基于“模型认知”的原电池高三一轮复习教学研究

江苏 居亚芬 王 菁

一、问题的提出

1.考查要求

《普通高中化学课程标准(2017年版2020年修订)》中对电化学部分内容的考查要求及教学建议如表1所示。

表1 电化学部分的考查要求及教学建议

2.教材分析

各版本教材中电化学知识如表2所示。

表2

3.学情分析

大多数学生感觉对“化学反应与电能”中能量转化的考查较难，很容易将原电池和电解池混淆，并且也理不清电子转移的方向，尤其困难的还属两极的电极反应式的书写。经交流，多数学生对电化学内容还是习惯用记忆的方式来解该类题，不能灵活运用已有知识解决陌生情境中的实际问题。所以教师需要将这部分知识整合有序，帮助学生厘清化学能与电能的相互转化原理，直击考点，对较难部分进行技巧点拨。

二、基于“模型认知”的原电池一轮复习教学实录

1.基于伏打电堆建立原电池模型

【化学史1】1800年意大利科学家伏打发明了世界上第一个发电器，即伏打电堆。伏打把一个金属锌环放在一个铜环上，再用一块浸透盐水的布压上，再放上锌环，铜环，如此重复下去叠成了一个柱状，便产生了明显的电流。

【任务1】学生总结原电池的构成条件。

学生：

①有两个活泼性不同的能导电的电极材料

②导线连接形成闭合电路

③有电解质溶液

【任务2】学生根据伏打电堆图，画出简易的锌铜原电池装置示意图。

伏打电堆

锌铜原电池装置

【任务3】用必要的文字和电极反应式描述原电池的工作原理。

【任务4】总结出基于氧化还原的原电池的基本设计思路

图2

【应用1】简易电池：自制水果电池、锌锰干电池、银锌纽扣电池等

新型电池：空气电池等

图3

( )

A.负载通过0.04 mol电子时，有0.224 L(标准状况)O2参与反应

B.正极区溶液的pH降低、负极区溶液的pH升高

D.电流由复合碳电极经负载、VB2电极、KOH溶液回到复合碳电极

【答案】B

【命题背景】本题以碱性硼化钒(VB2)—空气电池为情境载体，重点考查了电极的判断、电极反应式的书写、电极反应相关计算、电极附近区域溶液的pH变化、电流方向等知识。

【落实核心素养】考查符号理解能力、信息获取与加工能力、分析与推测能力等，落实宏观辨识与微观探析、证据推理与模型认知、变化观念与平衡思想等学科核心素养。

【解析】常见步骤：判断是否为原电池→判断正负极(通过电极材料的活泼性、电极反应式中的化合价变化)→判断电子、电流、离子的移动方向→书写正、负极的电极反应式→根据电极反应式进行计算和产物分析。

【应用2】暖贴、金属防护等。

如表3所示，为钢铁的电化学腐蚀原理及其应用。

表3 根据不同的水膜环境，分析钢铁电化学腐蚀工作原理及应用

【例2】(2020·江苏卷·11)将金属M连接在钢铁设施表面，可减缓水体中钢铁设施的腐蚀。在如图4所示的情境中，下列有关说法正确的是

图4

( )

B.金属M的活动性比Fe的活动性弱

C.钢铁设施表面因积累大量电子而被保护

D.钢铁设施在河水中的腐蚀速率比在海水中的快

【答案】C

【命题背景】本题以生产中钢铁设施的腐蚀和防护为情境，重点考查了电极的判断、电极反应式的书写、电极附近区域溶液的pH变化、电化学腐蚀等知识。

【解析】初步判断该装置运用了牺牲阳极的阴极保护法，属于金属的电化学保护法之一。金属M失电子，电子经导线流入钢铁设备，从而使钢铁设施表面积累大量电子，自身金属不再失电子从而被保护，故C正确；海水中的离子浓度大于河水中的离子浓度，溶液的导电性越强，因此钢铁设施在海水中的腐蚀速率比在河水中快，故D错误。

【变式】

①钢铁腐蚀过程中化学能全部转化为电能

②以水代替海水，铁就不能发生吸氧腐蚀

③干燥环境会减缓铁的腐蚀

⑤钢铁中存在活性炭就会加速铁的腐蚀

⑥金属M如果是铜，也可以减缓水体中钢铁设施的腐蚀

【任务5】上述电池也称为单液电池，其在实际生活生产中存在哪些问题？

学生：存在电池长时间使用会明显发热现象，严重的可能爆炸；电池寿命短，不使用的时候也在进行反应；放电时出现电压不稳定等问题。

2.在生产生活中不断地优化原电池模型

【问题解决1】单液电池中电极和电解质溶液会直接接触，即使不形成闭合回路也会持续发生化学反应。电解质溶液因不断的消耗，造成电压不稳的情况。如何进行优化？

【优化方案一】利用盐桥将单液电池改造成双液电池。

【化学史2】丹尼尔电池：1836年，丹尼尔根据伏打电堆发明了世界上第一个实用电池，并用于早期铁路的信号灯。丹尼尔将锌棒置于硫酸锌溶液中，将铜棒置于硫酸铜溶液中，并用盐桥或离子膜等方法将两种电解质溶液连接如图5所示。

图5

【交流与讨论1】盐桥的成分和作用是什么？电路中串联一个电流表，可以观察到哪些现象？取出盐桥，观察电流表的指针如何变化？

学生1：盐桥中装有含KCl饱和溶液的琼脂，离子在其中自由移动。取出盐桥，电流表指数归零。

学生2：使用盐桥可以避免氧化剂和还原剂直接接触造成损耗，并且可以消除液接电势。

【问题解决2】当一次电池中氧化剂和还原剂的物质被消耗到一定程度时，电池就不能继续使用。

如何经过优化，处理成可以重复利用的电池呢？

【优化方案二】将一次电池改造成二次电池。

【化学史3】铅蓄电池：1859年卡斯通和普朗特利用海绵状的Pb和PbO2作为电极，并用22%～28%的稀硫酸作电解质溶液，就此发明了第一个可充电的二次电池。工作原理如图6。到目前为止镍镉电池和镍氢电池也是基于该原理设计出的二次电池。

图6

【交流与讨论2】分别写出铅蓄电池放电和充电时的电极反应。

表4 铅酸蓄电池的工作原理

【应用3】广泛应用到电动车、机动车辆上。

【例3】(2020·全国卷Ⅰ·12)科学家近年发明了一种新型Zn-CO2水介质电池。电池示意图如图7，电极为金属锌和选择性催化材料。放电时，温室气体CO2被转化为储氢物质甲酸等，为解决环境和能源问题提供了一种新途径。

图7

下列说法错误的是

( )

B.放电时，1 mol CO2转化为HCOOH，转移的电子数为2 mol

D.充电时，正极溶液中OH-浓度升高

【答案】D

【命题背景】本题以新型可充可放电池为情境，考查了电极的判断、电极反应式的书写、电极附近区域溶液的pH变化、相关计算等知识。

【解析】解题步骤：根据电极材料判断放电Zn作负极、CO2作正极反应→根据电解质溶液环境书写负极反应式→书写正极反应式→逆向写出充电时阴、阳极反应式→相应计算和判断。

【交流与讨论3】同学们查询资料，谈谈铅蓄电池的优缺点。

学生：铅蓄电池的优点是工作电压稳定、使用方便、安全系数高、能充放电几百个循环、储存性能好且价格低廉，因此广泛使用在生产、生活中。缺点是体积大、笨重、比能量低、对环境造成铅污染。

【问题解决3】分析铅蓄电池这些问题产生的根源，并提出优化方案。

【优化方案三】利用可发生氧化还原反应的气体物质来实现放电原理。

【化学史4】燃料电池历史可以追溯到19世纪。1839年英国法官和科学家威廉·格罗夫(William Robert Grove)所进行的电解实验，使用电将水分解成氢气和氧气，后来被人们使用了这个原理制作了燃料电池。从格罗夫第一次进行燃料电池的实验到现在，人们对燃料电池的研究已有180多年的历史。1889年，英国人Ludwig Mond和Charles Langer两位化学家试图用空气和工业煤气制造一个实用的能提供电能的装置，“燃料电池”一词也就随着他们的发明而诞生了。

图8

【应用4】燃料电池具有广阔的发展前景。除了氢气，烃、肼、甲醇、氨、煤气等液体或气体，固体燃料均可作为燃料。

【交流与讨论4】燃料电池的种类很多。现以氢氧燃料电池为例，来说明其工作原理。

表5 分析不同酸碱性环境下氢氧燃料电池的工作原理

【交流与讨论5】同学们查询资料，谈谈燃料电池的优缺点。

学生1：优点一是电池容量不受限制，只需源源不断地提供燃料和氧化剂即可；二是将化学能转化为电能的转化率超过80%，远高于转化率只有30%多的火力发电；三是减少污染物的排放甚至零排放，被誉为“绿色发电站”。

学生2：缺点是燃料电池储存占空间，也会有一定的危险，不适用于小型的家用电池。

【优化方案四】化学电池是新能源和可再生能源的重要组成部分，锂电池发展较快。

【化学史5】20世纪70年代埃克森美孚公司的M.S.Whittingham采用硫化钛作为正极材料，金属锂作为负极材料，制成首个锂电池。1980年，J.Goodenough发现钴酸锂可以作为锂离子电池正极材料。由于锂金属的化学特性非常活泼，使得锂金属的加工、保存、使用，对环境要求非常高。1991年，索尼公司发布首个商用锂离子电池。随后，锂离子电池革新了消费电子产品的面貌。

【化学史6】2019年10月9日，瑞典皇家科学院宣布诺贝尔化学奖由M.Stanley Whittingham、John B.Goodenough和吉野彰等三位科学家分享。以表彰他们在锂电池发展上做出的杰出贡献。

3.结合真实的情境应用电池模型

各地的高考题中大多数都是将电池模型搭载热门科研情境。为缓解日益突出的能源危机，各种电池的研发是当前研究的热门领域。2020全国卷Ⅰ第35题以2019诺贝尔化学奖的成果钴酸锂、磷酸铁锂等正极材料为情境，考查学生通过电池反应的宏观变化推导到电极材料微观结构的变化。2020全国卷Ⅱ第35题以钙钛矿太阳能电池为情境考查物质结构与性质，而该钙钛矿太阳能电池是我国科学家发表在2019年《科学》期刊上的重大突破成果。

三、教学思考

原电池是把化学能转化为电能的一种装置，教师以1800年世界上第一个电池为引入，以化学史的方式串起了模型的建立、不断优化、真实应用，将教材中的知识和真实的生活、生产、科研情境相融合，让学生感知科学家如何发现电，如何制造出电池，建立原电池的最基本的模型，并能运用模型解释原电池反应的现象，并揭示现象背后的本质和规律。带着学生重走科学之路，让学生大开眼界，感受科学发展之路的艰辛，体验科学发现之美。最后，电化学内容一直是高考考查的热点，以高考真题为例，帮助学生梳理答题策略与方法，让学生体会到原电池原理在高考题中的真实应用，掌握解题的步骤，体现教学的实效性。