《化学能与电能》教案8(2份)
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人教版高中化学必修2(教案+习题)2.2化学能与电能(一)
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人教版高中化学必修2(教案+习题)2.2化学能与电能(二).doc
课题:第二章 第二节 化学能与电能(二) 授课班级
课 时
教
学
目
的 知识与技能 在获得原电池概念和组成条件的基础上,能设计出一些原电池实验,学习实验研究的方法
过程与方法 1、 在探究设计原电池实验的过程中,学会运用观察、实验、查阅资料等多种手段获取信息,并
运用比较、分类、归纳、概括等方法对信息进行加工
2、 能对自己的化学学习过程进行计划、反思、评价和调控,提高自主学习化学的能力
情感态度
价值观 1、有参与化学科技活动的热情,有将原电池知识应用于生产、生活实践的意识,能够对与化学有关的社会和生活问题作出合理的判断
2、了解原电池对个人生活和社会发展的贡献,关注能源问题,逐步形成可持续发展的思想
重 点 常见原电池的工作原理
难 点 原电池的设计
知
识
结
构
与
板
书
设
计 二、发展中的化学电源(chemical power source)
1.干电池( dry cell)
负极(锌筒):Zn —2e—= Zn2+;
正极(石墨):正极:2NH4++2e-=2NH3+H2
电池的总反应式为:Zn +2NH4+= Zn2++ 2NH3+H2
2、充电电池
(1))铅蓄电池(storage battery)
(2)镍氢电池
(3)碱性蓄电池
○1银锌电池:
○2 镉镍电池:
(4))锂电池
3.燃料电池(fuel cell)
(1) 氢氧燃料电池
(2)甲烷氧气燃料电池
教学过程
教学步骤、内容
【复习】
一、原电池的定义 :将化学能转化为电能的装置
二、原电池的形成条件:’一极、一液、一回路“
【讲解】形成闭合回路的方式有多种,可以是导线连接两个电极,也可以是两电极接触。有的原电池产生的电流大,可以对外做功;有的原电池,电极上发生的反应很慢,产生的电流极其微弱,不能对外做功
三、原电池电子的流向及正负极的判断
【讲解】除此之外,还可根据原电池里电解质溶液内离子的定向流动方向来判断:
1、在原电池的电解质溶液内,阳离子的移向的极是正极,阴离子移向的极是负极。
2、若原电池工作后,X极质量增加,说明溶液中的阳离子在X极(正极)放电,X级活动性较弱。
3、若原电池工作后,X极上有气泡冒出,是因为发生了析出H2的电极反应,说明X极为正极,活动性弱。
4、增重或产生气泡的为正极,溶解的为负极。
5、在这里我们要注意的是,不能机械地以金属活动性顺序表中体现的金属活泼性的强弱来判断原电池中的负极,“较活泼的金属”应理解为“在该原电池的特定条件下更容易与电解质反应(易被氧化)的金属” 即在特殊情况要考虑电极与电解质溶液的反应,例如,Mg、Al与NaOH溶液构成的原电池中Al作负极;Cu-Al-浓硝酸溶液构成的原电池中Al作正极
四、原电池电极反应的书写
【讲解】原电池反应所依据的化学反应原理是氧化还原反应,书写电极反应的方法归纳如下:
1、写出总化学方程式
2、根据总化学反应方程式按照电子得失情况,分成氧化反应和还原反应
3、氧化反应在负极发生,还原反应在正极发生,注意介质参与反应。
4、总的化学反应方程式是正负电极反应相加的结果,反过来也可以相减,得电极反应。电极反应也遵守质量守恒,电荷守恒及正、负极得失电子数相等的规律。
【强调】书写电极方程式时要注意几点:
1、 根据给出的化学方程式或根据题意,确定原电池的正负极,弄清正负极上发生反应的物质。
2、 弱电解质、气体或难溶物均以分子式表示,其余以离子符号表示。
3、 注意电解质溶液的成分,对正极、负极反应产物的影响,正、负极产物可根据题意或据化学方程式确定。
4、 写电极反应时要遵守守恒原则,可在电极反应式一端据需要添加H+或OH―或H2O,将两个电极反应式合起来,即可得到电池反应总方程式。
【练习】
【讲解】通过以上的讨论,我们也可以抽象出原电池化学反应的本质是较活泼的金属发生氧化反应,电子从较活泼的金属(负极)通过外电路流向较不活泼的金属(正极)
【练习】
题型1 原电池的判断
题型2、原电池的工作原理
2.某金属能跟稀盐酸作用发出氢气,该金属与锌组成原电池时,锌为负极,此金属是( )
A、Mg B.Fe C.Al D.Cu
3.由铜锌和稀硫酸组成的原电池工作时,电解质溶液的 PH( )
A.不变 B先变大后变小 C逐渐变大 D.逐渐变小
题型3 利用原电池电极判断金属性强弱
4、.把a、b、c、d四块金属片浸入稀硫酸中,用导线两两相连组成原电池。若a、b相连时,a为负极;c、d相连时,电流由d到c;a、c相连时,c极上产生大量气泡,b、d相连时,b上有大量气泡产生,则四种金属的活动性顺序由强到弱的为( )
A.a > b > c > d B.a > c > d > b
C.c > a > b .> d D.b > d > c > a
题型4 原电池的构成条件
5.一个电池反应的离子方程式是 Zn+Cu2+=Zn2+ +Cu,该反应的的原电池正确组合是( )
A B C D
正极 Zn Cu Cu Fe
负极 Cu Zn Zn Zn
电解质溶液 CuCl2 H2SO4 CuSO4 HCl
题型5 原电池电极反应的书写
6、科学工作者为心脏病人设计的心脏起搏器的电池是以Pt和Zn为电极材料,依靠人体内液体中含有一定浓度的溶解氧、H+和Zn2+进行工作,回答下列问题
(1)负极材料是______ 电极反应式是____________________
(2)正极材料是______ 电极反应式是___________________
【思维创新】案例分析:在伦敦的上流社会,有一位贵族夫人格林太太,幼年时因蛀牙补过一颗不锈钢的假牙。不料后来,她又因为车祸掉了一颗牙,为了显示其富有,她装了一颗黄金假牙。自此以后,她就经常出现头痛、失眠心情烦燥等症状。更奇怪的是,众多的医学家为她检查后,都找不到病因是什么。这位夫人整日感到精神萎靡,找遍各大医院会诊也不见效果。格林太太的病因到底是什么呢?请同学根据本节的知识和我们生物学上的常识进行一下诊断。
【思维创新】有一位非常喜欢赶时髦的富商决定建造一艘海上游艇,为了使游艇奢侈豪华,他不惜重金让造船师用昂贵、漂亮、对海水有很强抗腐蚀能力的镍铜合金将船底包起来,由于这种合金的金属强度不够大,造船师又不得不用特种钢来制造游艇的许多零件。在一片赞美声中,游艇缓缓驶进了大海,畅游于碧海波涛中。可是未过几周,这艘游艇底部变得千疮百孔,过早结束了它的使命。你能解释其中的原因吗?
【引言】人们应用原电池原理,制作了多种电池,如干电池、蓄电池、充电电池、高能电池等,以满足不同需要。我们课我们具体来学习几种利用化学能转变为电能的化学电源。
【板书】二、发展中的化学电源(chemical power source)
【讲解】最古老的电池 —— 巴格达电池
1936年6月,伊拉克考古学家在巴格达城郊,发现了大量公元前二百多年属于波斯王朝时代的文物,其中包括一些奇怪的陶制器皿和生锈的铜管、铁棒。陶制器皿有点像花瓶,高15厘米,呈淡黄色,瓶里装满了沥青,沥青之中有个铀管,直径2.6厘米,高9厘米,铀管中又有一层沥青,并有一根锈迹斑斑的铁棒。
【讲解】上述原电池的结构较简单,携带也不方便,当今的电池工业已能制造出各种各样的实用电池。实用电池一般应具有的特点是:能产生稳定而具有较高电压的电流:安全、耐用且便于携带;能够适用于特殊用途;便于回收处理,不污染环境或对环境产生较小的影响,下面我们来简单介绍几种常见电池和新型电池。
【板书】1.干电池( dry cell)
【讲解】干电池是用锌制圆筒型外壳作负极,位于中央的顶盖有铜的石墨作正极,在石墨周围填充NH4Cl和淀粉糊作电解质,还填有MnO2和炭黑(Zn—Mn电池)
【板书】负极(锌筒):Zn —2e—= Zn2+;
正极(石墨):正极:2NH4++2e-=2NH3+H2
电池的总反应式为:Zn +2NH4+= Zn2++ 2NH3+H2
【讲解】淀粉糊的作用是提高阴、阳离子在两极的析出速率。ZnCl2的作用是吸收NH3。MnO2作用是吸收正极放出的H2生成MnO(OH) ,从而消除电极正极H2的集结现象,防止产生极化。干电池是一次性电池,放电后不能再使用,内部氧化还原反应不可逆。为提高使用寿命,用KOH代替NH4Cl来提高性能。
干电池的主要用途是录音机、闪光灯、手电筒、电动玩具、袖珍电视机以及电极、空调摇控器等。
【过渡】充电电池又称二次电池 。可充电电池是两极都参加反应的电池。这是一种发展较快的原电池,如铅蓄电池、银锌电池、(纽扣电池)、锂电池、爱迪生蓄电池等,它们的负极是较活泼的金属,正极一般是金属氧化物。放电时,负极被氧化。正极材料的氧化物被还原,充电时的电极反应与放电时相反。
【板书】2、充电电池
(1) 铅蓄电池(storage battery)
【讲解】铅蓄电池可放电亦可充电,它是用硬橡胶和透明塑料制成长方形外壳,在正极板上有一层棕褐色的PbO2,负极是海棉状的金属铅,两极均浸入硫酸溶液中,且两极间用橡胶或微孔塑料隔开。
【板书】负极:Pb-2e-+SO42-=PbSO4
正极:PbO2+2e-+4H++SO42-=PbSO4+2H2O
蓄电池充电和放电的总化学方程式为:
Pb+PbO2+2H2SO4 2PbSO4+2H2O
【讲解】当放电进行到硫酸的浓度降低,溶液的密度达到1.18g/cm3时应停止使用,需充电,充电时起电解池的作用。
【思考与交流】铅蓄电池在放电前后电解质溶液和电极分别有哪些变化?这对电池的继续工作会带来哪些影响?
【回答】电解质溶液的浓度有所下降,同时电极上都附着一层难溶物PbSO4 使电池的电压降低,电压不稳定,欲使其恢复,就要对其进行充电
【板书】(2)镍氢电池
负极:H2 +2OH- -2e-= 2H2O
正极:2NiO(OH) +2H2O +2e- = 2Ni(OH)2 +2OH-
放电总反应式:H2 + 2NiO(OH) = 2Ni(OH)2
【讲解】1970-1975开发了先进的银锌、镍镉电池技术。1975-1983美国海军生产潜水艇用银锌电池。1979-1987美国国家能源部发展电动车用的镍锌电池。1998-1992美国海军发展世界上最大的镍镉电池用于核潜水
【板书】(3)碱性蓄电池
○1银锌电池:负极:Zn+2OH--2e-=ZnO+H2O
正极:Ag2O+H2O+2e-=2Ag++2OH-
银锌电池充电和放电的总化学方程式为:
Zn+Ag2O+H2O 2Ag+Zn(OH)2
【讲解】正极壳填充Ag2O和石墨,负极盖填充锌汞合金,电解质溶液KOH。
【板书】 ○2 镉镍电池:
负极:Cd+2OH--2e-= Cd(OH)2
正极:2NiO(OH)+2e-+2H2O=2Ni(OH)2+2OH-
镉镍电池充电和放电的总化学方程式为:
2NiO(OH)+Cd+2H2O 2Ni(OH)2+Cd(OH)2
【讲解】负极材料:Cd,正极材料:涂有NiO2,电解质:KOH溶液。镍镉电池寿命较蓄电池长,但镉是致癌物,镍镉污染环境。
【讲解】还有一种广泛用于笔记本电脑、移动电话、摄像机的锂离子电池,其寿命较长,被称为绿色电池
【板书】(4) 锂电池
负极:Li - e- = Li+
正极:MnO2 + e- = MnO2-
总反应式:Li + MnO2 = LiMnO2
【讲解】优点:质量轻、容量大、放电时间长。锂电池是一种高能电池,锂作为负极,技术含量高,有质量轻、体积小、电压高、工作效率高和寿命长等优点。常用于电脑笔记本、手机、照相机、心脏起博器、火箭、导弹等的动力电源。
【过渡】还有一种新型高效氢氧燃料电池,主要用于航天领域,它的电极一般为活化电极,具有很强的催化活性,如铂电极、活性炭电极等,电解质溶液为40%KOH溶液。
【板书】3.燃料电池(fuel cell)
(1) 氢氧燃料电池
(碱性)电极反应:负极:2H2+4OH--2e-=4H2O
正极:O2+2H2O+2e-=4OH-
电池的总反应为:2H2 + O2 = 2H2O
【讲解】该电池的特点是能量转化率高,可达70%以上,且其燃烧的产物为水,因此不污染环境。
【板书】若电解质溶液为稀H2SO4
负极:2H2 -4e-=4H+
正极:O2+ 4H+ + 4e-= 2H2O
放电总反应式: 2H2 + O2 = 2H2O
【讲解】新型燃料电池:该电池用金属铂片插入KOH溶液中作电极,又在两极上分别通甲烷和氧气。
【板书】(2) 甲烷氧气燃料电池
负极:CH4+10OH--8e-=CO32-+7H2O
正极:2O2+4H2O+8e-=8OH-
电池的总反应式为:CH4+2O2+2KOH=K2CO3+3H2O
课题:第二章 第二节 化学能与电能(一) 授课班级
课 时
教
学
目
的 知识与技能 1、 了解原电池原理,能写出电极反应和电池反应方程式,初步了解原电池的装置
过程与方法 1、通过对化学能转化为电能的学习,体验科学探究的过程,理解科学探究的意义,基本过程和方法,初步养成科学探究的能力。
2、自己探究原电池概念及形成条件的学习过程进行计划、反思、评价和调控,提高自主学习化学的能力。
情感态度价值观 关注化学科学对个人生活和社会发展的贡献,关注能源问题,逐步形成正确的能源观。
重 点 认识原电池的工作原理;形成原电池的概念;
难 点 用已经学过的有关知识探究化学能转化为电能的条件和装置
知
识
结
构
与
板
书
设
计 第二章 第二节 化学能与电能(一)
板书设计:
一、原电池概念: 将化学能转化为电能的装置。
二、原电池工作原理 1、反应现象
2、电子的流出极
负 极:Zn-2e-=Zn2+ (氧化反应) 3、失电子极
4、发生氧化反应的极
电子 电流
(化学能转化为电能)
正 极:2H++2e- =H2↑ (还原反应)
三、形成原电池条件:
(1) 有两种活性性不同的两极(金属或非金属单质)
(2) 电解质溶液,
(3) 形成闭合电路
(4) 自发的氧化还原反应
教学过程
教学步骤、内容
【视频】播放水果电池充电
【提问1】这个视频你看到了什么?
【过渡】:我们知道化学反应一般都伴随着能量的产生有的转化为热能,有的转化为光能
【提问2】这个过程是能量石如何进行转换的呢?
【板书】:一、原电池的定义:将化学能转化为电能的装置.
【讲述】:像这样讲化学能转化为电能的装置称为原电池,为什么称之为原电池?因为它是最初最原始的电池.。
【过渡】原电池究竟是如何将化学能转化为电能的呢?今天让我们走上科学的探索之路,首先我们来看一组实验
【实验1、2】:把锌片和铜片片分别放入硫酸溶液中,同学们注意并观察实验现象现象并将记录在你的学案上。
【提问】你观察到了什么现象?
【回答】铜片上没有明显现象,锌片上有气泡冒出。
【提问】为什么锌片表面有气泡产生而铜片的表面却没有气泡产生呢?
【回答】因为铜不活泼,在金属活动性顺序表中氢在铜之前,因此不能置换出硫酸中的氢。
【讲述】下面我们将锌片、铜片同时平行插入硫酸溶液中大家仔细观察锌片和铜片表面的变化并做好相应的记录。
【提问】第三组实验你观察到了什么现象?
【回答】答:锌片表面有气泡、铜片表面无气泡
【提问】这与刚才实验一、实验二的现象基本吻合的,谁能写出这个反应的离子方程式?
【回答】Zn + 2H+= Zn2+ + H2↑
【提问】现在我将锌片和铜片接触一起放入硫酸溶液中,大家再观察锌片和铜片表面的变【回答】铜片表面产生了气泡
【讲述】我们一起看一下四组实验现象:大家看一下我们做的四个实验,锌片放入硫酸溶液中是因为锌与氢发生了置换反应,第二个实验是将铜片放入硫酸溶液中不产生气泡,第三个实验锌片和铜片平行插入硫酸溶液中,很显然是锌反应铜片不反应;第四个实验是将锌片和铜片接触放入硫酸溶液中却是铜片表面有气泡。
【提问】产生的气体是什么?
【回答】:氢气
【提问】氢元素原来以什么形式存在?
【回答】来源于硫酸电离出的H+
副板书:我们再从从电子得失角度分析2H+→H2
【提问】:硫酸电离出的H+如何转化为H2,?是得到电子还是失去电子?
【回答】得到电子
【提问】既然是得电子,那么得到的电子是谁提供的呢?是锌还是铜呢?
【回答】锌提供的可能锌表面的电子流到了铜片上被溶液中的H+ 得到后产生H2。
【提问】大家思考一下有没有可能是铜提供的?如果不是铜,理由如何?
【回答】如果可能是铜与硫酸反应,Cu失去电子给了H+;(实验中溶液没有变成蓝色)
【提问】:电子从何而来?电子是从溶液传递还是锌片与铜片的接触点传递的呢?
【回答】:是接触点传递的,如果是溶液传递的,电子应该可以传递到铜的表面的,如果是通过溶液传递的,第三个实验应该同片表面会气泡产生。
【讲述】如果有电子的移动就应该会有电流,那电流时如何产生的呢?
【过渡】:下面我们通过实验来验证:将锌片和铜片用导线连接起来,在导线之间接入灯泡。平行插入稀硫酸溶液中观察实验现象。(注意观察铜片表面的变化)我们一起来分析一下电流的产生原理。
【多媒体展示】Cu –Zn原电池闭合状态下微观粒子运动的动画模拟与实验4相似,并展示Cu片.Zn片上得失电子的反应式.
【讲述】在这个装置中锌片失去电子、失去的电子通过导线传递给铜片,溶液中的H+在铜片的表面得到电子变成氢气,该装置发生了化学反应在外电路产生了电流,电子由Zn片流出,产生了电能
讲述:这是两个电极反应我们称之为半反应,大家想一下在氧化还原反应中,我们将的电子的反应称之为什么反应啊?失去电子的反应称之为什么反应啊?原电池的巧妙之处就在于将氧化反应和还原反应这两个半反应在不同的区域进行。
【讲述】:一个完整的反应应该包括氧化反应和还原反应两个过程,我们只要将氧化反应和还原反应两半反应加和起来就能得到一个完整的电极反应。
【板书】2、原电池的工作原理
铜片上: 2H++2e- =H2↑ (还原反应)
锌片上: Zn-2e-=Zn2+ (氧化反应)
氧化还原反应:Zn+2H+=Zn2++H2↑
【板书】:该电极反应就是Zn + 2H+= Zn2+ + H2↑
【板书】:
原电池正负极的判别:
板书设计
Zn-2e-=Zn2+ (氧化反应) 负极 1、从实验现象可判别正极。
2、电子的流出极是负极。
3、失电子极是负极。
电子 电流 正极 4、发生氧化反应的一极。
(化学能转化为电能)
2H++2e- =H2↑ (还原反应) 正极
【讲述】:大家看一下这个反应的电极反应和刚才我们写的第三个实验写的离子反应方程式是不是一样啊?那我们对比一下实验三、实验四两个过程,原电池是将氧化反应和还原反应放在两个不同啊?
【讲述】我们再看一下实验3这个过程:Zn片失去的电子不能通过外电路传递而是直接传递给溶液中的氢离子从而在锌片的表面产生氢气,这个过程是金属与酸直接发生化学反应,将化学能转化为热能。
【过渡】:既然电池电池形成了,而我们都知道的电池都有正负极之分。那么我们的这个原电池的正负极分别是哪一极呢?
【回答】根据物理学中的定义,在外电路中电流的方向与正电荷的移动方向相同,与负电荷的移动方向相反,因此Zn片为电池的负极,铜片作为正极
【提问】我们只要知道原电池的负极就可以了,剩下的一极就是原电池的正极,还可以根据那些特征确定原电池的负极呢?
【板书】
1、 从实验现象可判别正极
2、电子的流出极是负极。
3、失电子极是负极。
4、发生氧化反应的一极
【过渡】原电池的组成部分有哪些?那么原电池的形成条件是怎样的呢?改变试验的一个因子;
【引导】让学生认识到实验中三个变量之间的关系:电机材料:同种电极;不同种电极;电解质溶液:电解质与非电解质;通络:闭合回路的形成。暗示以此确定设计实验的探究方向。
【讲解】上面,我们通过实验探究了解了原电池的工作原理,初步形成原电池的概念,那么,原电池是由哪些部分组成的?也即原电池的构成条件是什么?
【探究一】电极的探究
【实验结论】:
【探究二】 溶液的探究
【探究三】 电路的探究
【学生活动】学生分组总结汇报实验结果和实验结论,师生共同交流探讨,得出结论
【板书】
1、活泼性不同的两极。
2、电解质溶液。
3、形成闭合回路。
【引导】引导学生从原电池的定义角度分析原电池的另外一个形成条件:自发进行的氧化还原反应。
4、自发进行的氧化还原反应,