第四章化學反應與電能第一單元原電池一、單元概覽一、單元概覽本單元通過對原電池的學習，繼續發展“宏觀辨識與微觀探析”“科學探究與創新意識”化學學科核心素養，重點發展“變化觀念與平衡思想”“證據推理與模型認知”“科學態度與社會責任”化學學科核心素養。核心素養發展重點內容要求學業要求變化觀念與平衡思想認識到化學能能夠轉化成電能，并能利用這種能量轉化實現能量的儲存和再利用以及物質的轉化。能在宏觀、微觀層面分析化學能與電能相互轉化的原理。1.認識化學能與電能相互轉化的實際意義及其重要應用。2.了解原電池及常見化學電源的工作原理。1.能分析、解釋原電池的工作原理，能設計簡單的原電池。2.能列舉常見的化學電源，并能利用相關信息分析化學電源的工作原理。3.能舉例說明化學在解決能源危機中的重要作用，能分析能源的利用對自然環境和社會發展的影響。4.能綜合考慮化學變化中的物質變化和能量變化來分析、解決實際問題，如煤炭的綜合利用、新型電池的開發等。證據推理與模型認知構建對化學能與電能相互轉化的原理和裝置的認識模型，并能基于該認識模型分析陌生的化學電池的工作原理、設計電池，實現能量轉化或物質轉化。科學態度與社會責任能從能源利用率、環境保護等角度綜合考慮，提出利用化學變化實現能量儲存和釋放的有實用價值的建議。單元整體設計構思：本單元主要討論化學反應與電能的有關問題，從而完整、全面地落實課程標準中選擇性必修1的主題1“化學反應與能量”的教學內容和要求。在單元編排方面，注重理論與實際的緊密聯系，一方面通過分析和說明電化學裝置（原電池）及其工作原理，揭示其中的化學能與電能的聯系；另一方面通過常見的化學電源、電解、電鍍、電冶金和金屬腐蝕與防護等教學內容，將上述化學反應原理應用于科研、生產和生活之中。本單元整體構思如下。單元教學目標：（1）能運用原電池思維模型分析其工作原理，體會變化與守恒思想。（2）形成并應用原電池工作原理的認識模型；知道原電池的構成要素，并能從其分析解決原電池的設計問題。（3）認識常見化學電池的工作原理和不同類化學電源的特點；學會復雜電極反應方程式書寫的方法。（4）體會環境中氧氣在空氣電池中的作用；體會設計電池過程中，原理與技術的應用；鞏固分析原電池相關問題的角度和思路。3.課時安排：建議3課時二、情境與任務二、情境與任務情境：汽車等機動車往往需要配備電池，人造衛星、宇宙飛船等必須攜帶電池，人們在日常生活中也經常要使用電池……這些足以說明電池的重要作用。現在，為滿足人們生產和生活水平不斷提高的需要，性能優異的新型電池相繼出現，例如，比亞迪汽車公司使用磷酸鐵鋰電池可以滿足“充電一小時，續航500公里”等。那么，電池究竟是一種什么樣的裝置？它們在工作時，裝置中發生了什么變化？在生產實踐中，人們是如何利用電能的呢？離子交換膜在電化學工業中的應用如何？任務及任務分解：課時任務第1課時【任務一】探究電流產生的秘密——原電池的構成條件【任務二】探究如何產生穩定的電流——原電池工作原理【任務三】應用認知模型解決問題——隔膜型原電池第2課時【任務一】認識一次電池——干電池【任務二】認識二次電池——鉛蓄電池【任務三】認識燃料電池【任務四】廢舊電池的回收問題第3課時【任務一】鹽水小汽車電池工作原理分析【任務二】認識不同的汽車動力電池【任務三】認識鋰電池發展史【任務四】二次鋰離子電池的工作原理問題以及廢舊鋰離子電池的回收問題三、三、資源與支持訓練1．從能量轉化的特點引出鋅銅原電池裝置學生已經知道，把銅片和鋅片置于稀硫酸中并用導線連接起來可以獲得電流。必修階段的教學要求是“以原電池為例，認識化學能可以轉化為電能，從氧化還原反應的角度初步認識原電池的工作原理”，所以，在教學中教師引導學生重點關注的是電流表指針會發生偏轉，而對于其中的電流不穩定、溶液溫度升高等現象及其產生的原因并沒有進行探討。在本節內容的教學中，教師可利用該實驗引入，并用溫度計測量反應過程中溶液的溫度變化。實驗中注意引導學生關注負極表面的變化及電流的穩定性，以獲得該體系中化學能沒有完全轉化為電能的實驗證據。圍繞此實驗，可組織學生討論以下問題。（1）該裝置中發生了哪些能量轉化？（2）在正極、負極上分別發生了什么反應？（3）電流是否衰減？如果是，衰減的原因可能是什么？（4）你能否設計防止電流衰減的裝置？在評價學生設計的實驗裝置的基礎上，教師可以演示教材中的實驗4－1，幫助學生明確鋅銅原電池中各組成部分的功能，梳理鋅銅原電池的工作原理。2．精心設計學習活動，助力原電池思維模型的建構與應用在必修階段，學生對原電池往往會存在很多模糊認識。例如，負極材料必須參與電極反應，鋅與稀硫酸接觸引發了電池反應才產生電流等。教學中可結合實物、圖畫或實驗創設真實情境，組織學生開展分析解釋、推理預測、設計評價等學習活動，轉化認識偏差，促使學生認識到電極反應、電極材料、離子導體、電子導體是原電池構成的基本要素，逐步建立系統分析原電池的思路。（1）完善原電池思維模型可以讓學生觀察教材中給出的鋅銅原電池裝置，預測該裝置能否產生電流，并說明原因。之后讓學生進行實驗來驗證預測，同時結合教材中的第一個“思考與討論”中的問題，梳理鋅銅原電池的工作原理，如圖4－1所示。圖4－1鋅銅原電池的工作原理示意圖明確鋅銅原電池的工作原理后，可引導學生結合第二個“思考與討論”中的問題進行抽象概括，歸納出原電池裝置中各組成要素的功能，將構成原電池的四要素進行有序關聯，結合本章“整理與提升”的內容，建立對原電池工作過程動態的系統分析思路，如圖4－2所示。由此完成原電池思維模型的建構。圖4－2原電池工作原理示意圖（2）應用思維模型，分析或設計原電池可以參考如下教學活動。活動一：展示教材中的氫氧燃料電池工作原理示意圖，讓學生分析該燃料電池的工作原理，認識質子交換膜的作用，培養他們的遷移能力。活動二：展示NOx傳感器的工作原理示意圖（如圖4－3），分析電極反應，建立原電池裝置與電極反應之間的關聯，認識原電池原理在實現物質轉化、檢測NOx等解決實際問題中的應用。圖4－3NOx傳感器工作原理示意圖活動三：依據反應2Fe3+＋2I－＝I2＋2Fe2+，設計原電池，實現化學能轉化為電能，并概括設計原電池的一般思路，即：分析氧化反應和還原反應→與電極反應相對應→選擇電極材料→選擇正極區、負極區的電解質溶液。活動四：結合教材中的“研究與實踐”，布置課外活動。這些活動，對于學生理解并運用原電池的思維模型具有重要的作用。3．剖析化學電源，認識電池構成的四要素，體會變化與守恒思想在日常生活中，化學電源比比皆是。如何讓學生將所學習的原電池原理應用于各種化學電源呢？教學中可設計解構鋅錳電池的活動：由學生解剖一款干電池，觀察電池內部各物質的性狀，與構成原電池的四要素進行一一對應，推測電極反應，并通過實驗來驗證。再展示教材中堿性鋅錳電池的構造示意圖，讓學生分析該電池各組成部分的功能及產生電流的原因，培養學生運用原電池思維模型分析、解決實際問題的能力。在進行書寫電極反應與電池反應的教學時，要注意挖掘其中蘊含的變化與守恒思想。可結合教材中的“方法導引”欄目，同時引導學生關注介質對電極產物的影響。例如，氫氧燃料電池（電解質溶液為堿性）電極反應的分析思路為：先確定電極上的反應物和產物，再依據化合價的變化確定得到或失去的電子數目，然后根據電子得失守恒書寫總反應。具體來說，H2在負極上失去電子生成H＋，H＋與電解質溶液中的OH－結合生成H2O，所以負極反應為H2－2e－＋2OH－＝2H2O，而不能書寫為H2－2e－＝2H＋；O2在正極上得到電子，正極反應為O2＋4e－＋2H2O＝4OH－；因為H2在負極失去電子的數目等于O2在正極得到電子的數目，所以電池總反應為2H2＋O2＝2H2O。建議在進行化學電源（如堿性鋅錳電池、鉛酸蓄電池、甲烷燃料電池等）的教學時，采用多種教學方式培養學生的正向和逆向思維，以強化變化與守恒思想。例如，可給出化學電源，讓學生書寫電極反應和電池總反應，也可給出電池總反應，由學生分析其正極、負極及所發生的電極反應。4．介紹電