以实验探究突破教学难点-原电池教学设计

1原电池教学设计广州市协和中学周丽萍一、教材分析学生对于原电池的认识已有一定的基础知识，高一在必修教材《化学2》中第二章第二节《化学能与电能》的基础上，初步认识了原电池的组成和工作原理，知道正负极的判断方法，会写简单的电极反应方程式和总反应方程式。高二文理分班后，在选修教材《化学反应原理》将进行深入的学习。教材通过对单液原电池电池效率的探究，引出双液原电池，引出半电池、盐桥、内电路、外电路等概念，对原电池工作原理的概貌有比较深入的了解。由于原电池在实际生活、工农业生产、科学研究中应用广泛，学好本节知识，具有比较重要的理论意义和现实意义。本章涉及到原电池的相关知识分布在第一节、第二节和第四节，原电池的知识网络图如图1。图1原电池知识网络图二、学生认知原电池的思维障碍点：根据一线教师的访谈和相关文献资料的整理，学生认知原电池的学习困难主要集中在“电极反应式书写、电子电流的流向、阴阳离子的移动方向、双液原电池的构成条件、盐桥2的作用、设计原电池”等六个方面。——李淑荣.“原电池”学习困难情况调查与教学策略研究[D].2010:8-9.三、教学目标1、通过观察“Cu-Zn（CuSO4溶液）”原电池装置产生电流过程中的系列现象（如：电流强度变化、电极表面现象、电解质溶液温度变化等），感受“氧化剂和还原剂直接接触”的原电池装置在实现能量转化的过程中存在效率问题，进一步体会能量间可以相互转化及转化过程中能量守恒。2、通过观察“Cu-Zn（盐桥）”原电池装置特点及产生电流的实验现象，分析形成电流的微观过程，了解盐桥的作用，进一步了解“氧化剂和还原剂完全隔离”的原电池装置的反应原理。3、能够根据电极材料、氧化还原反应原理判断电池正、负极，写出电极反应式和电池反应方程式。4、能够根据具体的氧化还原反应，设计简单原电池装置。5、经历“Cu-Zn（CuSO4溶液）”原电池装置到“Cu-Zn（盐桥）”原电池装置改进的分析过程，感受科学研究中发现问题、分析问题、解决问题的探究过程。——广州市学生学业评价标准2014版教学重点：双液原电池的工作原理和构成条件，电极反应式的书写，盐桥的作用。教学难点：盐桥的作用，原电池电极反应式的书写，原电池的设计。四、教学策略：1、实验探究的教学策略：本节教学可以采用实验探究法，引导学生通过对原电池产生电流现象的观察和分析，发现单液原电池存在能量转化过程中的矛盾，并设想解决矛盾的思路，理解解决矛盾的方法。特别是盐桥的引入，是对旧的思维模式的一个质的突破。过去认为氧化剂、还原剂只有直接接触、互相作用才能发生电子转移，而现在，是使氧化剂和还原剂近乎完全隔离，并在不同的区域之间通过特定的装置实现了电子的定向转移，为原电池持续稳定地产生电流创造了必要的条件，也为原电池原理的实用性开发奠定了理论基础。——摘自《化学选修4教师教学用书》82页，2014.52、化学三重表征的含义及教学策略化学三重表征就是从宏观、微观、符号三种表征角度去认识和理解化学知识，并建立三者之间的有机结合和相互转化。三重表征是从多个不同的角度来理解、认识化学的，它3温度计是各个角度的联系与融合，是一个有机的整体。运用三重表征的思维方式学习化学，能增进学生对化学知识的理解，提高学生分析和解决化学问题的能力。三重表征的教学策略可归纳为以下四个方面：加强实验教学；合理利用微观模拟；理解符号表征的意义；加强表征之间的转换意识和能力。——张丙香，毕华林.化学三重表征的含义及其教学策略[J].中学教育学刊，2013（02）：73-76.3、基于科学取向教学论的原理课教学的学习策略和教学结构：————李南萍老师《中学化学基本课型研究.ppt》4、本节内容的教学流程四、教学过程环节一、组装Cu-Zn-CuSO4单液电池并进行实验。设计目的：回忆原电池的构成条件、培养系统观察和描述实验现象的能力，引出单液原电池能量转化率低的问题。【学生活动1】已知Zn(s)+Cu2+(aq)=Zn2+(aq)+Cu(s)△H0，用以下药品和仪器组装原电池（如图2），记录实验现象（注意观察锌片表面、温度计读数和电流表的读数变化），写出电极反应方程式。【学生实验1】实验目的：通过Cu-Zn-CuSO4原电池实验，发现单液原电池能量转化率低的问题。实验药品和仪器：Zn片，Cu片，1mol/LCuSO4溶液，显性教学任务：知道原理是什么（如果—那么，原因—结果）知道原理为什么是这样的运用原理去办事（解释、预测或控制变量之间的相互作用）辨明新原理与有关原理的关系，形成原理系统原理的学习方式：例规法、规例法一般教学结构：1、获得原理2、形成运用原理的程序3、运用原理对外办事复习回顾设计实验探究实验设计实验修正方案获得原理应用原理探究实验设计实验图2Cu-Zn-CuSO4原电池4灵敏电流表，导线，烧杯，胶头滴管，温度计。实验装置图：（如图2）【思考与交流1】①构成原电池的条件是什么？②写出正负极的电极反应方程式，并分析反应类型。③请在实验装置图上画出外电路电子的流向方向，内电路阴阳离子的移动方向。④请完整描述实验现象（讲解时强调海陆空、热量、电流表读数五方面描述）⑤正负极接触同一电解质溶液的电池称为单液原电池。请结合实验现象．．．．．．分析单液电池效率低的原因，并尝试提出解决方案。【小结1】①单液原电池电池效率不高的原因：Cu-Zn-CuSO4单液原电池，由于Zn片直接与CuSO4溶液接触发生置换反应，部分化学能直接转化为热能，导致电能损失；同时Zn片与表面析出的Cu形成原电池反应，导致部分电子不从导线通过，电流发生衰减，电池效率不高。②设计高效率的原电池的关键点是：避免氧化剂和还原剂直接接触，把氧化反应和还原反应分开在不同区域进行。环节二、计双液原电池，从宏观角度认识盐桥的作用【学生活动2】以Zn+Cu2+=Zn2++Cu反应为例，设计一个新的实验装置，把氧化反应和还原反应分开在不同的区域进行，如图3。【思考与交流2】①图3的实验装置闭合开关后电流表指针会发生偏转吗？如果没有电流产生，是什么原因？②学习小组讨论可以采用什么材料使图3连成通路？【学生】实验方案1：用导线连接；实验方案2：用电解质溶液连接。……【教师】这里需要连通的是内电路，应该考虑形成离子通路，不考虑用导线连接，应该用电解质溶液连接。但是有什么方法可以将溶液固定呢？【学生】可以用滤纸浸泡电解质溶液后连接两个烧杯，可以用U形管装电解质溶液后用棉花塞紧……5【学生实验2】学习小组同学讨论交流得出实验方案后，再进行实验探究，并及时记录实验现象。（实验时先不发放盐桥，提醒学生实验前用砂纸打磨两个电极）【实验结果】用长滤纸浸泡NaCl溶液或者KCl溶液后，使滤纸两端分别与两杯溶液接触，电流表指针发生偏转。【教师】在书本有更好的方法固定电解质溶液，我们称作盐桥——U形管内装着含琼胶的KCl饱和溶液。请阅读教材71页实验4-1，我们把这样的原电池叫做双液原电池。请动手实验，思考盐桥的作用是什么？电流表的读数有没有逐渐变小？【学生实验3】按照实验4-1的实验装置进行实验。（给学生派发盐桥，提醒实验前用砂纸打磨两个电极）【小结2】盐桥的作用之一：连通双液原电池的内电路。环节三、从微观的角度深入认识盐桥的作用【思考交流3】根据实验4-1，填写下表：负极（Zn）正极（Cu）实验现象电极方程式溶液中离子浓度的变化盐桥内离子移动的方向【学生活动3】根据思考与交流3的表格，4人学习小组动手摆弄卡纸模型，模拟双液原电池，指出原电池的正负极，画出电子流动方向和溶液内部离子移动的方向。【学生】Zn片为负极，Cu片为正极，按照物理学知识，电子从负极流向正极。因为左边烧杯发生的反应是Zn-2e-=Zn2+，ZnSO4溶液因为Zn2+的增加而带正电荷，因此盐桥内的Cl-移向ZnSO4溶液使溶液保持电中性，又因为右边烧杯发生的反应是Cu2++2e-=Cu，CuSO4溶液因为Cu2+的减少、SO42-相对增加而带负电，因此盐桥内的K+移向CuSO4溶液使溶液保持电中性。【小结3】盐桥的作用之二：通过阴阳离子的定向移动使溶液保持电中性，提供持续稳定的电流，这种作用称为“平衡电荷”的作用。环节四、探究双液原电池的构成，并应用相应的思维程序去设计电流持续稳定的原电池。6图4【思考交流4】双液原电池（如图4），锌与锌盐溶液组成锌半电池，铜和铜盐溶液组成铜半电池。请思考：①在锌半电池中，ZnSO4溶液可以用其他的电解质溶液代替吗？正极的Cu片可以用其他电极材料代替吗？请根据实验室提供的电解质溶液和导体设计实验方案，画出实验装置图。②根据探究实验总结双液原电池的组成条件。【学生活动4】学习小组模仿实验4-1的双液原电池，讨论实验方案，再进行实验探究。【投影】实验目的：通过组装双液原电池实验，探究双液原电池的组成实验药品及仪器：1mol/LZnCl2溶液，1mol/LZn(NO3)2溶液，1mol/LNaCl溶液，6mol/LNaOH溶液，1mol/LCuSO4溶液，石墨棒，铁棒，灵敏电流计，盐桥，烧杯，导线【学生】可以用石墨、铁、银等比锌活动性弱的材料代替铜片作正极，可以用ZnCl2、Zn(NO3)2、NaCl等不与锌片反应的盐溶液代替ZnSO4溶液。【小结4】归纳双液原电池的构成条件：①一般，金属活动性较强的导体作负极，金属活动性较弱（或石墨）的导体作正极；②把氧化剂和还原剂分别置于不同的烧杯中；③根据电极材料确定电解质溶液。为保证电极材料不与电解质溶液直接反应，一般情况电极和电极对应的盐溶液组成半电池。④插入盐桥连成通路。【练习1】根据下列反应氧化还原反应各设计一个电流持续稳定的原电池，写出电极反应式，画出实验装置图（装置图需要作出适当的标注）。①Cu+2Ag+=Cu2++2Ag②2Fe3++Cu=2Fe2++Cu2+③2Al+2NaOH+2H2O=2NaAlO2+3H2↑【小结】1、根据原电池总反应书写电极反应式的一般思路：①标变价；②找物质（正极/负极反应物及其生成物）；③配电子，配离子；④查守恒（电荷守恒和原子守恒）。2、根据自发的氧化还原反应设计双液原电池的一般思路：①先写电极反应式；7②有金属(s)参加的反应，金属一般作负极，活动性较弱的金属或石墨等惰性材料作正极；③电极材料与对应的盐溶液组成半电池；④盐桥连成通路。【练习2】填写单液原电池和双液原电池的对比表格Cu-Zn-CuSO4单液原电池Cu-Zn（盐桥）双液原电池实验装置图电池效率总反应方程式和电极反应式外电路：电子流向内电路：离子移动方向