化学能与电能

教 案
课题：第二章 第二节 化学能与电能(一)授课班级
课 时
教

学

目

的知识
与
技能1、通过实验探究认识原电池的工作原理和原电池的构成条件，初步形成原电池的概念
2、通过设计科学探究实验方案和实验装置，初步了解实验研究的方法和实验方案设计的原则、步骤、注意事项
过程
与
方法1、通过对科学探究过程中实验现象的观察、讨论、归纳、呈现，培养实验观察能力、实验现象的描述能力和使用化学用语的技能，通过对实验现象的整理、分析、推理、归纳，从中培养实验分析能力和实验探究能力，同时，在分组实验中培养合作学习的能力，体验与他人交流的重要性
2、通过对探究原电池的工作原理和构成条件的学习过程进行计划、反思、评价和调控，初步形成自主学习化学的能力
3、通过对化学能转化为电能的学习，体验到科学探究的过程，理解科学探究的意义，认识科学探究的基本过程与方法，初步养成科学探究的能力
情感
态度
价值观 通过探究化学能转化为电能的奥妙，发展学习化学的兴趣与热情，体验科学探究的艰辛与喜悦，感受化学世界的奇妙与和谐。
重 点原电池的概念与构成条件
难 点用已经学过的有关知识探究化学能转化为电能的条件和装置
知
识
结
构
与
板
书
设
计第二章 第二节 化学能与电能(一)
一、化学能与电能的相互转化
1、定义：将化学能转变为电能的装置叫做原电池(primary battery )
锌片：溶解、失电子，做负极，电极反应：Zn---2e==Zn2+
铜片：有气泡产生，得电子，做正极，电极反应：2H＋+2e == H2 ↑
总反应方程式：Zn+2H＋==Zn 2+ +H2↑
2、原电池反应的本质：氧化还原反应且是能自发进行的反应（一般是放热的）
3.构成原电池的条件
⑴有两种活动性不同的金属（或一种是非金属导体如碳棒）做电极。　
负极:较活泼的金属
正极:较不活泼的金属或非金属导体
⑵电极材料均插入电解质溶液中。
⑶两电极要相连接或接触，形成闭合回路。
⑷自发进行的氧化还原反应。
4、原电池正负极的判断方法
(1) 由组成原电池的两极材料判断：一般是活泼的金属为负极；活泼性较弱的金属或能导电的非金属为正极
(2) 根据电流方向或电子流动方向判断：电流是由正极流向负极；电子流动方向是由负极流向正极
(3) 根据原电池两极发生的变化来判断：失电子的反应→氧化反应→负极；得电子的反应→还原反应→正极
过程
步骤、内容教学方法、手段、师生活动
［投影展示］水能、风能、石油、电能等常见能源的图片
［课前活动］阅读教材上的资料卡片，并思考什么是一次能源，什么是二次能源
［投影小结］一次能源：直接从自然界取得的能源。
二次能源：一次能源经过加工、转换得到的能源。
［创设情境］多媒体动画展示：热电厂的生产过程
［讲］电能是现代社会中应用最广泛、使用最方便、污染最小的一种二次能源，又称为电力。利用煤、石油、天然气等自然界蕴藏量极其丰富的化石燃料发电称为火力发电。火力发电中最主要的发电方式是汽轮机发电。汽轮机发电又称为蒸汽发电，它利用燃料在锅炉中燃烧产生蒸汽，用蒸汽冲动汽轮机，再由汽轮机带动发电机发电。
［问］在火力发电的过程中，能量是怎样进行转换的？
［讲］在火力发电过程中，经历了一系列的能量转换
［投影］
化学能 热能 机械能 电能
［问］在火力发电的过程中，化学能要经过一系列能量转换环节才能转化为电能。由于转换环节多，能源利用率低，造成能源的极度浪费。那么能否将化学能直接转化为电能，提高能量的利用率呢？这就是这节课我们要解决的问题
［板书］第二章 第二节 化学能与电能(一)
一、化学能与电能的相互转化
［讲］火力发电的本质是将化学能转化为热能，再经过一系列能量转换环节才能转化为电能。那么，要使氧化还原反应释放的能量不通过热能而直接转化为电能，所要解决的第一个问题是什么？
［讲］我们已经学习了有关金属的一些知识，了解了锌和铜的性质。锌是比较活泼的金属，能溶于稀硫酸，铜是不活泼金属，不溶于稀硫酸。如果我们把锌片和铜片连接在一起，同时放到稀硫酸中，会发生什么现象呢？下面我们做这个实验。
［探究实验］实验2-4
实验1：铜片和锌片平行插入，且不接触
实验现象锌表面有气泡产生，铜表面无明显现象
离子方程式Zn +2H＋ = Zn 2+ +H2 ↑
思考问题1.反应中，哪种物质失电子，哪种物质得电子？
2.Zn是通过什么途径将电子转移给溶液中H+的？
3.什么方法可使Zn与H＋ 分开，不让H＋直接在Zn表
面得电子？
结论用导线将锌表面的电子引出来
［讲］若将氧化反应和还原反应分开在两个不同区域进行，那么，怎样架设桥梁使电子从还原剂区域转移到氧化剂区域，同时形成电流？
实验2：铜片和锌片平行插入，用导线连接
实验现象大量气泡从铜片逸出，锌片部分溶解
离子方程式Zn +2H＋ = Zn 2+ +H2 ↑
思考问题1.H+ 得到的电子是Cu失去的吗？
2.在这个过程中Cu起什么作用？
3.你怎样才能知道导线中有电子通过？
结论Cu起传导电子的作用。可用电流表测电流及方向。
［讲］怎样知道所架设的桥梁中有电子通过，如何从电学角度考虑仪器的选择和组装问题？
实验3：铜片和锌片平行插入，用导线连接，并在导线间连接电流表
实验现象锌表面无气泡，铜表面有气泡，电流表发生偏转。
现象解释电子由Zn 导线 铜片 H＋定向移动产生电流，故电流表指针发生了偏转。
思考问题1.电子从Zn到H+经历了哪些途径？
2.你认为这个过程能量是如何转化的？
结论化学能直接转化为电能
［讲］要将化学能直接转化为电能，必须使氧化反应和还原反应在不同的区域进行，同时架设桥梁，使电子从还原剂区域转移到氧化剂区域，形成电流。这样将化学能直接转变为电能的装置叫做原电池
［板书］1、定义：将化学能转变为电能的装置叫做原电池(primary battery )
［投影］Flash动画展示：Zn ?Cu 原电池中电子的得失及流动情况，内电路中离子的移动情况，从微观角度加深对学生原电池工作原理的理解。
［小结］分析在Zn ? Cu 原电池中，锌片、铜片两个区域得失电子的情况，并用式子表示出来
［板书］锌片：溶解、失电子，做负极，电极反应：Zn---2e==Zn2+
铜片：有气泡产生，得电子，做正极，电极反应：2H＋+2e == H2 ↑
总反应方程式：Zn+2H＋==Zn 2+ +H2↑
［讲］原电池反应所依据的化学反应原理是氯化还原反应，书写电极反应的方法归纳如下：
1、写出总化学方程式
2、根据总化学反应方程式按照电子得失情况，分成氧化反应和还原反应
3、氧化反应在负极发生，还原反应在正极发生，注意介质参与反应。
总的化学反应方程式是正负电极反应相加的结果，反过来也可以相减，得电极反应。电极反应也遵守质量守恒，电荷守恒及正、负极得失电子数相等的规律。
书写电极方程式时要注意几点：
1、根据给出的化学方程式或根据题意，确定原电池的正负极，弄清正负极上发生反应的物质。
2、弱电解质、气体或难溶物均以分子式表示，其余以离子符号表示。
3、注意电解质溶液的成分，对正极、负极反应产物的影响，正、负极产物可根据题意或据化学方程式确定。
4、写电极反应时要遵守守恒原则，可在电极反应式一端据需要添加H＋或OH?或H2O，将两个电极反应式合起来，即可得到电池反应总方程式。

［点击试题］

［讲］通过以上的讨论，我们也可以抽象出原电池化学反应的本质是较活泼的金属发生氧化反应，电子从较活泼的金属（负极）通过外电路流向较不活泼的金属（正极）
［板书］2、原电池反应的本质：氧化还原反应且是能自发进行的反应（一般是放热的）
［讲］上面，我们通过实验探究了解了原电池的工作原理，初步形成原电池的概念，那么，原电池是由哪些部分组成的？也即原电池的构成条件是什么？
［科学探究］
探究目标：根据已有的氧化还原反应知识和电学知识，利用提供的实验用品，设计一套原电池装置，探究原电池的构成条件
实验1、如果两极的材料组成相同和不同时，将会产生什么现象？

实验2　如果溶液的导电性强弱不同时，将会产生什么现象？

实验3　如果两个电极在同一容器和不同容器中将会产生什么现象？

学生分组总结汇报实验结果和实验结论，师生共同交流探讨，得出结论
［板书］3.构成原电池的条件
⑴有两种活动性不同的金属（或一种是非金属导体如碳棒）做电极。　
负极:较活泼的金属
正极:较不活泼的金属或非金属导体
⑵电极材料均插入电解质溶液中。
⑶两电极要相连接或接触，形成闭合回路。
⑷自发进行的氧化还原反应。
［讲］在这里我们要注意的是，原电池中，负极的金属性比正极强。电极可能与电解质反应，也可能与电解质不反应。形成闭合回路的方式有多种，可以是导线连接两个电极，也可以是两电极接触。有的原电池产生的电流大，可以对外做功；有的原电池，电极上发生的反应很慢，产生的电流极其微弱，不能对外做功
［讲］最后，我们总结一下原电池正负极的判断方法
［板书］4、原电池正负极的判断方法
(1) 由组成原电池的两极材料判断：一般是活泼的金属为负极；活泼性较弱的金属或能导电的非金属为正极
(2) 根据电流方向或电子流动方向判断：电流是由正极流向负极；电子流动方向是由负极流向正极
(3) 根据原电池两极发生的变化来判断：失电子的反应→氧化反应→负极；得电子的反应→还原反应→正极
［讲］除此之外，还可根据原电池里电解质溶液内离子的定向流动方向来判断：在原电池的电解质溶液内，阳离子的移向的极是正极，阴离子移向的极是负极。
还有，若原电池工作后，X极质量增加，说明溶液中的阳离子在X极(正极)放电，X级活动性较弱。
若原电池工作后，X极上有气泡冒出，是因为发生了析出H2的电极反应，说明X极为正极，活动性弱。
即增重或产生气泡的为正极，溶解的为负极。
但有些特殊情况要考虑电极与电解质溶液的反应，例如，Mg、Al与NaOH溶液构成的原电池中Al作负极。
［点击试题］
题型1 原电池的判断

题型2 原电池的工作原理
2.某金属能跟稀盐酸作用发出氢气，该金属与锌组成原电池时，锌为负极，此金属是( )
A.Mg B.Fe C.Al D.Cu
3.由铜锌和稀硫酸组成的原电池工作时，电解质溶液的 PH( )
A.不变 B先变大后变小
C逐渐变大 D.逐渐变小
题型3 利用原电池电极判断金属性强弱
4.把a、b、c、d四块金属片浸入稀硫酸中，用导线两两相连组成原电池。若a、b相连时，a为负极；c、d相连时，电流由d到c；a、c相连时，c极上产生大量气泡，b、d相连时，b上有大量气泡产生，则四种金属的活动性顺序由强到弱的为( )
A．a > b > c > d B．a > c > d > b
C．c > a > b .> d D．b > d > c > a
题型4 原电池的构成条件
5.一个电池反应的离子方程式是 Zn+Cu2+=Zn2+ +Cu,该反应的的原电池正确组合是（ ）
题型5 原电池电极反应的书写

6、科学工作者为心脏病人设计的心脏起搏器的电池是以Pt和Zn为电极材料，依靠人体内液体中含有一定浓度的溶解氧、H+和Zn2+进行工作，回答下列问题
（1）负极材料是______ 电极反应式是____________________
（2）正极材料是______ 电极反应式是___________________
［课后作业］案例分析：在伦敦的上流社会，有一位贵族夫人格林太太，幼年时因蛀牙补过一颗不锈钢的假牙。不料后来，她又因为车祸掉了一颗牙，为了显示其富有，她装了一颗黄金假牙。自此以后，她就经常出现头痛、失眠心情烦燥等症状。更奇怪的是，众多的医学家为她检查后，都找不到病因是什么。这位夫人整日感到精神萎靡，找遍各大医院会诊也不见效果。格林太太的病因到底是什么呢？请同学根据本节的知识和我们生物学上的常识进行一下诊断。
教学回顾：
教 案
课题：第二章 第二节 化学能与电能(二)授课班级
课 时
教

学

目

的知识
与
技能在获得原电池概念和组成条件的基础上，能设计出一些原电池实验，学习实验研究的方法
过程
与
方法1、在探究设计原电池实验的过程中，学会运用观察、实验、查阅资料等多种手段获取信息，并运用比较、分类、归纳、概括等方法对信息进行加工
2、能对自己的化学学习过程进行计划、反思、评价和调控，提高自主学习化学的能力
情感
态度
价值观1、有参与化学科技活动的热情，有将原电池知识应用于生产、生活实践的意识，能够对与化学有关的社会和生活问题作出合理的判断
2、了解原电池对个人生活和社会发展的贡献，关注能源问题，逐步形成可持续发展的思想
重 点在实验探究的基础上认识原电池的组成及应用
难 点对研究成果以及学习过程和结果的评价和反思
知
识
结
构
与
板
书
设
计知识拓展------原电池的应用
①制作化学电源
②加快反应速率：
③判断金属活动性的强弱
④揭示钢铁腐蚀的原因及防止钢铁的腐蚀。
二、发展中的化学电源(chemical power source)
1．干电池( dry cell)
负极（锌筒）：Zn —2e—= Zn2+；
正极（石墨）：正极：2NH4++2e－=2NH3+H2
电池的总反应式为：Zn +2NH4+= Zn2++ 2NH3+H2
副反应：H2+2MnO2=Mn2O3+H2O 4NH3+Zn2+=[Zn(NH3)4]2+
2、充电电池
(1) 铅蓄电池(storage battery)
负极：Pb-2e-+SO42－=PbSO4 正极：PbO2+2e-+4H++SO42-=PbSO4+2H2O
蓄电池充电和放电的总化学方程式为：Pb+PbO2+2H2SO4 2PbSO4+2H2O
(2)镍氢电池
负极：H2 +2OH— —2e—= 2H2O
正极：2NiO(OH) +2H2O +2e— = 2Ni(OH)2 +2OH—
放电总反应式：H2 + 2NiO(OH) = 2Ni(OH)2
（3）碱性蓄电池
○1银锌电池： 负极：Zn+2OH—-2e-=ZnO+H2O 正极：Ag2O+H2O+2e-=2Ag+2OH-
银锌电池充电和放电的总化学方程式为：Zn+Ag2O+H2O 2Ag+Zn(OH)2
○2 镉镍电池：
负极：Cd＋2OH－-2e－=Cd（OH）2 正极：2NiO（OH）+2e－+2H2O=2Ni（OH）2+2OH－
镉镍电池充电和放电的总化学方程式为：
2NiO（OH）＋Cd＋2H2O 2Ni（OH）2＋Cd（OH）2
(4) 锂电池
负极：Li - e- = Li+ 正极：MnO2 + e- = MnO2-
总反应式：Li + MnO2 = LiMnO2
3．燃料电池(fuel cell)
(1) 氢氧燃料电池
（碱性）电极反应：负极：2H2+4OH——2e—=4H2O
正极：O2+2H2O+2e—=4OH—
电池的总反应为：2H2 + O2 = 2H2O
若电解质溶液为稀H2SO4
负极：2H2 —4e—=4H+ 正极：O2+ 4H+ + 4e—= 2H2O
放电总反应式： 2H2 + O2 = 2H2O
(2) 甲烷氧气燃料电池
负极：CH4+10OH—-8e－=CO32－+7H2O 正极：2O2+4H2O+8e－=8OH－
电池的总反应式为：CH4+2O2+2KOH=K2CO3+3H2O
教学过程
教学步骤、内容教学方法、手段、师生活动
［知识回顾］1、原电池的原理
2、简单的原电池的正负极和电子流向如何？
［过］上节课我们重点学习了原电池的原理和构成条件，那么原电池的原理又是如何应用在我们的生产生活领域上的呢？
［板书］知识拓展------原电池的应用
①制作化学电源
②加快反应速率：
［讲］例如，实验室制H2 时，由于锌太纯，反应一般较慢，可加入少量CuSO4以加快反应速率。
［板书］③判断金属活动性的强弱
④揭示钢铁腐蚀的原因及防止钢铁的腐蚀。
［讲］钢铁中含有碳，可与Fe组成原电池，发生原电池反应而使钢铁遭到腐蚀
［讲］有一位非常喜欢赶时髦的富商决定建造一艘海上游艇，为了使游艇奢侈豪华，他不惜重金让造船师用昂贵、漂亮、对海水有很强抗腐蚀能力的镍铜合金将船底包起来，由于这种合金的金属强度不够大，造船师又不得不用特种钢来制造游艇的许多零件。在一片赞美声中，游艇缓缓驶进了大海，畅游于碧海波涛中。可是未过几周，这艘游艇底部变得千疮百孔，过早结束了它的使命。你能解释其中的原因吗？

[引言]人们应用原电池原理，制作了多种电池，如干电池、蓄电池、充电电池、高能电池等，以满足不同需要。我们课我们具体来学习几种利用化学能转变为电能的化学电源。
[板书] 二、发展中的化学电源(chemical power source)
［讲］最古老的电池 —— 巴格达电池
1936年6月，伊拉克考古学家在巴格达城郊，发现了大量公元前二百多年属于波斯王朝时代的文物，其中包括一些奇怪的陶制器皿和生锈的铜管、铁棒。陶制器皿有点像花瓶，高15厘米，呈淡黄色，瓶里装满了沥青，沥青之中有个铀管，直径2.6厘米，高9厘米，铀管中又有一层沥青，并有一根锈迹斑斑的铁棒。
[讲]上述原电池的结构较简单，携带也不方便，当今的电池工业已能制造出各种各样的实用电池。实用电池一般应具有的特点是：能产生稳定而具有较高电压的电流：安全、耐用且便于携带；能够适用于特殊用途；便于回收处理，不污染环境或对环境产生较小的影响，下面我们来简单介绍几种常见电池和新型电池。
[板书] 1．干电池( dry cell)
［讲］干电池是用锌制圆筒型外壳作负极，位于中央的顶盖有铜的石墨作正极，在石墨周围填充NH4Cl和淀粉糊作电解质，还填有MnO2和炭黑(Zn—Mn电池)
[板书]负极（锌筒）：Zn —2e—= Zn2+；
正极（石墨）：正极：2NH4++2e－=2NH3+H2
电池的总反应式为：Zn +2NH4+= Zn2++ 2NH3+H2
副反应：H2+2MnO2=Mn2O3+H2O 4NH3+Zn2+=[Zn(NH3)4]2+
[讲]淀粉糊的作用是提高阴、阳离子在两极的析出速率。ZnCl2的作用是吸收NH3。MnO2作用是吸收正极放出的H2生成MnO(OH) ，从而消除电极正极H2的集结现象，防止产生极化。干电池是一次性电池，放电后不能再使用，内部氧化还原反应不可逆。为提高使用寿命，用KOH代替NH4Cl来提高性能。
干电池的主要用途是录音机、闪光灯、手电筒、电动玩具、袖珍电视机以及电极、空调摇控器等。
［过］充电电池又称二次电池 。可充电电池是两极都参加反应的电池。这是一种发展较快的原电池，如铅蓄电池、银锌电池、（纽扣电池）、锂电池、爱迪生蓄电池等，它们的负极是较活泼的金属，正极一般是金属氧化物。放电时，负极被氧化。正极材料的氧化物被还原，充电时的电极反应与放电时相反。
[板书]2、充电电池
(1) 铅蓄电池(storage battery)
[讲]铅蓄电池可放电亦可充电，它是用硬橡胶和透明塑料制成长方形外壳，在正极板上有一层棕褐色的PbO2，负极是海棉状的金属铅，两极均浸入硫酸溶液中，且两极间用橡胶或微孔塑料隔开。
[板书]负极：Pb-2e-+SO42－=PbSO4
正极：PbO2+2e-+4H++SO42-=PbSO4+2H2O
蓄电池充电和放电的总化学方程式为：
Pb+PbO2+2H2SO4 2PbSO4+2H2O
[讲]当放电进行到硫酸的浓度降低，溶液的密度达到1.18g/cm3时应停止使用，需充电，充电时起电解池的作用。
［思考与交流］铅蓄电池在放电前后电解质溶液和电极分别有哪些变化？这对电池的继续工作会带来哪些影响？
电解质溶液的浓度有所下降，同时电极上都附着一层难溶物PbSO4 使电池的电压降低，电压不稳定，欲使其恢复，就要对其进行充电
[板书](2)镍氢电池
负极：H2 +2OH— —2e—= 2H2O
正极：2NiO(OH) +2H2O +2e— = 2Ni(OH)2 +2OH—
放电总反应式：H2 + 2NiO(OH) = 2Ni(OH)2
[讲]1970-1975开发了先进的银锌、镍镉电池技术。1975-1983美国海军生产潜水艇用银锌电池。1979-1987美国国家能源部发展电动车用的镍锌电池。1998-1992美国海军发展世界上最大的镍镉电池用于核潜水
[板书]（3）碱性蓄电池
○1银锌电池： 负极：Zn+2OH—-2e-=ZnO+H2O
正极：Ag2O+H2O+2e-=2Ag+2OH-
银锌电池充电和放电的总化学方程式为：
Zn+Ag2O+H2O 2Ag+Zn(OH)2
[讲]正极壳填充Ag2O和石墨，负极盖填充锌汞合金，电解质溶液KOH。
[板书] ○2 镉镍电池：
负极：Cd＋2OH－-2e－=Cd（OH）2
正极：2NiO（OH）+2e－+2H2O=2Ni（OH）2+2OH－
镉镍电池充电和放电的总化学方程式为：
2NiO（OH）＋Cd＋2H2O 2Ni（OH）2＋Cd（OH）2
[讲]负极材料：Cd，正极材料：涂有NiO2，电解质：KOH溶液。镍镉电池寿命较蓄电池长，但镉是致癌物，镍镉污染环境。
[讲]还有一种广泛用于笔记本电脑、移动电话、摄像机的锂离子电池，其寿命较长，被称为绿色电池
[板书](4) 锂电池
负极：Li - e- = Li+
正极：MnO2 + e- = MnO2-
总反应式：Li + MnO2 = LiMnO2
[讲]优点：质量轻、容量大、放电时间长。锂电池是一种高能电池，锂作为负极，技术含量高，有质量轻、体积小、电压高、工作效率高和寿命长等优点。常用于电脑笔记本、手机、照相机、心脏起博器、火箭、导弹等的动力电源。
[讲]还有一种新型高效氢氧燃料电池，主要用于航天领域，它的电极一般为活化电极，具有很强的催化活性，如铂电极、活性炭电极等，电解质溶液为40%KOH溶液。
[板书]3．燃料电池(fuel cell)
(1) 氢氧燃料电池
（碱性）电极反应：负极：2H2+4OH——2e—=4H2O
正极：O2+2H2O+2e—=4OH—
电池的总反应为：2H2 + O2 = 2H2O
[讲]该电池的特点是能量转化率高，可达70%以上，且其燃烧的产物为水，因此不污染环境。
[板书] 若电解质溶液为稀H2SO4
负极：2H2 —4e—=4H+
正极：O2+ 4H+ + 4e—= 2H2O
放电总反应式： 2H2 + O2 = 2H2O
[讲]新型燃料电池：该电池用金属铂片插入KOH溶液中作电极，又在两极上分别通甲烷和氧气。
[板书](2) 甲烷氧气燃料电池
负极：CH4+10OH—-8e－=CO32－+7H2O
正极：2O2+4H2O+8e－=8OH－
电池的总反应式为：CH4+2O2+2KOH=K2CO3+3H2O


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