基于“模型認(rèn)知”的原電池高三一輪復(fù)習(xí)教學(xué)研究

江蘇 居亞芬 王 菁

一、問(wèn)題的提出

1.考查要求

《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)(2017年版2020年修訂)》中對(duì)電化學(xué)部分內(nèi)容的考查要求及教學(xué)建議如表1所示。

表1 電化學(xué)部分的考查要求及教學(xué)建議

2.教材分析

各版本教材中電化學(xué)知識(shí)如表2所示。

表2

3.學(xué)情分析

大多數(shù)學(xué)生感覺(jué)對(duì)“化學(xué)反應(yīng)與電能”中能量轉(zhuǎn)化的考查較難，很容易將原電池和電解池混淆，并且也理不清電子轉(zhuǎn)移的方向，尤其困難的還屬兩極的電極反應(yīng)式的書(shū)寫(xiě)。經(jīng)交流，多數(shù)學(xué)生對(duì)電化學(xué)內(nèi)容還是習(xí)慣用記憶的方式來(lái)解該類題，不能靈活運(yùn)用已有知識(shí)解決陌生情境中的實(shí)際問(wèn)題。所以教師需要將這部分知識(shí)整合有序，幫助學(xué)生厘清化學(xué)能與電能的相互轉(zhuǎn)化原理，直擊考點(diǎn)，對(duì)較難部分進(jìn)行技巧點(diǎn)撥。

二、基于“模型認(rèn)知”的原電池一輪復(fù)習(xí)教學(xué)實(shí)錄

1.基于伏打電堆建立原電池模型

【化學(xué)史1】1800年意大利科學(xué)家伏打發(fā)明了世界上第一個(gè)發(fā)電器，即伏打電堆。伏打把一個(gè)金屬鋅環(huán)放在一個(gè)銅環(huán)上，再用一塊浸透鹽水的布?jí)荷?，再放上鋅環(huán)，銅環(huán)，如此重復(fù)下去疊成了一個(gè)柱狀，便產(chǎn)生了明顯的電流。

【任務(wù)1】學(xué)生總結(jié)原電池的構(gòu)成條件。

學(xué)生：

①有兩個(gè)活潑性不同的能導(dǎo)電的電極材料

②導(dǎo)線連接形成閉合電路

③有電解質(zhì)溶液

【任務(wù)2】學(xué)生根據(jù)伏打電堆圖，畫(huà)出簡(jiǎn)易的鋅銅原電池裝置示意圖。

伏打電堆

鋅銅原電池裝置

【任務(wù)3】用必要的文字和電極反應(yīng)式描述原電池的工作原理。

【任務(wù)4】總結(jié)出基于氧化還原的原電池的基本設(shè)計(jì)思路

圖2

【應(yīng)用1】簡(jiǎn)易電池：自制水果電池、鋅錳干電池、銀鋅紐扣電池等

新型電池：空氣電池等

圖3

( )

A.負(fù)載通過(guò)0.04 mol電子時(shí)，有0.224 L(標(biāo)準(zhǔn)狀況)O2參與反應(yīng)

B.正極區(qū)溶液的pH降低、負(fù)極區(qū)溶液的pH升高

D.電流由復(fù)合碳電極經(jīng)負(fù)載、VB2電極、KOH溶液回到復(fù)合碳電極

【答案】B

【命題背景】本題以堿性硼化釩(VB2)—空氣電池為情境載體，重點(diǎn)考查了電極的判斷、電極反應(yīng)式的書(shū)寫(xiě)、電極反應(yīng)相關(guān)計(jì)算、電極附近區(qū)域溶液的pH變化、電流方向等知識(shí)。

【落實(shí)核心素養(yǎng)】考查符號(hào)理解能力、信息獲取與加工能力、分析與推測(cè)能力等，落實(shí)宏觀辨識(shí)與微觀探析、證據(jù)推理與模型認(rèn)知、變化觀念與平衡思想等學(xué)科核心素養(yǎng)。

【解析】常見(jiàn)步驟：判斷是否為原電池→判斷正負(fù)極(通過(guò)電極材料的活潑性、電極反應(yīng)式中的化合價(jià)變化)→判斷電子、電流、離子的移動(dòng)方向→書(shū)寫(xiě)正、負(fù)極的電極反應(yīng)式→根據(jù)電極反應(yīng)式進(jìn)行計(jì)算和產(chǎn)物分析。

【應(yīng)用2】暖貼、金屬防護(hù)等。

如表3所示，為鋼鐵的電化學(xué)腐蝕原理及其應(yīng)用。

表3 根據(jù)不同的水膜環(huán)境，分析鋼鐵電化學(xué)腐蝕工作原理及應(yīng)用

【例2】(2020·江蘇卷·11)將金屬M(fèi)連接在鋼鐵設(shè)施表面，可減緩水體中鋼鐵設(shè)施的腐蝕。在如圖4所示的情境中，下列有關(guān)說(shuō)法正確的是

圖4

( )

B.金屬M(fèi)的活動(dòng)性比Fe的活動(dòng)性弱

C.鋼鐵設(shè)施表面因積累大量電子而被保護(hù)

D.鋼鐵設(shè)施在河水中的腐蝕速率比在海水中的快

【答案】C

【命題背景】本題以生產(chǎn)中鋼鐵設(shè)施的腐蝕和防護(hù)為情境，重點(diǎn)考查了電極的判斷、電極反應(yīng)式的書(shū)寫(xiě)、電極附近區(qū)域溶液的pH變化、電化學(xué)腐蝕等知識(shí)。

【解析】初步判斷該裝置運(yùn)用了犧牲陽(yáng)極的陰極保護(hù)法，屬于金屬的電化學(xué)保護(hù)法之一。金屬M(fèi)失電子，電子經(jīng)導(dǎo)線流入鋼鐵設(shè)備，從而使鋼鐵設(shè)施表面積累大量電子，自身金屬不再失電子從而被保護(hù)，故C正確；海水中的離子濃度大于河水中的離子濃度，溶液的導(dǎo)電性越強(qiáng)，因此鋼鐵設(shè)施在海水中的腐蝕速率比在河水中快，故D錯(cuò)誤。

【變式】

①鋼鐵腐蝕過(guò)程中化學(xué)能全部轉(zhuǎn)化為電能

②以水代替海水，鐵就不能發(fā)生吸氧腐蝕

③干燥環(huán)境會(huì)減緩鐵的腐蝕

⑤鋼鐵中存在活性炭就會(huì)加速鐵的腐蝕

⑥金屬M(fèi)如果是銅，也可以減緩水體中鋼鐵設(shè)施的腐蝕

【任務(wù)5】上述電池也稱為單液電池，其在實(shí)際生活生產(chǎn)中存在哪些問(wèn)題？

學(xué)生：存在電池長(zhǎng)時(shí)間使用會(huì)明顯發(fā)熱現(xiàn)象，嚴(yán)重的可能爆炸；電池壽命短，不使用的時(shí)候也在進(jìn)行反應(yīng)；放電時(shí)出現(xiàn)電壓不穩(wěn)定等問(wèn)題。

2.在生產(chǎn)生活中不斷地優(yōu)化原電池模型

【問(wèn)題解決1】單液電池中電極和電解質(zhì)溶液會(huì)直接接觸，即使不形成閉合回路也會(huì)持續(xù)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。電解質(zhì)溶液因不斷的消耗，造成電壓不穩(wěn)的情況。如何進(jìn)行優(yōu)化？

【優(yōu)化方案一】利用鹽橋?qū)我弘姵馗脑斐呻p液電池。

【化學(xué)史2】丹尼爾電池：1836年，丹尼爾根據(jù)伏打電堆發(fā)明了世界上第一個(gè)實(shí)用電池，并用于早期鐵路的信號(hào)燈。丹尼爾將鋅棒置于硫酸鋅溶液中，將銅棒置于硫酸銅溶液中，并用鹽橋或離子膜等方法將兩種電解質(zhì)溶液連接如圖5所示。

圖5

【交流與討論1】鹽橋的成分和作用是什么？電路中串聯(lián)一個(gè)電流表，可以觀察到哪些現(xiàn)象？取出鹽橋，觀察電流表的指針如何變化？

學(xué)生1：鹽橋中裝有含KCl飽和溶液的瓊脂，離子在其中自由移動(dòng)。取出鹽橋，電流表指數(shù)歸零。

學(xué)生2：使用鹽橋可以避免氧化劑和還原劑直接接觸造成損耗，并且可以消除液接電勢(shì)。

【問(wèn)題解決2】當(dāng)一次電池中氧化劑和還原劑的物質(zhì)被消耗到一定程度時(shí)，電池就不能繼續(xù)使用。

如何經(jīng)過(guò)優(yōu)化，處理成可以重復(fù)利用的電池呢？

【優(yōu)化方案二】將一次電池改造成二次電池。

【化學(xué)史3】鉛蓄電池：1859年卡斯通和普朗特利用海綿狀的Pb和PbO2作為電極，并用22%～28%的稀硫酸作電解質(zhì)溶液，就此發(fā)明了第一個(gè)可充電的二次電池。工作原理如圖6。到目前為止鎳鎘電池和鎳氫電池也是基于該原理設(shè)計(jì)出的二次電池。

圖6

【交流與討論2】分別寫(xiě)出鉛蓄電池放電和充電時(shí)的電極反應(yīng)。

表4 鉛酸蓄電池的工作原理

【應(yīng)用3】廣泛應(yīng)用到電動(dòng)車、機(jī)動(dòng)車輛上。

【例3】(2020·全國(guó)卷Ⅰ·12)科學(xué)家近年發(fā)明了一種新型Zn-CO2水介質(zhì)電池。電池示意圖如圖7，電極為金屬鋅和選擇性催化材料。放電時(shí)，溫室氣體CO2被轉(zhuǎn)化為儲(chǔ)氫物質(zhì)甲酸等，為解決環(huán)境和能源問(wèn)題提供了一種新途徑。

圖7

下列說(shuō)法錯(cuò)誤的是

( )

B.放電時(shí)，1 mol CO2轉(zhuǎn)化為HCOOH，轉(zhuǎn)移的電子數(shù)為2 mol

D.充電時(shí)，正極溶液中OH-濃度升高

【答案】D

【命題背景】本題以新型可充可放電池為情境，考查了電極的判斷、電極反應(yīng)式的書(shū)寫(xiě)、電極附近區(qū)域溶液的pH變化、相關(guān)計(jì)算等知識(shí)。

【解析】解題步驟：根據(jù)電極材料判斷放電Zn作負(fù)極、CO2作正極反應(yīng)→根據(jù)電解質(zhì)溶液環(huán)境書(shū)寫(xiě)負(fù)極反應(yīng)式→書(shū)寫(xiě)正極反應(yīng)式→逆向?qū)懗龀潆姇r(shí)陰、陽(yáng)極反應(yīng)式→相應(yīng)計(jì)算和判斷。

【交流與討論3】同學(xué)們查詢資料，談?wù)勩U蓄電池的優(yōu)缺點(diǎn)。

學(xué)生：鉛蓄電池的優(yōu)點(diǎn)是工作電壓穩(wěn)定、使用方便、安全系數(shù)高、能充放電幾百個(gè)循環(huán)、儲(chǔ)存性能好且價(jià)格低廉，因此廣泛使用在生產(chǎn)、生活中。缺點(diǎn)是體積大、笨重、比能量低、對(duì)環(huán)境造成鉛污染。

【問(wèn)題解決3】分析鉛蓄電池這些問(wèn)題產(chǎn)生的根源，并提出優(yōu)化方案。

【優(yōu)化方案三】利用可發(fā)生氧化還原反應(yīng)的氣體物質(zhì)來(lái)實(shí)現(xiàn)放電原理。

【化學(xué)史4】燃料電池歷史可以追溯到19世紀(jì)。1839年英國(guó)法官和科學(xué)家威廉·格羅夫(William Robert Grove)所進(jìn)行的電解實(shí)驗(yàn)，使用電將水分解成氫氣和氧氣，后來(lái)被人們使用了這個(gè)原理制作了燃料電池。從格羅夫第一次進(jìn)行燃料電池的實(shí)驗(yàn)到現(xiàn)在，人們對(duì)燃料電池的研究已有180多年的歷史。1889年，英國(guó)人Ludwig Mond和Charles Langer兩位化學(xué)家試圖用空氣和工業(yè)煤氣制造一個(gè)實(shí)用的能提供電能的裝置，“燃料電池”一詞也就隨著他們的發(fā)明而誕生了。

圖8

【應(yīng)用4】燃料電池具有廣闊的發(fā)展前景。除了氫氣，烴、肼、甲醇、氨、煤氣等液體或氣體，固體燃料均可作為燃料。

【交流與討論4】燃料電池的種類很多?，F(xiàn)以氫氧燃料電池為例，來(lái)說(shuō)明其工作原理。

表5 分析不同酸堿性環(huán)境下氫氧燃料電池的工作原理

【交流與討論5】同學(xué)們查詢資料，談?wù)勅剂想姵氐膬?yōu)缺點(diǎn)。

學(xué)生1：優(yōu)點(diǎn)一是電池容量不受限制，只需源源不斷地提供燃料和氧化劑即可；二是將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的轉(zhuǎn)化率超過(guò)80%，遠(yuǎn)高于轉(zhuǎn)化率只有30%多的火力發(fā)電；三是減少污染物的排放甚至零排放，被譽(yù)為“綠色發(fā)電站”。

學(xué)生2：缺點(diǎn)是燃料電池儲(chǔ)存占空間，也會(huì)有一定的危險(xiǎn)，不適用于小型的家用電池。

【優(yōu)化方案四】化學(xué)電池是新能源和可再生能源的重要組成部分，鋰電池發(fā)展較快。

【化學(xué)史5】20世紀(jì)70年代埃克森美孚公司的M.S.Whittingham采用硫化鈦?zhàn)鳛檎龢O材料，金屬鋰作為負(fù)極材料，制成首個(gè)鋰電池。1980年，J.Goodenough發(fā)現(xiàn)鈷酸鋰可以作為鋰離子電池正極材料。由于鋰金屬的化學(xué)特性非?；顫姡沟娩嚱饘俚募庸?、保存、使用，對(duì)環(huán)境要求非常高。1991年，索尼公司發(fā)布首個(gè)商用鋰離子電池。隨后，鋰離子電池革新了消費(fèi)電子產(chǎn)品的面貌。

【化學(xué)史6】2019年10月9日，瑞典皇家科學(xué)院宣布諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)由M.Stanley Whittingham、John B.Goodenough和吉野彰等三位科學(xué)家分享。以表彰他們?cè)阡囯姵匕l(fā)展上做出的杰出貢獻(xiàn)。

3.結(jié)合真實(shí)的情境應(yīng)用電池模型

各地的高考題中大多數(shù)都是將電池模型搭載熱門科研情境。為緩解日益突出的能源危機(jī)，各種電池的研發(fā)是當(dāng)前研究的熱門領(lǐng)域。2020全國(guó)卷Ⅰ第35題以2019諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)的成果鈷酸鋰、磷酸鐵鋰等正極材料為情境，考查學(xué)生通過(guò)電池反應(yīng)的宏觀變化推導(dǎo)到電極材料微觀結(jié)構(gòu)的變化。2020全國(guó)卷Ⅱ第35題以鈣鈦礦太陽(yáng)能電池為情境考查物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)，而該鈣鈦礦太陽(yáng)能電池是我國(guó)科學(xué)家發(fā)表在2019年《科學(xué)》期刊上的重大突破成果。

三、教學(xué)思考

原電池是把化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的一種裝置，教師以1800年世界上第一個(gè)電池為引入，以化學(xué)史的方式串起了模型的建立、不斷優(yōu)化、真實(shí)應(yīng)用，將教材中的知識(shí)和真實(shí)的生活、生產(chǎn)、科研情境相融合，讓學(xué)生感知科學(xué)家如何發(fā)現(xiàn)電，如何制造出電池，建立原電池的最基本的模型，并能運(yùn)用模型解釋原電池反應(yīng)的現(xiàn)象，并揭示現(xiàn)象背后的本質(zhì)和規(guī)律。帶著學(xué)生重走科學(xué)之路，讓學(xué)生大開(kāi)眼界，感受科學(xué)發(fā)展之路的艱辛，體驗(yàn)科學(xué)發(fā)現(xiàn)之美。最后，電化學(xué)內(nèi)容一直是高考考查的熱點(diǎn)，以高考真題為例，幫助學(xué)生梳理答題策略與方法，讓學(xué)生體會(huì)到原電池原理在高考題中的真實(shí)應(yīng)用，掌握解題的步驟，體現(xiàn)教學(xué)的實(shí)效性。