6.1 化学反应与能量变化 第4课时 教案

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第一节
化学反应与能量变化
第4课时
本章教材分析
1.教材地位和作用
(1)本章内容分为两个部分——化学反应与能量变化、化学反应速率和限度，都属于化学反应原理范畴，是化学学科最重要的原理性知识之一，也是深入认识和理解化学反应特点
和进程的入门性知识。同时，本章内容又在社会生产、生活和科学研究中有广泛的应用，对人类文明进步和现代化发展有重大价值，与我们每个人息息相关。因此，化学能对人类的重要性和化学反应速率、限度及其条件控制对化学反应的重要性，决定了本章学习的重要性。
初中化学从燃料的角度初步学习了“化学与能源”的一些知识，在选修4《化学反应原理》中，将从科学概念的层面和定量的角度比较系统、深入地学习化学反应与能量、化学反应速率和化学平衡的原理。本章内容既是对初中化学相关内容的提升与拓展，又是为选修4《化学反应原理》的学习奠定必要的基础。
学生通过学习化学能与热能、化学能与电能的相互转化及其应用，对化学在提高能源的利用率与开发新能源中的作用与贡献有初步的认识；通过引入新型化学电池开发与利用的知识，学生将对化学的实用性和创造性有更多的体会；通过对化学反应速率和限度的学习与讨论，学生将对化学反应的条件有更深的认识。这些都会增进学生对化学学习的兴趣，使学生体会化学学习的价值。
(2)内容的选择与呈现
新课程标准关于化学反应与能量及化学反应速率与限度的内容在初中化学、高中必修模块和选修模块中均有安排，既有学习的阶段性，又有必修、选修的层次性，在具体内容上前后还有交叉和重叠，学生概念的形成和发展呈现一种螺旋式上升的状态。
根据新课程标准，关于化学反应中能量变化的原因，在此只点出化学键的断裂和形成是其主要原因，并笼统地将化学反应中吸收或放出能量归结为反应物的总能量与生成物的总能量的相对高低，不予深究。
关于化学能与热能、化学能与电能的相互转化，侧重讨论化学能向热能或电能的转化，以及化学能直接转化为电能的装置——化学电池，主要考虑其应用的广泛性和学习的阶段性。在化学电池中，通过原电池和传统干电池(锌锰电池)初步认识化学电池的化学原理和结构，并不要求上升为规律性的知识；通过介绍新型电池(如锂离子电池、燃料电池等)体现化学电池的改进与创新，初步形成科学技术的发展观。
关于化学反应速率及其影响因素，通过实例和实验使学生形成初步认识，不涉及对反应速率进行定量计算或同一反应中不同物质间反应速率的相互换算。反应限度是通过实验和化学史实(炼铁高炉尾气之谜)来说明其存在，虽涉及了反应的“可逆性”及“平衡状态”，但未从原理、定义的高度予以重点讨论。反应条件的控制是建立在上述二者的基础之上，选取了“燃料的燃烧效率”这一常见的典型例子进行综合分析，从中了解控制反应条件的重要性，训练分析问题的思路与方法。这一实例分析，既与学生的日常生活经验相联系，又与初中“燃料的燃烧”相衔接。
本章在选材上尽量将化学原理与实验、实例相结合，对化学概念或术语(如化学能、化学电池、催化剂、反应限度等)采用直接使用或叙述含义而不下定义的方式出现，以降低学习的难度。同时注意与学生经验、社会发展、高新技术、化学史实、相关学科(如物理、生物等)相联系，力求使本章学习内容在相应的“知识生态”中呈现，体现其知识的生长性、环境性、综合性和发展性。
2.教学重点和难点
●教学重点
(1)化学能与热能之间的内在联系，以及化学能与热能的相互转化。
(2)化学能与电能之间相互转化。
(3)化学反应速率和反应的限度。
●教学难点
(1)化学能与热能之间的内在联系。
(2)化学能转化为电能的原理。
(3)化学反应的限度。
教材分析
本节在学习第六章化学能与热能的基础上，进入化学能与电能的学习。学生已经了解了化学能转化为热能的相关知识。通过本节知识的学习既可以为前面所学知识增加感性认识材料，又可以深化对化学反应与能量的理解，起到承上、加深巩固的作用。同时可以帮助学生认识到化学在促进社会发展、改善人类生活条件等方面所起到的重要作用。
原电池的构成、原电池原理是本节重要内容，通过对原电池原理、干电池、新型电池的学习，使学生体会化学对社会发展和人类进步的重要作用。
学情分析
1.学生的知识、技能的基础。学生在学习本节之前，已初步理解了能量守恒的化学思想，知道化学能可以转化为热能。但学生对化学能转化为其他形式的能、转化原理的认识有待进一步培养和提高。
2.学生认知心理特点及认知发展水平。对化学实验充满期待和向往，所以应创设教学情境，激发学习兴趣，用兴趣带动学习。
教学目标
【知识与技能】
(1)掌握简单的电极反应的书写。
(2)了解常见化学电池的组成与应用。
【过程与方法】
通过原电池原理加强对新型电池掌握和理解，提高自主学习的能力。
【情感态度与价值观】
通过原电池原理在生产、生活中的实际运用，形成较为客观、正确的能源观，提高开发高能清洁料的意识。
教学重难点
(1)原电池原理的深化及应用。
(2)新型电池在生产、生活中的实际运用。
教学方法
(1)充分利用Cu-H2SO4-Zn原电池加深对原电池原理的理解。
(2)以原电池的广阔应用前景为引导不断激发学习兴趣。
(3)加强练习提升学生对原电池的理解能力。
教学过程
一、导入新课
【引入】电池是一种便于携带、应用十分广泛的装置，它提供的电能成为我们人类社会最离不开的能源。那么能源如何分类，原电池又具备什么样的结构特征？
二、推进新课
教学环节一：能源的分类
【阅读思考】
1.一次能源与二次能源分类标准是什么？
2.一次能源和二次能源各有什么样的优势和劣势？最常用的二次能源是什么？提供这种能源的装置是什么？
教学环节二：原电池原理的深化认识
【展示】展示干电池的结构。
【提问】干电池中锌简起什么作用，位于中央的顶有铜帽的石墨棒，在石墨周围填充的糊状物又起什么作用？
【提问】干电池的结构与我们熟悉的Cu-H2SO4-Zn如此的不同，但它依然属于原电池，那么下列装置哪些可以形成原电池？
若能形成原电池写出电极反应式，并指出电子流动方向。
A
B
C
(设计意图：通过学生熟悉的干电池的结构的介绍，一方面能将化学问题联系生活，提高学生学习的兴趣，另一方面复习进一步提升了学生对原电池构成条件的理解。)
【例题】下列各装置能否构成原电池(电解质溶液为硫酸铜溶液)(
)
【分析】A装置：两相连电极代替了导线，Fe电极失去电子，电子直接流向Cu电极，溶液中的Cu2+得电子生成Cu单质，沉积在Cu电极表面，内外两电路组成闭合回路，构成原电池。B装置：类同A装置，构成原电池。C装置：不满足原电池的构成条件，没有存在活泼性不同的金属或金属与导电非金属。D装置：不满足原电池的构成条件，电极与电解质溶液没有组成闭合回路，故C、D不能构成原电池。
【练习1】
下列组合中，能形成原电池的有(
)
A
B
C
D
X
Zn
石墨棒
Mg
Cu
Y
Cu
Fe
Fe
Ag
Z
CuSO4固体
AgNO3溶液
橙汁
稀硫酸
答案：BC
【练习2】
由X、Y两种金属和稀硫酸组成一个原电池，结果发现X表面无气泡而Y的表面有气泡产生。X与Y分别作什么极？哪个金属性更强？
答案：X为负极，Y为正极，X的金属性更强。
【总结提升】两极的判断方法：
①根据组成原电池两极的电极材料判断：一般活泼性较强的金属为负极，活泼性较弱的金属或能导电的非金属为正极。
②根据电流方向或电子流动方向判断：在外电路中，电流由正极流向负极，电子由负极流向正极。
③根据原电池里电解质溶液中离子的定向流动方向判断：原电池里电解质溶液中，阳离子向正极移动阴离子向负极移动。
④根据原电池两极发生的反应来判断：负极总是发生失电子的氧化反应，正极总是发生得电子的还原反应。
⑤根据现象判断：溶解的一极为负极，增重或有气泡产生的一极为正极。
(设计意图：一方面巩固了学生对原电池电极判断的理解，另一方面是在学生已有知识的基础上完成了新知识的生成。)
【练习3】
用镁、铝作电极构成原电池，分别插人稀硫酸、氢氧化钠溶液中，判断构成原电池的正极、负极。
答案：用镁、铝作电极构成原电池，插入稀硫酸溶液中，镁作负极，铝作正极；用镁、铝作电极构成原电池，插入氢氧化钠溶液中，镁作正极，铝作负极。
【练习4】
用铜、铝作电极构成原电池，分别插人稀硫酸、浓硝酸溶液中，判断构成原电池的正极、负极，并写出相关电极反应。
答案：用铝、铜作电极构成原电池，插入稀硫酸溶液中，铝作负极，铜作正极，电极反应方程式为：
正极：6H++6e-3H2↑
负极：2Al-6e-2Al3+
用铝、铜作电极构成原电池，插入浓硝酸溶液中，铝作正极，铜作负极，电极反应方程式为：
正极：2N+4H++2e-2NO2↑+2H2O
负极：Cu-2e-Cu2+
【归纳提升】
电极的活泼性除了与金属活动性有关外，还与电解质溶液的环境有关，由此可见，“谁活泼谁负极”作为原电池中电极判断的方法并不是万能的，应该根据原电池两极发生的变化来判断：负极总是发生失电子的氧化反应，正极总是发生得电子的还原反应。
(设计意图：原电池的构成条件和原电池原理对于初次接触该知识点的学生来说，不太容易理解，往往会出现丢三落四、理解不准等问题，我们因此补充了原电池结构及特殊情况下的原电池练习。)
【讲解】原电池原理的应用：
(1)增大氧化还原反应的速率。
(2)制造多种多样的化学电源。
(3)比较金属活动性的强弱。
(4)防止金属的腐蚀。
(设计意图：通过习题从不同角度加深理解原电池原理，不断挑战学生的思维定式、扩充思维广度。题目的设置，举一反三，发展学生的发散思维能力。)
【过渡】是否存在一种可循环使用的电池？
教学环节三：二次电池
【讲解】二次电池又称充电电池，它在放电时所进行的氧化还原反应，在充电时又逆向进行，使生成物恢复原状，如此充放电可循环进行，至一定周期后终止。
【师生交流】(1)铅蓄电池。
负极(Pb)：
正极(PbO2)：
【学生交流回答】特点：多次使用，放完电后可再充电使用。
【拓展】(2)镍-镉碱性蓄电池。
(3)新一代可充电的绿色电池
锂离子电池。
特点：电压高、质量轻、寿命长等
用途：作电脑、手表、心脏起搏器的电源等。
【思考与交流】如何科学合理地使用充电电池？
教学环节四：原电池的发展前景
【实物展示】1.干电池
常见的化学电池是锌锰电池
负极(锌)：
(氧化反应)
正极(石墨)：(还原反应)
【师生交流】
最早使用的化学电池是锌锰电池，即大家所熟悉的干电池，其构造如图所示。它是一种一次性电池，放电之后不能充电(内部的氧化还原反应是不可逆的)。电池在使用过程中，锌会逐渐溶解。锌外壳逐渐变薄，最后内部糊状的电解质会泄漏出来，使电器腐蚀。后来人们采用在外壳套上防腐金属简或塑料筒的方法改造成了防漏电池。
原电池的缺陷：即使断开外电路时，负极也在反应，使得原电池无法长时间储放。锌锰干电池即使不用，放置过久，也可能会漏液失效(作为电解质的NH4CI的水溶液显酸性)。使用和保存时应注意什么？
为了延长电池寿命和提高其性能，人们将电池内的电解质NH4CI换成湿的KOH，并在构造上作了改进，制成了碱性锌锰电池。现在各类碱性电池已经占有了越来越大的市场份额，广泛用于卡式录音机、闪光灯、电动玩具、袖珍电视机等。
【总结】
关键问题：在断开外电路时，让负极化学反应停止或者缓慢反应。
解决方法：
①改换电解质——干电池、碱性电池。
②改换电极材料燃料电池。
【举例】碱性电池就是将电池内的电解质NH4CI换成湿的KOH，并在构造上作了改进，制成了碱性锌锰电池。
(设计意图：让学生通过阅读教材了解各种化学电源，通过介绍新型电池，如锂离子电池、燃料电池等，体现化学电池的改进与创新，初步形成科学技术的发展观。)
【质疑】燃烧反应为氧化还原反应，可否设计成原电池？
【教师讲解】燃料燃烧是一种剧烈的氧化还原反应，通过燃料燃烧所释放的热能再转化为电能(如火力发电)，其能量转化率不高。能否利用原电池的工作原理将燃料和氧化剂(如O2)反应所放出的化学能直接转化为电能，以提高燃料的利用率呢？燃料电池正是在这一思想下研制出来的。
燃料电池是一种高效、环境友好的发电装置。燃料电池的能量转化率理论上可高达85%~90%
(现在实际已达到40%~60%)。以H2为燃料时，产物为H2O；以CH4为燃料时，产物为H2O和CO2，CO2的排放量比常规发电厂可减少40%以上。燃料电池与干电池或蓄电池的主要差别在于反应物不是储存在电池内部，而是由外设装备提供燃料和氧化剂等。这时电池起着类似于试电解质管、烧杯等反应器的作用。
【交流提升】2.燃料电池：是一种高效、环境友好的发电装置。
(1)氢氧燃料电池
①用酸性电解质时：
【师生交流】
负极：
正极：
总反应：
②用NaOH等碱性电解质时：
【师生交流】
负极：
正极：
总反应：
(2)CH4燃料电池(电解质为KOH)：
【师生交流】
负极：
正极：
总反应：
(3)CH3OH燃料电池(电解质为KOH)：
【师生交流】
负极：
正极：
总反应：
【问题】废旧电池为何要回收利用？
【讲解】废旧电池中含有汞、锅、铬、铅等大量毒性很强的重金属，随处丢弃会对土壤、水源等环境造成严重的污染，并通过人类的食物链对人体健康造成威胁和危害。另方面，废旧电池中的有色金属
是宝贵的自然资源，如果能回收再利用这些废旧电池，不仅可以减少对我们生存环境的破坏，而且也是对资源的节约。
(设计意图：通过递进式问题的设置，引导学生利用原电池原理分析不同发展阶段的电池，提高学生分析问题、解决问题的能力，同时培养其勇于质疑、敢于创新的精神和保护环境的意识。)
【学生活动】阅读《发展中的燃料电池》和《电池研发人员》。
三、课堂练习
1.铜片与锌片用导线连接后插入硫酸中，锌片(　　)
A.发生氧化反应
B.发生还原反应
C.为正极
D.为负极
2.某金属能与稀盐酸作用放出氢气，该金属与锌组成原电池时，锌为负极，该金属为(　　)
A.Mg
B.Fe
C.Al
D.Cu
3.将铝片和铜片用导线相连，一组插入浓硝酸，另一组插入氢氧化钠溶液中，分别形成原电池。则在这两个原电池中，正极分别为(　　)
A.铝片、铜片
B.铜片、铝片
C.铝片、铝片
D.铜片、铜片
4.如图所示的装置，M为活动性顺序位于氢之前的金属，N为石墨棒，关于此装置的下列叙述中不正确的是(　　)
A.N上有气体放出
B.M为负极，N为正极
C.稀硫酸中S移向M极
D.导线中有电流通过，电流方向是由M到N
5.把a、b、c、d四块金属浸入稀硫酸中，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为(　　)
A.a>b>c>d
B.a>c>d>b
C.c>a>b>d
D.b>d>c>a
6.在用Zn片、Cu片和稀硫酸组成的原电池装置中，经过一段时间工作后，下列说法中正确的是(　　)
A.锌片是正极，铜片上有气泡产生
B.电流方向是从锌片流向铜片
C.溶液中硫酸的物质的量浓度减小
D.电解质溶液的pH保持不变
7.美国阿波罗宇宙飞船上使用的氢氧燃料电池是一种新型的化学电源，其构造如图所示：a、b两个电极均由多孔石墨制成，通入的气体由孔隙中逸出，并在电极表面放电。
a是　　　极，b是　　　极，电极反应方程式分别是　　　　　　　　、　　　　　　　　。?
8.1991年我国首创以铝-空气-电池作为能源的新型海水标志灯，以海水为电解质，靠空气中的氧气使铝不断氧化而产生电流，只要把灯放入海水中数分钟，就会发出耀眼的白光，其总反应方程式为4Al+3O2+6H2O4Al(OH)3，则该电源的负极材料为　　　　，正极材料为　　　　　，负极反应：　
，正极反应：　　　　　　　　　　　。?
答案与解析
1.AD　2.B　3.A　4.D
5.解析：根据原电池原理：作为负极的金属活动性比正极的金属活动性强，电子流动方向是由负极流向正极，电流方向与电子流动方向相反，因此依次作出判断：活泼性a>b；c>d；a>c；d>b。
答案：B
6.解析：活泼金属锌为负极，电流方向由正极到负极，与电子流动方向相反，随着H+消耗，pH逐渐增大。
答案：C
7.答案：(1)负　正　2H2+4OH--4e-4H2O　O2+2H2O+4e-4OH-
8.解析：Al、O2(空气)之间的氧化还原反应为：4Al+3O22Al2O3。将该反应与原电池原理、铝的导电性等知识进行综合分析可知，铝是负极，又是反应材料，O2是正极反应物，正极材料应该选择还原性比铝弱的导电性强的材料，如石墨等。
铝、O2发生的反应分别为：Al-3e-Al3+，O2+2H2O+4e-4OH-。
答案：Al　石墨(或其他合理答案)　Al-3e-Al3+　O2+2H2O+4e-4OH-
四、课堂小结
【提问】各种形式的电池具有什么样的共性？
【讨论与展示】任何形式的电池都遵循原电池原理：其内部总是有一个自发进行的氧化还原反应，只不过是分成了两个半反应：氧化反应和还原反应，分别对应负极反应和正极反应。这样，氧化反应和还原反应是同时，但是并不是同地发生的，两电极(负极和正极)用导线相连，形成电流(要和内电路形成闭合回路)。
板书设计
第二章
化学反应与能量
第1节
化学反应与能量变化
第4课时
发展中的化学电源
一、化学能与电能的相互转化
二、原电池原理的深化认识
三、二次电池
四、原电池的发展前景
教学反思
本节课是一节学生为主题的探究式新课，通过创设情境，引导学生进入探索之中，通过不同类型的原电池的原理学习，使学生的认知结构不断发展，从而可以提炼出原电池的共性，提高了学生的分析问题和解决问题的能力。从整节课的教学过程来看，它重在探究、重在实践。同时，通过实践——认识——再实践的亲身体验的学习过程，加深了对知识的理解。更重要的是，也给学生充分展示自己的机会，使课堂围绕学生展开教学活动，真正体现学生的主体地位，大大激发其学习积极性。
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精品试卷·第
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