高二化學(xué) 選擇性必修1 第3課時 化學(xué)電源 燃料電池 教學(xué)設(shè)計

1、第四章 第一節(jié) 第三課時化學(xué)電源2 燃料電池教學(xué)設(shè)計陳一嫡課標解讀內(nèi)容要求：認識不同類型燃料電池實際意義以及應(yīng)用了解不同類型燃料電池，并應(yīng)用化學(xué)原理分析燃料電池工作原理以及應(yīng)用2、學(xué)業(yè)要求：燃料電池的工作原理，電極反應(yīng)式書寫規(guī)律，以及燃料電池的綜合應(yīng)用二、教材分析對于燃料電池的引入，新教材采用了格羅夫設(shè)計和發(fā)明燃料電池的史實和思路，可見，本節(jié)有關(guān)燃料電池的思考與討論有利于拉進近學(xué)生與科學(xué)家、科學(xué)史的距離，降低學(xué)習(xí)難度并發(fā)展學(xué)生社會態(tài)度與責(zé)任觀。同時第一第二課時引導(dǎo)學(xué)生從一種原電池的具體裝置抽象形成原電池的一般模型，通過模型的建構(gòu)，燃料電池內(nèi)容上可看成是原電池模型在實際應(yīng)用中的遷移，學(xué)生在原有模

2、型建構(gòu)的基礎(chǔ)上遷移來認識并分析實際應(yīng)用的燃料電池，充分發(fā)揮語言、圖示和想象等形式來把握原電池工作原理，達到解決實際問題的思維模式，實現(xiàn)從抽象到實踐。整個過程由分析實驗現(xiàn)象提取原理，蘊涵微觀探析與宏觀辨識；形成模型并具備思維方法，發(fā)展了學(xué)生的證據(jù)推理與模型認知；再遷移到實際應(yīng)用，科學(xué)探究與創(chuàng)新意識是最終素養(yǎng)體現(xiàn)，因此燃料電池在原電池第三課時顯得尤為重要。三、學(xué)情分析通過前面學(xué)習(xí)，學(xué)生已經(jīng)可以分析一種原電池的具體裝置，并且基本了解原電池裝置基本工作原理，還通過一次電池、二次電池的遷移知道生活中的原電池應(yīng)用模型，但燃料電池種類多，燃料電池電介質(zhì)環(huán)境各異，學(xué)生面對陌生燃料電池的遷移，并在不同電介質(zhì)環(huán)境

3、中書寫電極方程式相對困難，模型的遷移應(yīng)用能力還比較弱。素養(yǎng)目標【教學(xué)目標】1、能了解不同類型燃料電池燃料電池的應(yīng)用2、能根據(jù)原電池工作原理分析燃料電池模型3、能書寫不同介質(zhì)燃料電池電極反應(yīng)方程式【評價目標】通過不同燃料電池原理的觀察、分析與討論，診斷學(xué)生對不同類型燃料電池的認識程度。通過不同類型燃料電池的展示，診斷學(xué)生分析陌生情境燃料電池工作原理的能力。通過不同電極方程式設(shè)計燃料電池，診斷學(xué)生證據(jù)推理與模型認知、科學(xué)探究與創(chuàng)新意識的素養(yǎng)能力。教學(xué)重點、難點 重點：燃料電池的應(yīng)用以及電極反應(yīng)式書寫規(guī)律難點：電極反應(yīng)式書寫規(guī)律在題型中的應(yīng)用六、教學(xué)方法七、教學(xué)思路八、教學(xué)過程教學(xué)內(nèi)容教學(xué)環(huán)節(jié)教 學(xué)

4、 活 動設(shè)計意圖教 師 活 動學(xué)生活動導(dǎo)課引入圖片常見燃料電池應(yīng)用以及阿波羅飛船電池定義：持續(xù)地將燃料和氧化劑的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)換成電能的化學(xué)電池。優(yōu)點:能量轉(zhuǎn)化率高，可持續(xù)提供電能，不污染環(huán)境用途:宇宙飛船，應(yīng)用前景廣闊傾聽激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣復(fù)習(xí)二次電池的知識知識回顧回顧初高中常見的燃料燃燒（甲烷、甲醇）化學(xué)方程式進行回顧練習(xí)檢查學(xué)生對已復(fù)習(xí)知識的掌握情況，為“燃料電池”的學(xué)習(xí)作鋪墊燃料電池經(jīng)典例析【展示圖片】燃料電池種類很多，現(xiàn)以阿波羅氫氧燃料電池為例說明工作原理。【認識氫氧燃料電池】電池總反應(yīng)：2H2+O2=2H2O(1)堿性介質(zhì)氫氧燃料電池負極(Pt)：2H2-4e-+4OH-=4H2O正極

5、(Pt)：O2+ 2H2O +4e-= 4OH-【小結(jié)】燃料電池的規(guī)律(1)燃料作負極，助燃劑氧氣為正極(2)電極材料一般不參加化學(xué)反應(yīng)，只起傳導(dǎo)電子和催化的作用。燃料電池與前幾種電池的差別:(1)氧化劑與還原劑在工作時不斷補充打破電池容量限制;(2)反應(yīng)產(chǎn)物不斷排出，無污染;(3)能量轉(zhuǎn)化率高(超過80%)，普通燃燒過程能量轉(zhuǎn)換率只有30%，有利于節(jié)約能源?！緩陌⒉_飛船堿性燃料電池探析應(yīng)用前景】堿性燃料電池優(yōu)勢很明顯，為什么不直接進一步使用到載人航天器上？科學(xué)家經(jīng)過長期實踐發(fā)現(xiàn)，堿性燃料電池生成的水能降低電解質(zhì)氫氧化鉀的濃度，電解質(zhì)溶液導(dǎo)電能力下降，降低電池內(nèi)阻可以提高電池工作效率，從而增

6、大電池單位質(zhì)量輸出的電能，電池內(nèi)阻和離子導(dǎo)體導(dǎo)電性等因素有關(guān)，我們就來看一看他們的關(guān)系，請看一下表格【過渡】氫離子導(dǎo)電性很強，如果把氫氧燃料電池堿性變?yōu)樗嵝越橘|(zhì)，電池反應(yīng)如何？H+定向移動到正極，在負極生成，在正極消耗(2)酸性介質(zhì)氫氧燃料電池負極(Pt)：2H2-4e-=4H+正極(Pt)：O2+4H+4e-=2H2O觀察圖片。思考、分析、理解、傾聽。分析燃料電池的工作原理，加深學(xué)生對原燃料知識的鞏固和運用，培養(yǎng)學(xué)生的分析能力。學(xué)生主要為聽講及記錄筆記為主，利用最簡單的燃料電池原理，激發(fā)學(xué)生對燃料電池的理解，為后續(xù)甲醇燃燒的燃料電池電極方程式書寫埋下伏筆。由實際的載人航天器阿波羅飛船堿性燃料

7、電池工作原理分析，讓學(xué)生了解到堿性燃料電池一般用作短壽命的載人航天器電池，存在缺陷，引發(fā)認知沖突，從而激發(fā)學(xué)生思考更換不同電介質(zhì)，引入不同類型電介質(zhì)燃料電池的介紹以及電極方程式的書寫板書總結(jié)電池總反應(yīng)：2H2+O2=2H2O(1)酸性介質(zhì)氫氧燃料電池負極(Pt)：2H2-4e-=4H+正極(Pt)：O2+4H+4e-=2H2O(2)堿性介質(zhì)氫氧燃料電池負極(Pt)：2H2-4e-+4OH-=4H2O正極(Pt)：O2+ 2H2O +4e-= 4OH-思考，記錄筆記。理解電極方程式的寫法。 書寫電極方程式自主學(xué)習(xí)活動若將上述堿性電池中的氣體燃料換成液體甲醇，請寫出電極反應(yīng)式和總反應(yīng)式2、甲醇燃料

8、電池總反應(yīng)式： 2CH3OH+3O2+4KOH=2K2CO3+6H2O正極：2O2+8e-+4H2O=8OH-負極：CH3OH-6e-+8OH-=CO32-+6H2O思考、分析、總結(jié)。 在酸性介質(zhì)下的電極方程式相對比較簡單，加強學(xué)生思考。讓學(xué)生總結(jié)出在堿性介質(zhì)時不同燃料電極反應(yīng)方程式，培養(yǎng)學(xué)生的理解能力和對比能力。書寫電極方程式自主展示若將上述燃料電池中的電解質(zhì)換成固體氧化鋯-氧化釔熔融鹽，請寫出電極反應(yīng)式和總反應(yīng)式3、氧化鋯-氧化釔熔融鹽介質(zhì)燃料電池總反應(yīng)式：2H2+O2=2H2O正極：O2+4e-=2 O2-負極：H2-2e-+O2-=H2O思考、分析、總結(jié)。 讓學(xué)生總結(jié)出雖在不同的介質(zhì)

9、電極反應(yīng)方程式培養(yǎng)學(xué)生的理解能力和對比能力。變式練習(xí)設(shè)置情境若將上述燃料電池中的電解質(zhì)換成熔融的碳酸鹽，請寫出電極反應(yīng)式和總反應(yīng)式總反應(yīng)： 2H2+O2=2H2O正極：O2+4e-+2CO2=2 CO32-負極：H2-2e-+2CO32-=H2O+CO2總結(jié)歸納攻關(guān)秘籍怎樣書寫燃料電池的電極反應(yīng)式和總反應(yīng)式?書寫步驟:1、寫出燃燒反應(yīng);2、根據(jù)電解液改寫燃料電池總反應(yīng);3、寫出正極的電極反應(yīng)式(一般較簡單);正極反應(yīng)一般為:酸性介質(zhì) O2+4H+4e-=2H2O堿性介質(zhì) O2+2H2O+4e-=4OH-4、由燃料電池總反應(yīng)減去正極的電極反應(yīng)式得負極的電極反應(yīng)式。其它常見化學(xué)電源的電極反應(yīng)式也可

10、據(jù)此寫出對甲醇燃料電池的變式練習(xí)進行思考和分析。培養(yǎng)學(xué)生的遷移能力和分析能力鞏固練習(xí)典型題連接（補充習(xí)題）1.。一種以肼(N2H4)為燃料的電池裝置如圖所示。下列關(guān)于該燃料電池的敘述不正確的是DA電流從右側(cè)電極經(jīng)過負載流向左側(cè)電極B負極發(fā)生的電極反應(yīng)式為N2H44OH4e=N24H2OC該燃料電池的電極材料應(yīng)采用多孔導(dǎo)電材料，以提高電極反應(yīng)物質(zhì)在電極表面的吸附量，并使它們與電解質(zhì)溶液充分接觸D該燃料電池持續(xù)放電時，正極發(fā)生氧化反應(yīng)，堿性減弱學(xué)生獨立完成通過實際應(yīng)用遷移，重難點突破情況2、甲醇燃料電池2、甲醇燃料電池總反應(yīng)：2CH3OH+3O2+4KOH=2K2CO3+6H2O正極：3O2+12

11、e-+6H2O=12OH-負極：2CH3OH-12e-+16OH-=2CO32-+12H2O1、氫氧燃料電池總反應(yīng)：2H2+O2=2H2O3、氧化鋯3、氧化鋯-氧化釔熔融鹽介質(zhì)燃料電池總反應(yīng)式：2H2+O2=2H2O正極：O2+4e-=2 O2-負極：H2-2e-+O2-=H2O負極(Pt)：2H2-4e-=4H+正極(Pt)：O2+4H+4e-=2H2O(2)堿性介質(zhì)氫氧燃料電池負極(Pt)：2H2-4e-+4OH-=4H2O熔融的碳酸鹽介質(zhì)燃料電池總反應(yīng)： 2H2+O2=2H2O正極：O熔融的碳酸鹽介質(zhì)燃料電池總反應(yīng)： 2H2+O2=2H2O正極：O2+4e-+2CO2=2 CO32-負極

12、：H2-2e-+2CO32-=H2O+CO2課后練習(xí)一、單選題1氫氧燃料電池是技術(shù)上比較成熟，并得到多方面應(yīng)用的燃料電池，其理論比能量達 3600瓦時/千克，單體電池的工作電壓為0.8-0.97伏。下列說法正確的是A電解水制取氫氣是理想而經(jīng)濟的制氫方法B發(fā)展氫氧燃料電池汽車不需要安全高效的儲氫技術(shù)C氫氧燃料電池汽車的使用可以有效減少城市空氣污染D氫氧燃料電池把氫氣和氧氣燃燒放出的熱能轉(zhuǎn)化為電能2下列發(fā)電廠(站)的電能由化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化而成的是ABCD燃料電池發(fā)電站地?zé)岚l(fā)電廠風(fēng)力發(fā)電廠水力發(fā)電站AABBCCDD3如圖為氫氧燃料電池構(gòu)造示意圖，下列有關(guān)描述正確的是AH+向負極移動BO2在負極上反應(yīng)C

13、反應(yīng)最終產(chǎn)物是H2OD電子由正極通過導(dǎo)線流向負極4氫氧燃料電池已用于航天飛機。以30%KOH溶液為電解質(zhì)的這種電池在使用時的電極反應(yīng)如下：2H24OH-4e-=4H2O、O22H2O4e-=4OH-，下列說法錯誤的是A氫氣通入正極，氧氣通入負極B燃料電池的能量轉(zhuǎn)化率不能達到100%C供電時的總反應(yīng)為：2H2O2= 2H2OD產(chǎn)物為無污染的水，屬于環(huán)境友好電池5阿波羅飛船中使用的燃料電池部分結(jié)構(gòu)的示意圖如下，下列說法錯誤的是A氫氧燃料電池具有單位質(zhì)量輸出電能高、產(chǎn)物水可作為航天員的飲用水、氧氣可作為備用氧源供航天員呼吸等優(yōu)點BH2SO4溶液導(dǎo)電性好，是早期研究時使用的電解質(zhì)，因H2SO4腐蝕性強

14、逐漸被KOH溶液替代C使用多孔碳載鎳電極，使氣體與溶液能充分接觸反應(yīng)D氫氧燃料電池連續(xù)工作時，其內(nèi)部的電解質(zhì)濃度和成分均不會發(fā)生變化參考答案1C【詳解】A電解水會消耗大量的電能，故不經(jīng)濟，A項錯誤；B氫氣密度小，發(fā)展氫氧燃料電池汽車需要安全高效的儲氫技術(shù)，B項錯誤；C氫氣的燃燒產(chǎn)物是水，氫燃料電池汽車的使用可以有效減少城市空氣污染，C項正確；D氫氧燃料電池是把化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，D項錯誤；答案選C。2A【詳解】A燃料電池發(fā)電站是將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，故A符合題意；B地?zé)岚l(fā)電廠是地?zé)崮苻D(zhuǎn)化為電能，故B不符合題意；C風(fēng)力發(fā)電廠是風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能，故C不符合題意；D水力發(fā)電站是水能轉(zhuǎn)化為電能，故D不符合題

15、意。綜上所述，答案為A。3C【詳解】A氫氧燃料電池屬于原電池，原電池中陽離子向正極移動，故A錯誤；B燃料電池中氧氣在正極得電子發(fā)生還原反應(yīng)，故B錯誤；C氫氧燃料電池總反應(yīng)為2H2+O2=2H2O，最終產(chǎn)物是H2O，故C正確；D據(jù)圖可知電子由負極通過導(dǎo)線流向正極，故D錯誤；綜上所述答案為C。4A【詳解】A氫氣化合價升高，失去電子，發(fā)生氧化反應(yīng)，故氫氣通入負極，氧氣化合價降低，得到電子，發(fā)生還原反應(yīng)，故氧氣通入正極，A錯誤；B燃料電池有能量以熱量的形式損失，因此燃料電池的能量轉(zhuǎn)化率不能達到100%，B正確；C將氫氧燃料電池電極反應(yīng)相疊加可得總反應(yīng)為2H2O2= 2H2O，C正確；D氫氧燃料電池總反