認(rèn)識(shí)化學(xué)電池。 現(xiàn)代科技的飛速發(fā)展也帶動(dòng)了電池工業(yè)的進(jìn)步，各種新型的電池層出不窮。教材選取具有代表性的三大類電池，如生活中最常用的一次電池（堿性鋅錳電池）、二次電池（鉛蓄電池）、和在未來有著美好應(yīng)用前景燃料電池。簡(jiǎn)介了電池的基本構(gòu)造，工作原理，性能和 適用范圍。同時(shí)向?qū)W生滲透綠色環(huán)保的意識(shí)。 二、教學(xué)目標(biāo) 1．知識(shí)目標(biāo)： (1)知道日常生活中常用的化學(xué)電源和新型化學(xué)電池； (2)認(rèn)識(shí)一次電池、二次電池、燃料電池等幾類化學(xué)電池； (3) 會(huì)書寫常用化學(xué)電池的電極反應(yīng)式及總反應(yīng)式。 2．能力目標(biāo)： 培養(yǎng)學(xué)生觀察、分析、整理、歸納總結(jié)、探究等能力。 3．情感、態(tài)度和價(jià)值觀目標(biāo)： 感悟研制新型電池的重要性以及化學(xué)電源可能會(huì)引起的環(huán)境問題，初步形成較為客觀、正確的能源觀，增強(qiáng)學(xué)生的環(huán)保意識(shí)。 三、教學(xué)重點(diǎn)難點(diǎn) 重點(diǎn)：化學(xué)電源的結(jié)構(gòu)及電極反應(yīng)的書寫 難點(diǎn)：化學(xué)電源的結(jié)構(gòu)及電極反應(yīng)的書寫 四、學(xué)情分析 在化學(xué)2中學(xué)生已學(xué)習(xí)了氧化還原反應(yīng)的初步知識(shí)，前一節(jié)又已經(jīng)學(xué)過原電池的基本內(nèi)容，知道原電池的定義，形成條件，簡(jiǎn)單得電極反應(yīng)等，所以在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步學(xué)習(xí)化學(xué)電源的知識(shí)。 學(xué)生能通過對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的觀察、有關(guān)數(shù)據(jù)的分析和得出相關(guān)結(jié)論，具有一定的觀察能力、實(shí)驗(yàn)?zāi)芰退季S能力。 五、教學(xué)方法 1．實(shí)驗(yàn)探究與啟發(fā)討論法。 2．學(xué)案導(dǎo)學(xué)：見后面的學(xué)案。 3．新授課教學(xué)基本環(huán)節(jié)：預(yù)習(xí)檢查、總結(jié)疑惑→情境導(dǎo)入、展示目標(biāo)→合作探究、精講點(diǎn)撥→反思總結(jié)、當(dāng)堂檢測(cè)→發(fā)導(dǎo)學(xué)案、布置預(yù)習(xí) 六、課前準(zhǔn)備 1．學(xué)生的學(xué)習(xí)準(zhǔn)備：初步把握實(shí)驗(yàn)的原理和方法步驟。 2．教師的教學(xué)準(zhǔn)備：多媒體課件制作，課前預(yù)習(xí)學(xué)案，課內(nèi)探究學(xué)案，課后延伸拓展學(xué)案。 七、課時(shí)安排：1課時(shí) 八、教學(xué)過程 組織教學(xué)導(dǎo)入新課 一、化學(xué)電池的種類 介紹化學(xué)電池的種類： 【指導(dǎo)學(xué)生交流】 1．干電池：普通鋅錳干電池的簡(jiǎn)稱，在一般手電筒中使用鋅錳干電池，是用鋅皮制成的鋅筒作負(fù)極兼做容器，中央插一根碳棒作正極，碳棒頂端加一銅帽。在石墨碳棒周圍填滿二氧化錳和炭黑的混合物，并用離子可以通過的長(zhǎng)纖維紙包裹作隔膜，隔膜外是用氯化鋅、氯化銨和淀粉等調(diào)成糊狀作電解質(zhì)溶液；電池頂端用蠟和火漆封口。在石墨周圍填充ZnCl2、NH4Cl和淀粉糊作電解質(zhì)，還填有MnO2作去極化劑(吸收正極放出的H2，防止產(chǎn)生極化現(xiàn)象，即作去極劑)，淀粉糊的作用是提高陰、陽離子在兩個(gè)電極的遷移速率。 【教師講解】 電極反應(yīng)為：負(fù)極 Zn－2 e-＝Zn2+ 正極 2NH+4＋2 e-＝2NH3＋H2 H2＋2MnO2＝Mn2O3＋H2O 正極產(chǎn)生的NH3又和ZnCl2作用：Zn2+＋4NH3＝[Zn(NH3)4]2+ 干電池的總反應(yīng)式：Zn＋2NH4Cl＋2MnO2＝Zn(NH3)2Cl2＋Mn2O3＋H2O 或 2Zn＋4NH4Cl＋2MnO2＝[Zn(NH3)2]Cl2＋ZnCl2＋Mn2O3＋H2O 正極生成的氨被電解質(zhì)溶液吸收，生成的氫氣被二氧化錳氧化成水。干電池的電壓1.5 V—1.6 V。在使用中鋅皮腐蝕，電壓逐漸下降，不能重新充電復(fù)原，因而不宜長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)使用。這種電池的電量小，在放電過程中容易發(fā)生氣漲或漏液。而今體積小，性能好的堿性鋅—錳干電池是電解液由原來的中性變?yōu)殡x子導(dǎo)電性能更好的堿性，負(fù)極也由鋅片改為鋅粉，反應(yīng)面積成倍增加，使放電電流大加幅度提高。堿性干電池的容量和放電時(shí)間比普通干電池增加幾倍。 2．鉛蓄電池：鉛蓄電池可放電亦可充電，它是用硬橡膠或透明塑料制成長(zhǎng)方形外殼，在正極格板上附著一層PbO2，負(fù)極格板上附著海綿狀金屬鉛，兩極均浸在一定濃度的硫酸溶液中，且兩極間用微孔橡膠或微孔塑料隔開。放電的電極反應(yīng)為： 負(fù)極：Pb＋SO42-－2e- ＝PbSO4↓ 正極：PbO2＋4H+＋SO42-＋2e- ＝PbSO4↓＋2H2O 鉛蓄電池的電壓正常情況下保持2.0 V，當(dāng)電壓下降到1.85 V時(shí)，即當(dāng)放電進(jìn)行到硫酸濃度降低，溶液密度達(dá)1.18 g / cm3時(shí)即停止放電，而需要將蓄電池進(jìn)行充電，其電極反應(yīng)為： 陽極：PbSO4＋2H2O－2e- ＝PbO2＋4H+＋SO42- 陰極：PbSO4＋2e- ＝Pb＋SO42- 當(dāng)密度增加至1.28 g / cm3時(shí)，應(yīng)停止充電。這種電池性能良好，價(jià)格低廉，缺點(diǎn)是比較笨重。 放電 充電 蓄電池放電和充電的總反應(yīng)式：PbO2＋Pb＋2H2SO4 2PbSO4↓＋2H2O 目前汽車上使用的電池，有很多是鉛蓄電池。由于它的電壓穩(wěn)定，使用方便、安全、可靠，又可以循環(huán)使用，因此廣泛應(yīng)用于國(guó)防、科研、交通、生產(chǎn)和生活中。 3．銀鋅蓄電池 銀鋅電池是一種高能電池，它質(zhì)量輕、體積小，是人造衛(wèi)星、宇宙火箭、空間電視轉(zhuǎn)播站等的電源。目前，有一種類似干電池的充電電池，它實(shí)際是一種銀鋅蓄電池，電解液為KOH溶液。 常見的鈕扣電池也是銀鋅電池，它用不銹鋼制成一個(gè)由正極殼和負(fù)極蓋組成的小圓盒，盒內(nèi)靠正極盒一端充由Ag2O和少量石墨組成的正極活性材料，負(fù)極蓋一端填充鋅汞合金作負(fù)極活性材料，電解質(zhì)溶液為KOH濃溶液，溶液兩邊用羧甲基纖維素作隔膜，將電極與電解質(zhì)溶液隔開。 負(fù)極：Zn＋2OH-－2e- ＝Zn(OH)2 正極：Ag2O＋H2O＋2e- ＝2Ag＋2OH- 銀鋅電池跟鉛蓄電池一樣，在使用(放電)一段時(shí)間后就要充電，充電過程表示如下： 陽極：2Ag＋2OH-－2e- ＝Ag2O＋H2O 陰極：Zn(OH)2＋2e- ＝Zn＋2OH- 放電 充電 總反應(yīng)式：Zn＋Ag2O＋H2O Zn(OH)2＋2Ag 一粒鈕扣電池的電壓達(dá)1.59 V，安裝在電子表里可使用兩年之久。 4．燃料電池：燃料電池是使燃料與氧化劑反應(yīng)直接產(chǎn)生電流的一種原電池，所以燃料電池也是化學(xué)電源。它與其它電池不同，它不是把還原劑、氧化劑物質(zhì)全部貯存在電池內(nèi)，而是在工作時(shí)，不斷地從外界輸入，同時(shí)把電極反應(yīng)產(chǎn)物不斷排出電池。因此，燃料電池是名符其實(shí)地把能源中燃料燃燒反應(yīng)的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能的“能量轉(zhuǎn)換器”。燃料電池的正極和負(fù)極都用多孔炭和多孔鎳、鉑、鐵等制成。從負(fù)極連續(xù)通入氫氣、煤氣、發(fā)生爐煤氣、水煤氣、甲烷等氣體；從正極連續(xù)通入氧氣或空氣。電解液可以用堿(如氫氧化鈉或氫氧化鉀等)把兩個(gè)電極隔開?；瘜W(xué)反應(yīng)的最終產(chǎn)物和燃燒時(shí)的產(chǎn)物相同。燃料電池的特點(diǎn)是能量利用率高，設(shè)備輕便，減輕污染，能量轉(zhuǎn)換率可達(dá)70%以上。 當(dāng)前廣泛應(yīng)用于空間技術(shù)的一種典型燃料電池就是氫氧燃料電池，它是一種高效低污染的新型電池，主要用于航天領(lǐng)域。它的電極材料一般為活化電極，碳電極上嵌有微細(xì)分散的鉑等金屬作催化劑，如鉑電極、活性炭電極等，具有很強(qiáng)的催化活性。電解質(zhì)溶液一般為40%的KOH溶液。 電極反應(yīng)式為：負(fù)極 H22H 2H＋2OH-－2 e-＝2H2O 正極 Ｏ2＋2H2O＋4 e-＝4OH- 電池總反應(yīng)式為：2H2＋Ｏ2＝2H2O 另一種燃料電池是用金屬鉑片插入KOH溶液作電極，又在兩極上分別通甲烷(燃料)和氧氣(氧化劑)。電極反應(yīng)式為： 負(fù)極：CH4＋10OH－－8e- ＝CO32-＋7H2O； 正極：4H2O＋2O2＋8e- ＝8OH-。 電池總反應(yīng)式為：CH4＋2O2＋2KOH＝K2CO3＋3H2O 目前已研制成功的鋁—空氣燃料電池，KOH溶液作電解液它的優(yōu)點(diǎn)是：體積小、能量大、使用方便、不污染環(huán)境、耗能少。這種電池可代替汽油作為汽車的動(dòng)力，還能用于收音機(jī)、照明電源、野營(yíng)炊具、野外作業(yè)工具等。 【想一想】電極反應(yīng)式如何寫？ 二、典型實(shí)例 例1．（2000年全國(guó)高考理綜題）熔融鹽燃料電池具有高的發(fā)電效率，因而受到重視，可用Li2CO3和Na2CO3的熔融鹽 混合物作電解質(zhì)，CO為陽極燃?xì)?，空氣與CO2的混合氣體為陰極助燃?xì)?，制得?50℃下工作的燃料電池，完成有關(guān)的電池反應(yīng)式： 陽極反應(yīng)式：2CO+2CO32--4e-== 4CO2 陰極反應(yīng)式：_________________， 電池總反應(yīng)式：_______________。 例2．（1999年全國(guó)高考化學(xué)題）氫鎳電池是近年開發(fā)出來的可充電電池，它可以取代會(huì)產(chǎn)生污染的銅鎳電池。氫鎳電池的總反應(yīng)式是： (1/2)H2+NiO(OH) Ni(OH)2 根據(jù)此反應(yīng)式判斷下列敘述中正確的是（ ） A．電池放電時(shí)，電池負(fù)極周圍溶液的pH不斷增大 　B．電池放電時(shí)，鎳元素被氧化 C．電池充電時(shí)，氫元素被還原　　　　　　　　　 D．電池放電時(shí)，H2是負(fù)極 5