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視頻標(biāo)簽：原電池
所屬欄目：高中化學(xué)說課視頻
視頻課題：第六屆全國中小學(xué)實驗教學(xué)說課_原電池的傳承與發(fā)展_江蘇
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2018年第六屆全國中小學(xué)實驗教學(xué)說課_原電池的傳承與發(fā)展_江蘇
原電池的傳承與發(fā)展
一、使用教材
人教版化學(xué)選修4《化學(xué)反應(yīng)原理》，第四章第一節(jié)《原電池》
二、實驗器材
| 類別 | 名稱 |
| 專用裝置 | 自制柱形鹽橋電池 自制離子交換膜電池 |
| 藥品 | 0.5mol/L ZnSO4溶液 0.5mol/L 稀硫酸 |
| 器材 | 飽和氯化鉀溶液浸泡過的瓊脂鹽橋 Zn片 Cu片 導(dǎo)線 檢流計 電流傳感器 |
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| 教學(xué)環(huán)節(jié) | 教師活動 | 學(xué)生活動 | 設(shè)計意圖 |
| 新課引入 |
【實驗演示】 選用實驗用品：鋅片，銅片，0.5mol/L稀硫酸，0.5mol/L硫酸鋅溶液 【要求】鋅片放入稀硫酸。描述實驗現(xiàn)象、寫出反應(yīng)的離子方程式，用單線橋標(biāo)出電子轉(zhuǎn)移的方向和數(shù)目。 【提問】是因為H+存在Zn才失電子的嗎？ 反過來，沒有H+，Zn就不會失電子嗎？ 【提示】Zn放入ZnSO4溶液中，Zn有溶解進(jìn)入溶液中的趨勢，Zn失去的電子留在了Zn片上，電子帶負(fù)電荷，溶液中的Zn2+受負(fù)電荷的吸引作用又重新沉積在鋅片上，形成一個沉積溶解平衡。   再滴入稀硫酸：  H+奪走Zn失去的電子，促使Zn的沉淀溶解平衡正向移動，鋅不斷溶解。 所以H+的存在不是Zn失去電子的原因，而是破壞鋅的沉積溶解平衡，促進(jìn)Zn不斷失電子。 【提問】Cu片放入CuSO4溶液中呢？ 【提示】研究發(fā)現(xiàn)，金屬的沉積溶解平衡：金屬越活潑溶解趨勢越大，金屬越不活潑，沉積趨勢越大。 【提問】當(dāng)把Zn片和Cu片用導(dǎo)線相連放入溶液中呢？如果放入CuSO4溶液中呢？  Cu2+得電子在Cu片上不斷沉積，促使Zn不斷失去電子，電子通過導(dǎo)線從Zn向Cu片整體遷移，導(dǎo)線中電流方向由Cu到Zn，溶液中電流方向（正電荷的移動方向）由Zn到Cu，自此構(gòu)成一個完美的閉合回路。 【提問】當(dāng)把CuSO4換成稀H2SO4呢？ |
【實驗1】 鋅片溶解變細(xì)， 有大量氣泡產(chǎn)生。  【學(xué)生討論】應(yīng)該是的吧，不然呢？ 學(xué)生根據(jù)前面的解釋想到Cu也存在沉積溶解平衡：  學(xué)生經(jīng)過前面的分析回答H+得電子在Cu片上變成H2，促使Zn不斷失去電子，電子通過導(dǎo)線從Zn向Cu片整體遷移，導(dǎo)線中電流方向由Cu到Zn，溶液中電流方向（正電荷的移動方向）由Zn到Cu，自此構(gòu)成一個閉合回路。 |
從學(xué)生非常熟悉的實驗入手，引導(dǎo)學(xué)生思考更微觀，更本質(zhì)的問題。巧妙地避開大學(xué)化學(xué)的名詞——雙電層理論模型。引導(dǎo)分析從學(xué)生所學(xué)過的化學(xué)平衡角度，讓學(xué)生在毫無壓力的情況下接近科學(xué)本質(zhì)。 |
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環(huán) 節(jié) 一 普 通 原 電 池 優(yōu) 缺 點 探 析 |
【實驗】 實驗用品：燒杯三個，鋅片和銅片，0.5mol/L稀硫酸，0.5mol/L硫酸鋅溶液  【提問】觀察銅鋅原電池，電子轉(zhuǎn)移到銅片，銅片上有氣泡產(chǎn)生，但是再觀察鋅片。 【提問】為什么鋅片上還有大量氣泡？從微觀角度分析。 【提示】有氣泡說明H+在鋅片上得電子變成H原子進(jìn)而結(jié)合成H2，同時也說明電子沒有全部通過導(dǎo)線，化學(xué)能與電能的能量轉(zhuǎn)換效率較低，這就是普通原電池的缺陷。  【問題延伸】如果將鋅丟失的電子盡可能多的甚至全部從外電路流過，原電池能量轉(zhuǎn)換效率就將提高。怎么才能做到這點呢？【提示】如何將鋅與氫離子分隔開？想象有一只無形的“手”將溶液中的氫離子都從鋅周圍“推開”并推向另一個燒杯中，同時鋅放入硫酸鋅溶液中。此時是斷路。然后架起一個聯(lián)通兩燒杯的橋梁——“鹽橋”。檢流計偏轉(zhuǎn)。  |
【實驗2】 1.組裝普通銅鋅原電池。 2.學(xué)生觀察發(fā)現(xiàn)鋅片上仍有大量氣泡產(chǎn)生。 【學(xué)生討論】 【學(xué)生討論】 【實驗3】 學(xué)生拿出兩個燒杯，分別把鋅片放入硫酸鋅溶液，銅片放入硫酸銅溶液中。接入檢流計，發(fā)現(xiàn)無偏轉(zhuǎn)。放入鹽橋，檢流計偏轉(zhuǎn)。 |
通過重新審視鋅片與稀硫酸的反應(yīng)分析，學(xué)生應(yīng)該學(xué)會從微觀角度來思考問題。 引導(dǎo)學(xué)生從電流效率的角度，充分發(fā)揮想象力來解決鋅片上有氣泡的問題。 |
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環(huán) 節(jié) 二 鹽 橋 電 池 的 優(yōu) 缺 點 探 析 |
【提示】鹽橋是一個裝有用飽和KCl溶液浸泡過的瓊脂的U形管。瓊膠是含水豐富的一種凍膠，離子在其中既可以運動，又能夠起到固定作用。 實驗用品：燒杯兩個，鹽橋一個，鋅片和銅片，0.5mol/L稀硫酸，0.5mol/L硫酸鋅，導(dǎo)線，電流傳感器，電壓計。 ![A4{C(MQ5T`ZP9%@B@V]``J4](file:///C:/Users/ADMINI~1/AppData/Local/Temp/msohtml1/01/clip_image031.jpg) 【鹽橋電池的工作原理】Zn失去電子，生成的Zn2+溶入ZnSO4溶液中，導(dǎo)體中電子在電場作用下向Cu片整體遷移，H2SO4溶液中的H+在Cu片表面得到電子，產(chǎn)生H2。右側(cè)H2SO4溶液中因H2的析出造成的正電荷的缺失，會引發(fā)U形管中的K+向H2SO4溶液中遷移，U形管中正電荷的缺失，以及左側(cè)ZnSO4溶液因Zn2+的溶入造成正電荷的富余，會使Zn2+遷移入U形管并向右側(cè)燒杯遷移，形成閉合回路。 【提問】從理論分析發(fā)現(xiàn)，鹽橋電池的能量轉(zhuǎn)換效率提高了很多，那是不是電流也相應(yīng)大一些？ 【實驗測量】測量發(fā)現(xiàn)，與想象相反，鹽橋電池的電流不但沒有更大，反而與普通原電池還小了很多。 【提問】為什么電流很小？什么原因造成的？ 學(xué)生討論，非常容易聯(lián)系到歐姆定律：I=U/R，并主動要求測量電池電壓。 【提問】兩電池電壓相差不大，那么電流差距很大的原因就只能是鹽橋的電阻太大了。那么該如何減小電阻？ 由導(dǎo)體電阻與材料的關(guān)系：R=ρL/S 對于電子導(dǎo)體，材料一定時，橫截面積越大，長度越短，則導(dǎo)體電阻越小。 【類比思維】鹽橋?qū)儆陔x子導(dǎo)體，類比電子導(dǎo)體，思考能否增大鹽橋橫截面積，縮短鹽橋長度，來減小鹽橋的電阻？ 【提問】同學(xué)們的實驗改進(jìn)思路是合理的。那么能不能讓鹽橋長度更短即更薄一些？ |
【學(xué)生討論】 鹽橋電池如何形成閉合回路？ 【實驗4】 1.學(xué)生測量鹽橋電池的電流。 2.學(xué)生測量普通原電池的電流。 【學(xué)生討論】 鹽橋電流變小的原因，聯(lián)想到歐姆定律。 3.測量兩電池電壓。 【學(xué)生討論】學(xué)生很容易聯(lián)想電子導(dǎo)體電阻與材料的關(guān)系；類比電子導(dǎo)體思考如何減小離子導(dǎo)體的電阻。 【實驗5】教師演示橫截面積增大、長度變短的鹽橋電池（自制柱形鹽橋電池）并測量其電流大小來檢驗學(xué)生的方案是否合理。 |
從微觀角度分析鹽橋的作用原理，體會離子導(dǎo)體鹽橋引入的精妙。但是測量電流發(fā)現(xiàn)鹽橋電池電流太小，引發(fā)認(rèn)知矛盾，通過歐姆定律分析電流變小的原因。 由電子導(dǎo)體電阻與材料的關(guān)系類比思考如何減小離子導(dǎo)體鹽橋的電阻。 |
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環(huán) 節(jié) 三 理 解 離 子 交 換 膜 電 池 工 作 原 理 |
【提示】科學(xué)家在后來的研究中發(fā)現(xiàn)了離子交換膜，由于膜的結(jié)構(gòu)特性而將其應(yīng)用在了電池中。 離子交換膜是一種含離子基團(tuán)的、對溶液里的離子具有選擇透過能力的高分子膜。  【離子交換膜電池的工作原理】本節(jié)課所用的陰離子交換膜，只允許陰離子通過。左側(cè)ZnSO4溶液中因Zn2+的溶入造成正電荷的富余，同時右側(cè)溶液中因H2的析出造成的負(fù)電荷的富余，會引發(fā)右側(cè)SO42-通過陰離子交換膜向左側(cè)遷移，從而形成閉合回路。 【提示】科學(xué)家后來制備了各種離子交換膜，而且發(fā)現(xiàn)同一種材料構(gòu)成的膜，越薄其電阻越小。離子交換膜，不可以看做是橫截面積變大，長度變短的鹽橋嗎？ 【提問】離子交換膜的電阻是否更小呢？我們測量電壓和電流。 發(fā)現(xiàn)實驗結(jié)果符合我們的猜想。 【展示】教師展示鋰離子電池的內(nèi)部構(gòu)造，理解離子交換膜在電池中的真實應(yīng)用。 |
【實驗6】 1.教師演示離子交換膜電池并測量其電流大小來檢驗學(xué)生的方案是否合理。 2.用電壓計測量其電壓。 |
將學(xué)生認(rèn)為離他們很遙遠(yuǎn)的離子交換膜電池帶到他們眼前，會讓學(xué)生感覺很真實，從而感覺先進(jìn)的科學(xué)理論可以學(xué)到也可以應(yīng)用。 |
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總結(jié) |
同學(xué)們，今天我們先通過實驗，發(fā)現(xiàn)普通原電池的缺陷，然后想象自己有一只無形的手將H+全部推離開鋅片到另一個燒杯中，從而理解了引入鹽橋的必要性和巧妙性。又通過實驗發(fā)現(xiàn)鹽橋電池的電流太小，電阻太大，通過類比電子導(dǎo)體的電阻影響因素，對于離子導(dǎo)體，能否擴(kuò)大鹽橋橫截面積，縮短鹽橋的長度來減小鹽橋電阻？從而理解了科學(xué)家在電池中引入離子交換膜。原電池還會有怎樣的發(fā)展？創(chuàng)造力是在解決問題的過程中產(chǎn)生的，希望同學(xué)們能夠去發(fā)現(xiàn)問題、解決問題，充分發(fā)揮你們的創(chuàng)造力，為推動化學(xué)科學(xué)的發(fā)展貢獻(xiàn)自己的一份力量！ |
總結(jié)今天所學(xué)，幫學(xué)生進(jìn)一步建立對原電池的系統(tǒng)分析思路，提高學(xué)生對原電池本質(zhì)的認(rèn)識，并對學(xué)生提出希望。 | 希望通過本節(jié)課提高學(xué)生對科學(xué)的興趣，讓學(xué)生覺得自己將來也完全有可能為化學(xué)電源的發(fā)展貢獻(xiàn)一己之力。 |
視頻來源：優(yōu)質(zhì)課網(wǎng) www.jjlqy.cn
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