第二节 化学能与电能（1）

2015-10-19 15:30:11   来源：   撰稿：董啸   摄影摄像：    ;  评论：0 点击：

第二节  化学能与电能（1）

【引入】 随着科学技术的发展和社会的进步,各种各样的电器不断进入现代社会,大大丰富和方便了我们的生活、学习和工作。使用电器必然要用电能，那么电能是如何产生的呢？现有电能可通过哪些途径得到？

【阅读】课本中关于电力在当今社会的应用和作用。

【展示】 日常生活中经常见到的一些电池。

【设疑】 同学们肯定有过疑问，这么小的电池为什么就可以产生电呢？这里面到底有什么奥秘？ 今天我们就来寻找答案。

【过渡】 提到电能大家都非常熟悉，得到了广泛的应用。按照能源的分类，它是一种清洁的二次能源，那么什么是一次能源？什么是二次能源？

【分析】能源可分为一次能源和二次能源，自然界中以现成形式提供的能源称一次能源，需依靠其他能源的能量间接制取的能源称为二次能源。

【板书】能源的分类：

一次能源：直接从自然界取得的能源称为一次能源。例如，太阳能、水力、风力、化石燃料等等。

二次能源：一次能源经过加工、转化得到的能源叫做二次能源。例如，电力、酒精、汽油等等。

【过渡】从前面的学习中，我们已经知道化学反应的过程中会产生能量的变化，如化学能转化为热能、光能和电能等等。那么，化学能和电能之间是如何转化的呢？

一、化学能和电能的相互转化

[引入] 下面我们来探究化学能与电能之间是如何转化的?

【分析】引导学生共同分析课本图2-8，燃煤发电的过程是将化学能间接转化为电能。

1、火电

火电就是火力发电，将煤、石油、天然气等其它燃料燃烧所产生的能量用于发电称为火力发电。

（1）发电原理

火力发电的原理是燃料在锅炉中燃烧产生蒸汽，用蒸汽推动汽轮机，再由汽轮机带动发电机，产生电流。

【设问】火力发电中能量的转化方式是怎样的？

（2）火力发电能量转换过程

能量转化过程：化学能→热能→机械能→电能

【展示】呈现2001年我国发电总量构成图、火力发电的相关图片。

【思考】火力发电又有哪些优点和缺点呢？

优点：原料方便；技术成熟；选址容易。

缺点：能源利用率不高；对环境有污染。

【设疑】火力发电能量损耗严重，能否通过某些方式将化学能直接转化为电能呢？

[思考与交流]

①火力发电时利用化学能转化为热能，再经过一系列能量转换环节才能转化为电能。为什么没有直接形成电流？哪种类型的化学反应有可能产生电流？

②氧化还原反应的本质是什么？氧化还原反应中氧化剂和还原剂直接接触进行反应时，为什么没有电流产生？怎样使它直接产生电流呢？

【过渡】化学能要经过一系列能量转换才能转化为电能。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，就要设计一种装置。将化学能直接转化为电能，高效利用燃料、不浪费能源、开发出高能清洁燃料？现在带着这个问题，我们今天从实验入手，探究把化学能转换为电能的过程。

【实验】实验2-4

实验步骤：把一块锌片和铜片同时插入盛有稀硫酸的烧杯里；用导线将锌片和铜片连起来；在导线中接入一个电流表。

实验现象：在铜片表面有气泡（氢气）产生，电流表指针偏转，说明有电流产生。

【分析】我们知道，化学反应中常都伴有能量转化，通常情况下体现为热能和光能，例如，镁条在空气中燃烧的化学反应，伴有放热、发光等现象。这说明化学能转变为热能和光能。那么，我们做的这个实验是化学能转变为哪种能呢？

【探究问题】①从能量转变的角度分析，上述实验中能量发生什么变化？

【探究发现】化学能转变为电能。

2、原电池

（1）定义：把化学能转化为电能的装置叫做原电池。

【历史】 这一现象早在1799年就被意大利的物理学家伏打发现 ，并加以研究，他发明了世界上第一个电池——伏打电池，即原电池。说明：“原”代表原始、最基本、最简单。

【过渡】在了解了原电池是什么之后让我们来探究一下原电池的原理。

（2）原电池的原理：

【思考与交流】1、铜片与稀硫酸不反应，锌片和铜片用导线连接后插入稀硫酸中，为什么在铜片表面有气泡产生？根据你所了解的电学知识你知道电子是怎样流动的吗？

【分析】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，锌原子失去的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。电子通过导线从锌片流向铜片，形成电流。

【思考与交流】2、从氧化还原反应的角度来分析，两个金属片上各发生了什么反应？并探究电流是如何产生的呢？

【分析】锌片、铜片上发生了氧化还原反应，使电子从锌片不断地流向铜片而形成电流，这是上述装置产生电流的根本原因。锌比铜活动，容易失去电子，锌片与铜片间有电势差，电子很容易从锌片流向铜片。

【探究发现】锌片上失去电子，发生氧化反应，铜片上H⁺获得电子，发生还原反应。在氧化还原反应中，还原剂将失去的电子经过导线转移给氧化剂，从而产生电流。

锌 片：   Zn—2e^-==Zn²⁺       (氧化反应)

铜 片：   2H⁺+2e^-==H₂↑      （还原反应）

    总反应： Zn + 2H⁺ = Zn²⁺ + H₂↑

【思考与交流】3、普通氧化还原反应中氧化剂和还原剂直接接触进行反应时，没有电流产生，而在原电池中氧化反应和还原反应为什么可以产生电流呢？

【分析】在原电池中，将氧化反应和还原反应分开在两个不同的区域进行，将电子转移的过程变为电子的定向移动，从而产生电流，这就是原电池设计的基本思路。

【结论】原电池是将氧化还原反应中的氧化反应和还原反应分开，从而使还原剂失去的电子，经导线传递给氧化剂，从而形成电流。

【原电池原理】利用氧化还原反应，将氧化剂和还原剂之间转移的电子通过导线进行传递，从而形成电流。

原电池工作时，负极上的电子通过导线流向用电器，然后从正极流回，形成电流。

说明：一般来说，任何一个可以自发进行的氧化还原反应，理论上都可以设计成一个原电池。

【过渡】了解了原电池的基本原理后让我们再来看看原电池的组成。

（3）原电池的组成：

【思考与交流】通过以上实验和探究 ，说明化学电池应由哪几部分构成？各起什么作用？

【分析】从结构来看，原电池的必须有正、负两个电极和电解质溶液以及一些辅助物（容器和导线）。由于负极在反应中提供电子，所以一般用易失去电子的还原形较强的物质；而在反应中正极上获得电子，因而用能导电的物质，一般是不活泼的金属或能导电的其它材料（石墨）。电池要工作（发生氧化还原反应）还需要合适的电解质溶液，以提供氧化剂获得电子。

原电池组成：较活泼的金属做负极，较不活泼的金属（能导电的其它材料）做正极；合适的电解质溶液；形成闭合回路。

【过渡】凡是电池都有正负极，那么原电池的正负极怎样确定呢，让我们继续探究。

（4）原电池中的电极及电极反应

【探究题】根据有关知识探究，如何确定原电池的正负极以及正负电极各发生什么反应？电流的方向如何？电流的方向与电子的流向有何关系？

【分析】由物理学知识可以知道，电流方向是从正极流向负极，电子的流向与电流方向相反，从负极流向正极。故，电子流出的电极是负极，电子流入的电极是正极。上述实验中锌为负极，铜为正极。由于负极电子流出（即失去电子），正极电子流入（即得到电子），所以负极发生氧化反应，正极发生还原反应。

【探究发现】：

①电子流出的电极是负极，电子流入的电极是正极。

②负极发生氧化反应，正极发生还原反应。

③原电池本质是发生能自发进行的氧化还原反应。

【问题】锌、铜原电池中锌和铜各是什么极？发生什么反应？

锌片→负极： Zn  - 2e^- = Zn²⁺（氧化反应） 

铜片→正极： 2H⁺  + 2e^-=H₂↑( 还原反应)

【应用】判断正负极的方法：

负极：较活泼金属，发生氧化反应，电子沿外电路流出。

正极：较不活泼金属（或石墨），发生还原反应，电子沿外电路流入。

【说明】在铜锌原电池中，如果用的是纯锌，则在锌片表面几乎观察不到气泡，而在实验中我们所用的是粗锌(含有碳)，在锌片和铜片表面多有气泡产生。

【知识拓展】

一、电极反应式的书写方法：

    ①找出发生氧化反应和还原反应的物质，确定正负极反应的物质；

    ②利用电荷守恒分别写出电极反应式；

    ③验证：两电极反应式相加所得式子和原化学方程式相同，则书写正确。

【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，你能否设计一个电池呢？

二、原电池的设计方法

【小贴士】一般能够自发进行的释放能量的氧化还原反应均可以设计成为原电池。

【设计思路】

两活泼性不同的电极，浸入合适的电解质溶液中，并用导线相连形成闭合回路，即可组成原电池。  设计原电池关键就是确定电极反应、电极材料和电解质。

【设计方法】

①利用给定材料设计： 先分析给定材料中的物质能发生什么样的氧化还原反应，然后再根据反应确定电极材料和电解质。

②利用给定反应设计：先分析给定的氧化还原反应的氧化剂和还原剂，并分别写出氧化反应和还原反应，从而确定电极材料和电解质。

【实际应用】                                                                     

①利用原电池的原理，将氧化还原反应设计成为原电池。

②利用原电池可以比较金属性强弱。

③原电池中发生的氧化还原反应反应比正常发生的氧化还原反应快。

【科学探究】根据已有的氧化还原反应知识和电学知识，利用已有的实验用品，设计一套原电池装置。

主要用品：Zn片、Cu片、硫酸铜溶液、导线、电流表、烧杯等设计

 [小结]按板书内容，归纳本书的内容和要点

【实践活动】根据构成原电池的条件，请同学们利用家里的橘子、苹果、柠檬或番茄等等含酸水果、铁片（或铁钉）、铜片、铜丝等等亲手设计制作一个成原电池，并将原电池与音乐卡片（或小电珠）连接检查是否有电流产生。

作业：请利用锌和硫酸铜之间的置换反应设计一个原电池，指出正负极，并写出电极反应。

〖板书设计〗一、化学能和电能的相互转化

1、火电：（1）发电原理    （2）发电能量转换过程

2、原电池

（1）定义      （2）原电池的原理   （3）原电池的组成

〖教后记〗