第四章第一节：单液原电池进阶之路——氧化剂与还原剂相接触才反应吗？教学设计 2024-2025学年高二上学期化学人教版（2019）选择性必修1

高中化学人教版选择性必修一第四章第一节：单液原电池进阶之路——氧化剂与还原剂相接触才反应吗？ 1、 使用教材 选自高中化学人教版（2019）选择性必修一《化学反应原理》的第四章第一节原电池，授课学段为高二学生。 2、 实验仪器及药品 仪器：万用表、自制小风扇、塑料容器、导线、镊子 药品：锌片、铜片、U形管盐桥、含饱和KCl溶液的琼脂块、脱脂棉、玻璃纸、硫酸锌溶液、硫酸铜溶液 3、 实验创新要点 在人教版（2019）选择性必修一《化学反应原理》第四章第一节原电池中，只提到了双液盐桥原电池能产生电流，但并未涉及电流大小问题。我们在做演示实验的时候发现，盐桥原电池的电流虽然稳定但非常小，如何增大双液原电池的电流？和学生们一起讨论探究。提出了以下改进： （一）、用含饱和KCl溶液的琼脂块代替传统U形管盐桥，相对于传统U形管盐桥长度变短、横截面积增大，因此内阻大大减小。如图1： （二）、将锌片嵌入含饱和KCl溶液的琼脂块中，旁边放入琼脂块包裹的铜片，构成琼脂块单液原电池。此装置溶液用量少也不易溅出，操作简单，电流大且稳定。如图2： （三）、自制小风扇和万用表能激起学生学习兴趣，小风扇定性表征电流大小，万用表定量测定电流大小。 （图1） （图2） 4、 实验原理 Zn + CuSO4 = Cu + ZnSO4 实验改进原理依据中学物理中的电阻定律：R=ρL/S 5、 实验教学目标 （一）、宏观辨识与微观探析 从宏观实验现象、微观本质和符号表征三重视角，探析盐桥作用及原电池的工作原理。 （二）、证据推理与模型认知 在实验探究的过程中，体验原电池从“单液” 到“双液”、从“盐桥”到“琼脂块”的衍变过程，建构双液原电池结构模型，转变“氧化剂和还原剂只有直接接触才可能发生反应”的认知。 （三）、科学探究与创新意识 通过问题探究和实验探究的方式研究原电池装置的进化过程，发展学生的实验探究能力与创新意识。 六、实验教学内容 （一）、演示铜锌单液原电池如图3，根据实验现象提出问题 （1）、锌片表面有大量气泡，铜片表面气泡很少 （2）、小风扇转动一会就会停止，电流不稳定 （3）、溶液温度升高，化学能转化为电能效率低 （二）、演示双液盐桥原电池如图4，根据实验现象提出问题： 电流稳定但很小 （图3） （图4） （三）、学生演示琼脂块双液原电池如图5 电流大且稳定，能使小风扇持续稳定地转动，用万用表测定其电流为113mA （4） 、学生演示琼脂块单液原电池如图6 电流大且稳定，能使小风扇持续稳定地转动，用万用表测定其电流为119.7mA 装置溶液用量小也不易溅出 （图5） （图6） 七、教学过程 【自主学习】学生自主学习巩固高一原电池内容 1.定义： 2.工作原理： 3.电极反应： 4.构成条件： 【活动一】理想与现实的差距【演示铜锌原电池】发现问题： 锌片表面有气泡；溶液温度升高。 电流不稳定；能量转化效率低。 【小组讨论】分析原因（引入双液盐桥原电池）：锌片与稀硫酸直接接触反应放热 如何解决？ 将锌片和稀硫酸隔开 锌片和稀硫酸隔开会反应吗？ 【活动二】【演示双液盐桥原电池】如图7 （图7） 结论：锌片和硫酸铜溶液不接触也能反应 盐桥作用：隔开锌片与硫酸铜溶液并形成闭合回路， 平衡两池的电荷，起到离子导体作用 优点：锌片与硫酸铜不直接接触，电流稳定且化学能转化为电能的效率高 缺点：电流很小 【小组讨论】双液盐桥原电池电流小的原因？ 引导同学们用物理学中的电阻定律：R=ρL/S ，传统U形管盐桥细且长，内阻非常大，因此电流很小 如何改进？ 增大盐桥的横截面积，缩短其长度 【活动三】含饱和KCl溶液的琼脂块代替盐桥【学生演示琼脂块双液原电池】如图8、图9 （图8） （图9） 实验现象：锌片表面无明显现象，铜片表面有红色物质附着 小风扇持续稳定转动，万用表显示电流为113mA 结论：含饱和KCl溶液的琼脂块增大了盐桥的横截面积，缩短了长度，使内阻大大减小，电流明显增大且稳定。 但本实验溶液用量较大，溶液也容易溅出 硫酸锌溶液并未参加反应，和盐桥都是“离子导体” 能否将锌片直接嵌入琼脂块中呢？ 【活动四】将锌片直接嵌入琼脂块当中，并在旁边放入脱脂棉包裹的铜片，构成琼脂块单液原电池【学生演示琼脂块单液原电池】如图10、图11 （图10） （图11） 实验现象：小风扇持续稳定转动，万用表显示电流为119.7mA 结论：电流大且稳定，溶液用量少且不易溅出。 琼脂块将锌片和铜片隔开，并形成闭合回路，起“离子导体”作用；脱脂棉能固定铜片并防止溶液溅出。 【前后对比】对比改进前和改进后原电池的特点 教材原实验的缺点：电流虽然稳定但非常小，溶液用量较多且容易溅出 改进后的优点：操作简单；电流大且稳定；溶液用量少也不易溅出。 改进合理！ 【总结拓展】引导学生总结四种原电池装置的特点，建构盐桥原电池模型。 单液原电池 双液盐桥原电池 琼脂块双液原电池 琼脂块单液原电池 电流不稳定 能量转化效率低 电流稳定但内阻大电流小 电流大且稳定 溶液用量较多 且容易溅出 电流大且稳定 操作简单 溶液用量少且不易溅出 过程中渗透原电池工作原理，强调盐桥的作用，强调氧化剂与还原剂不接触也能反应。 【讲解引入离子交换膜】 给学生讲述我们改进的琼脂块单液原电池仍然存在不足：时间久了Cu2+会缓慢进入琼脂块与锌片接触反应，在锌片表面附着一层红色的铜如图12 （图12） 有没有一种材料能完全隔开锌片和硫酸铜溶液呢？ 从而引入离子交换膜。 「资料卡片」离子交换膜 离子交换膜：能选择性透过某些离子的薄膜 阳离子交换膜：只允许阳离子自由通过 阴离子交换膜：只允许阴离子自由通过 质子交换膜：只允许H+自由通过 提问学生本实验该选择什么离子交换膜呢？ 为了使Cu2+不与锌片接触，该选择阴离子交换膜。 展示在网上售卖的离子交换膜如图13，售价普遍较高。 （图13） 能否在生活中找到其廉价的替代品，将这个任务交给学生，教他们如何查阅文献，学生课下收集资料，查阅文献寻找离子交换膜替代品，小组合作设计简单的隔膜原电池。 8、 教学效果评价 通过对原电池装置的改进，层层递进，步步设疑，学生在这一系列活动中，体验着 “实践→发现问题→再实践→新认识→再应用”的科学探究的乐趣，引导学生深入理解原电池的工作原理的同时，培养学生的创新意识和科学探究能力，帮助学生形成终身学习的理念。同时修正了原电池中还原剂需和氧化剂接触才反应的认识偏差，为原电池模型的应用——化学电源和讨论有关隔膜电化学问题奠定基础。 学科网（北京）股份有限公司 $$