“化學電源”教學設計與反思

沈軍平

【摘要】生活中學生對干電池、蓄電池、鋰電池 等化學電源有所了解。在《化學2》已學習原電池原理和常見的化學電源，在《化學反應原理》專題1中學習了原電池的構造特點和工作原理，并已經會判斷、設計簡單的原電池，書寫電極反應式和電池反應方程式。具備一定的討論分析、實驗探究能力。但學生對于化學電源的工作原理的理解存在著不足。本文筆者力求以“電池的發(fā)展史”為線索，讓學生知道化學電源的反應原理，了解化學電源的發(fā)展與環(huán)境污染，增強環(huán)保意識。

【關鍵詞】化學電源 反應原理 應用價值

【中圖分類號】G633.8 【文獻標識碼】A 【文章編號】2095-3089（2015）06-0149-02

教學目標：

1.知道常見化學電源，能根據已知的電池反應方程式正確判斷電池的正負極。

2.知道銀鋅紐扣電池、鉛蓄電池、燃料電池的工作原理及其應用價值。

3.通過對各類電池的學習，感受化學給人類社會帶來的進步。通過了解廢舊電池對環(huán)境的危害，樹立環(huán)保意識。

實驗準備：

音樂卡片（無電池）、鋅片（2片）、銅片（2片）、1.0mol/L硫酸、乙醇、導線、250mL燒杯。

教學過程：

動手實踐：學生設計方案：如何使沒有電池的音樂卡片唱歌，并畫圖。教師點撥、引導。讓一位同學根據所畫實驗裝置圖上講臺組裝實驗裝置。

師：該同學的實驗很成功，但教室比較大，坐在后面的同學聽不清。請該同學拿著這套原電池裝置繞教室走一圈，讓坐在后面的同學也能享受音樂帶來的快樂。

學生：老師，我一個人不好拿。

師：那就讓你的同桌幫忙吧。

學生活動：學生甲一手拿音樂卡片，一手拿燒杯。學生乙兩只手扶著兩個電極。從講臺往教室后面移動。他們小心翼翼，走得速度很慢。當從教室后面再回到講臺邊的時候，音樂卡片的聲音越來越輕了，最后消失了。

學生疑惑……

師：如大家所見。我們用這套裝置，把化學能轉變成了電能，讓音樂卡片唱起歌來。如果生活中用這套裝置來給我們提供電能，那會怎么樣呢？

學生：太不方便，電池的放電時間太短。

圖片展示：在電池的發(fā)展史上，伏打受到“伽伐尼青蛙實驗”的啟發(fā)而發(fā)明了電池，即兩種不同的金屬中間以導電的物質隔開，再以導線連結，就會產生電流。1800年，他用銅、錫、食鹽水為材料成功地制造了伏打電池。1836年，英國的丹尼爾對“伏特電堆”進行了改良。他使用稀硫酸作電解液的鋅-銅電池，又稱“丹尼爾電池”。但以上兩個問題一直困擾著伏打和丹尼爾。如果你是他們，你會思考如何對改進“丹尼爾電池”呢？

學生分組討論。

學生歸納：液體電解質攜帶不方便，可以改成便于攜帶的固體電解質，如干電池。

師：正如大家所言，以上問題一直困擾著當時的科學家。直到1860年，法國的雷克蘭士還發(fā)明了世界廣受使用的電池（碳鋅電池）的前身。負極棒和正極棒都被浸在作為電解液的氯化銨溶液中。此系統被稱為濕電池。直到1880年才被改進的干電池取代。負極被改進成鋅罐，電解液變?yōu)楹隣疃且后w，基本上這就是現在我們所熟知的碳鋅電池。

普通鋅錳干電池是最早進入市場的實用電池，其構造如書本圖1-12所示。普通鋅錳干電池制作簡單、價格便宜，但存在存放時間短、放電后電壓下降較快等缺點。堿性鋅錳電池比普通鋅錳干電池性能優(yōu)越，它的比能量大，能提供大電流并連續(xù)放電。如書本圖1-13所示，其電池反應方程式為：2MnO2+Zn+2H2O=2MnOOH+Zn（OH）2。我們根據總反應，寫出它的電極反應式。

學生活動：負極：Zn - 2e- + 2OH- = Zn（OH）2

正極：2MnO2 + 2e- + 2H2O = 2MnOOH + 2OH-

師：當發(fā)明了干電池后，較好解決了攜帶不方便的問題，為了適應各種需要，干電池也被制成不同形狀。如紐扣電池。但它們也存在著缺陷，隨著電池的使用，反應物不斷的減少，就不能再使用。19世紀60年代左右，法國的普朗泰發(fā)明用鉛做電極的電池。這種電池能充電，可以反復使用，即蓄電池。

鉛酸電池的發(fā)展有100多年的歷史。它的放電原理可用下列化學方程式表示：

放電

PbO2+Pb+2H2SO4=2PbSO4+2H2O（原電池）

充電

放電：負極：Pb + SO42-- 2e- === PbSO4

正極：PbO2 + 4H + + SO42- + 2e-=== PbSO4 + 2H2O

充電：陽極：PbSO4 + 2H2O - 2e- === PbO2 + 4H+ + SO42-

陰極：PbSO4 + 2e-=== Pb + SO42-

展示：干電池和鉛蓄電池實物。并結合PPT，分別講述這兩種電池的構造和用途。目前已開發(fā)出的鎳鎘電池、鎳氫電池、銀鋅電池、鋰電池和鋰離子電池等新型二次電池。

這些電池反應物均儲存在電池內部，而燃料電池則由外部設備提供燃料和氧化劑等，同時將電極產物不斷排出電池。由于這種結構的改變，燃料電池能連續(xù)不斷地提供電能。隨著人們環(huán)保意識的增強，干電池以及蓄電池中的一些重金屬如鎘、鉛、汞等會對自然環(huán)境造成的污染被人所重視。數據表明，1節(jié)1號電池能使1m2的土地永久失效，因此我們在處理廢電池時要分類回收。而燃料電池被稱為電池發(fā)展史中的新旗幟。

師：閱讀書本P16頁“燃料電池”。并分析圖1-16中電池的正負極，電子移動方向。

學生：電池反應：H2 + 1/2O2 = H2O

因電解質是堿性環(huán)境，正極：1/2O2 +2e-+H2O = 2OH-，負極：H2+2e-+2OH-= 2H2O

電子從負極移向正極，陰離子移向正極，陽離子移向負極。

師：除氫氣外，甲烷、甲醇、肼、氨等都可以作為燃料電池的燃料。燃料電池的能量轉換效率遠高于普通燃料燃燒的能量轉換效率，具有廣闊的發(fā)展前景。

我們將電池300多年的發(fā)展史作為主線，介紹了各種化學電源。各種技術的需求推動著電池呈現出并駕齊驅、交錯發(fā)展的景象，各種電池的性能也各有優(yōu)劣。展望未來，人類社會面對環(huán)境惡化和能源短缺2大危機，電池也一定會朝著更加環(huán)保、更高能量、更加實用的方向發(fā)展，為人類社會的發(fā)展做出更多的貢獻。

反思評價：

本節(jié)課引入，開門見山，讓學生利用已學知識，選擇儀器、設計實驗。同時在實驗中設疑，將電池發(fā)展史上遇到的兩個重要問題在課堂中再現，展示在大家面前。同學的思維產生激烈碰撞。聯系生活實際，去尋找解決的方法。自然的將電池的發(fā)展史與本節(jié)課的內容“化學電源”聯系起來。本節(jié)課以實驗事實設疑，又以實驗事實釋疑。讓學生覺得化學就在我們身邊，從而激發(fā)學習化學的興趣及環(huán)保意識。