第一单元　化学是认识和创造物质的科学优秀获奖教案

浅谈“化学电源”发展史

江苏省仪征中学

蒋闯闯

[摘要]文章是基于发展学生核心素养理念下“化学电源”的构建思路，以化学电源发展史为主线进一步分析各类电源的工作原理、设计理念、优缺点。

[关键词]化学电源；工作原理

随着现代社会的发展，人们对于耗电量高的便携式电器的需求量越来越高，科研人员对于电源的研究也处于不断探索中。如何让学生真正走进化学电源，浅层次的认知肯定不足以引起质变。钻木取火使人类彻底告别了“茹毛饮血”的生活，火的发现又进一步推动了人类文明的发展。火作为能源的象征对于一个国家至关重要。随着时代的发展，人们根据原电池的反应原理，发明并制造了多种多样的化学电源，化学电源的能量转化率是燃料燃烧所不可比拟的，且以化石燃料为主的能源结构模式也逐渐被淘汰，多元化的能源结构才是未来社会的首选，化学电源作为一个重要分支则更加值得去探究。

基于高中化学核心素养“宏观辨识与微观探析”、“证据推理与模型认知”、“科学探究与创新意识”、“变化观念与平衡思想”、“科学精神与社会责任”的五个层面，我对本节课进行了如下的设计：从化学电源发展史的角度来详析剖析每一种电源产生的必要性、设计理念的前沿性，让学生在潜移默化中感受到电源的魅力，找到他们对于电源认知的落脚点，并最终形成自己的价值体系。

时间点一:公元1800年、伏打

图1.伏打 图2.伏打电池

公元1800年，伏打（图1）将含食盐水的湿抹布，夹在银和锌中间，重复堆积成这样一个圆柱形的装置，制造出了世界上第一个电池，伏打发现用任何两种金属代替锌和银比如铜和锌都可以产生电流，像这样的装置在当时通称为伏打电池（图2）。

思考 1.利用原电池相关知识解释伏打电堆工作原理

2.相比将锌片直接投入到到稀硫酸中，两者反应的差异在哪里

3.做铜锌稀硫酸原电池实验时，锌片上出现了少量的气泡（图3），如何解释？换用铁片时，依然有气泡？

【设计意图】通过问题，引发学生对于上节课原电池工作原理的回忆；对比锌片与硫酸的直接反应，让学生认识到原电池中涉及的氧化还原反应实则是为两个半反应，分在两处进行，

从而实现电子的转移，产生电流；利用实验中的意外现象分析产生的原因，以及由此带来的电流电压不稳问题如何解决。

图3 图4 时间点二:公元1836年、丹尼尔

1836年由英国丹尼尔首先想到了解决方案，并设计出了双液原电池的装置（图四），这样的装置能够产生稳定的电流电压。

思考：1.对比单液原电池和双液原电池，表述出两者装置上的差异

2.利用flash（图5）展示工作原理，学生动手写出电极反应

3.结合工作原理及盐桥成分的分析，思考盐桥的作用

4.该装置的优缺点分析

图5----双液原电池工作原理

【设计意图】让学生来表述装置的差异可以加深学生对于装置的认识；通过动态flash的展示，化抽象为具体，便于原理的探究；在电极反应书写的基础上让学生发现问题所在，再引入盐桥，学生则可以解决盐桥的问题，并因此获得成就感；让学生从自身生活经验考虑这样的一种装置实用性价值如何，并进一步认识到理论上和实际的不同，理论上可行的，在实际生产中还需综合原料、成本、是否便携、工艺等多角度考虑。

时间点三:公元1860年、富克兰士

1860年，法国的富克兰士发明了世界上广受使用的锌锰湿电池，即碳锌电池；1887年，英国人赫勒森发明了最早的干电池。干电池的电解液为糊状，不会逸漏，便于携带，得到了广泛的应用。展示学生带来的两节电池----普通锌锰干电池、碱性锌锰干电池。

图6---普通锌锰电池、碱性锌锰 图7-锌锰电池工作原理

思考：1.对比这两种电池分析差异，以及差异的存在对电池使用的影响；

2.结合电池工作原理解释电池用久了外表会变软这一现象及由此带来的危害；

3.分析该电池的优缺点。

【设计意图】通过动态flash的展示、灯泡的发光现象，化抽象为具体，增强趣味性及学科美感；让学生初步意识到电解质对于电源设计的影响；利用所学知识解决现实生活中的问题，将化学还原与生活，才是学科的最高境界；随着社会多元化的发展，对电池的要求也来源于多方面，比如是否方便携带，尤其对于一些本来就比较袖珍的电器，引入纽扣电池。

时间点四:1859年、普兰特

展示生活中最常见的铅蓄电池的解剖图。

思考1.电瓶车行驶过程中铅蓄电池工作原理描述；

2.

结合放电原理及实验现象分析电瓶车充电过程中铅蓄电池电极反应的书写；

3.

铅蓄电池优缺点分析

【设计意图】通过动态flash的播放，让学生更直观的理解电源放电原理，结合电极最终被白色硫酸铅覆盖这一事实，让学生意识到电使用完是怎样一种状态，以及再次充电后，电极上可能发生的反应，建立学生通过证据推理的思维习惯；对于充电时电极反应的书写，虽然在高一阶段不作要求，但我们可以当为拓展让学生形成一种意识，也为后期的选修化学打下

坚实的基础；通过分析铅蓄电池的优缺点，让学生认识到时代始终是发展着的，我们对于新鲜事物、未知事物的学习一刻不能停。

时间点五:1948年、葛洛夫

对于科学的追求是无止境的，二次电源虽然可以反复充电，但对环境不够友且他们设计的理念都是将电极材料，电解液，涉及物质至于一个密闭体系中，这意味着容量有限，那么有没有一种化学电源能连续不间断的供电？1948年英国科学家葛洛夫创造了第一个燃料电池---氢氧燃料电池。除此之外，还有甲醇空气燃料电池，乙醇空气燃料电池，但氢氧燃料电池目前技术更为成熟。展示氢氧燃料电池结构图及工作原理。

思考1.从氢氧燃料电池的结构来看，氢气与

氧气并没有直接接触，整个过程中也并未见

到火花，电能是如何形成的？

2.

实验室能否制作氢氧燃料电池电池？

（根据学生提出的方案进行引导；对于多孔碳

棒、氢氧燃料电池工作原理详细剖析；进一步分析

酸性介质、碱性介质对电极反应的影响）

3.

从氢氧燃料电池电极材料的的选择上看

与我们前面所讲原电池的构成条件是否有冲突？

4.氢氧燃料电池的燃料转化率高达百分之八十，进入20世纪后，燃料电池由于其特有的零污染优势而得以迅速发展。燃料电池的正、负极本身不包含活性物质，只是个催化转换元件，因此是名副其实地把化学能转变成电能的能量转换器。通过不断输入氢气氧气，使得电池能长时间工作。但为什么没有被普及呢？

【设计意图】在这个整个环节中，对于氢氧燃料电池的设计是最关键的，通过化抽象为具体，让学生自己设计实验方案，并在课堂演示整个过程，不仅可以将整节课推向高潮，还能让学生真正理解燃料电池的工作原理、介质对于电极反应的影响。对于氢氧燃料电池优点分析的同时再逆转这样的电源为什么未能普及，让学生深刻体会到科学探究到实际生产的距离，还要走很长的路、还需改进的太多、还需研发的也太多。

时间点六:着眼现在、展望未来

2015年，英国的顶尖学术期刊《自然》上发表了这样一篇文章，美国斯坦福大学教授戴宏杰及其团队研发出了快充铝电池，2017年浙江大学研发出了新型铝-石墨烯超级电池，未来在电池领域还会不会有更多的奇迹发生，我们翘首以盼。随着科学技术的发展，各种新型电池层出不穷，化学电源必将为人类社会的发展做出越来越多的贡献，推动着社会的进步。从伏打电池，丹尼尔电池到干电池的商业化和铅蓄电池的化学存电，发展到低污染的燃料电池，到正在展望中的锂离子电池，钠离子电池，铝离子电池，化学能与电能的相关研究经历了300多年。在科学的道路上，是艰辛不平坦的，也正是由于人们的不懈追求，才使得人类的物质文明如此灿烂。

【设计意图】我们的教学能够学生留下什么，知识，久了便会遗忘；态度，却可能影响学生一生。科学家们对于学术探究的持续性、严谨性值得每一位学生去学习。通过回顾化学史让学生们走近化学、走近科学家、走近那一段关于电源发展的历史，才能让学生从心底产生共鸣。一旦兴趣被激发，所有的知识点、重点、难点都将成为自然而然的附属品。

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