第二节化学电源修改稿(奚彩明)

厘清核心概念及其学习进程——以中学化学“化学电源”教学内容为例广州六中奚彩明教学目标：1、能够说出常见化学电池的分类、优点及质量优劣的判断标准。2、知道一次电池、二次电池、燃料电池的基本构造、工作原理、性能和适用范围。3、在给定电极材料、氧化还原反应原理等信息（查阅资料）的情况下，能够写出常见化学电源的电极反应式和总反应方程式。并形成书写电池电极反应式的一般思路：4、通过学习各类电池的实际应用感受化学给人类带来的进步和文明。通过了解废旧电池对环境的危害，树立环保意识。电化学概念在中学化学教学中占有非常重要的地位。电化学概念多且抽象，如氧化还原反应、电解质溶液、离子反应、原电池与电解池的概念及其构成条件、电极的判断及电池反应方程式等，学生的迷离概念也就相对较多。通过查阅文献资料，发现周玉芝,孙奇文等对这一部分学生迷思概念的研究比较系统深入。周玉芝老师以一线教师对人教版高中化学选修4《化学反应原理》教材的“化学电源”教学中关于学生认识发展的教学困惑为切入点，做了基于核心概念的中学化学“电化学基础”教学内容分析。以“化学电源”教学的再设计，说明厘清核心概念及其学习进程对促进学生认识发展的教学价值。一、教学障碍点分析1.学生通过必修2“发展中的化学电源”，应已了解几种常见的化学电源（干电池、充电电池和燃料电池）在社会生产中的应用，初步认识化学电源的工作原理与分类，以及认识化学电源可能引起的环境问题。选修4“化学电源”增加的内容主要是判断电池的优劣标准及部分化学电源的电池反应。对于化学电源教学而言，除了认识它们的用途和可能引起的环境问题外，还可以发展什么认识？必修与选修中有关化学电源教学的关键差别在哪里？2.原电池是高中化学的重点，也是高考的热点。而电极反应属于氧化还原反应的半反应，故又是高中化学的一个难点。在平常练习、模拟考试或者是高考中，经常会遇到一些在教材中没有出现的陌生电池，书写电极反应方程式时就会遇到障碍，要么无从下手，要么费时费力。二、教学策略1.表1基于人教版教材的“电化学基础”学习进程核心概念：自然界的一切物质都具有能量。当物质发生变化或被改变时，会发生能量的转化；能量能够从一种形式转化为另一种形式，但在能量转换的过程中，总能量保持不变初中高中必修1高中必修2高中必修4重要概念（1）物质发生化学反应的同时，伴随着能量的变化。化学变化的能量可以热能、光能等形式表现出来（2）人类利用化学能转化为热能的原理进行取暖、发电等；另一方面，也可以利用热能促使化学反应发生氧化还原反应的本质是电子的转移（1）各种物质都储存有化学能。物质的组成和结构不同，则所含的化学能也不同（2）化学能可以转化为热能，热能也能转化为化学能，但在能量转换的过程中，总能量保持不变（3）原电池是化学能转化为电能的装置。在该装置中，氧化反应和还原反应分别在2个不同区域进行，所转移的电子定向移动，形成电流（4）利用原电池原理制成的化学电源在生活中有广泛的应用（1）化学键的断裂与生成导致物质在发生化学反应的同时伴随有能量变化（2）在恒温恒压的条件下，化学反应的反应热（ΔＨ）只与反应体系的始态和终态有关，而与反应的途径无关（盖斯定律）（3）通过设计，可使自发氧化还原反应中的电子定向移动，获得电流，在此过程中化学能转化为电能（4）通过设计，电流可以引发氧化还原反应，在此过程中电能转化为化学能。电解法是最强有力的氧化还原手段（5）改进工艺设计，可以提高化学能与电能相互转换的效率（6）燃料电池的能量转换率高于燃料普通燃烧的能量转换率，有利于节约能源（7）金属腐蚀发生的是氧化还原反应。金属如果作为原电池的负极，会被快速地腐蚀目标（1）知道有的化学变化是放热的，有的化学变化是吸热的，而且化学变化过程中还会有发光等现象伴随发生，建立关于物质发生化学反应的同时，伴随着能量的变化的感性认识（2）认识在当今社会，人类需要的大部分能量是由化学反应产生的；也可以利用热能促使化学反应发生理解氧化还原反应的本质（1）从微观角度认识化学反应过程的能量变化，建立化学能与热能转化过程中能量守恒的认识（2）了解化学能转化为电能的装置，建立化学能转化为电能的认识（3）了解不同种类化学电源的性能特点，了解化学电源的发展（1）学习依据反应物与生成物化学键键能数据估算反应热，利用盖斯定律计算反应热，进一步从微观和能量守恒角度理解化学反应中的能量变化（2）了解通过设计实现化学能与电能的相互转化的方法以及应用，从原理、技术与应用层面认识化学能与电能的相互转化（3）能够利用电化学知识分析金属的电化学腐蚀与防腐通过基于核心概念的教学内容分析，能够确定必修2学习电化学主要知道“是什么”及“会怎么样”，到了选修4学习电化学，则更多的是让学生明白“为什么”，并了解“如何做”。因此，选修4电化学基础的第一节原电池的教学中，由单液电池到双液电池，就要引导学生关注如何改进设计，提高电池效率。在化学电源一节，继续电池设计的主线，引导学生从化学能转换为电能的原理角度分析化学电源，知道通过一定的工艺设计实现化学能与电能的转化，以及如何利用这种转化实现科技的发展与进步，激发他们学习化学原理、应用知识解决问题的热情。2.书写电极反应要明确把握的几个问题（1）明确把握几个问题①电极反应是氧化还原反应（电池反应）的半反应，并且是离子反应，正极是得电子（有元素降价），负极是失电子（有元素升价）。②电极反应必须遵守原子守恒和电荷守恒（其实质还是原子守恒，就是对删掉的未参与反应的离子进行配平），正负极成对书写的电极反应还要注意得失电子守恒。③电解质形态是溶液的、是熔盐的还是固态的；电极反应的产物与电解质溶液中的物质有没有后续反应；体系中有没有不共存的微粒存在。（2）书写电极方程式的步骤1.水溶液电池电极反应书写方法①写出电池总的氧化还原反应②写出电极反应的反应物和产物：产物的存在形式一定要考虑溶液的酸碱性和溶液中的离子，如CO2在碱性时就是CO32-离子，Al3+碱性时就是AlO2-，Fe3+碱性时就是Fe(OH)3沉淀，Pb2+遇到SO42-产生沉淀等③根据电极反应中变价元素的原子个数和变价数目，求出总的变价数目，在电极反应左边添加得到或失去电子的数目。④配平电极反应的电荷（电荷守恒）：先算清电极反应左右两边电荷的数目和极性（得到电子带负电，失去电子带正电），如果电解质溶液是酸性的，就用H+来配平，添加在电极反应左边或右边；如果电解质溶液是碱性的，就用OH-来配平，添加在电极反应左边或右边；如果电解质溶液是中性的，就用H+或OH-来配平，但一定要添加在电极反应的右侧（理由是：在离子反应中H+代表的是强酸、OH-代表的是强碱，反应物没有强．酸碱参与反应，但反应可以生成强酸或强碱）。⑤用H2O来调整氢和氧的个数（原子守恒）：如果用氢原子的个数配平H2O，那么就用氧原子来检验；反之亦然。⑥检查：产物中有没有不共存的微粒存在，等号左右有没有相同的微粒出现，原子是否守恒，电荷是否守恒，成对写的电极反应得失电子数是否相等。三、教学设计环节１：评价生活中的常见化学电源【设计意图】：由于学生已经学习了化学电源在生活中的应用，因此可以根据已有知识与生活经验明确判断一种电池优劣的标准，并由此建立本节课的学习心向：关注化学电源的性能与设计，以及如何改进化学电源以优化其性能，从而更好地满足生产、生活的需要。【教学设计】学生汇报自己常用的化学电源，根据使用电池的经验，提出从哪些指标判断一种电池的优劣。通过讨论总结出通常情况下，质量轻、体积小而输出电能多、功率大、储能时间长是大家期待的好性能电池。表2锂电池与碱性锌锰电池和普通锌锰电池比较电池体系电压/V比能量工作温度范围/℃可储存时间（20℃）/年(W·h)/kg(W·h)/L锂电池3.7420800-55~+7010碱性锌锰电池1.584210-20~+703普通锌锰电池1.555150-10~+501~2性能比较环节２：分析常见化学电源电池反应，了解其装置与性能。【设计意图】：尽管碱性锌锰电池和铅蓄电池等的电池反应比较复杂，不要求学生记忆，但对于给定的这些反应，学生可以分析负极发生了什么反应，正极又发生了什么反应。这些教学活动的目的是促进学生对原电池原理的理解。本环节的认知学习任务是“分析”常见化学电源电池反应，而不是简单的“了解”，从而避免科普式教学。同时，对这些化学电源装置的了解，也不是要学生记住电池是如何构造的，而是引导学生认识到化学电源是通过一定工艺设计而成的。【教学设计】学生分析碱性锌锰电池、铅蓄电池等常见化学电源的正、负极电极反应，以及电池总反应，认识化学电源的关键是利用自发氧化还原反应。了解这些电池的装置，如为了避免彼此接触而短路，正、负极板之间要用隔板等工艺设计，分析这些化学电源的优缺点。1．锌银电池——一次电池总反应式：Zn＋Ag2O＋H2O===Zn(OH)2+2Ag负极反应：正极反应：2．碱性锌锰干电池——一次电池总反应式：Zn＋2MnO2＋2H2O===2MnO(OH)＋Zn(OH)2。负极反应：正极反应：3．二次电池(可充电电池)铅蓄电池是最常见的二次电池放电时的总反应：Pb＋PbO2＋2H2SO4===2PbSO4＋2H2O负极反应：____________________________________正极反应：____________________________________例：铅蓄电池的总反应为：Pb+PbO2+2H2SO42PbSO4+2H2O，书写放电电极反应负极：（根据总的氧化还原反应）第一步：电极反应左边写Pb，右边写PbSO4（金属铅变成Pb2+，遇到电解质溶液中的SO42-生成难溶的PbSO4），并且要把+1价氢-2价氧之外的元素配平，因此在左边添写一个SO42-：Pb+SO42-—PbSO4第二步：找到变价的铅元素，它由0价升高到+2价，一个铅原子总计升高2价，就是失去2个电子，添写在电极反应的左侧：Pb+SO42--2e-—PbSO4第三步：分析方程式的左边不带电荷，右边不带电荷，电荷已经守恒，不必添写H+或OH-：Pb+SO42--2e-—PbSO4第四步：原子也已经守恒，不必添H2O，最后用氧原子的个数来检验一下：Pb+SO42--2e-═PbSO4第五步：进行检查正极：第一步：电极反应左边写PbO2，右边写PbSO4（+4铅变成铅离子，遇到电解质溶液中的SO42-生成难溶的PbSO4），在左边添写一个SO42-：PbO2+SO42-—PbSO4第二步：找到变价的铅元素，它由+4价降低到+2价，一个铅原子总计降低2价，就是得到2个电子，添写在电极反应的左侧：PbO2+SO42-+2e-—PbSO4第三步：分析方程式的左边带4个负电荷，右边不带电荷，溶液显酸性，就用H+配平，在左侧添加4个H+：PbO2+SO42-+2e-+4H+—PbSO4第四步：根据氢原子的个数用H2O把原子守恒完成，左侧4个氢原子，就在右侧添写2个H2O，最后用氧原子的个数来检验一下：PbO2+SO42-+2e-+4H+═PbSO4+2H2O第五步：进行检查环节3：了解燃料电池工作原理【设计意图】：了解燃料电池工作原理是本节课教学的一个重点。其重要性在于学生熟悉该电池反应———“简单”的氧化还原反应而已，但通过一定的设计，就可以制造出能量转化率高且环境友好的化学电源。而设计的基本原理他们已经学习，并非高不可攀，因此，学生有信心以后也可以进行新型电池的设计。所以，本节课的情感态度与价值观培养不应还是简单地强调化学电源对环境的破坏，而应该让学生认识到他们可以依靠所学知识去不断地优化化学电源的设计，提高能量转换率并保护环境，【教学设计】以氢氧燃料电池为例，分析燃料电池反应，了解燃料电池工作原理，认识燃料电池的能量转换率高于燃料普通燃烧的能量转换率，有利于节约能源。1．燃料电池氢氧燃料电池是目前最成熟的燃料电池，电解质溶液可分酸性和碱性两种。电解质溶液酸性碱性电池总反应式正极反应式负极反应式2.甲烷燃料电池(电解质溶液为NaOH溶液)的反应式为总反应离子方程式正极：负极甲烷燃料电