高中二年级上学期化学《化学电源》教学设计

化学电源一、课标解读1．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作用；了解常见的化学电源，并利用相关信息分析化学电源的工作原理。2．学业要求能列举常见的化学电源，并能正确书写有关电池的电极反应和电池反应。二、教材分析新教材突出对原电池模型的建构与认识，突出方法、模型、研究视角的构建去引导学生根据实验现象，结合已学氧化还原反应知识进行探究推理，并应用电子守恒的观念书写电极反应式。发展学生多角度直观地进行概念和模型建构的能力，培养学生“变化守恒”“证据推理与模型认知”素养。在对原电池工作原理、正负极区域电解质溶液、电极材料进一步探究的实验探究教学中，发展学生“证据推理与模型认知”“科学探究与创新意识”素养。从宏观实验现象入手，分析现象背后的微观本质，用电极反应式进行符号表征，促进学生运用现象与本质、宏观与微观相结合的方法思考化学问题、解决化学问题，发展学生“宏观辨识与微观探析”素养。人教版旧教材中，化学电源的内容属于第四章第二节的内容，在新教材中属于选择性必修一第四章第一节原电池的第二、第三课时的内容，把旧教材中的第一节和第二节的内容合并为一节，使得节奏更加紧凑。与旧教材相比，新教材将干电池的概念调后至介绍一次电池时才出现，编排更加合理。在对二次电池的介绍中，资料卡片的内容删去了锌银电池和锂电池的具体内容，改为对使用范围更广的锂离子电池进行详细的介绍，并且将锂离子电池的适用范围从小型设备为主改为适用于大型储能电站，表述更加准确且与时俱进，体现科技的进步与社会的发展。新教材强调原电池的核心要素是以发生在电子导体间（比如金属与离子导体），以电解质溶液接触界面上的氧化还原反应为基础，从而实现化学能与电能的相互转化。与旧教材相比，表述更为严谨贴切。此外，新教材更加突出思路和方法的引导，更突显培养学生的学科素养。新教材更加突出要求学生在理解原电池工作原理的基础上，能自行分析解释电池的工作原理，并设计简单的原电池。新教材突出对原电池模型的构建和认识，突出方法，模型研究的视角构建。引导学生关注生产、生活、科技及国防等领域中的能量变化，关注科技前沿社会热点问题。三、学情分析通过以前章节的学习，学生已经掌握了化学反应的自发性以及原电池的原理等理论知识，对一些简单的原电池的工作原理已经有一定的分析能力，但是对于陌生的化学电源模型的反应原理以及电极反应产物的分析，电极反应式的书写还存在困难。四、素养目标【学习目标】1.能深入了解原电池的反应原理；2.能根据原电池的工作原理分析陌生的化学电源模型的工作原理；3.能书写化学电源的电极反应方程式。【评价目标】1.通过对原电池反应原理的讨论，诊断学生对原电池概念的掌握程度；2.通过对陌生的化学电源组成、结构和工作原理的分析对比研究，认识不同电池的优点和缺陷，诊断并发展学生的分析推理能力；3.通过对化学电源电极反应方程式的书写，诊断并发展学生的证据推理能力与模型认知素养。五、教学重点、难点教学重点：化学电源中一次电池、二次电池的反应原理、性能及其应用。教学难点：化学电源电极反应方程式的书写。六、教学过程环节教师活动学生活动温故知新【课堂导入】教师引导学生回顾原电池模型的反应原理等基本信息。构成原电池，需要自发氧化还原反应中的氧化反应和还原反应，在原电池装置中被拆分成为发生在不同区域进行的电极反应，借助装置中的电极材料、离子导体和电子导体，就可以将反应物中的化学能转化为电能。回顾已学知识课堂引入【教师提问】科学家在依据原电池的原理设计化学电源时要综合考虑全面分析哪些因素？根据生活经验，认识原电池和化学电源的差别，分析科学家设计化学电源时要必须解决的问题，比如比能量、原料、安全、成本及环保等。建立模型【教师提问】在日常生活和学习中，大家用过哪些电池？使用电池时是否关注过电池上的标识吗？这些电池在工作的过程中是否发生化学反应，这些化学反应的类型是什么？列举日常生活中常用的化学电源。【教师讲解】最初的普通锌锰干电池使用寿命短，科学家研究了使用寿命更长，现在广泛使用的碱性锌锰干电池，考虑到干电池无法充电，研究人员研发了可反复使用的二次电池，电池在需求和创意的推动下，不断的向更新的方向发展，而这些化学电源的雏形都是原电池。根据已学的原电池知识，结合生活中的实际理解，对化学电源的要求与发展趋势有初步认识。认识模型【教师讲解】一次电池就是放电后不可再重复使用的电池。随着使用，一次电池中能发生氧化还原反应的物质逐渐被消耗，这些物质消耗到一定程度时电池就不能继续使用。一次电池中电解质溶液制成胶状不流动，也叫做干电池，市售的一次电池品种很多，除了普通锌锰电池，还有碱性锌锰电池，银锌电池等等。普通锌锰电池是最早进入市场实用的电池，电池中部由二氧化锰糊状物，插入石墨棒作为电极材料，电池的外壳锌筒作为还原剂，在这两部分中间填充了由淀粉固化的氯化铵作为电解质溶液。普通锌锰电池工作原理存在争议，其中一种观点认为，锌锰电池在放电时发生的主要反应为锌和氯化铵和二氧化锰反应生成二氯二氨合锌和氢氧化氧锰。现在请大家结合资料和电池构造示意图，分析电极反应中的活性物质、电极材料和离子导体分别是什么，并写出正负极的电极反应方程式。观察普通锌锰电池的构造，根据已有知识书写电极反应方程式。对自己及其他同学书写的电极反应方程式给予评价。应用模型【课堂练习】让学生观察图中的细节，如介质、内容物等，书写电极反应方程式。【教师评价】用实物投影展示学生练习，结合学生书写给予评价。评价模型【教师提问】普通锌锰电池曾长期占有市场，但是随着时代的进步，它逐渐被其他电池替代，你认为可能的原因是什么？【教师讲解】从普通锌锰干电池的结构示意图可以看出，它的优点是结构相对简单，因此易于生产，价格低廉，这使得他曾经在干电池市场上占有很大的份额，但是它的缺点就是存在自放电的情况。电池在不使用时，锌会逐渐被酸性的电解质溶液氧化，所以存放时间较短。现在大家看到的就是放置不同时间后的普通干电池，可以看出它电池的腐蚀情况。联系生活实际讨论交流认识模型【教师讲解】人们为了解决这些问题，经历了漫长的研究过程，直到二十世纪五十年代左右，在普通锌锰电池的基础上，研制出了碱性锌锰电池。与普通锌锰干池比，碱性锌锰电池不仅容量高，寿命长，还能实现大电流连续放电。碱性锌锰干电池中部填充锌粉和氢氧化钾糊状混合物，电池外部填充了二氧化锰和石墨粉的混合，外侧包括金属壳做电解质材料。两种混合物之间用离子型导电隔膜分割，电池中发生的总反应是锌和二氧化锰和水，生成氢氧化氧锰和氢氧化锌。观察碱性锌锰电池的构造，根据已有知识书写电极反应方程式。对自己及其他同学书写的电极反应方程式给予评价。应用模型【课堂练习】现在请大家结合资料和电池构造示意图，分析电极反应中的活性物质、电极材料和离子导体分别是什么，并写出正负极的电极反应方程式。评价模型【教师讲解】与普通锌锰电池相比，碱性锌锰电池中的活性物质，电极材料和离子导体都进行了改进，将锌片改为锌粉，增加了反应的接触面积，加快反应速率，提高单位时间通过截面的电量，从而增大电流，用导电性更好电解质溶液KOH，减小电池的内阻，增大工作时的电流，提高电池的电压。联系生活实际讨论交流认识模型【教师讲解】不论是普通锌锰电池，还是碱性锌锰电池，都属于一次电池，一次电池不能充电，使用后只能弃取，还有可能造成环境污染。所以人们为了能够节约资源和成本，设计并制造了可充电的二次电池。二次电池又称为可充电电池或蓄电池，可以反复充电和放电，是电池发展的一个重要方向。二次电池放电时是一个原电池，将化学能转化为电能，充电时是一个电解时，外加直流电源，使电池内发生的电池反应的逆反应，将电能转化为化学能存储起来。生活中我们经常能接触到的镍氢充电电池，手机电池、铅蓄电池和新能源汽车主流动力电池都是二次电池。应用模型【教师讲解】铅酸蓄电池是一种常见的二次电池，深灰色所示的正极板，板上覆盖有二氧化铅。浅灰色所示的负极板上覆盖有铅单质。硫酸作为电解质溶液，铅蓄电池的电压稳定，使用方便，安全可靠，价格低廉，在生产生活中使用广泛。例如铅蓄电池多用于启动和维持汽车用电系统的正常运转。【课堂练习】给出铅酸蓄电池的构造示意图，讲解铅酸蓄电池放电时的工作原理，让学生书写电极反应方程式，并对学生的书写进行评价。铅蓄电池放电的总反应式铅和二氧化铅和硫酸生成硫酸铅和水。其中硫酸铅难溶于水，充电的反应是上述反应的逆过程。与书写碱性性锰干电池电极反应的方法相同。根据总反应可知，铅是还原剂，失去电子氢元素的化合价升高变为正二价。在有硫酸根离子的环境中生成难溶物硫酸铅附着在负极材料上。观察铅酸蓄电池的构造，根据已有知识书写电极反应方程式。评价模型【课堂讨论】从铅酸蓄电池的结构来说，这个电池的优点体现在电流稳定、使用方便、安全可靠、价格低廉。但铅酸蓄电池也存在单位质量输出的电能少（比能量低），废弃电池污染环境等缺点，因此适用范围受到限制。认识模型【教师讲解】表格中给出当转移相同电量时的部分常见金属所需要的质量，可以看出转移相同的电量时，金属锂所需要的质量最少，符合对新型化学电源的要求，因此科学家将目光聚焦在锂元素上，研制出了比能量高的锂离子电池。【课堂讨论】请大家结合锂单质的化学性质，思考用金属锂做负极材料需要注意什么问题？考虑到锂元素位于元素周期表中第二周期第一主族，因此金属物理有较强的还原性。易与水和氧气发生反应，所以电池中不能含水，同时电池要严格的密封，防止金属锂与空气接触而燃烧。结合已有知识，练习生活实际，讨论交流认识模型【教师讲解】这就是目前使用较多的锂离子电池的结构示意图。它的负极材料是嵌有锂单质的层状结构的石墨，正极材料是同样具有层状结构的钴酸锂，电池放电时，负极的锂单质失去电子成为锂离子从石墨层中脱出，嵌入层状钴酸锂中，其放电时的总反应如图所示。观察锂离子电池的构造，根据已有知识书写电极反应方程式。课堂小结通过讨论我们知道基于原电池工