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2019-2020年高中化學 第一章第三節(jié) 化學能轉化為電能-原電池教案 魯科版選修4 一、教學目標 1.體驗化學能與電能相互轉化的探究過程 2.金屬的電化學腐蝕 3. 電極反應式的寫法 二、教學重點 初步認識原電池概念、原理、組成及應用。電極反應式的寫法。 三、教學難點 通過對原電池實驗的研究，引導學生從電子轉移角度理解化學能向電能轉化的本質，以及這種轉化的綜合利用價值。 四、教學過程 【引入】 電能是現(xiàn)代社會中應用最廣泛，使用最方便、污染最小的一種二次能源，又稱電力。例如，日常生活中使用的手提電腦、手機、相機、攝像機……這一切都依賴于電池的應用。那么，電池是怎樣把化學能轉變?yōu)殡娔艿哪?？我們這節(jié)課來一起復習一下有關原電池的相關內容。 試驗探究：銅片、鋅片、硫酸都是同學們很熟悉的物質，利用這三種物質我們再現(xiàn)了1799年意大利物理學家----伏打留給我們的歷史閃光點！ Zn Cu 【實驗探究】(銅鋅原電池) 實 驗 步 驟 現(xiàn) 象 1、鋅片插入稀硫酸 2、銅片插入稀硫酸 3、鋅片和銅片上端連接在一起插入稀硫酸 【問題探究】 1、鋅片和銅片分別插入稀硫酸中有什么現(xiàn)象發(fā)生？ 2、鋅片和銅片用導線連接后插入稀硫酸中，現(xiàn)象又怎樣？為什么？ 3、鋅片的質量有無變化？溶液中c (H+)如何變化？ 4、鋅片和銅片上變化的反應式怎樣書寫？ 5、電子流動的方向如何？ 講：我們發(fā)現(xiàn)檢流計指針偏轉，說明產生了電流，這樣的裝置架起了化學能轉化為電能的橋梁，這就是生活中提供電能的所有電池的開山鼻祖----原電池。 一、原電池 （1）原電池概念：學能轉化為電能的裝置叫做原電池。 問：在原電池裝置中只能發(fā)生怎樣的化學變化？ 學生： Zn+2H+=Zn2++H2↑ 講：為什么會產生電流呢？ 答：其實鋅和稀硫酸反應是氧化還原反應，有電子的轉移，但氧化劑和還原劑熱運動相遇發(fā)生有效碰撞電子轉移時，由于分子熱運動無一定的方向，因此電子轉移不會形成電流，而通常以熱能的形式表現(xiàn)出來，激烈的時候還伴隨有光、聲等其他的形式的能量。顯然從理論上講，一個能自發(fā)進行的氧化還原反應，若能設法使氧化與還原分開進行，讓電子的不規(guī)則轉移變成定向移動，便能形成電流。所以原電池的實質就是將氧化還原的電子轉移變成電子的定向移動形成電流。 （2）實質：將一定的氧化還原反應的電子轉移變成電子的定向移動。即將化學能轉化成電能的形式釋放。 問：那么這個過程是怎樣實現(xiàn)的呢？我們來看原電池原理的工作原理。 （3）原理：（負氧正還） 問：在鋅銅原電池中哪種物質失電子？哪種物質得到電子？ 學生：活潑金屬鋅失電子，氫離子得到電子 問：導線上有電流產生，即有電子的定向移動，那么電子從鋅流向銅，還是銅流向鋅？ 學生：鋅流向銅 講：當銅上有電子富集時，又是誰得到了電子？ 學生：溶液中的氫離子 講：整個放電過程是：鋅上的電子通過導線流向用電器，從銅流回原電池，形成電流，同時氫離子在正極上得到電子放出氫氣，這就解釋了為什么銅片上產生了氣泡的原因。 講：我們知道電流的方向和電子運動的方向正好相反，所以電流的方向是從銅到鋅，在電學上我們知道電流是從正極流向負極的，所以，鋅銅原電池中，正負極分別是什么？ 學生：負極（Zn） 正極（Cu） 實驗：我們用干電池驗證一下我們分析的正負極是否正確！ 講：我們一般用離子反應方程式表示原電池正負極的工作原理，又叫電極方程式或電極反應。一般先寫負極，所以可表示為： 負極（Zn）：Zn－2e＝Zn2＋ （氧化） 正極（Cu）：2H＋＋2e＝H2↑（還原） 講：其中負極上發(fā)生的是氧化反應，正極上發(fā)生的是還原反應，即負氧正還。 注意：電極方程式要①注明正負極和電極材料 ②滿足所有守衡 總反應是：Zn+2H+=Zn2++H2↑ 講：原來一個自發(fā)的氧化還原反應通過一定的裝置讓氧化劑和還原劑不規(guī)則的電子轉移變成電子的定向移動就形成了原電池。 轉折：可以看出一個完整的原電池包括正負兩個電極和電解質溶液，及導線。那么銅鋅原電池中的正負極和硫酸電解質能否換成其他的物質呢？ 學生：當然能，生活中有形形色色的電池。 過渡：也就是構成原電池要具備怎樣的條件？ 二、原電池的構成條件的探究---分組實驗活動--- 課件展示 思考：鋅銅原電池的正負極可換成哪些物質？保證鋅銅原電池原理不變，正負極可換成哪些物質？（ C、Fe、 Sn、 Pb、 Ag、 Pt、 Au等） 思考：如何根據(jù)氧化還原反應原理來設計原電池呢？ 請將氧化還原反應 Zn + Cu2+ = Cu + Zn2+設計成電池：有學生板演畫出裝置圖， 講述：設計成鹽橋的原理及有點 此電池的優(yōu)點：能產生持續(xù)、穩(wěn)定的電流。其中，用到了鹽橋 什么是鹽橋？ 鹽橋中裝有飽和的KCl溶液和瓊脂制成的膠凍，膠凍的作用是防止管中溶液流出。 鹽橋的作用是什么？ 可使由它連接的兩溶液保持電中性，否則鋅鹽溶液會由于鋅溶解成為Zn2+而帶上正電，銅鹽溶液會由于銅的析出減少了Cu2+而帶上了負電。 鹽橋保障了電子通過外電路從鋅到銅的不斷轉移，使鋅的溶解和銅的析出過程得以繼續(xù)進行。 導線的作用是傳遞電子，溝通外電路。而鹽橋的作用則是溝通內電路。 結論： 1、活潑性不同的兩電極 2、電解質溶液 3、形成閉合回路（導線連接或直接接觸且電極插入電解質溶液 4、自發(fā)的氧化還原反應(本質條件) 三、 化學電源 (1) 干電池（NH4Cl糊狀物為電解質） 負極（鋅筒）：Zn-2e—=Zn2+， 正極（石墨）2NH4++2MnO2 + 2e-=2NH3↑+Mn2O3+H2O 總反應：Zn+2NH4++2MnO2= Zn2++2NH3↑+Mn2O3+H2O (2) 銀鋅電池（電解質為KOH） 負極：Zn+2OH--2e-=Zn(OH)2（或Zn+2OH--2e- =ZnO+H2O） 正極：Ag2O+H2O+2e-=2Ag+2OH- 總反應：Zn+Ag2O+H2O=Zn(OH)2+2Ag （或 Zn+Ag2O=ZnO+2Ag） (3) 鉛蓄電池（電解質溶液為稀硫酸） 負極（Pb）：Pb+SO42--2e-=PbSO4， 正極（PbO2）：PbO2+4H++ SO42-+2e-=PbSO4+2H2O 總反應：Pb+PbO2+2H2SO4=2PbSO4+2H2O (4) 燃料電池：當前廣泛應用于空間技術的一種典型燃料電池就是氫氧燃料電池，它是一種高效低污染的新型電池，主要用于航天領域。它的電極材料一般為活化電極，碳電極上嵌有微細分散的鉑等金屬作催化劑，如鉑電極、活性炭電極等，具有很強的催化活性。電解質溶液一般為40%的KOH溶液。 電極反應式為：負極 H22H 2H＋2OH-－2 e-＝2H2O 正極 Ｏ2＋2H2O＋4 e-＝4OH- 電池總反應式為：2H2＋Ｏ2＝2H2O 另一種燃料電池是用金屬鉑片插入KOH溶液作電極，又在兩極上分別通甲烷(燃料)和氧氣(氧化劑)。電極反應式為： 負極：CH4＋10OH－－8e- ＝＋7H2O； 正極：4H2O＋2O2＋8e- ＝8OH-。 電池總反應式為：CH4＋2O2＋2KOH＝K2CO3＋3H2O 四、 金屬的電化學腐蝕與防護 【學生看書討論】 1. 什么是金屬的腐蝕?金屬腐蝕的本質是什么? 2. 化學腐蝕與電化學腐蝕的共同點和不同點是什么? 3. 鋼鐵腐蝕的兩種情況？電極反應的書寫？ 4. 金屬的防護的方法有哪些？