山東曲阜師范大學(xué)附屬中學(xué) 孫 航
《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)(2017年版)》提出,化學(xué)學(xué)科的核心素養(yǎng)包括“宏觀辨識(shí)與微觀探析”“變化觀念與平衡思想”“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”“科學(xué)探究與創(chuàng)新意識(shí)”“科學(xué)態(tài)度與社會(huì)責(zé)任”五個(gè)方面。相比而言,前三個(gè)方面的內(nèi)容在平時(shí)的授課中更容易涉及,而基于實(shí)踐層面和更高層面的“科學(xué)探究與創(chuàng)新意識(shí)”和“科學(xué)態(tài)度與社會(huì)責(zé)任”兩方面與生活實(shí)際聯(lián)系更緊密,教師需要結(jié)合恰當(dāng)?shù)慕虒W(xué)內(nèi)容,在教學(xué)中適時(shí)引導(dǎo)學(xué)生思考討論,達(dá)到全面培養(yǎng)學(xué)生化學(xué)核心素養(yǎng)的目的。
學(xué)生已經(jīng)學(xué)習(xí)了原電池的工作原理和基本構(gòu)成要素,明白其中存在化學(xué)能和電能的轉(zhuǎn)化。對銅鋅原電池的電化學(xué)過程已經(jīng)有了一定的認(rèn)識(shí),初步掌握了原電池的基本模型。通過本課學(xué)習(xí),學(xué)生能更深入地掌握原電池原理模型,能從更微觀的氧化還原角度理解原電池工作原理,從電子轉(zhuǎn)移的角度分析原電池,并能在掌握原電池原理模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行簡單的設(shè)計(jì),以及避免常見的常溫下不能發(fā)生的反應(yīng)不可以做原電池的誤區(qū),深入理解化學(xué)能和電能的轉(zhuǎn)換。
通過查閱資料和生活常識(shí),從實(shí)際應(yīng)用出發(fā),培養(yǎng)學(xué)生利用所學(xué)化學(xué)原理解決實(shí)際問題以及使用化學(xué)學(xué)科思想方法提出問題的能力。例如,如何發(fā)現(xiàn)某原電池的缺點(diǎn)、如何改善其缺點(diǎn)、如何根據(jù)不同的需要設(shè)計(jì)不同的原電池等。
培養(yǎng)學(xué)生體會(huì)化學(xué)就在我身邊,綠色化學(xué)從我做起,培養(yǎng)學(xué)生可持續(xù)發(fā)展意識(shí)。
(1)銅鋅原電池的實(shí)際使用弊端。(2)變性淀粉資料。(3)用于心臟起搏器的電池。(4)鉛中毒資料。(5)甲醇燃料電池資料。
教師引入:“之前我們學(xué)習(xí)的銅、鋅、稀硫酸原電池可以產(chǎn)生電流,讓小燈泡發(fā)亮。如果野外求生時(shí)帶這樣的電池和燈泡組合有哪些缺點(diǎn)?”學(xué)生討論,設(shè)想實(shí)際情境并發(fā)現(xiàn)問題。
【實(shí)際問題1】硫酸會(huì)灑出來。
教師聯(lián)系電池發(fā)展史,提供書籍《電池的秘史》85~86頁復(fù)印件,提出問題:“歷史上,人們在使用銅、鋅、稀硫酸組成的原電池遇到了哪些問題?”請學(xué)生設(shè)計(jì)方案解決硫酸灑出來的問題。學(xué)生思考:“硫酸溶液是液體且流動(dòng)性好,所以容易灑出來。”教師提問:“生活中什么物質(zhì)可以讓流動(dòng)性好的液體變粘稠?”學(xué)生回答:“加入淀粉有可能讓流動(dòng)性好的硫酸溶液變粘稠,但是廚房中使用的淀粉溶液不能長久保存,因此最好找容器把硫酸密封起來。”“負(fù)極材料鋅和正極材料銅都可以用來密封,選擇鋅較好?!苯處熜〗Y(jié):“淀粉溶液不能長久保存,人們做了很多努力嘗試改進(jìn)這一問題(提供課外閱讀材料)。同時(shí),人們嘗試用消耗性的負(fù)極材料金屬鋅作為外殼,把整個(gè)電池裝置密封起來。”
【實(shí)際問題2】隨著電池的使用,鋅外殼變薄。內(nèi)部液態(tài)的電解質(zhì)會(huì)很快漏光。
學(xué)生解決:“給電池加塑料外殼。”
【實(shí)際問題3】硫酸的濃度選擇。
教師引導(dǎo)學(xué)生從微觀角度理解原電池工作原理和反應(yīng)實(shí)質(zhì)。學(xué)生解決:“硫酸濃度高反應(yīng)快,硫酸濃度低總電量少。最好選自由移動(dòng)的氫離子濃度低、氫離子總量高的酸。反應(yīng)實(shí)質(zhì)是硫酸中的氫離子反應(yīng),所以把強(qiáng)酸硫酸換成弱酸更好?!?/p>
【實(shí)際問題4】密封的鋅桶,產(chǎn)生氫氣,容易炸。
教師引導(dǎo)學(xué)生從氧化還原角度理解原電池工作原理,可以通過改變氧化還原反應(yīng)來改變原電池。學(xué)生解決:“換一種能與鋅發(fā)生氧化還原反應(yīng)且不產(chǎn)生氫氣的物質(zhì)?!苯處煟骸白钤绲幕瘜W(xué)電池——鋅錳電池,糊狀物為氯化銨顯酸性,而且不釋放出氣體。為了延長電池壽命和提高性能,人們又在此基礎(chǔ)上研制了堿性鋅錳電池。自放電更少,電池壽命更長?!苯處熣故緣A性鋅錳電池電極構(gòu)造示意圖和電極反應(yīng)式。學(xué)生討論堿性鋅錳電池優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。
【實(shí)際問題5】堿性鋅錳電池只能使用一次,比較浪費(fèi)。
學(xué)生解決:“設(shè)計(jì)可反復(fù)使用的二次電池?!苯處煟骸皩懗錾钪谐R姷亩坞姵氐你U酸電池和鋰離子電池的充放電總反應(yīng)式?!睂W(xué)生寫出電極反應(yīng)式。
教師給出資料,電動(dòng)車常用的鉛酸電池中含有鉛,展示鉛對環(huán)境和人的影響。學(xué)生討論鉛酸電池和鋰離子電池的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。
【實(shí)際問題6】聯(lián)系實(shí)際,設(shè)計(jì)一款二次電池最好符合哪些要求?
學(xué)生解決:“選擇對環(huán)境無污染的物質(zhì)。根據(jù)原電池原理模型判斷,應(yīng)選擇相同質(zhì)量給出電子多的元素?!苯處熣故静糠衷氐哪栙|(zhì)量與價(jià)電子數(shù)之比(見表1)。
表1 部分元素的摩爾質(zhì)量與價(jià)電子數(shù)之比
學(xué)生解決:“越靠近表格左邊的元素,相同質(zhì)量給出的電量越多,因此可選用左邊的元素做電池負(fù)極?!苯處煟骸耙?yàn)锽e具有毒性,因此一般研究制作電池不考慮Be?!闭故静煌刈麟姵刎?fù)極材料的研制年代(見表2)。
表2 不同元素作電池負(fù)極材料的研制年代
【實(shí)際問題7】如何讓相同質(zhì)量給出的電量多的氫氣作負(fù)極,制作原電池?
學(xué)生思考:“原電池本質(zhì)為自發(fā)進(jìn)行的氧化還原反應(yīng)。最常見的氫氣發(fā)生氧化反應(yīng)的氧化還原反應(yīng)為氫氣燃燒?!睂W(xué)生討論如何把氫氣的燃燒反應(yīng)設(shè)計(jì)為原電池。教師提供氫氧燃料電池的電極反應(yīng)和裝置,學(xué)生動(dòng)手組裝燃料電池。(因課堂時(shí)間有限,實(shí)驗(yàn)是第二個(gè)課時(shí)的內(nèi)容)
【實(shí)際問題8】組裝的燃料電池的技術(shù)難點(diǎn)和應(yīng)用難點(diǎn)。
教師:“三星公司早在2006年就公布了Q35筆記本電腦使用燃料電池,為何現(xiàn)在我們使用的還是鋰電池?燃料電池有哪些優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)?請閱讀并查找資料寫一篇小論文。”
《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)(2017年版)》提出,讓問題和任務(wù)引領(lǐng)課堂,在現(xiàn)實(shí)情境中開展教學(xué)。本課的難點(diǎn)不僅在于要讓學(xué)生理解原電池模型并進(jìn)行應(yīng)用,還需要引導(dǎo)學(xué)生設(shè)想現(xiàn)實(shí)中實(shí)際發(fā)生的現(xiàn)象,自己找出存在的問題,并提出符合科學(xué)邏輯的解決問題的猜想。
作為一節(jié)與實(shí)際生活聯(lián)系緊密的課程,學(xué)生本身就有很多相關(guān)常識(shí)和感悟。除了參與課程的積極性高,更容易發(fā)展其“科學(xué)探究與創(chuàng)新意識(shí)”和“科學(xué)態(tài)度與社會(huì)責(zé)任”較高層面的化學(xué)學(xué)科素養(yǎng)。在討論“問題1”時(shí),電解質(zhì)溶液灑出問題,因其與生活相關(guān),學(xué)生較容易提出向溶液中摻淀粉嘗試調(diào)成糊狀的猜想。對比化學(xué)家的嘗試,明確加入淀粉電池就會(huì)發(fā)霉。既能增加學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣,還可以提醒學(xué)生一定要多方面考慮問題,同時(shí)權(quán)衡事物的利弊兩方面,明白滿足了電解質(zhì)溶液成糊這一個(gè)條件,不一定就可以直接應(yīng)用。此外,本課可使學(xué)生主動(dòng)對原電池原理及模型進(jìn)行更加深入的思考和探究。
需要注意是,有時(shí)學(xué)生的思路會(huì)跑偏或停滯,需要教師及時(shí)干預(yù)和引導(dǎo)。例如,針對“問題1”,在有學(xué)生提出為什么不用銅做外殼時(shí),討論出現(xiàn)停滯。教師適當(dāng)引導(dǎo)學(xué)生,與正極材料相比,該電池的負(fù)極材料被消耗,所以從成本上考慮,負(fù)極材料需要更多。為了降低成本,正極材料選導(dǎo)電、價(jià)廉的即可,不必使用太多。再如,展示廢電池中含有汞、鎘、鉛、鋅等重金屬有毒物質(zhì)的毒性影響時(shí),學(xué)生討論過于熱烈,教師適時(shí)提出問題“如何避免環(huán)境污染”對討論進(jìn)行干預(yù),同時(shí)也讓學(xué)生體會(huì)“綠色化學(xué)”從源頭上杜絕污染的精神。在課堂推進(jìn)方面,由于本課討論課的性質(zhì),教師要注意給予學(xué)困生更多回答問題的機(jī)會(huì),避免他們因“懶得”思考而直接聽答案的現(xiàn)象。本節(jié)課兩個(gè)班因條件所限,均采用集體授課模式,討論也是集體討論,猜想如果用小組討論的模式效果可能會(huì)更好。