第二单元 化学反应中的能量教案和学案内容

化学能转化为电能

安吉县昌硕高级中学 宋磊

一、教材和教学内容

本节内容选自普通高中化学课程标准必修课程2 “专题2化学反应与能量转化”中的“第三单元第一课时化学能转化为电能”。内容标准是，通过对铜—锌原电池的实验探究，认识化学能转化为电能的装置，初步认识原电池反应的原理，并能正确书写电极反应式。

在前一节内容中，学生学习了化学反应中能量转化的问题，分析了化学能与热能的相互转化，而本节内容将学习化学能转化为电能及原电池装置反应原理的应用，学生将对化学在开发和新能源中的作用与贡献有初步认识；化学能与电能的相互转化，侧重讨论化学能向电能的转化，以及化学能直接转化为电能的装置——原电池装置，主要考虑其应用的广泛性和学习的阶段性，并不要求上升为规律性的知识。在选修模块“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。苏教版高中化学必修2专题二第三单元《化学能与电能的转化》部分既是对初中化学相关内容的提升与拓展，又为选修“化学反应原理”奠定必要的基础。

由于本课时内容的宏观现象和微观原理之间的关系十分清晰，较好地揭示了化学反应的基本原理和具体应用，又较好地结合了学生的认知特点和化学学科发展的线索，揭示了化学与社会发展的相互联系，因此本课时的教学是可以培养学生形成化学学科一些基本原理和观点，并能据此解决一些简单的化学问题的能力，建立解决化学问题的思维框架。

二、教学目标

（1）能通过实验探究认识原电池的工作原理和原电池的构成条件，初步形成原电池的概念。通过设计科学探究实验方案和实验装置，初步了解实验研究的方法和实验方案设计，能对观察记录的实验信息进行加工并获得结论。

（2）通过对科学探究过程中实验现象的观察、讨论、归纳、呈现，培养实验观察能力、实验现象的描述能力和使用化学用语的技能，通过对实验现象的整理、分析、推理、归纳，从中培养实验分析能力和实验探究能力。

（3）通过对化学能转化为电能的学习，体验到科学探究的过程，理解科学探究的意义，认识科学探究的基本过程与方法，初步养成科学探究的能力。通过对探究化学能转化为电能的奥妙，发展学习化学的兴趣与热情，体验科学探究的艰辛与喜悦，感受化学世界的奇妙与和谐。

（4）培养可持续发展意识和绿色化学观念，深刻理解化学、技术、社会和环境之间的相互关系，赞赏化学对社会发展的重大贡献，能运用已有知识和方法综合分析有关化学问题，积极参与有关化学问题的决策。

三、学生分析与教学重难点及课时安排

学生分析：学生已经学习了化学反应中能量的变化，钠、镁、铁等有关金属知识，以及电解质溶液、氧化还原反应相关概念。能用对立统一、联系发展和动态平衡的观点考察、分析化学反应，预测在一定条件某种物质可能发生的化学变化。培养学生能认识化学现象与模型之间的联系，能运用多种模型来描述和解释化学现象，预测物质及其变化的可能结果；能依据物质及其变化的信息建构模型，建立解决复杂化学问题的思维框架。

教学重点：初步认识原电池的概念、原理、组成及应用。

教学难点：通过对原电池实验的研究，引导学生从电子转移角度理解化学能向电能转化的本质。

课时安排：本案例内容拟安排2课时，第一课时安排【学习任务1】和[【学习任务2】，主要学习内容为原电池的工作原理、原电池的构成条件；第二课时安排【学习任务3】和【学习任务4】，主要学习简单原电池反应、电极反应式的书写和原电池的应用和拓展。

四、教学设计构想

本教学设计主要考虑了以下几个方面的设计思想。

（1）突出宏观，微观，符号三重表征：原电池装置是以氧化还原反应电子转移为基础，体现化学宏观辨识与微观探析非常好的素材，因此要突出从实验现象的宏观辨析，建立对原电池装置中氧化还原反应电子转移的微观过程的探析，再建立如何用电极反应式来表征微观过程。

（2）通过原电池装置发生条件的探究认识到氧化还原反应中电子转移、形成电流的的条件是什么，从而逐步形成原电池反应的条件观，揭示化学变化发生的本质特征。

（3）凸显现象推理与模型认知的认知方式和思路。在原电池装置、负极发生的反应、正极发生的反应、电子和离子的定向移动等概念的建立构成中，突出让学生如何结合实验现象，设计相关实验来证据推理，并运用已建立的认知模型解决实际问题。形成认识原电池装置的一般认识角度和方法。

（4）突出实验探究。让学生围绕问题情境，合理设计原电池装置，并动手实验、记录实验现象，基于宏观实验实验现象分析并做出微观解释，感受实验探究的过程。

（5）充分调动学生已有的生活经验，以及电学、化学反应中能量变化和氧化还原反应等知识，建立在学生已有背景知识上的教学设计，能更好地体现课程的完整性和教材编排体系的层次性，也符合认知规律。选择实验探究教学方法。通过课堂内的实验探究，使学生认识和体会化学能与电能相互转化的研究过程，理解氧化还原反应中的电子转移是化学电池的反应基础。

教学整体构思如下：

宏观

氧化还原反应 现象：①溶解 ②金属析出或气泡 ③灵敏电流计偏转

微观 反应本质：电子转移 电极反应：金属反应 阳离子反应 产生电流

符号表征：实验现象和反应本质 电极反应式表达

五、情境与任务

1.情境

电能的来源

在常规火力发电中，由于化学能经过了多重转换最终变为了电能，在此过程中能量的损耗是比较高的，如果能够使化学能一步就变为电能，那将会大大提高能量的转化效率，那么如何才能够使化学能不经过其他中间步骤，一步转化为电能呢？如何实现快速、便捷、不受

场所限制提供稳定电流的需求？

充电宝的作用：充电宝也称“移动电源”，“移动电源”这个概念是随着数码产品的普及和快速增长而发展起来的，它的作用就是随时随地给手机或数码产品提供充电功能。

充电宝如何能提供稳定的电流？其实对于这样的问题早在18世纪的时候一位科学家已经在不经意间发现了。

伏打电池——世界上第一个电池

1800年意大利物理学家伏打建立伏打电堆模型。伏打电堆的发明，使人们第一次有可能获得稳定而持续的电流，伏打电池使人类从静电时代走向了动电时代。

伏打电池是实用电池的开端

(A.Volta,1745～1827) 2.任务及任务分解

任务

活动

设计意图

学生通过上述实验方案进行探究，并对实验结果进行探讨交流，得出结论：要将化学能直接转化为电能，必须使氧化反应和还原反应在不同的区域进行，同时架设桥梁，使电子从还原剂区域转移到氧化剂区域，形成电流。

任务1：原电1.

1.如何使氧化还原反应池的构成条中的电子定向转移（移件

动）形成电流，设计科学探究

2.四组演示实验，阶梯式问题，通过现象引导学生发现归纳构成条件

任务2：原电2.

1.演示典型原电池反应池的工作原实验。

2. [动画模拟]原电池的理

微观原理

3.

4.

任务3：简单原电池反应、电极反应式的书写

任务4：原电池的应用和拓展

通过现场演示实验和多媒体动画使学生不能接触到的微观世界形象地展现在学生的面前，提高学生学习的兴趣，从而更快、更有效地使学生掌握抽象的知识，突破难点。

常见原电池装置对比，通过观察原电池装置和书写电极反应式，巩固电极材料、电解质溶液，对原电池构成条件的判断，通过电荷守恒、物表格形式对比书写常见料守恒加深对原电池工作原理的理解。

电极反应式

发展中的化学电源；拓通过课堂内的实验探究，使学生认识和体会化学能与电能相互转化的研究过程，理解氧化还展制作水果电池

原反应中的电子转移是化学电池的反应基础。另一方面，利用课堂外水果电池的制作和上网搜索发展中的化学电源等实践活动为学生提供应用知识的空间和拓展课堂知识的机会，从而培养学生的科学探究能力，逐步形成科学态度和科学精神。

六、教学活动示例及说明

【学习任务1】原电池的构成条件

【活动设计】

[设置阶梯式问题，对学生进行探究思路引导] 问题1：氧化剂和还原剂直接接触进行反应时，化学能转化为热能，再经过一系列能量转换环节才能转化为电能。那么，要使氧化还原反应释放的能量不通过热能而直接转化为电能，所要解决的第一个问题是什么？

问题2：若将氧化反应和还原反应分开在两个不同区域进行，那么，怎样架设桥梁使电子从还原剂区域转移到氧化剂区域，同时形成电流？

问题3：怎样知道所架设的电路中有电子流过？如何从物理电学角度考虑仪器的选择和组装问题？

[学生活动]学生组成课堂学习小组进行讨论，交流，初步了解科学探究步骤，建立科学探究模型，并试着设计实验方案进行探究。

[科学探究]如何将化学能直接转化为电能？

[学生组成课堂学习小组，设计实验探究方案，分组实验，进行实验探究，观察实验现象并记录，小组成员交流探讨] 实验序号

实验1 实验步骤

在小烧杯(50 mL)中加入一定量稀硫酸和一小粒纯锌粒

实验现象

用化学方程式解释实验现象

问题1：反应中，哪种物质失去电子？哪种物质得到电子？

＋思考问题

问题2：Zn是通过什么途径将电子转移给溶液中的H的？

＋＋寻找答案

问题3：怎样想办法使Zn和H分开，不让H直接在Zn表面得电子？

列出你对问题3的想法和建议

实验序号

实验步骤

实验现象

用化学方程式解释实验现象

思考问题

寻找答案

列出你对问题4的想法和建议

实验2 在另一小烧杯(50 mL)中加入一定量稀硫酸和一小粒纯锌粒，再将一根粗铜丝插入小烧杯，观察一段时间，使铜丝与锌粒接触，观察现象。

问题1：反应中，哪种物质失去电子？哪种物质得到电子？

＋问题2：Zn是通过什么途径将电子转移给溶液中的H的？

＋问题3：H得到的电子是失去的吗？Cu在这个过程中起什么作用？

问题4：怎样想办法让这种电子的转移变成电流？

实验3 将锌片和铜片用导线连接，平行插入盛有稀硫酸的烧杯中，观察现象。

问题1：反应中，哪种物质失去电子？哪种物质得到电子？

＋问题2：电子从Zn到溶液中H经历了哪些途径？

问题3：导线在这个过程中起什么作用？

问题4：你怎样才能知道导线中有电子流过？怎样才能知道导线中电子的流动方向？

实验序号

实验步骤

实验现象

用化学方程式解释实验现象

思考问题

寻找答案

组内交流

列出想法

实验4 将锌片和铜片用导线连接，插入盛有稀硫酸的烧杯中，在导实验步骤

线中间接入灵敏电流计，观察现象。

实验现象

用化学方程式解释实验现象

问题1：反应中，哪种物质失去电子？哪种物质得到电子？

思考问题

＋问题2：电子从Zn到溶液中H经历了哪些途径？

寻找答案

问题3：电流计在这个过程中起什么作用？

组内交流列出想法

多媒体动画展示：Zn－Cu原电池中电子的得失及流动情况、内电路中离子的移动情况

【设计意图】学生通过上述实验方案进行探究，并对实验结果进行探讨交流，得出结论：要将化学能直接转化为电能，必须使氧化反应和还原反应在不同的区域进行，同时架设桥梁，使电子从还原剂区域转移到氧化剂区域，形成电流。从微观角度加深学生对原电池工作原理的理解，培养学生认识化学现象与模型之间的联系，运用模型来描述和解释化学现象。

[学生活动]分析在Zn－Cu原电池中，锌片、铜片两个区域得失电子的情况，并试着用式子表示出来。

＋锌片：Zn－2e－===Zn2

＋铜片：2H＋2e－===H2↑

＋＋总反应式：Zn＋2H===Zn2＋H2↑

[教师引导，学生归纳，共同得出结论] 负极：电子流出的一极(如上述原电池中的锌片) 正极：电子流入的一极(如上述原电池中的铜片) 电极反应式：表示正极、负极得失电子情况的式子。

[过渡]上面，我们通过实验探究了原电池的工作原理，初步形成了原电池的概念，那么，原电池是由哪些部分组成的？

原电池构成条件：

1．用两种活动性不同的金属(或一种金属和一种非金属)作电极

2．能自发发生氧化还原反应

3．电极材料均插入电解质溶液中

4．两个电极相连形成闭合回路

[设计意图]在本节课的教学设计中，在进行原电池的工作原理和原电池的构成条件这两项科学探究活动时，如果全部由学生独立进行探究，完全不加以组织和引导的话，以学生现有的认知水平和知识技能水平，是无法运用科学探究的方法设计出较为科学，严密的实验探究方案，也不会得出正确的结论。

在进行这些科学探究活动时，设置阶梯式的问题来对学生进行科学探究思路引导的。学生在对这些问题进行思考、讨论、交流之后，对科学探究的思路也有了明确的认识，就能设计出较为科学严密的实验方案和实验装置来进行探究，并对探究得出正确的结论。培养学生能依据物质及其变化的信息建构模型，建立解决复杂化学问题的思维框架。

实验序号

【学习任务2】原电池工作原理

我们把这样的能够将化学能转化为电能的装置称为原电池。今天我们就来共同探究它的原理。

[分析] 灵敏电流计指针偏转→有电流产生→产生电能→化学能转化为电能的装置→原电池。

1．概念：将化学能转化为电能的装置叫原电池。

[学与问] 根据你所了解的电学知识，你知道电子是怎样流动的吗？

2．原电池的工作原理

[动画模拟]原电池的微观原理

[学生自主讨论、归纳总结]通过动画演示，让学生自己分析，说出自己的想法：当把用导线连接的锌片和铜片一同浸入稀硫酸中时，由于锌比铜活泼，容易失去电子，锌被氧化成Zn2＋而进入溶液，电子由锌片通过导线流向铜片，溶液中的H＋从铜片获得电子被还原成氢原子，氢原子再结合成氢分子从铜片上逸出。

【设计意图】通过多媒体动画使学生不能接触到的微观世界形象地展现在学生的面前，提高学生学习的兴趣，从而更快、更有效地使学生掌握抽象的知识，突破难点。培养学生独立思考、敢于表达的能力。

[设疑] 在我们刚才的原电池装置中，锌是负极，铜是正极，那么在用其他材料构成的原电池中，如何判断正负极呢？

[探究] 负极：Zn－2e===Zn

＋－正极：2H＋2e===H2↑

[归纳总结]在原电池中，可从以下几个方面判定电极名称

a．从电子流出的方向判断：

电子流出

负极；电子流入

正极

b．从电极材料的相对活泼性来判断：

相对较活泼的金属

负极；相对较不活泼的金属或非金属

正极

c．从氧化还原反应的角度来判断：

失电子，发生氧化反应

负极；得电子，发生还原反应

正极

3．原电池的电极名称

负极：电子流出(电流流入)的一极(较活泼金属)，发生氧化反应。

正极：电子流入(电流流出)的一极(较不活泼金属或非金属)，发生还原反应。

4．电极反应式与电池总反应式

[指导书写] －＋负极(锌片)

Zn－2e===Zn2(氧化反应) ＋－正极(铜片)

2H＋2e===H2↑(还原反应) ＋＋电池总反应式：Zn＋2H===Zn2＋H2↑

[原理归纳] －2＋

【设计意图】通过形成原电池条件的先行知识，结合氧化还原反应相关概念，利用课堂演示

实验和原电池原理微观演示，重点从现象着手，电子转移、移动为出发点引出电极反应式。

【学习任务3】简单原电池反应、电极反应式的书写

【活动设计】

[填写实验表格] 原电池构成部分对比一

实验现象

解释(有关电极反应式) Zn

稀硫酸

石墨

Cu

稀硫酸

石墨

灵敏电流计

原电池构成部分对比二

实验现象

解释(有关电极反应式) Zn

稀硫酸

Fe

Zn

乙醇

Fe

灵敏电流计

原电池构成部分对比三

实验现象

解释(有关电极反应式) Zn

稀硫酸

Zn

Zn

稀硫酸

Fe

灵敏电流计

原电池构成部分对比四

实验现象

解释(有关电极反应式) Zn

插在一个西红柿中

Cu

Zn

插在两个西红柿中

Cu

灵敏电流计

【设计意图】强化巩固原电池形成条件，原电池中对负极、正极的判断，通过对比书写现象和电极反应式，加强学生用电极反应式表达电极反应现象的能力。

【学习任务4】原电池的应用和拓展

[实验探究] 我们所设计、制造的原电池能否给我们生活带来实际意义呢？通过实验去分析它是否有

实用价值，接上用电器试一试。(小灯泡或音乐贺卡) [分组实验探究] 1．用一个原电池能否使小灯泡或音乐贺卡工作呢？

2．多用几个原电池根据电学原理把它们串联起来试试看。

[归纳总结] 把多个原电池串联起来就可以使小灯泡或音乐贺卡工作，具有一定的实用价值，但在实验过程中发现原电池还是存在着许多不足的地方，比如电压不稳定，电流强度小，使用时间短等问题。

[课外实验活动] 请根据本节课所学的知识，选择适当的日常生活材料，制作水果电池、音乐电池、简易电池。

可参考选用的材料：番茄、苹果、土豆、柠檬、萝卜、食盐、醋、酒精、小苏打、蔗糖、铅笔芯、铁丝、铁钉、铜丝、导线、去掉纽扣电池的音乐贺卡、发光二极管、剪刀、易拉罐等等。

【设计意图】通过课堂内的实验探究，使学生认识和体会化学能与电能相互转化的研究过程，理解氧化还原反应中的电子转移是化学电池的反应基础。利用课外科学探究实验活动和化学制作活动，各种水果、蔬菜电池的制作等，为学生提供应用知识的空间和拓展知识的机会。利用课堂内学习探究与课堂外调查相互结合的方式，让学生在对原电池的技术产品——各种化学电源的原理、应用有一个较为理性的认识之后，感悟研制新型电池的重要性以及化学电源可能会引起的环境问题，初步形成较为客观、正确的能源观。

七、评价设计

1．水平标准

（1）能通过实验探究认识原电池的工作原理和原电池的构成条件，初步形成原电池的概念。通过设计科学探究实验方案和实验装置。

（2）通过对科学探究过程中实验现象的观察、讨论、归纳、呈现，培养实验观察能力、实验现象的描述能力和使用化学用语的技能，通过对实验现象的整理、分析、推理、归纳，从中培养实验分析能力和实验探究能力

（3）能根据教材问题设计简单的实验方案，完成实验操作，观察物质及其变化的现象，客观进行记录，对实验现象作出解释，发现和提出需要进一步研究的问题。

2、评价策略

在对学生学业状况的评价设计，既要关注知识的落实，更要关注学生在素养方面的发展，

如对于原电池装置的判断，是通过阶梯式问题，对学生进行探究思路引导，不断引导学生深入思考，同时检测学生的学习进程，评价学生建立原电池装置的思考程序和原理的理解，即首先找到原电池反应，电子的转移，负极、正极判断，再思考负极上如何反应？正极上如何反应？电解质溶液中离子的行为，以此进一步强化电极反应式对学生认识发展的作用，以及核心知识在培养学生核心素养方面的突出作用。

练习与测评典型样例

[例1] 某原电池反应的离子方程式为：Fe＋2H===Fe＋H2↑，则下列说法可能正确的是(

) A．HNO3为电解质溶液

B．锌为原电池正极

C．铁极质量不变

D．铜为原电池正极

－－[例2] 已知空气—锌电池的电极反应为：锌粒：Zn＋2OH－2e===ZnO＋H2O －－石墨：O2＋H2＋2e===2OH

根据判断，锌片是(

) A．正极，并被还原

B．正极，并被氧化

C．负极，并被还原

D．负极，并被氧化

[例3] 在如图所示装置中，观察到电流计指针偏转；M棒变粗，N棒变细，由此判断下表中所列M、N、P物质，其中可以成立的是(

)

A B C D M 锌

铜

银

锌

N 铜

铁

锌

铁

P 稀硫酸溶液

稀盐酸

硝酸银溶液

硝酸铁溶液

＋2＋

[例4] (2015·浙江10月选考，16)如图所示进行实验，下列说法不正确的是(

)

A．装置甲的锌片上和装置乙的铜片上均可观察到有气泡产生

B．甲、乙装置中的能量变化均为化学能转化为电能

C．装置乙中的锌、铜之间用导线连接电流计，可观察到电流计指针发生偏转

D．装置乙中负极的电极反应式：Zn－2e－===Zn2＋

[例5] (2016·浙江4月选考，17)Mg－H2O2电池是一种化学电源，以Mg和石墨为电极，海水为电解质溶液，示意图如下。下列说法不正确的是(

)

A．石墨电极是该电池的正极

B．石墨电极上发生还原反应

C．Mg电极的电极反应式：Mg－2e－===Mg2＋

D．电池工作时，电子从Mg电极经导线流向石墨电极，再出石墨电极经电解质溶液流向Mg电极

八、特色和亮点

本案例设计围绕原电池的概念、原理和组成组织学生开展发现性学习活动，在“实现化学能直接向电能转化”的一系列探究实验中让学生形成解决问题的经验及化学知识技能。教师作为引导者和参谋，在整个活动中帮助学生尽可能排除失败和无效学习。充分调动学生已有的生活经验，以及电学、化学反应中能量变化和氧化还原反应等知识，建立在学生已有背景知识上的教学设计，能更好地体现课程的完整性和教材编排体系的层次性，也符合认知规律。

为了凸显重点，突破难点，采用指导发现、探究教学模式，其过程可表示为：

提供材料、提出任务―→组织学习活动、引导发现、探究―→内化、概念和抽象

利用学生对学习的兴趣，通过图片、音乐、录像、动画模拟等多媒体形式进一步寓教于乐，在课堂上创设情境，提出探究性课题，通过分组实验，让学生自主学习，自主研究，讨论、分析、归纳、总结，得出科学的结论，使全体学生积极参与教学过程，使学生养成乐于探究实验，勤于思考的好习惯，逐步形成科学态度和科学精神，能运用已有知识和方法综合分析化学过程对自然可能带来的各种影响，权衡利弊，勇于承担责任，积极参与有关化学问题的社会决策。