4.1原电池（第1课时）（教学设计）高二化学高效课堂（人教版2019选择性必修1）

第四章《化学反应与电能》教学设计第一节原电池的工作原理第一课时原电池的工作原理课题：4.1.1原电池的工作原理课时1授课年级高二课标要求内容要求：认识化学能与电能相互转化的实际意义及其重要应用。从氧化还原反应的角度初步认识原电池的工作原理。了解原电池及常见化学电源的工作原理，理解原电池的构造组成。学业要求：能分析、解释原电池的工作原理，能设计简单的原电池及创造性实验设计。教材分析本节内容是高中化学人教版（2019版）选择性必修1第四章第一节《原电池的工作原理》内容。电化学知识的学习，既可以为必修课程中原电池知识的学习提升高度，又可以让学生理解、设计、掌握电化学中原电池的设计，进一步掌握化学科学的研究方法，培养学生的科学素养。原电池原理这部分知识涉及学生对氧化还原反应、微粒观的认识发展以及分析体系中化学反应的基本思路，但是这两块知识点在初高中必须模块已经深入学习。氧化还原反应原理，能基本理解原电池的功能是化学能转化为电能。本册书的第一章，从物质的反应、微粒的运动、能量的转化等各个角度，带学生又学习了化学能与热能的转化原理。根据课标要求，本节内容分两个课时完成，由于“化学能与电能”是化学学科的重要原理性之一，也是对氧化还原反应原理本质的拓展及应用，并在本章节要深入学习化学能与电能的相互转化，所以本节内容有着承上启下的重要作用。让学生初步形成“原电池原理结构设计”学习的基本思维模型，进一步突出本节内容的学习重点，突破进行难点，培养学生的高阶思维能力，因此，本节内容共分两个课时完成。本节课内容顺应新时代发展理念：能源与可持续发展，遵循新课标的要求，有利于培养学生的核心素养。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。在化学能与电能的基础上，引入盐桥的概念，进一步巩固原电池的工作原理，在氧化还原反应、能量转换、电解质溶液的等知识的基础上，为后面学习电解原理、金属的腐蚀与防护等奠定基础。教学目标（1）通过对

“CuZn（CuSO4溶液）”装置的理解，观察，总结该原电池装置工作过程中的实验现象（如：是否有电流产生、两电极表现产生的现象、电解质溶变化等），总结原电池构成的条件，讨论并给出结论原电池工作原理。（2）通过观察“CuZn（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）通过对原电池工作原理的学习，进一步带学生完成对指定原电池的设计。（4）单液“CuZn（CuSO4溶液）”原电池装置到“CuZn（盐桥）”原电池装置改进的分析过程，分组讨论实验现象，总结双液原电池的工作原理。重点难点重点：原电池原理、盐桥的作用、探究能力的培养难点：原电池设计改进、探究能力的培养核心素养宏观辨识与微观探析：宏观上通过学生对锌铜原电池的实验现象的观察，得出有效实验信息加以分析；微观角度理解原电池工作原理，拓展氧化还原反应思维。科学探究与创新意识：通过实验探究，初步体验有序、全面、敏锐观察实验现象的方法，并能准确地用语言描述，尝试对现象进行分析、归纳，培养初步的科学探究能力。科学精神与社会责任：通过对单液电池的探究分析，改进普通原电池装置，正确理解盐桥在电化学中的应用。理解科学认识来源于实践的科学精神，科学认识的方法之一是定性与定量相结合。学情分析从学生的知识认知看，高一《必修二》的学习中，已经讲解了ZnCuSO4Cu简单的原电池，对于原电池的原理以及装置的设计学生还是有一定基础认知的。所以知识上基本要求有①金属的性质；②电解质溶液概念；③氧化还原反应原理；④生活中常见电池的认知。但选修对于原电池原理的难度要求是一个阶梯上升过程。选修阶段学生学习认知障碍可能是电极材料与电极反应物的关系、电解质溶液与电极反应物的关系；如何理解双液原电池；微观角度理解原电池中微粒的运动和反应等系列问题。学生已经具备氧化还原反应、原电池等基础知识，对简单的原电池有一定的知识贮备，有较高的动手能力和实验操作能力的同学，但对知识运用能力有待提高，本节课将在此基础上，充分发挥学生的主动性，探究更加高效的原电池装置，让学生在探究的过程中体验动手操作和合作的乐趣，能力上提高学生的观察能力、实验能力、思维能力，重点培养学生对原电池的设计能力以及实验创新能力，进一步激发学生的学习兴趣。教学过程教学环节教学活动设计意图环节一、情景导入生活情境【环节设计】教学环节设计意图回顾探究单液原电池复习反应原理，电池的构成条件，为后期双液原电池的探究做准备。探究双液原电池，盐桥的工作原理师生通过系类问题的讨论，改进单液原电池的方法，构建盐桥原电池。对比单液原电池和双液盐桥原电池的实验现象学生通过观察实验现象，进行双液原电池的特点及优点讨论，给出自己的结论。根据原电池原理的学习，引导学生设计原电池装置激发学生的实验兴趣，培养学生的观察能力，加强对知识的理解。盐桥变膜，初步了解离子交换膜的作用培养学生的实验探究能力，进一步一、知识回顾1.原电池构成的条件有哪些？分别起到的作用是什么？【互动提示】装置条件：①构成原电池需电极，金属电极需要活泼性不同；②电解质溶液，其中一电极可以与电解质溶液发生氧化还原反应；③闭合的回路；将两电极深入到电解质溶液中，两电极间用导线连接构成闭合回路；④自发的氧化还原反应。起到作用：电极的作用是导电，有些电池中电极材料会参加反应；导线的作用是传导电子；电解质溶液的作用是通过自由离子的移动传导电荷。【互动试题1】下列装置能形成原电池的是()【答案】C【解析】A中酒精不是电解质溶液，所以无法发生自发的氧化还原反应；B中装置两电极没有活泼性的差异；C装置中满足原电池构成的条件，有活泼性不同的两级，电解质溶液，形成闭合回路同时形成自发的氧化还原反应；D装置中不能形成闭合的回路，故本题答案选C。2.在铜锌稀硫酸原电池中，电子是怎样移动的？电子能否通过电解质溶液？如果不能，电流是如何形成的？【互动提示】由于金属锌比金属铜活泼，锌失去电子，电子通过导线流向铜片。电子不能通过电解质溶液，在稀硫酸中H＋移向铜片，SOeq\o\al(2－,4)移向锌片，阴阳离子定向移动形成电流。二、新知预习请画出原电池的工作原理简图，标出电子、电流、离子的移动方向，并指出有何特点和规律？【导入】我们生活中无处不见电池的使用，户外运动检测的电子手表；、笔记本电脑很多家用电器都需要使用电池；还有近几年推行的环保交通工具，电动汽车，它的主要核心就是在电池的技术，那么大家知道电池的能量是如何转化的吗？根据高一必修二的学习，回顾并总结原电池原理。创设生活中电池的应用，激发探究欲望。环环节二双液原电池活动一、原电池原理的理解【知识回顾】实验演示：将锌片和铜片分别用夹子夹好与电流表串联，再同时插入到盛有CuSO4溶液的烧杯中，如图所示：【问题1】观察两电极的现象，电解质溶液的现象及电流表的读数如何变化？【回答】①锌片逐渐溶解，铜片一级厚度再变大，颜色仍是红色；②CuSO4溶液颜色逐渐变浅；③电流表的指针发生偏转【问题2】电流表的指针发生偏转，思考其中的能量转化？【回答】指针发生偏转，说明产生了电流，在该装置中没有外加电源，只有两电极片与电解质溶液间的反应，所以，可以理解为化学能转化为电能。【问题3】将化学能转化为电能，这种装置称为原电池，那么思考，原电池构成的条件有哪些呢？【回答】①活泼性不同的两级；②电解质溶液；③闭合的回路；④自发的氧化还原反应。【问题4】思考原电池中电子流动方向和电流方向有何特点？【回答】①外电路：电子的移动：由负极（Zn片）→导线→正极（Cu片）。电流的移动：由正极（Cu片）→导线→负极（Zn片）。②内电路：阳离子移向正极，阴离子移向负极。【记忆小口诀】电子不下水（电子只在导线和电极移动，不可进入到溶液中）；离子不上岸（离子会在电解质溶液中定向移动，不进入导线）【过渡】根据学生们的问题回答，继续引导问题讨论，从书写电极方程式入手。【思考1】如何书写两极的电极反应？【回答】从反应类型角度可以得出，负极发生氧化反应，正极发生还原反应；可以技巧记忆“负氧正还”。电极方程式书写：负极反应式：Zn－2e－=Zn2＋；正极反应式：Cu2＋＋2e－=Cu；电池总反应的离子方程式是Zn＋Cu2＋=Zn2＋＋Cu。【思考2】通过原电池原理的问题分析，得出装置是两个半电池，可以分成锌半电池和铜半电池。氧化、还原反应分别是在两级分开反应的，但是少量的Cu2+还会在Zn表面还原的，我们如何阻止？【引导】①引导学生将两级分别插入不同的烧杯中；②引导学生思考如何将两池关联形成闭合回路，并介绍老师展示的“盐桥”，讲解其结构及作用；③引导学生两池中加入电解质溶液的设置。通过实验观察、总结实验中现象数据，培养学生构建实验模型的能力，发展学生模型认知的思维能力。活动二、双液原电池的探究活动二、双液原电池的原理【过渡】介绍实验台上的装置，是一个装有饱和KCl和琼脂的装置，这个装置的作用是起到联通两个电解质溶液，所以我们称之为盐桥。下面我们按照教材P94页实验41，按下图所示装置完成实验，并回答下列问题：【验41】将置有锌片的ZnSO4溶液和置有铜片的CuSO4溶液用一个盐桥连接起来，然后将锌片和铜片用导线连接，并在中间串联一个电流表。【过渡】引导学生观察实验现象，①观察电流表②观察两电解质溶液③观察两级④当取出盐桥后的实验现象【问题讨论环节】【问题1】实验过程中，两电极有哪些变化？【学生】与课上开始的实验现象相同，锌片溶解，铜片质量变大，颜色不变；【问题2】电流表的指针变化情况？【学生】电流表的指针也发生的偏转，说明此装置也产生了电流；也因此说明加了盐桥之后，装置构成了闭合的回路；【问题3】两烧杯中溶液是否发生改变？【学生】CuSO4溶液的颜色逐渐变浅。【实验探究】创设贯穿课堂始终的探究情境，提升学生思维能力【探究1】取走盐桥，电流表发生什么变化，为什么？【学生】当盐桥取出后，电流表的指针又回到了零点，即电路中没有电流通过。电流消失的原因，学生给出几种可能，大家一起讨论。学习情境：师生共同总结出原电池的工作流程，学习“半电池”、“内电路”、“外电路”等新概念。【思考与讨论】（1）图41所示的铜锌原电池工作中，电子在导线的移动方向是怎样的？阴离子、阳子离在电解质溶液中的移动方向是怎么样的？电子的移动方向：电子由Zn失去，经导线流向Cu电极。离子的移动方向：①硫酸锌溶液中：Zn2＋向盐桥移动；②硫酸铜溶液中：Cu2＋向铜极移动；③盐桥中：K＋移向正极区(CuSO4溶液)，Cl－移向负极区(ZnSO4溶液)，使氧化还原反应持续进行，不断的产生电流。（2）铜锌原电池可以看做由两个半电池组成，一个发生氧化反应、另一发生还原反应；分别写出两个不同电极反应方程式？负极反应式：Zn－2e－=Zn2＋，发生氧化反应；正极反应式：Cu2＋＋2e－=Cu，发生还原反应；电池总反应的离子方程式是Zn＋Cu2＋=Zn2＋＋Cu。【教师】我们上述的原电池，就称为“双液原电池”，思考盐桥的组成及作用是什么？（1）盐桥的组成资料卡片：盐桥——常见的盐桥是一个倒置的U形管，含有琼胶的KCl饱和溶液，其中的琼胶是一种含水丰富的凝胶，离子在其中既可以运动，又能起固定作用。（2）盐桥的作用连接两个半电池，是装置整体形成电流的通路，使反应得以顺利进行。否则，随着电池反应的发生，在Zn半电池溶液中，随着Zn2+离子增加而带正电荷；Cu半电池溶液中，随着Cu2+离子的减少，SO42离子相对过剩而带负电荷，这样会阻碍电子从锌棒流向铜棒而中断电流。【问题总结】原电池原理用图示进行记忆【对应训练1】如图，在盛有稀硫酸的烧杯中放入用导线连接的电极X、Y，外电路中电子流向如图所示，关于该装置的下列说法正确的是()A．外电路的电流方向为X→外电路→YB．若两电极分别为Fe和碳棒，则X为碳棒，Y为FeC.X极上发生的是还原反应，Y极上发生的是氧化反应D．若两电极都是金属，则它们的活动性顺序为X>Y【答案】D【解析】由图示电子流向知X为负极，Y为正极，则电流方向为Y→外电路→X，故A错；若两电极分别为Fe和碳棒，则X为Fe，Y为碳棒，B错；负极上失去电子发生氧化反应，正极上得到电子发生还原反应，C错；若两电极均为金属，活泼金属作负极，故有活动性X>Y。【对应训练2】关于下图所示的原电池，下列说法正确的是()A．电子从锌电极通过电流表流向铜电极B．盐桥中的阴离子向硫酸铜溶液中迁移C．锌电极发生氧化反应；铜电极发生还原反应，其电极反应是2H＋＋2e－=H2↑D．取出盐桥后，电流表仍会偏转，铜电极在反应前后质量不变【答案】A【解析】锌片作负极，铜片作正极，电子从负极流向正极，A选项正确；盐桥中的阴离子向负极移动，B选项错误；负极发生氧化反应，正极发生还原反应，铜电极发生的反应为Cu2＋＋2e－=Cu，C选项错误；取出盐桥后不能形成原电池，铜电极在反应后质量增加，D选项错误。【对应练习3】用铜片、银片设计成如图所示的原电池。以下有关该原电池的叙述正确的是（）A．电子通过盐桥从乙池移向甲池B．铜片是负极，发生还原反应C．开始时，银片上发生的反应是Ag－e=Ag＋D．将铜片浸入AgNO3溶液中发生的化学反应与该原电池总反应相同【答案】D【分析】根据题中装置，原电池的总反应为Cu+2Ag+=Cu2++2Ag，即铜片为负极，银片为正极，根据原电池工作原理进行分析；【详解】A．根据原电池工作原理，电子从铜片经电流计流向银片，电子不通过盐桥，故A错误；B．根据上述分析，铜片是负极，根据原电池工作原理，负极上失去电子，发生氧化反应，故B错误；C．银片为正极，电极反应式为Ag++e=Ag，故C错误；D．铜比银活泼，将铜片浸入AgNO3溶液中发生的化学反应方程式为Cu+2AgNO3=Cu(NO3)2+2Ag，与该原电池总反应相同，故D正确；【对应练习4】铜锌原电池(如图)工作时，下列叙述正确的是（）A．正极反应为Zn2e=Zn2+B．盐桥中的K+移向ZnSO4溶液C．在外电路中，电流从负极流向正极D．Cu电极发生还原反应【答案】D【解析】A．铜做正极，发生还原反应，电极反应为：Cu2++2e=Cu，A不符合题意；B．锌作负极，发生氧化反应，电极反应为：Zn2e=Zn2+；硫酸锌溶液中锌离子浓度增大，盐桥中的氯离子移向硫酸锌溶液；盐桥中的K+移向CuSO4溶液，故B不符合题意；C．原电池工作时，在外电路中，电子从电池负极经外电路流向正极，电流方向与之相反，故C不符合题意；D．Cu电极做正极，发生还原反应，故D符合题意；利用已有知识，预测物质的性质，培养利用所学解决实际问题的能力。实验探究（验证）预测（猜想），培养观察、分析能力，体验科学研究的基本方法。检测与评价，通过反馈，发现问题，调控课堂，提高效率。活动三、原电池的设计与改进改进引导学生分析原电池的构造，激发学生根据原电池原理独立设计不同原电池的想法。【提问1】原电池电极及电极反应有哪些特点？【学生】通过点单液原电池，双液原电池的学习，对电极的观察，总结以下特点：①负极为电子流出极，相对活泼，通常是活动性较强的金属或某些还原剂，负极被氧化，发生氧化反应。②正极为电子流入极，相对不活泼，通常是活动性较差的金属或非金属导体，一般是电解质溶液中的氧化性强的离子被还原或电极上附着物本身被还原，发生还原反应。【提问2】引导学生们自己设计原电池，分小组讨论。【讨论1】同学们首先提出原电池的构成条件老师可以引导学生从原电池的其中一个条件出发进行设计第一步：①自发的氧化还原反应都可以设计成原电池。②接下来，根据选定合适氧化还原反应，进行电极，电解质溶液的选定。【讨论2】①电解质溶液：一般能与负极反应，或者溶解在溶液中的物质(如O2)与负极反应。②电极材料：一般较活泼的金属作负极，较不活泼的金属或非金属导体作正极。【给出任务】根据原电池原理，判断该氧化还原反应2Fe3+＋Cu=2Fe2+＋Cu2+能否设计原电池，并写出电极方程式，同时设计单液原电池和双液原电池。【学生】①判断反应2Fe3＋＋Cu=2Fe2＋＋Cu2＋是自发的氧化还原反应，可以设计为原电池；②找出两个半反应：还原反应：2Fe3＋＋2e－=2Fe2＋氧化反应：Cu－2e－=Cu2＋③选电极：负极发生氧化反应—Cu,正极发生还原反应—选择活泼性弱于Cu的金属或非金属石墨；④电解质溶液：根据反应方程式，我们选择FeCl3溶液。【教师】根据学生设计的思路，给出装置示意图，如下：【提问】那么同学通过什么方法将单液原电池改到双液盐桥电池呢？【学生】讨论得出结论，电极的选择不变；需要两个电解质溶液装置，其中正极插入的电解质溶液不变，仍是FeCl3溶液。负极插入的电解质溶液选择CuCl2溶液。【对应练习5】人们常常利用化学反应中的能量变化为人类服务。下列化学反应在理论上可以设计成原电池的是（）A．B．C． D．【答案】AC【解析】（1）构成原电池的反应理论上应为发生电子转移的氧化还原反应，A、C选项均为氧化还原反应，A、C选项正确；B、D选项均为非氧化还原反应，B、D选项错误；故答案选A、C。【引导】大家在观察盐桥原电池实现现象时，我们观察到有了盐桥的装置产生的电流比较稳定，但是我们观察到电流强度逐渐变小，这是什么原因呢？【思考】双液原电池电流弱的原因？装置特点两电极分别在两池，离子通过盐桥移动，所以距离长。由于盐桥的体积有限，所以离子容量小，那我们如何改进你呢？【引入讲解】介绍“离子交换膜”的定义，即：阴离子交换膜只允许阴离子通过，阳离子交换膜只允许阳离子通过以及展现含有离子交换膜的装置。和学生介绍，离子交换膜可以解决双液原电池电流弱的原因，本节课简单了解该装置，后期会继续深入学习。【互动】与学生讨论原电池装置的演变过程。【对应练习3】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(SOeq\o\al(2－,4))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【答案】C【解析】A项，由锌的活泼性大于铜，可知铜电极为正极，在正极上Cu2＋得电子发生还原反应生成Cu，错误；B项，由于阳离子交换膜只允许阳离子和水分子通过，故甲池的c(SOeq\o\al(2－,4))不变，错误；C项，在乙池中Cu2＋＋2e－=Cu，同时甲池中的Zn2＋通过阳离子交换膜进入乙池中，由于M(Zn2＋)>M(Cu2＋)，故乙池溶液的总质量增加，正确；D项，阳离子交换膜只允许阳离子和水分子通过，电解过程中Zn2＋通过阳离子交换膜移向正极保持溶液中电荷平衡，阴离子是不能通过交换膜的，错误。通过对单液原电池和双液原电池的归纳总结，建构原电池模型，发展学生模型认知的思维方法。课堂总结装置原电池实例原理定义使氧化还原反应中电子作定向移动，从而形成电流。这种把化学能转变为电能的装置叫做原电池。形成条件①电极：两种不同的导体相连；②电解质溶液：能与电极反应。反应类型自发的氧化还原反应电极名称由电极本身性质决定：正极：材料性质较不活泼的电极；负极：材料性质较活泼的电极。电极反应负极：Zn2e=Zn2+（氧化反应）正极：2H++2e=H2↑（还原反应）电子流向负极→正极电流方向正极→负极能量转化化学能→电能应用①抗金属的电化腐蚀；②实用电池。板书设计第四章化学能与电能第一节原电池一、原电池的工作原理1.原电池的构成条件2.电极方程式的书写3.单液CuZn原电池二、双液原电池1.盐桥定义及