第二单元 化学能与电能的转化 第1课时（教学设计） 化学苏教版2019选择性必修1

第二单元 化学能与电能的转化 第1课时 原电池的工作原理 一、知识目标 1.分以铜锌原电池为例，分析原电池的构成及工作原理，掌握原电池电极反应式的书写方法。 2.通过实验探究，分析单液原电池与双液原电池（带盐桥）的差别，理解双液原电池的优势。 3.能利用原电池原理设计具有一定功能的简单原电池，了解原电池原理在判断金属活动性、加快反应速率、金属防护等方面的应用。 二、核心素养目标 1.宏观辨识与微观探析：从宏观实验现象认识原电池的工作原理，从微观角度理解电子转移、离子移动等过程。 2.证据推理与模型认知：通过实验现象推理原电池的构成条件和工作原理，建立原电池的模型。 3.科学探究与创新意识：通过实验探究单液原电池和双液原电池的差别，培养科学探究能力和创新思维。 4.科学态度与社会责任：了解原电池在生活和生产中的应用，认识化学科学对社会发展的重要贡献。 一、教学重点 1.原电池的工作原理及原电池原理的应用。 2.原电池电极反应式的书写方法。 二、教学难点 1. 双液原电池的工作原理及盐桥的作用。 2. 复杂电极反应式的书写。 本节教学内容源于苏教版（2019 年版）高中化学选择性必修 1 专题 1 第二单元第 1 课时《原电池的工作原理》。原电池作为化学能与电能转化的重要装置，是电化学的基础内容，在高中化学知识体系中占据关键地位。它不仅是对氧化还原反应本质的深化理解，更是后续学习电解池等知识的重要基石，对于发展学生的化学核心素养具有不可替代的作用。 本课时聚焦原电池的工作原理，涵盖原电池的构成、电极反应式的书写以及原电池原理的应用等内容。教材以铜锌原电池为典型案例，引导学生通过实验探究深入剖析原电池的工作原理，逐步掌握电极反应式的书写方法。同时，通过对比单液原电池与双液原电池（带盐桥）的差异，让学生理解双液原电池的优势，培养学生的科学探究能力和创新思维。此外，教材还介绍了原电池原理在判断金属活动性强弱、加快化学反应速率、设计化学电源以及金属防护等方面的实际应用，体现了化学知识与生活实际的紧密联系。 教学对象是处于高中阶段的学生，已经具备了一定的化学基础知识和实验操作技能。在知识储备方面，学生在必修课程中已经学习了氧化还原反应、金属的性质等相关内容，这为理解原电池的工作原理奠定了基础。然而，原电池涉及到微观粒子的运动和化学反应中的能量转化，概念较为抽象，对于学生来说具有一定的难度。 在思维能力方面，高中生正处于从形象思维向抽象思维过渡的阶段，他们对直观、生动的实验现象充满兴趣，但在分析和解决复杂化学问题时，还需要教师的引导和启发。此外，学生在学习过程中可能会存在对氧化还原反应与原电池原理之间的联系理解不深刻、电极反应式书写困难等问题。 针对学生的这些特点，在教学过程中应充分利用实验探究的方式，让学生通过观察、分析实验现象，亲身体验原电池的工作原理，从而加深对抽象概念的理解。同时，要注重引导学生将所学知识与生活实际相结合，提高学生运用化学知识解决实际问题的能力。此外，还应加强对学生学习方法的指导，培养学生的自主学习能力和合作探究精神。 教学环节一 新课导入 【介绍伏打电堆】大家知道世界上第一个电池是什么吗？它就是伏打电堆。（播放视频后继续讲解）在 1800 年，意大利物理学家伏特用锌板、铜板和浸有盐水的湿布制成了伏打电堆，这是人类历史上第一个能产生稳定、持续电流的电源。伏打电堆的发明，为电学的发展奠定了基础，也开启了人类利用化学能转化为电能的新纪元。 【展示图片】同学们，请大家看一下这几幅图片。（展示手机、电动车、手表等使用电池的设备图片）大家在日常生活中肯定经常会用到这些东西，它们都离不开电池的供电。可以说，现代生活已经离不开方便实用的化学电源了。 【提出问题】现在，大家想一想，化学电池是怎样将化学能转化为电能的呢？它的内部到底发生了什么样的反应呢？这就是我们今天要学习的内容——原电池的工作原理。 设计意图 1.激发学生兴趣：通过展示生活中常见的使用电池的设备图片，让学生直观地感受到化学电源在生活中的重要性，从而激发他们对化学电池工作原理的好奇心和探究欲望。 2.联系化学史：介绍伏打电堆的发明，将本节课的知识与化学史上的重要事件相联系，增加了知识的趣味性和历史厚重感，同时也能让学生了解科学发展的历程，培养他们对科学的敬畏之心。 3.引发思考，导入新课：提出“化学电池是怎样将化学能转化为电能的”这一问题，引发学生的思考，自然地过渡到本节课的主题，让学生带着问题去学习，提高他们的学习主动性和积极性。 教学环节二 原电池的工作原理 活动一：原电池工作原理的探究实验一 【引入】现代生活离不开方便实用的化学电源，世界上第一个电池是伏打电堆。那化学电池是怎样将化学能转化为电能的呢？下面我们通过实验来探究原电池的工作原理。 【演示实验】向一只烧杯中加入溶液，再加入适量锌粉，用温度计（或温度传感器）测量溶液的温度，会有什么现象？将锌片和铜片同时插入盛有溶液，用电流表连接，又会有什么现象？ 【学生回答】 加入锌粉后，溶液温度逐渐升高；插入锌片和铜片并用电流表连接后，有电流产生，且随时间逐渐变弱。 【问题】两次实验的能量变化有什么不同？ 【学生回答】第一次实验能量变化是化学能转化为热能，第二次实验能量变化是化学能转化为电能。 【讲解】在第一个实验中，锌与硫酸铜溶液直接发生反应，化学能以热能的形式释放；而第二个实验形成了原电池，使化学能转化为电能。通过这样的对比，我们能更清楚地看到原电池在能量转化方面的特点。 设计意图 1. 激发学生兴趣：通过实验演示，让学生直观地感受到原电池的形成过程，从而激发他们对化学电池工作原理的好奇心和探究欲望。 2. 引发思考：通过两个实验现象的对比，使学生深刻地理解原电池在能量转化方面的 特点。 活动二：原电池的构成 【问题】写出前面实验中的电极反应式和电池总反应式。 【学生回答】 负极（）：；正极（）：； 电池总反应式：。 【问题】根据实验一，总结原电池的构成条件。 【学生回答】 原电池的构成条件：有两种活动性不同的电极；两电极插入电解质溶液或熔融态电解质中；形成闭合回路；氧化还原反应能自发进行。 【讲解】电极反应式的书写要遵循氧化还原反应的规律，负极发生氧化反应，失去电子；正极发生还原反应，得到电子。原电池的构成条件缺一不可，只有同时满足这些条件，才能形成原电池。 设计意图 通过学生自主书写电极反应式和电池总反应式，复习巩固了电极反应式书写的基本步骤，同时由实验现象总结原电池的构成条件，强化了重点内容。 活动三：原电池工作原理的探究实验二 【问题】实验1中虽然形成了原电池，但电流强度逐渐减弱，锌片表面也析出了铜单质，能量转化率并不高，如何解决？ 【学生回答】 解决问题的关键是还原剂与氧化剂不直接接触。 【演示实验】向两只烧杯中分别加入溶液和溶液，将用导线与电流计相连接的锌片和铜片分别插入和溶液中，将盐桥两端分别插入两只烧杯内的电解质溶液中，请大家仔细观察，你们看到了哪些现象？ 【学生回答】有电流产生，铜片表面有红色物质析出，而锌片表面没有红色物质析出。 【问题】取出盐桥，又会有什么现象？ 【学生回答】取出盐桥后无电流产生。 【问题】盐桥的作用是什么？ 【学生回答】盐桥的作用：形成闭合回路；平衡两侧溶液的电荷，使溶液保持电中性；避免还原剂与氧化剂直接接触，相比单液原电池能量转化率大大提高。 【讲解】盐桥在原电池中起着至关重要的作用，它解决了单液原电池中还原剂与氧化剂直接接触导致能量转化率不高的问题。通过盐桥，离子可以在两溶液之间移动，形成闭合回路，同时保持溶液的电中性，使原电池能够持续稳定地工作。 设计意图 通过观察盐桥的作用，让学生理解双液原电池的工作原理，进一步深化对单液原电池与双液原电池的区别的理解。 活动四：原电池的工作原理总结 【问题】结合前面的实验和分析，总结原电池的工作原理，包括正负极的反应、电子和离子的移动方向。 【学生1回答】负极上发生氧化反应，给出电子；正极上发生还原反应，得到电子。 【学生2回答】电流由原电池的正极流向负极，即电子由负极流向正极。 【学生3回答】阳离子移向正极，阴离子移向负极。 【讲解】原电池的工作原理是理解原电池的核心内容，正负极的反应决定了电子的得失，而电子和离子的移动方向保证了原电池电路的畅通和电荷的平衡。为了帮助大家更好地记忆和理解这些知识，老师总结了一些口诀：电子不下水（由负到正），离子不上岸（正正负负），电流水陆通（内外循环），也就是说外电路是电子在定向移动，内电路是离子在定向移动，而电荷的定向移动形成电流，所以电流是贯穿整个闭合回路的。 设计意图 通过学生自主归纳原电池的工作原理，形成原电池模型，并辅以口诀强化记忆电子、离子及电流的流向。 活动五：原电池正负极的判断方法 【问题】我们了解了原电池的工作原理后，请同学们总结一下，判断原电池的正负极有哪些方法？ 【学生1回答】根据电极材料：一般地，较活泼的金属作负极，较不活泼的金属或非金属作正极； 【学生2回答】根据反应类型：发生氧化反应的是负极，发生还原反应的是正极； 【学生3回答】根据电子流向：电子流出的是负极，电子流入的是正极； 【学生4回答】根据离子流向：阳离子移向正极，阴离子移向负极； 【学生5回答】根据电极现象： 电极增重或有气体产生的是正极，电极溶解的是负极。 【小结】同学们总结得非常全面，在分析一个陌生的原电池装置时，正负极的判断至关重要，希望大家能熟练掌握这些方法，灵活应用。 设计意图 通过学生自主归纳正负极的判断方法，提高总结归纳的能力，为突破重难点打下基础。 活动六：典例精讲 【展示题目】例1.锌铜原电池装置如图所示，其中阳离子交换膜只允许阳离子和水分子通过。下列有关叙述正确的是(　　) A.铜电极上发生氧化反应 B.电池工作一段时间后，甲池的c（ SO42- ）减小 C.电池工作一段时间后，乙池溶液的总质量增加 D.阴阳离子分别通过交换膜向负极和正极移动，保持溶液中电荷平衡 【学生回答】C 【讲解】Zn作负极，发生氧化反应，Cu作正极，发生还原反应，故A错误；中间为阳离子交换膜，只允许阳离子通过，SO42- 为阴离子，无法通过，故甲池中不变，B错；乙池中Cu棒上发生反应，每转移2mole-，减少1molCu2+（64g），同时通过阳离子交换膜从左侧移动过来1molZn2+（65g），相当于溶液总质量增加了65-64=1g，故C是正确的；阳离子交换膜只允许阳离子通过，D错。 【展示题目】例2.关于如图所示的甲、乙两装置，下列说法正确的是(　　) A．甲中锌棒为正极，且逐渐溶解 B．甲中电子从锌棒流出，经硫酸溶液到铜棒 C．甲、乙两池反应原理相同，且一段时间后酸性都减弱 D．甲、乙中均发生氧化还原反应，且都在锌棒附近产生大量气泡 【学生回答】C 【讲解】根据原电池的构成条件，甲形成了原电池，而乙没有，甲中锌棒作负极，A错；锌棒失去电子，通过导线和电流表移到铜棒（电子不下水），B错；甲、乙均发生了锌与稀硫酸的氧化还原反应，消耗了氢离子，故一段时间后酸性都减弱，故C是正确的；虽然反应原理相同，但甲形成了原电池，铜作正极，气泡是在正极产生的，而乙未形成原电池，气泡在锌棒负极产生，故D错。 设计意图 通过例题巩固学生对原电池工作原理的理解，培养学生运用知识解决问题的能力。 教学环节三 电极反应式的书写 活动一：电极反应式的书写原则 【引入】在原电池的学习中，电极反应式的书写是非常重要的。下面我们先来学习电极反应式的书写原则。 【问题】电极反应式的书写需要遵循哪些原则？ 【学生1回答】遵循质量守恒、得失电子守恒及电荷守恒。 【学生2回答】遵循离子方程式的书写规则。 【学生3回答】两电极反应式相加得电池总化学（或离子）方程式。 【讲解】这些书写原则是保证电极反应式正确的基础，质量守恒确保反应前后原子种类和数目不变，得失电子守恒保证氧化还原反应的电子转移平衡，电荷守恒则使电极反应式在电荷上保持平衡。同时，遵循离子方程式的书写规则和两电极反应式相加得电池总反应式，能使我们更准确地书写电极反应式。 设计意图 通过书写原则的讲解，让学生明白守恒定律在电极反应式书写中的重要性，为书写方法的掌握打下基础。 活动二：电极反应式的书写方法 【问题】以碱性锌锰电池为例，已知电解质为，总反应为，如何书写电极反应式？ 【学生思考】 1. 判电极，定产物：按照负极发生氧化反应，正极发生还原反应，可知在负极反应，在正极反应，为负极产物，为正极产物。 1. 标价态，算得失：由价→+ 2价，失去个电子，由 + 4+ 3价，得到个电子。 1. 看环境，配守恒：该电池为碱性环境，所以补及配平。 负极：； 正极：。 最后两式相加看是否能得到总式。 【讲解】电极反应式的书写方法是一个系统的过程，通过判电极、定产物确定反应的物质和产物，标价态、算得失明确电子的转移数目，看环境、配守恒根据电解质环境进行配平。最后要验证两电极反应式相加是否能得到电池总反应式。 设计意图 通过实际例子的讲解将书写方法进行拆分，突破本节教学难点，培养学生的动手能力。 活动三：书写电极反应式的基本类型 【问题】书写电极反应式有哪些基本类型？ 【学生思考】 1. 类型一：题目给定原电池的装置图，未给总反应式。 1. 类型二：题目给出原电池的总反应式。 【问题】这两种类型分别如何书写呢？ 【学生思考】都要先根据已知条件判断正负极，也就是氧化剂、还原剂以及对应的产物，再根据书写原则进行书写。 【讲解】同学们的思路是非常清晰的。下面我们详细讲解一下每种类型书写的方法。 1.类型一：首先判断原电池的正、负极，分别找出氧化剂和还原剂；结合已知条件及电解质，判断出还原产物和氧化产物；遵循氧化还原反应离子方程式的配平原则，写出电极反应式。 2.类型二：将总反应式改写为离子方程式，分析各元素的化合价变化情况，找出氧化剂及其对应的还原产物，氧化剂发生的反应即为正极反应；找出还原剂及其对应的氧化产物，还原剂发生的反应即为负极反应；依照电极反应式的一般书写方法依次写出正、负极反应式；若有一个电极反应式较难写出，可先写出较易的电极反应式，然后再用总反应式减去该电极反应式即得到另一电极反应式。 【小结】不同类型的电极反应式书写有不同的方法和步骤，要根据题目所给的条件选择合适的方法。对于类型一，关键是准确判断正负极和产物；对于类型二，要善于分析总反应式中元素的化合价变化。 设计意图 通过不同类型书写方式的讲解，让学生明确难点的考查在题目中的多样性，培养学生灵活解决问题的能力。 【展示题目】例1.根据如下装置图，回答问题： (1)甲装置中正极为________，电极反应式为__________________， 负极为__________，电极反应式为________________。 (2)乙装置中正极为_____，电极反应式为_________________________，负极为______，电极反应式为________________________。 【学生回答】（1）Al 2H＋＋2e－===H2↑；Mg 2H＋＋2e－===H2↑ （2）Mg 6H2O＋6e－=3H2↑＋6OH－ ；Al 2Al-6e－+8OH- =2[Al(OH)4]- 【讲解】甲、乙都是原电池装置，虽然电极材料（都是镁和铝）相同，但电解质溶液不同，甲为盐酸，乙为氢氧化钠，所以甲中镁是负极、铝是正极，而乙中铝是负极，镁是正极，甲中总反应为Mg ＋2H＋===H2↑+Mg2+，乙中总反应为2Al+2OH-＋6H2O=2[Al(OH)4]- +3H2↑，依据电极反应式的书写方法可写出正负极反应式。 【展示题目】例2.根据下列原电池的总反应式，写出其电极反应式。 (1)利用反应2Cu＋O2＋2H2SO4===2CuSO4＋2H2O可制备硫酸铜，若将该反应设计为原电池，其负极反应式是_______________________，正极反应式是_______________________。 (2) 某原电池总反应为2FeO42－＋3H2===Fe2O3＋4OH－＋H2O，在该原电池中：负极反应式是__________________________；正极反应式是__________________________________。 【学生回答】（1）2Cu－4e－===2Cu2＋；O2＋4e－＋4H＋===2H2O （2）3H2－6e－＋6OH－===6H2O；2FeO42－＋5H2O＋6e－===Fe2O3＋10OH－ 【讲解】根据电极反应式书写类型二的步骤进行书写，写出其中一个较为简单的电极反应式后，可用总式减掉它，得到另一个电极反应式；电极反应式写出后记得两式相加验一下是否可得到总式， 设计意图 通过例题强化学生对电极反应式书写的熟练掌握，培养学生运用知识解决问题的能力。 教学环节四 原电池原理的应用 【问题】学习了原电池的工作原理后，同学们，你们知道原电池的工作原理有哪些应用吗？ 【学生1回答】判断金属活动性强弱。 【学生2回答】加快化学反应速率。 【学生3回答】设计化学电源。 【学生4回答】 用于金属的防护。 【讲解】同学们总结得很全面，下面我们通过实际例子来分析一下这些应用。 1.判断金属活动性强弱。一般情况下，负极金属的活动性较强，正极金属的活动性较弱。第一个例题中请大家先根据装置图和实验现象判断好正负极，特别注意的是第二个装置，它并没有形成原电池，所以不能用原电池的原理来分析。 2.加快化学反应速率。构成原电池的反应速率比直接接触的反应速率快。第二个例题中，A试管中加入硫酸铜溶液后，锌与其反应将铜置换出来，这样便形成了原电池，因此A的反应速率会明显加快，但由于硫酸铜与锌反应，消耗了少量锌，所以A产生的氢气偏少。 3.设计化学电源。我们以铜与硝酸银的反应为例来拆解一下设计的思路。首先将电池总反应拆成两个半反应，即原电池的负极反应和正极反应。接着确定负极材料、正极材料和电解质溶液。最后画出装置图，并注明电极材料和电解质溶液。 4.金属的防护，将被保护的金属（比如钢铁）与比其更活泼的金属连接在一起，更活泼的金属（如镁、锌等）作阳极（负极），在不断被腐蚀后定期更换，而作为阴极（正极）的金属就不易被腐蚀而得到保护，所以又叫牺牲阳极的阴极保护法。此法常用于保护海轮外壳及石油管道等。 设计意图 通过问题引发学生思考，培养学生理论联系实际的能力，明白化学对社会发展的作用。 【展示题目】例1.根据下列氧化还原反应设计一个原电池：2FeCl3＋Fe=3FeCl2 要求：(1)画出此原电池的装置图，装置采用烧杯和盐桥。 (2)注明原电池的正、负极和外电路中电子的流向。 【学生回答】 【讲解】先根据总反应判断正负极和电解质溶液，再套入双液原电池装置模型。需要注意的是正极材料的选择，从总反应式中并不能直接看出，需要思考正极材料的要求，一般没有负极材料活泼且能导电，且不与电解质溶液接触反应，综合考虑选择石墨或金属铂。 【展示题目】例2.请选择适当的材料和试剂,将反应2Fe3++2I-=2Fe2++I2设计成一个原电池： 设计思路 负极 负极材料:　　　  负极反应物:　　　　　　　  正极 正极材料:　　　  正极反应物:　　　　　　　  电子导体:　　　  离子导体:　　　  【学生回答】 【讲解】由于总反应式中氧化剂和还原剂都是离子，所以电极材料选择能导电的惰性材料，石墨最佳；正极和负极反应物由元素化合价变化判断得失电子，进而确定下来。外电路由电极和导线连接，电子定向移动；内电路由电解质溶液和盐桥连接，离子定向移动。 设计意图 通过例题巩固学生对原电池原理应用的理解，培养学生运用知识解决问题的能力。 第二单元 化学能与电能的转化 第1课时 原电池的工作原理 一、原电池的工作原理 1. 探究实验 1. 构成条件 1. 工作原理 1. 正负极判断 二、电极反应式的书写 1. 书写原则 1. 书写方法 1. 基本类型 三、原电池原理的应用 1. 判断金属活动性强弱 1. 加快化学反应速率 1. 设计化学电源 1. 金属的防护（牺牲阳极的阴极保护法） 1．某原电池装置如图所示，下列有关叙述中正确的是(　　) A. Fe作正极，发生氧化反应 B．工作一段时间后，NaCl溶液中c(Cl－)增大 C．负极反应：2H＋＋2e－= H2↑ D．工作一段时间后，右侧烧杯中溶液质量减小 2.在如图所示装置中，观察到电流表指针发生偏转，M棒变粗，N棒变细，由此判断如表中所列M、N、P物质，其中可以成立的是(　　) 选项 M N P A 锌 铜 稀硫酸 B 铜 铁 稀盐酸 C 银 锌 硝酸银溶液 D 锌 铁 硝酸铁溶液 3.如图所示，杠杆AB两端分别挂有体积相同、质量相等的空心铜球和空心铁球，调节杠杆并使其在水中保持平衡，然后小心地向烧杯中央滴入M的浓溶液，一段时间后，下列有关杠杆的偏向判断正确的是(实验过程中，不考虑两球的浮力变化)(　　) A．当M为FeCl3溶液、杠杆为导体时，A端低，B端高 B．当M为AgNO3溶液、杠杆为导体时，A端高，B端低 C．当M为盐酸、杠杆为导体时，A端高，B端低 D．当M为CuSO4溶液、杠杆为绝缘体时，A端低，B端高 4.为了探究原电池的电极名称不仅与电极材料有关,还与电解质溶液有关,某学生进行了如下实验，根据表格内容回答: 编号 电极材料 电解质溶液 电子流向 ① Mg-Al HNO3(浓) Mg→Al ② Mg-Al HCl(aq) Mg→Al ③ Mg-Al NaOH(aq) Al→Mg ④ Al-Cu HNO3(浓) Cu→Al (1)(1)实验①中Mg作　 　(填“正极”或“负极”),发生　 　(填“氧化反应”或“还原反应”)。实验③中Mg作　 　(填“正极”或“负极”),总反应的离子方程式为　 。 (2)实验②中Al作　 　(填“正极”或“负极”)，实验④中Al电极上发生的电极反应式为 　 。 在本节课的教学中，通过实验探究的方式引导学生理解原电池的工作原理，学生的参与度较高，对知识的理解也较为深刻。在讲解电极反应式的书写时，结合具体例子进行分析，学生能够较好地掌握书写方法。但在教学过程中，也发现了一些问题。例如，部分学生对盐桥的作用理解不够透彻，在后续的教学中需要加强这方面的讲解。此外，在设计原电池的实验中，学生的动手能力还有待提高，需要在今后的教学中增加实验操作的机会，培养学生的实践能力。同时，要更加关注学生的个体差异，对于学习困难的学生及时给予帮助和指导。 / 学科网（北京）股份有限公司 $$