第三单元 化学能与电能的转化

第1课时    化学能转化为电能                 

【三维目标】

知识与技能目标：1. 通过对铜-锌原电池的实验探究，认识到化学能可以转化为电能。

2. 形成原电池的概念，理解原电池的化学原理，了解组成条件。

过程与方法：1. 通过探究活动，学习和体验科学探究的基本步骤和基本方法。

2. 学习比较、分析、归纳、综合和演绎的逻辑思维方法，培养发现问题、分析问题和解决问题的能力。

情感态度与价值观：1. 形成现代社会公民所应有的环境意识、资源意识。

2. 从化学视角认识电池的利用，感受、体验化学与生活的密切关系。 

3. 体验科学探究的艰辛与愉悦，增强为人类的文明进步学习化学的责任感和使命感。

【教学重点】化学能转化为电能的原理。

【教学难点】原电池的形成条件及电极反应。

【教学方法】: 讨论式、实验探究式

【教学过程】:

 [导入] 格林太太是位美丽、乐观、开朗的妇女，当她开怀大笑时，人们会发现她一口整齐漂亮的牙齿中有两颗假牙，其中一颗是黄金的—这是她富有的标志，另一颗是不锈钢的——这是一次车祸留下的痕迹。但那次车祸以后，格林太太就老是头疼。四处求医就是治不好。后来，一位化学家为格林太太揭开了病因。请问化学家发现了什么？

[师]要解决这个问题，我要掌握本节课的知识。那我们先做几个实验吧。

完成以下实验,并将观察到的实验现象记录在课本P40表2-5中：

1、把一块锌片和一块铜片分别插入盛有稀硫酸的塑料杯内，观察并记录现象。

2、把一块锌片和一块铜片同时插入盛有稀硫酸的塑料杯内，观察并记录现象。

3、用导线将实验２中的铜片和锌片连接起来，观察铜片上有何现象？

[讲述] 在实验台上，有下列物品：锌片、铜片和稀硫酸，一个带盖的塑料盒和几个烧杯。此外，还有导线和电流表。下面请同学们依次完成下面的实验。首先，请大家按照幻灯片上的要求，将Zn片和Cu片各自插入稀H₂SO₄中，观察反应现象。大家可以将稀硫酸倒入到塑料盒中，大概装一半就够了。

[学生实验] 学生动手操作，老师引导观察。

[讲述] 请做完实验的同学来描述一下自己观察到的现象，并做解释。

[思考]

１、实验１中锌片表面为什么有气泡产生？

２、实验２中铜片表面为什么无气泡产生？

３、实验３中铜片表面产生了什么气体？

 [学生回答] 实验1中，锌片插入稀H₂SO₄后，锌片表面有气泡产生，生成无色无味的气体。这是因为锌是活泼的金属，在金属活动顺序表排在氢的前面，它能与稀H₂SO₄反应，置换出氢气。铜片插入稀H₂SO₄后，无明显反应现象，这是因为铜是不活泼的金属，在金属活动顺序表排在氢的后面，它不能与稀H₂SO₄反应，置换出氢气。

实验2中，锌片和铜片同时插入稀H₂SO₄后，锌片表面有气泡产生，而铜片表面仍然无明显反应现象。这也是和金属活动顺序表表述是一致的。

实验3中，用导线连接两块金属片后，锌片表面仍有气泡产生，但同时铜片表面也有气泡冒出。这点和我们所学的似乎有差别，不知道怎么解释。

[讲述] 他回答得非常正确，锌是活泼金属，能与稀H₂SO₄反应置换出氢气。该反应的离子方程式表示如下。

[板书] Zn + 2H⁺ = Zn²⁺ + H₂↑(氧化还原反应)

[讲述] 锌片溶解形成锌离子，而溶液中的氢离子得到电子形成氢分子。反应中，锌失去电子，化合价升高；氢离子得到电子，化合价降低。反应中存在化合价的升降，因此这是一个氧化还原反应。而铜在金属活动顺序表排在氢的后面，在常温常压下，不能和稀酸反应置换出氢气。

[思考] ４、氢气如何产生？电子从何而来？

 [讨论] 两种金属同时放入稀H₂SO₄后，并没有改变原先的结论。但用导线连接后，我们可以看到在铜片的表面也有大量的气泡产生了，而锌片表面的气泡则减少了，这是为什么呢？难道是连接起来后，铜片可以与稀H₂SO₄反应了，而锌片则不再溶解了吗？这不是违反了金属活动顺序表吗？如果我们仔细观察一段时间，就会看到锌片表面气泡虽然减少，但是，锌片体积变小了，说明锌片仍然继续溶解。我们可以写出锌片上的反应式：Zn失去电子生成Zn²⁺溶于溶液中，Zn是活泼金属，本身失去电子，发生氧化反应。而铜片体积没有变小且溶液的颜色并没有变蓝，这表示没有铜离子形成，铜片没有溶解，说明铜片本身并没有参加反应。但铜表面产生的气体，则是溶液中H⁺从铜表面得到电子后，所生成的H₂，由于这里它得到电子，这属于还原反应。

[思考]５、电子如何从锌片跑到铜片上的？

[生]锌所失去的电子经由导线达到铜片。

[思考]６、如何证明电路中有电子通过？

[学生]导线间接入一个电流计来验证。

[引导]请大家注意连接电流计的时候，大家用黑色的导线将锌片和电流计的黑色接线柱连接，将铜片与电流计中的红色的接线柱连接，最好用量程是0.6mA的，因为量程小，其灵敏度更高。

[师]电流表发生了偏转，说明有电流通过。从能量变化的角度分析，这个装置中的能量是如何转化的？

[生] 化学能转化为电能

[板书] 化学能转化为电能

[板书] 一、原电池：将化学能转化为电能的装置。

[设问] 那么，原电池装置是如何把化学能转化为电能的呢？我们一起来分析它的工作原理。

[板书] 二、工作原理

[讲解] 锌片和铜片用导线连接后插入稀硫酸。锌是较活泼的金属，先失去电子，得到Zn²⁺，发生氧化反应，而这些电子通过外接导线流向较不活泼的金属铜，铜是中性原子，不需要得到电子，而溶液中的H⁺在铜片表面得到锌所失去的电子，成为氢气逸出，发生还原反应。我们把发生氧化反应的一极称为负极，把发生还原反应的称为正极。电流的流向是由正极流向负极。上述反应均是在电极上进行的，我们称之为电极反应。将两个电极上的电极反应合起来即为电池总反应。

[引导] 这与我们刚才直接将Zn片插到稀H₂SO₄中的反应是一样的。由此，我们发现了原电池的工作原理是将氧化还原反应分别在正、负两极进行，氧化还原反应分别在正、负两极进行，还原剂(负极)失去电子，通过导线流向正极，转移给氧化剂，从而产生电流，从而实现化学能向电能的转化。

工作原理：氧化还原反应分别在正、负两极进行，还原剂(负极)失去电子，通过导线流向正极，转移给氧化剂，从而产生电流。

[讲述] 那么构成原电池需要哪些条件呢？我们一起来探究原电池的构成条件！

[板书] 三、构成条件

[设问] 首先，我们刚才做的实验中，只有锌片插入稀硫酸能否构成原电池？将Zn片和Cu片分开插入稀硫酸能否构成原电池？

[学生] 不行。两个电极必须相互连接。

结论1：必须有两个相连的电极： 连接形式可以直接接触或用导线连接

[讲解] 没错。因此，我们得到的第一个结论就是：必须有两个相互连接的电极。但电极的连接形式可以是通过导线连接，也可以是直接相互接触，因为，直接接触也能使电子从Zn片流向Cu片，从而构成原电池。接下来，我们探究一下电极的材料有什么要求。我按照幻灯片上面的装置组装仪器，然后请大家观察电流计的指针是否发生了偏转。

[演示实验] 老师演示实验

[学生] 可以是活泼性不同的金属，也可以通过金属和非金属构成原电池。

[讲解] 没错。活泼性不同的两种金属，或者一种是金属，一种是非金属，如石墨；用石墨的原因是它虽然是非金属，但也可以导电；因此电极材料必须是导体。而且通过观察电流计的指针偏转方向，我们可以判断，活泼金属为负极，不活泼金属或者非金属作为正极。当然电极材料也可以是其他材料，例如在燃料电池中采用的是多孔材料，如多孔碳，多孔镍等。

结论2：

[讲述] 我们把连接好的锌片和铜片两个电极放到汽油中，观察指针偏转情况。

 [学生] 电极浸渍在汽油中的时候，指针没有偏转。

[讲解] 因为硫酸是电解质，而汽油不是电解质。因此，构成原电池还需要一个条件就是必须有电解质溶液。

结论3：必须有电解质溶液

[讲述] 现在，我们用两个相连的电极分别插在两杯稀硫酸溶液，用导线将电极与电流计连接起来；观察指针偏转情况。如上面装置所示，进行实验。

[演示实验] 老师演示实验

[学生] 指针并未偏转。因为它们没有构成一个闭合回路。

[讲解] 这就跟我们把一个电池的正极、负极分离，结果无法形成一个闭合的回路。因此，没有电流产生。

结论4：电极与电解质溶液应构成闭合回路。

[讲解] 综上所述，原电池的构成条件，我们将上述4个结论，整合成两个必备条件。第一，必须有两个相连的电极。电极材料可以是活泼性不同的金属或者是金属与非金属构成。较活泼的金属为负极，较不活泼的金属或非金属为正极。第二是必须有电解质溶液，且与两个电极接触，形成闭合回路。

[讲述] 现在请大家根据上述的标准来判断下列几个装置能否构成原电池。

[学生] B能构成原电池。Fe为负极，C为正极。A和C不能构成原电池。

 [讲解] 钢铁在潮湿的空气中会很快被腐蚀。原因在于它已经构成了原电池。我们知道，钢铁不是纯净物，它的主要成分是铁，但还有杂质碳，这就形成了两个相连的电极。下雨或者空气潮湿，都会在钢铁表面形成一层薄薄的水膜，也就是电解质溶液。在铁表面，铁失去电子形成亚铁离子；碳表面则是将由铁失去的电子提供给溶液中的氧气和水，形成氢氧根离子。Fe²⁺和OH^－会反应生成Fe(OH)₂，其总反应是铁与水和氧气形成Fe(OH)₂。Fe(OH)₂在空气中被氧化后失水形成了铁锈。因此，电化学腐蚀的原因是不纯的金属跟电解质溶液接触形成原电池，较活泼的金属失去电子被氧化而导致金属的腐蚀。像这样，由于构成原电池而引起的电化学腐蚀，存在吸收氧气的过程，我们称之为吸氧腐蚀。而如我们前面用铁和炭棒在硫酸中发生的电化学腐蚀，有氢气析出，我们称之为析氢腐蚀。通常在中性或碱性条件下，主要发生吸氧腐蚀；在强酸性条件下，主要发生析氢腐蚀。

H₂O   NaCl溶液

[讲述] 我们用实验模拟来证实上述的体系可以构成原电池。比如，我们用铁片和炭棒与电流计连接，直接插入水中，观察指针的偏转。然后，我们添加氯化钠，观察指针偏转情况。

[演示实验] 老师演示实验

[学生] 插入水中后，指针发生偏转。往其中添加氯化钠后，偏转的幅度增大。

[讲解] 如上述所说，这是因为铁和炭棒及水溶液形成原电池，发生电化学腐蚀。而氯化钠添加后，电流增大，因此电解质的添加会加快电化学腐蚀。而上述的“交流与讨论”中在NaCl溶液中进行，其溶液应为中性，发生的电化学腐蚀主要是吸氧腐蚀。生成的氢氧化亚铁在空气中容易被氧气氧化成氢氧化铁。氢氧化铁部分失水形成铁锈。

[讲述] 因此，了解原电池的工作原理不仅可以用来制备各种化学电池，还可以帮助我们解释电化学腐蚀等常见的实际问题。

[小结] 我们一起回顾今天所学的知识体系。原电池装置需要有两个相连的电极，和电解质溶液形成闭合回路。相对活泼的金属作为负极，不活泼金属或非金属作为正极。电子由负极流向正极，从而产生电流，将化学能转化为电能。