高中化学苏教版选修四《化学电源》教学设计

高中化学苏教版选修四《化学电源》教学设计一、教学背景分析1、教材分析《化学电源》是高中化学教材苏教版选修四《化学反应原理》专题1《化学反应与能量变化》中第二单元“化学能与电能的转化”内容。该单元内容依次包括“原电池的工作原理”、“化学电源”、“电解池的工作原理及应用”。“化学电源”是在学习了原电池的工作原理之后，是对原电池工作原理的具体应用。本内容的课标要求是“了解常见的化学电源的种类及工作原理，认识化学能与电能相互转化的实际意义及其重要应用”。本课时主要是让学生了解几种常见的化学电源在社会生产中的应用；通过纯电动汽车中电源的发展史认识电池由一次电池、二次电池到连续电池的发展历程。通过对碱性锌锰干电池、铅酸蓄蓄电池和燃料电池的深入学习进一步理解原电池的原理并书写复杂的电极反应式；在感受化学电源的发展给人带来方便的同时认识电池对环境造成的污染，增强环保意识。2、学情分析教学对象是高二选考化学的学生，该阶段的学生已经在必修教材《化学2》学习中掌握了原电池的概念、原理、构成条件；在《化学2》拓展视野中也介绍了常见的化学电源、燃料电池的组成和反应原理。本单元前两节的学习中，感受了从伏打电池到盐桥原电池的改进过程。这些都为学生学习本节课内容提供了一定的知识理论基础、学习方法和探究思路。同时该阶段的学生具有一定的归纳整合能力；同时学生在生活中积累了一定的使用化学电源的经验，并比较喜欢学以致用和科技发展历史及前沿知识，对本节课内容学习积极性较高。二、教学目标1.知识与技能：a)了解一次电池，二次电池，燃料电池的反应原理，性能及其应用；会判断电池的优劣。b)深入理解电化学原理及正确书写电极反应式2.过程与方法：通过问题探究、思考辅助以动画、讨论、归纳等手段，夯实电化学基础，并培养学生分类、对比、归纳与演绎、表达及分析能力，增强实际解决问题的能力及创新精神。3.情感态度价值观：以电动汽车中使用的化学电源为主线，通过认识化学电源发展史及在人类生产、生活中的重要地位，体验科学家改进化学电源的历程；了解环境保护在生产生活中的重要作用，注重理论联系实际、获取信息及处理应用的能力。三、教学重、难点教学重点：一次电池，二次电池，燃料电池的反应原理、性能及其应用教学难点：化学电池的反应原理及电极反应式的正确书写重难点突破策略：通过电动汽车的发展历程导出生活中同学们熟悉的各种电池的发展过程，将各类电池的结构、工作原理以动画形式展示，依次引导分析各种化学电源的原理，电池的缺陷，通过课堂提问、讨论交流将各类电池反应原理、性能进行分析、归纳总结，让学生主动对化学电池的反应原理进行建构。四、教学过程教学环节教学活动学生活动设计意图课堂导入电动汽车为新时代的大趋势，化学电源则为电动汽车的核心【思考】电动汽车比燃油汽车的优势，关注化学电源的主题引出主题，激发学习兴趣。环节一：一次电池【资料展示】电动汽车的发展史1873年戴维森首次发明的实用性电动汽车使用铁、锌、汞合金与硫酸进行反应的一次电池，比汽油发动机汽车早了10年以上。【提问】戴维森的汽车发明的时间早，为何没有得到推广？【提问】戴维森所用的电源有哪些缺陷？可以从哪些方面改进呢？【提问】你知道现在生活中哪些地方使用的是一次电池？【交流讨论】【回答】“一次电池”中参加氧化还原反应的大部分物质被消耗后，不能再使用。制约了戴维森汽车的发展。【回答】缺陷：电解质为硫酸溶液，易漏液，不便于携带，不能循环使用，工作持续性差，电压小、污染环境等改进：将电解质制成固体、采用无毒无污染的材料【回答】手电筒中使用的干电池、电子表和计算器等使用的纽扣电池培养学生的语言表达能力；培养学生的创新思维能力；【动画展示】普通锌锰干电池的构造【图片对比展示】锌锰干电池、碱性锌锰干电池的构造示意图【提问】对比分析两种干电池在组成和构造上有何异同？【提问】已知碱性锌锰干电池总反应：Zn(s)+2MnO2(s)+2H2O(l)=2MnOOH(s)+Zn(OH)2(s)(1)请用双线桥表示放电时电子转移情况(2)分析正负极反应物和产物并书写电极反应式【提问】若负极写成：Zn-2e-=Zn2+是否正确？为什么？【提问】为什么MnO2中的氧是与水结合生成MnOOH和OH-，而不是与H+结合生成水呢？【观察思考】认识干电池的构造、对比分析【回答】同：正负极都是MnO2、Zn异：电解质前者为中性、后者为碱性；前者外壳是Zn片，后者是金属外壳，负极是Zn粉等【思考】【书写】失2e-Zn(s)+2MnO2(s)+2H2O(l)=2MnOOH(s)+Zn(OH)2(s)得2e-负极：Zn+2OH--2e-=Zn(OH)2正极：2MnO2+2H2O+2e-=2MnOOH+2OH-【交流讨论】【回答】电解质是碱性环境，存在大量OH-，所以Zn2+立即与OH-反应生成Zn(OH)2沉淀【回答】电解质是碱性环境，不存在大量H+，MnO2中的氧只能与水结合培养学生观察对比分析整合表达能力引导、渗透由总反应书写电极反应式的方法强调电解质溶液的酸碱性【提问】结合两种干电池的结构分析用碱性锌锰干电池代替普通锌锰干电池的好处有哪些？【交流讨论】普通锌锰干电池使用过程中锌皮腐蚀、气胀、漏液等；碱性锌锰干电池中锌片改为锌粉增大反应面积，电流增大，电压稳定，放电时间长，使用金属外壳防漏液等培养整合、表达的能力【展示资料】银锌纽扣电池的构造示意图：电极分别为Ag2O和Zn，电解质溶液是KOH,两极分别生成Ag和Zn(OH)2【提问】书写和电池反应方程式电极反应式【交流讨论】书写总反应：Ag2O+Zn+H2O=Ag+Zn(OH)2负极：Zn+2OH--2e-=Zn(OH)2正极：Ag2O+2e-+H2O=Ag+2OH-巩固练习环节环节二：二次电池【资料展示】1881年，特鲁夫电动三轮车的动力装置由一台电动机和六节铅酸蓄电池组成，加上乘员后的总重量达160公斤，时速仅12公里【图片展示】铅酸蓄电池放电前、后电池剖面的构造【提问】已知总反应：Pb(s)+PbO2(s)+2H2SO4(aq)=2PbSO4(s)+2H2O(l)结合示意图分析铅酸蓄电池的正负极反应，并书写电极反应式【提问】若负极反应写成Pb-2e-=Pb2+合不合理？【提问】放电后，电解质溶液浓度【阅读】认识二次电池、初步分析铅酸蓄电池特点【思考】借助双线桥分析得失电子情况【书写】电极反应：(放电时)负极：Pb+SO42--2e-=PbSO4正极：PbO2+4H++SO42-+2e-=PbSO4+2H2O【回答】电解质溶液是硫酸，PbSO4难溶【回答】放电时消耗硫酸，放电后硫酸浓度减小【思考】根据动画信息书写电极反应式进一步培养应用知识研究实际问题能力强调电解质环境如何变化？【动画展示】铅酸蓄电池充电过程【提问】用电极反应式表示铅酸蓄电池充电的反应原理电极反应：(充电时)不能自发进行阴极：PbSO4+2e-=Pb+SO42-阳极：PbSO4+2H2O-2e-=PbO2+4H++SO42-【提问】铅酸蓄电池在应用中存在哪些优缺点？【交流讨论】优点：可多次重复使用、价格低廉、原材料易于获得缺点：比能量低、笨重、体积大、铅易造成污染环境等培养语言表达能力和归纳能力【资料展示】1997年，丰田开始出售E-com微型电动车。它使用镍氢蓄电池为动力源，最高时速100公里，每次充电2小时便可行驶120公里。【提问】已知镍氢蓄电池总反应为MH+NiO（OH）⇌Ni(OH)2+M（M表示储氢金属或合金）请书写放电时正负极反应式【思考】借助双线桥分析，Ni元素化合价降低，发生还原反应，作正极，则MH做负极。由反应产物判断电解质为碱性环境负极：MH-e-+OH-=H2O+M正极：NiO(OH)+H2O+e-=OH-+Ni(OH)2拓展其他类型的二次电池环节三、燃料电池【资料展示】2003年，同济大学燃料电池车研发团队成功研制中国第一辆燃料电池轿车“超越一号”，该车搭载了国内自主研制的30千瓦质子交换膜燃料电池，采用高压氢气作为燃料。【动画展示】展示氢氧料电池工作动画（中性介质）【提问】根据动画书写该燃料电池电极反应式及总反应式【提问】若电解质溶液改为硫酸，两极产物有何不同？写出电极反应式。【追问】改为氢氧化钾溶液呢？【阅读】明确分析内容【思考】【书写】氢氧燃料电池电极反应式【观察】【书写】负极：2H2-4e-=4H+正极：O2+2H2O+4e-=4OH-总：2H2+O2=2H2O酸性介质电极反应：负极：2H2-4e-=4H+正极：O2+4H++4e-=2H2O碱性介质的电极反应：负极：2H2+4OH-4e-=4H2O正极：O2+2H2O+4e-=4OH-复习巩固书写不同条件下氢氧燃料电池的电极反应【提问】燃料电池相比铅酸电池有哪些优点？推广使用中有哪些限制因素？【交流讨论】【归纳回答】优点：能量转换率高、绿色环保限制因素：制备氢气成本高、储氢设备要求高、氢气存在安全隐患、膜的成本高、需连续供给反应物，排除生成物等培养语言表达能力和归纳能力【提问】除了氢气之外，你觉得哪【思考归纳】CO、CH4、CH3OHC2H5OH、N2H4等气体或液体拓展其他燃料些材料也可以做燃料电池？【资料】一种燃料电池酒精检测仪【提问】从图中可以获得哪些信息？用电极反应式表示其工作原理【思考】酸性环境、正极反应物为氧气，产物为水；负极反应物为乙醇，产物为醋酸【书写】正极：O2+4e-+4H+=2H2O负极：CH3CH2OH+3H2O-12e-=2CH3COOH+12H+电池的种类；落实巩固复杂燃料电池电极反应式的书写环节四：新型电源的发展【资料展示】1997年日产汽车公司开发了Hypermini微型电动车，它采用强劲的锂电池作为动力源，最高时速l00公里，最大行驶里程可达130公里。【提问】某锂电池的反应原理为：LiC6+CoO2C6+LiCoO2;充电时LiCoO2中Li被氧化，Li+迁移并以原子形式嵌入电极材料碳(C)中，以LiC6表示。书写充、放电时的电极反应式【讲述】介绍新型电源如微生物燃料电池、高铁电池、钠硫电池等【思考】放电：负极：LixC-e-=Li++C正极：Li1-xCoO2+e-+Li+=LiCoO2充电：阳极：LiCoO2-e-=Li1-xCoO2+Li+阴极：Li++e-+C=LixC扩展新型高能电池，展望化学电源的发展课堂总结【提问】综上所述，化学电源的发展经历了怎样的历程？【提问】你设想未来的电池应该具有哪些特点？【总结】化学电源的发展历程：一次电池、二次电池、燃料电池【归纳】电能转化率高、电流稳定、电压大、质量轻、体积小、便于携带和运输、易储存维护、材料来源广、绿色环保等通过“总结”提升学生认知能力和学习能力巩固提升练习1、正误判断1）Zn－MnO2干电池中，Zn发生还原反应，被腐蚀2）实际工作中可以根据硫酸密度的大小来判断铅蓄电池是否需要充电3）我国首创铝合金、Pt-Fe合金网为电极材料的海水电池，铝合金是阳极4）燃料电池是利用燃料和氧化剂之间的氧化还原反应，将化学能转化为热能，然后再转化为电能的化学电源分层次设计练习题、与化学电源类型相匹配、难度螺旋上板书设计化学电源一次电池碱性锌锰电池负极：Zn+2OH--2e-=Zn(OH)2正极：2MnO2+2H2O+2e-=2MnOOH+2OH-二次电池铅蓄电池负极：Pb+SO42--2e-=PbSO4正极：PbO2+4H++SO42-+2e-=PbSO4+2H2O阳极：PbSO4+2H2O-2e-=PbO2+4H++SO42-阴极：PbSO4+2e-=Pb+SO42燃料电池氢氧燃料电池2H2+O2=2H2O酸性环境：负极：2H2-4e-=4H+正极：O2+4H++4e-=2H2O练习2：CO燃料电池驱动LED发光装置图如下：判断正误：1、通入O2的电极发生反应：O2+4e-+4H+=2H2O2、燃料电池中OH-向b极移动变式1：请写出该电池的负极电极反应式变式2：若电解质为熔融的碳酸盐，请写出该电池的电极反应式升、练习正负极的判断、不同环境下燃料电池电极反应式的书写、拓展熔融电解质电池放电充电碱