基于“模型認知”的原電池高三一輪復習教學研究

江蘇 居亞芬 王 菁

一、問題的提出

1.考查要求

《普通高中化學課程標準(2017年版2020年修訂)》中對電化學部分內容的考查要求及教學建議如表1所示。

表1 電化學部分的考查要求及教學建議

2.教材分析

各版本教材中電化學知識如表2所示。

表2

3.學情分析

大多數學生感覺對“化學反應與電能”中能量轉化的考查較難，很容易將原電池和電解池混淆，并且也理不清電子轉移的方向，尤其困難的還屬兩極的電極反應式的書寫。經交流，多數學生對電化學內容還是習慣用記憶的方式來解該類題，不能靈活運用已有知識解決陌生情境中的實際問題。所以教師需要將這部分知識整合有序，幫助學生厘清化學能與電能的相互轉化原理，直擊考點，對較難部分進行技巧點撥。

二、基于“模型認知”的原電池一輪復習教學實錄

1.基于伏打電堆建立原電池模型

【化學史1】1800年意大利科學家伏打發明了世界上第一個發電器，即伏打電堆。伏打把一個金屬鋅環放在一個銅環上，再用一塊浸透鹽水的布壓上，再放上鋅環，銅環，如此重復下去疊成了一個柱狀，便產生了明顯的電流。

【任務1】學生總結原電池的構成條件。

學生：

①有兩個活潑性不同的能導電的電極材料

②導線連接形成閉合電路

③有電解質溶液

【任務2】學生根據伏打電堆圖，畫出簡易的鋅銅原電池裝置示意圖。

伏打電堆

鋅銅原電池裝置

【任務3】用必要的文字和電極反應式描述原電池的工作原理。

【任務4】總結出基于氧化還原的原電池的基本設計思路

圖2

【應用1】簡易電池：自制水果電池、鋅錳干電池、銀鋅紐扣電池等

新型電池：空氣電池等

圖3

( )

A.負載通過0.04 mol電子時，有0.224 L(標準狀況)O2參與反應

B.正極區溶液的pH降低、負極區溶液的pH升高

D.電流由復合碳電極經負載、VB2電極、KOH溶液回到復合碳電極

【答案】B

【命題背景】本題以堿性硼化釩(VB2)—空氣電池為情境載體，重點考查了電極的判斷、電極反應式的書寫、電極反應相關計算、電極附近區域溶液的pH變化、電流方向等知識。

【落實核心素養】考查符號理解能力、信息獲取與加工能力、分析與推測能力等，落實宏觀辨識與微觀探析、證據推理與模型認知、變化觀念與平衡思想等學科核心素養。

【解析】常見步驟：判斷是否為原電池→判斷正負極(通過電極材料的活潑性、電極反應式中的化合價變化)→判斷電子、電流、離子的移動方向→書寫正、負極的電極反應式→根據電極反應式進行計算和產物分析。

【應用2】暖貼、金屬防護等。

如表3所示，為鋼鐵的電化學腐蝕原理及其應用。

表3 根據不同的水膜環境，分析鋼鐵電化學腐蝕工作原理及應用

【例2】(2020·江蘇卷·11)將金屬M連接在鋼鐵設施表面，可減緩水體中鋼鐵設施的腐蝕。在如圖4所示的情境中，下列有關說法正確的是

圖4

( )

B.金屬M的活動性比Fe的活動性弱

C.鋼鐵設施表面因積累大量電子而被保護

D.鋼鐵設施在河水中的腐蝕速率比在海水中的快

【答案】C

【命題背景】本題以生產中鋼鐵設施的腐蝕和防護為情境，重點考查了電極的判斷、電極反應式的書寫、電極附近區域溶液的pH變化、電化學腐蝕等知識。

【解析】初步判斷該裝置運用了犧牲陽極的陰極保護法，屬于金屬的電化學保護法之一。金屬M失電子，電子經導線流入鋼鐵設備，從而使鋼鐵設施表面積累大量電子，自身金屬不再失電子從而被保護，故C正確；海水中的離子濃度大于河水中的離子濃度，溶液的導電性越強，因此鋼鐵設施在海水中的腐蝕速率比在河水中快，故D錯誤。

【變式】

①鋼鐵腐蝕過程中化學能全部轉化為電能

②以水代替海水，鐵就不能發生吸氧腐蝕

③干燥環境會減緩鐵的腐蝕

⑤鋼鐵中存在活性炭就會加速鐵的腐蝕

⑥金屬M如果是銅，也可以減緩水體中鋼鐵設施的腐蝕

【任務5】上述電池也稱為單液電池，其在實際生活生產中存在哪些問題？

學生：存在電池長時間使用會明顯發熱現象，嚴重的可能爆炸；電池壽命短，不使用的時候也在進行反應；放電時出現電壓不穩定等問題。

2.在生產生活中不斷地優化原電池模型

【問題解決1】單液電池中電極和電解質溶液會直接接觸，即使不形成閉合回路也會持續發生化學反應。電解質溶液因不斷的消耗，造成電壓不穩的情況。如何進行優化？

【優化方案一】利用鹽橋將單液電池改造成雙液電池。

【化學史2】丹尼爾電池：1836年，丹尼爾根據伏打電堆發明了世界上第一個實用電池，并用于早期鐵路的信號燈。丹尼爾將鋅棒置于硫酸鋅溶液中，將銅棒置于硫酸銅溶液中，并用鹽橋或離子膜等方法將兩種電解質溶液連接如圖5所示。

圖5

【交流與討論1】鹽橋的成分和作用是什么？電路中串聯一個電流表，可以觀察到哪些現象？取出鹽橋，觀察電流表的指針如何變化？

學生1：鹽橋中裝有含KCl飽和溶液的瓊脂，離子在其中自由移動。取出鹽橋，電流表指數歸零。

學生2：使用鹽橋可以避免氧化劑和還原劑直接接觸造成損耗，并且可以消除液接電勢。

【問題解決2】當一次電池中氧化劑和還原劑的物質被消耗到一定程度時，電池就不能繼續使用。

如何經過優化，處理成可以重復利用的電池呢？

【優化方案二】將一次電池改造成二次電池。

【化學史3】鉛蓄電池：1859年卡斯通和普朗特利用海綿狀的Pb和PbO2作為電極，并用22%～28%的稀硫酸作電解質溶液，就此發明了第一個可充電的二次電池。工作原理如圖6。到目前為止鎳鎘電池和鎳氫電池也是基于該原理設計出的二次電池。

圖6

【交流與討論2】分別寫出鉛蓄電池放電和充電時的電極反應。

表4 鉛酸蓄電池的工作原理

【應用3】廣泛應用到電動車、機動車輛上。

【例3】(2020·全國卷Ⅰ·12)科學家近年發明了一種新型Zn-CO2水介質電池。電池示意圖如圖7，電極為金屬鋅和選擇性催化材料。放電時，溫室氣體CO2被轉化為儲氫物質甲酸等，為解決環境和能源問題提供了一種新途徑。

圖7

下列說法錯誤的是

( )

B.放電時，1 mol CO2轉化為HCOOH，轉移的電子數為2 mol

D.充電時，正極溶液中OH-濃度升高

【答案】D

【命題背景】本題以新型可充可放電池為情境，考查了電極的判斷、電極反應式的書寫、電極附近區域溶液的pH變化、相關計算等知識。

【解析】解題步驟：根據電極材料判斷放電Zn作負極、CO2作正極反應→根據電解質溶液環境書寫負極反應式→書寫正極反應式→逆向寫出充電時陰、陽極反應式→相應計算和判斷。

【交流與討論3】同學們查詢資料，談談鉛蓄電池的優缺點。

學生：鉛蓄電池的優點是工作電壓穩定、使用方便、安全系數高、能充放電幾百個循環、儲存性能好且價格低廉，因此廣泛使用在生產、生活中。缺點是體積大、笨重、比能量低、對環境造成鉛污染。

【問題解決3】分析鉛蓄電池這些問題產生的根源，并提出優化方案。

【優化方案三】利用可發生氧化還原反應的氣體物質來實現放電原理。

【化學史4】燃料電池歷史可以追溯到19世紀。1839年英國法官和科學家威廉·格羅夫(William Robert Grove)所進行的電解實驗，使用電將水分解成氫氣和氧氣，后來被人們使用了這個原理制作了燃料電池。從格羅夫第一次進行燃料電池的實驗到現在，人們對燃料電池的研究已有180多年的歷史。1889年，英國人Ludwig Mond和Charles Langer兩位化學家試圖用空氣和工業煤氣制造一個實用的能提供電能的裝置，“燃料電池”一詞也就隨著他們的發明而誕生了。

圖8

【應用4】燃料電池具有廣闊的發展前景。除了氫氣，烴、肼、甲醇、氨、煤氣等液體或氣體，固體燃料均可作為燃料。

【交流與討論4】燃料電池的種類很多。現以氫氧燃料電池為例，來說明其工作原理。

表5 分析不同酸堿性環境下氫氧燃料電池的工作原理

【交流與討論5】同學們查詢資料，談談燃料電池的優缺點。

學生1：優點一是電池容量不受限制，只需源源不斷地提供燃料和氧化劑即可；二是將化學能轉化為電能的轉化率超過80%，遠高于轉化率只有30%多的火力發電；三是減少污染物的排放甚至零排放，被譽為“綠色發電站”。

學生2：缺點是燃料電池儲存占空間，也會有一定的危險，不適用于小型的家用電池。

【優化方案四】化學電池是新能源和可再生能源的重要組成部分，鋰電池發展較快。

【化學史5】20世紀70年代埃克森美孚公司的M.S.Whittingham采用硫化鈦作為正極材料，金屬鋰作為負極材料，制成首個鋰電池。1980年，J.Goodenough發現鈷酸鋰可以作為鋰離子電池正極材料。由于鋰金屬的化學特性非常活潑，使得鋰金屬的加工、保存、使用，對環境要求非常高。1991年，索尼公司發布首個商用鋰離子電池。隨后，鋰離子電池革新了消費電子產品的面貌。

【化學史6】2019年10月9日，瑞典皇家科學院宣布諾貝爾化學獎由M.Stanley Whittingham、John B.Goodenough和吉野彰等三位科學家分享。以表彰他們在鋰電池發展上做出的杰出貢獻。

3.結合真實的情境應用電池模型

各地的高考題中大多數都是將電池模型搭載熱門科研情境。為緩解日益突出的能源危機，各種電池的研發是當前研究的熱門領域。2020全國卷Ⅰ第35題以2019諾貝爾化學獎的成果鈷酸鋰、磷酸鐵鋰等正極材料為情境，考查學生通過電池反應的宏觀變化推導到電極材料微觀結構的變化。2020全國卷Ⅱ第35題以鈣鈦礦太陽能電池為情境考查物質結構與性質，而該鈣鈦礦太陽能電池是我國科學家發表在2019年《科學》期刊上的重大突破成果。

三、教學思考

原電池是把化學能轉化為電能的一種裝置，教師以1800年世界上第一個電池為引入，以化學史的方式串起了模型的建立、不斷優化、真實應用，將教材中的知識和真實的生活、生產、科研情境相融合，讓學生感知科學家如何發現電，如何制造出電池，建立原電池的最基本的模型，并能運用模型解釋原電池反應的現象，并揭示現象背后的本質和規律。帶著學生重走科學之路，讓學生大開眼界，感受科學發展之路的艱辛，體驗科學發現之美。最后，電化學內容一直是高考考查的熱點，以高考真題為例，幫助學生梳理答題策略與方法，讓學生體會到原電池原理在高考題中的真實應用，掌握解題的步驟，體現教學的實效性。