6.1化学反应与能量变化 2023-2024学年下学期高一化学人教版（2019）必修第二册

人教版高中化学必修第二册第六章第一节第二课时《简易电池的设计与制作》。 ——基于“科学探究与创新意识”核心素养的实验教学 “化学能转化为电能” 一、实验基本信息 本实验选自人教版高中化学必修第二册第六章第一节第二课时《简易电池的设计与制作》。 二、实验设计思路与创新点 科学探究与创新意识要求学生能发现问题、做出假设、设计方案、进行探究。课程标准鼓励教师将实验活动转化为探究性任务，指导学生基于文献分析设计优化方案，团队合作开展研究项目，形成研究成果，落实核心素养。 对比新旧教材，新教材新增简易电池和设计演示原电池的趣味实验，思考题更加深入。简易电池结构可表示如图，学生普遍认为该装置不存在自发进行的氧化还原反应，实际上该电池的正极反应物为氧气，是一种金属空气电池。金属空气电池是常见考点，是未来绿色储能研发热点，值得关注。 图1 简易电池结构示意图 本实验围绕三个问题：如何提高化学能转化为电能的效率；提升化学能转化为电能的稳定性；实现化学能与电能的相互转化展开项目研究。 图2 实验设计思路 从优化盐水电池使小车跑得更快，开发柔性电池使电池可穿戴，优化空气电池给手机充电，到制作锌锰电池提升电池稳定性与性价比。同学们在项目研究的过程中形成了科学研究的思维模型。 图3 实验创新点 三、实验原理 电池研发的关键是找到合适的电极材料、电极反应物、离子导体及电池结构。 图4 实验原理 四、实验教学目标 基于课标、教材、学情确定实验教学目标。 图5 实验教学目标 五、实验教学过程 学生根据教材要求制作水果电池，发现柠檬电池电流大于苹果电池。提出问题，水果电池中水果作用是什么？影响水果电池电流的因素是什么？作出假设，水果提供酸性电解质，水果越酸电流越大。真的如此吗？在老师的建议下，学生查阅了相关文献。 发现柠檬pH小于西红柿，但西红柿电池电流更大。分析概括多篇文献，学生得到结论1：除pH外，水果自身的细胞结构、成熟度、果汁成分及浓度、内阻等均影响电流。 图6 水果种类对水果电池电流大小的影响 在文献研究的过程中，学生还得到结论2：选择活动性差异大的电极对，在不短路的前提下尽量减小电极间距，适当增大电极插入深度、与水果的接触面积等，均可增大电流。 图7 其他因素对水果电池电流大小的影响 教材要求学生制作简易电池，并试验和比较不同材料制作电极的效果，根据结论2作出假设，电极对活动性差异越大的，电流越大，实验验证，结果与假设一致。 图8 试验和比较不同材料制作电极实验结果 接着学生通过串联电池点亮LED灯，从多个水果串联，到一个水果串联，到一张滤纸串联，串联电池向着更小更轻的方向发展。能否进一步优化简易电池结构，使之电压更大、体积更小呢？ 结论2可知不短路的前提下尽量减小电极间距可增大电压电流，经过小组讨论，学生优化了简易电池串联方式。对比可知，优化串联结构的简易电池电压更大。 图9 不同串联结构的简易电池电压对比 将多个简易电池堆叠串联的过程正是世界上第一个化学电源——伏打电堆发明过程。跟随科学家科研路径，学生感受到了科研的魅力！ 图10 伏打电堆发明过程 伏打电堆实际上是一种金属空气电池。 金属空气电池是未来绿色储能研发热点，应用广泛，如金属空气电池电动汽车。 这是一种由镁片、碳片做金属空气电池的盐水动力玩具车，只需要加入盐水即可工作。如何提高电池化学能转化为电能的效率，让小车跑得更快呢？学生提出可使用浸泡饱和食盐水的滤纸片代替装食盐水的塑料杯，减小电极间距，减轻电池质量，提高能量密度。还有学生提出，镁、铝活动性相差不大，铝箔更轻更廉价，还可用铝箔代替镁片。 学生制作了镁空气电池和铝空气电池，并对三种电池效果进行测评。 图11 三种电池效果测评 通过测评可知，优化镁空电池性能最佳。分析原因，镁更活泼，电极对活动性差异更大，电压更大。且优化后，电极片不再浸泡在食盐水中，电池电阻更小。优化镁空电池很轻薄，激发了学生的想象力，能否设计制作一个柔性可穿戴的电池呢? 开发柔性电池的关键是找到柔性的电极材料，镁片可更换为镁箔，碳片呢？学生查阅资料找到一种廉价易得的PAN（聚丙烯腈）基碳纤维毡，开发了柔性电池。 图12 柔性可穿戴的电池 成功开发柔性电池让学生对电池研发产生了更多设想。有人用2380片橘子给手机充电的，能否开发一个更经济环保的金属空气电池给手机充电呢？学生查阅了大量资料，了解到能量密度、安全性与成本等是电池研发需重点考虑的问题。同学们综合考虑能量密度、工作电压和成本等，最终决定开发铝空气电池。同学们查阅文献资料，选择4mol/L氢氧化钾溶液做电解质溶液，为了提高电极的氧气吸附率，使用一种特制活性电极做正极。为了使电池电压更稳定，根据物理知识，学生提出使用升压模块。经过多次实验，学生成功开发了给手机充电的铝空气电池。 图13 给手机充电的铝空气电池 金属空气电池成功研发的喜悦中带着一丝遗憾，空气电池负极易被腐蚀，寿命较短，如何提升电池化学能转化为电能的稳定性，使小车跑得更久呢？回顾电池发展史，1868年发明的锌锰电池弥补了伏打电堆、锌铜电池、铅酸电池的不足，更稳定便携。有人说碱性锌锰电池真正加速了技术革命。同学们能自己制作一个锌锰电池吗？ 运用科学研究的一般思路，学生首先查阅文献研究了普通锌锰电池和碱性锌锰电池的工作原理。为了更久清楚地了解锌锰电池内部结构，学生在教师的指导下，拆解了安全无毒的碳性电池。 综合普通锌锰电池和碱性锌锰电池的结构、工作原理和优势，学生经反复讨论实践，优化改进，最终确定了电池设计方案，制作了锌锰电池。 图14 锌锰电池设计方案 经过测评，锌锰电池续航能力明显优于镁空电池。150多年来，锌锰电池依然被人们广泛使用，这得益于它价格低廉、自放电率低、使用范围广、安全可靠。 图15 测评锌锰电池与镁空电池的续航能力 学生对电池的探索还在继续。如何实现化学能与电能的相互转化，制作一个可充电电池呢？经过文献研究，在保证实验安全的情况下，学生小组合作制作了可充电的铅蓄电池。 图16 制作可充电的铅蓄电池 学生还通过文献综述了解了当前国内电池厂商在新能源汽车领域大力发展的电池情况，产生了一些疑问。当前我国电池研发现状如何？未来电池研发方向是什么？同学们带着这些问题采访了电子科技大学材料与能源学院李迪博士。 图17 学生归纳当前国内新能源汽车电池情况 经过一系列围绕“化学能转化为电能”的项目研究，同学们对电池的研发产生了浓厚的兴趣，不少同学表示希望像李博士一样，成为一名电池研发人员，研发出更优质的电池。 六、实验效果评价 学生将研究成果撰写为研究报告。生生、师生之间对研究报告进行了评价。 图18 学生撰写项目报告 经过开展项目式研究，学生形成了科学研究的思维模型，认识了电池研发的关键，获得了激动人心的研究成果，培养了学生的科学探究与创新意识核心素养。 图19 实验效果评价 一系列电池的优化研发，从改变结构到优化材料，有机融合学科前沿，精心创新项目研究，理论实践外显思维，操作简单推广性强，切实落实核心素养。 以上是本次说课的全部内容，谢谢各位老师！ 高 2 / 2 2 / 2 学科网（北京）股份有限公司 $$