原電池實驗的改進與拓展
——原電池實驗教學(xué)實錄

鄭麗霞

(廣東省佛山市第一中學(xué)化學(xué)科組 528000)

一、實驗教學(xué)目標(biāo)

【知識與技能目標(biāo)】理解原電池的定義，探究原電池的效率.

【過程與方法目標(biāo)】通過步步深入的實驗探究，提高實驗分析能力.

【培養(yǎng)學(xué)生化學(xué)核心素養(yǎng)目標(biāo)】化學(xué)課堂教學(xué)是培養(yǎng)學(xué)生化學(xué)核心素養(yǎng)的重要載體，在教學(xué)中創(chuàng)設(shè)相關(guān)情境，培養(yǎng)學(xué)生“提出問題—猜想與假設(shè)—實驗驗證—分析與論證—得出結(jié)論”的科學(xué)探究方法；同時培養(yǎng)學(xué)生喜愛探究、樂于探究、善于探究，不斷追求科學(xué)發(fā)展的精神.

二、實驗內(nèi)容設(shè)計

本實驗是對選修四第四章第一節(jié)原電池實驗4-1的改進拓展.力圖解決兩個問題：

1.單池原電池存在缺陷導(dǎo)致原電池效率不高，如何改進Zn-Cu-CuSO4原電池裝置，才能實現(xiàn)高效穩(wěn)定地對外輸送電能？

2.如何實現(xiàn)在持續(xù)、穩(wěn)定對外輸出電能的基礎(chǔ)上加大電流？

【實驗重點】證明：原電池是將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的裝置.

【實驗難點】證明：化學(xué)能越大，原電池轉(zhuǎn)化得到的電能越大.

為了解決上述問題，突出重點，突破難點，構(gòu)建了三個實驗?zāi)Ｐ停?/p>

單池原電池(如圖1)：證明化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能了.但在實現(xiàn)能量轉(zhuǎn)化過程中存在矛盾，因為氧化劑與還原劑沒有隔開，部分反應(yīng)直接發(fā)生，化學(xué)能不能全部轉(zhuǎn)化為電能，且電流不穩(wěn)定、不能持續(xù)供電.

雙池原電池(如圖2)：是對單池原電池的改進，氧化劑與還原劑近乎完全隔開，利用鹽橋連接，克服了化學(xué)能的損失，實現(xiàn)化學(xué)能全部轉(zhuǎn)化為電能，為原電池持續(xù)、穩(wěn)定得產(chǎn)生電流創(chuàng)造了必要的條件.

多反應(yīng)雙池原電池(如圖3)：一個化學(xué)反應(yīng)提供的化學(xué)能是有限的，若能設(shè)計多個化學(xué)反應(yīng)同時進行，產(chǎn)生的化學(xué)能越多，轉(zhuǎn)化得到的電能就越多.這將為原電池原理的實用性開發(fā)奠定理論基礎(chǔ)，使能源的綜合利用得到進一步發(fā)展.

以上三個實驗?zāi)Ｐ蛯崿F(xiàn)了對原電池探究的步步深入，讓學(xué)生對原電池的定義——將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的裝置有了更深入的理解，拓展了學(xué)生的思維，培養(yǎng)了學(xué)生不斷追求科學(xué)發(fā)展的精神.

三、教學(xué)過程實錄

筆者將本次課整體設(shè)計為四個部分：1.導(dǎo)入新課；2.基礎(chǔ)回顧；3.探究原電池的效率；4.總結(jié)所學(xué)知識.

探究原電池的效率揭示原電池的原理是本節(jié)課的重難點.

第一部分：導(dǎo)入新課

在這個部分使用了知識聯(lián)系生活策略，通過介紹生活中出現(xiàn)的高科技原電池，提高學(xué)生探究原電池原理的興趣.

第二部分：基礎(chǔ)回顧

引導(dǎo)學(xué)生回顧必修二第二章第二節(jié)所學(xué)的關(guān)于原電池的定義、組成條件、工作原理.

【實驗驗證】學(xué)生實驗1

表2 實驗1現(xiàn)象

【分析與論證】由實驗1現(xiàn)象(見表2)分析得出：

單池原電池的不足之處：(1)電流不穩(wěn)定；

(2)鋅片所失電子沒有全部形成電流，效率不高.

問題根源：Zn與CuSO4溶液的直接接觸，存在直接的化學(xué)反應(yīng)，化學(xué)能沒有全部轉(zhuǎn)化為電能.

【結(jié)論】單池原電池能將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，但存在缺陷效率不高.

②稱取2，4-D粉末1g溶于500mL清水配成2g·L-1的母液，再用清水分別稀釋成質(zhì)量濃度為2×10-11、2×10-10、2×10-9、2×10-8、2×10-7、2×10-6g·L-1的2，4-D溶液。

第三部分：探究原電池的效率

【提出問題】單池原電池存在缺陷導(dǎo)致原電池效率不高，如何改進Zn-Cu-CuSO4原電池裝置，才能實現(xiàn)高效穩(wěn)定地對外輸送電能？

【猜想與假設(shè)】將氧化劑與還原劑分開為兩個半電池，避免直接的化學(xué)反應(yīng)，兩個半電池用鹽橋連接，從而實現(xiàn)化學(xué)能全部轉(zhuǎn)化為電能.

【實驗驗證】學(xué)生實驗2，現(xiàn)象見表3.

表3 實驗2現(xiàn)象

【分析與論證】單池原電池與雙池原電池對比：1.總反應(yīng)，電極反應(yīng)都相同.2.導(dǎo)線中電子流向相同.3.陽離子和陰離子流向相同.4.裝置構(gòu)成不同，效率不同.

【結(jié)論】雙池原電池實現(xiàn)高效穩(wěn)定地對外輸送電能.

【延伸拓展】如何實現(xiàn)在持續(xù)、穩(wěn)定對外輸出電能的基礎(chǔ)上加大電流？是不是化學(xué)反應(yīng)提供的化學(xué)能越多，原電池就能轉(zhuǎn)化得更多的電能呢？

【猜想與假設(shè)】在雙池原電池的基礎(chǔ)上加多一個化學(xué)反應(yīng)，提供更多的化學(xué)能，若電流表指針偏轉(zhuǎn)幅度增大，則說明化學(xué)能越大，轉(zhuǎn)化得到的電能越大.

【實驗驗證】學(xué)生實驗3,現(xiàn)象見表4.

表4 實驗3現(xiàn)象

【分析與論證】多反應(yīng)雙池原電池與雙池原電池對比：

1.導(dǎo)線中電子流向相同.

2.陽離子和陰離子流向相同.

3.總反應(yīng)不同，化學(xué)能增大，效率不同.

【結(jié)論】化學(xué)能越大，轉(zhuǎn)化得到的電能越大.

第四部分：總結(jié)所學(xué)知識

1.深入理解原電池的定義：將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的裝置，化學(xué)能越大，轉(zhuǎn)化得電能越大.

2.學(xué)習(xí)“提出問題—猜想與假設(shè)—實驗驗證—分析與論證—得出結(jié)論”的科學(xué)探究方法.

3.發(fā)揚喜愛探究、樂于探究、善于探究，不斷追求科學(xué)發(fā)展的精神.

四、實驗設(shè)計亮點與教學(xué)反思

1.實驗創(chuàng)新并在教學(xué)中的融合應(yīng)用.創(chuàng)新性地設(shè)計了實驗3對原電池定義進行更深入地挖掘，通過直觀清晰的實驗現(xiàn)象增強學(xué)生對原電池的感性認(rèn)知和探究性體驗，提高學(xué)生分析問題與解決問題的能力.

2.發(fā)揮實驗教學(xué)的育人功能.實驗1、2、3層層遞進，對原電池的探究越來越深入，學(xué)生的思維得到全面發(fā)展，探究結(jié)果振奮人心，實現(xiàn)在認(rèn)知活動中培養(yǎng)和提升學(xué)生的化學(xué)核心素養(yǎng).

3.體現(xiàn)實驗教學(xué)的設(shè)計思路.整個教學(xué)設(shè)計都貫穿培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)探究能力和化學(xué)遷移思維的教學(xué)思想.運用實驗探究解決問題，實驗探究緊扣“提出問題—猜想與假設(shè)—實驗驗證—分析與論證—得出結(jié)論”的科學(xué)探究方法，以實驗現(xiàn)象和數(shù)據(jù)說話，科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)，體現(xiàn)化學(xué)學(xué)科特色.