《制作简单的燃料电池》教案

《制作简单的燃料电池》教案课标解读1．内容要求认识化学能与电能相互转化的实际意义及其重要应用；了解原电池及燃料电池的工作原理；了解电解池的工作原理，认识电解在实现物质转化和储存能量中的具体应用。2．学业要求能分析、解释原电池和电解池的工作原理，能设计简单的原电池和电解池。教材分析“电解水”和“氢氧燃料电池”是初、高中化学课程“化学与电能相互转化”中的重要内容。初中教材介绍了氢能是绿色能源，以及化学电池（包括燃料电池）放电时的能量转化方式，为到高中阶段进一步学习燃料电池的工作原理奠定基础。燃料电池是高中化学重要的知识点，其中氢氧燃料电池是最简单的燃料电池。在新教材必修2中简要介绍了化学反应与电能，设计了探究实验“简易电池的设计与制作”，对燃料电池的介绍则出现在“科学.技术.社会”栏目中，介绍了燃料电池装置，特点，优点以及在航天、军事和交通等领域的应用前景，但并未对具体的工作原理进行深入详细的介绍。选择性必修1化学反应原理专门对燃料电池做了非常详细的介绍，从电解水产生氢气、氧气出发，让学生进行证据推理与模型认知进入探究氢氧燃料电池的工作原理，并对电极反应方程式进行了详细的介绍，在此基础上进一步介绍燃料电池发展的优势。此时并没有马上安排燃料电池，因为学生还没有学习电解池。教材中安排了电解池的详细教学内容后，安排了学生实验5《制作简单的燃料电池》将必修2的探究活动“简易电池的设计与制作”模型进行了延伸拓展，结合原电池与电解池的知识，开展学生必做实验活动《制作简单的氢氧燃料电池》，很好地发展了学生“证据推理与模型认知”、“科学探究与创新意识”的化学学科核心素养。学情分析制作简单的燃料电池安排在学生学完了电化学相关知识后进行开展，使得学生的理论知识比较充分。但燃料电池在生活中并不常见，学生对其缺乏感性认识，必修二教材中只配以简单的文字介绍，没有燃料电池的原理图和实验，很有可能使学生对“它究竟能不能向外界提供电”产生怀疑。在选择性必修一的教材中提供了燃料实验装置图，虽然装置简单但存在两方面的实际问题：一、在实际课堂中，学生往往是通过观看视频或者模拟动画进行学习，教师很少会做燃料电池相关的演示实验，更不用说让学生自己动手制作燃料电池。这使得学生对燃料电池的构造和工作原理缺乏感性认识。二、教材中的制作简单的燃料电池实验，虽然装置简单，但石墨棒的烘干活化处理根本没有提到具体的方法，这使得实验操作复杂，缺乏了趣味性，成功率又低，更加不利于学生认知燃料电池的工作原理。素养目标【教学目标】能设计简单的原电池；能运用原电池思维模型分析其工作原理，能用电极反应表示其中发生的化学反应，体会变化与守恒思想；能从物质变化和能量变化的角度分析新型电池的研发和利用，培养责任意识和创新精神。【评价目标】通过对简单燃料电池的设计。诊断学生对原电池组成构成的掌握程度；通过对燃料电池、电解水的分析对比研究，诊断学生对原电池、电解池的工作原理、结构、电极反应式的分析推理能力与模型建构能力。教学重点、难点教学重点：燃料电池工作原理的理解；电解装置与燃料电池装置的组装。教学难点：电解装置与燃料电池装置的组装；石墨电极的活化处理。教学方法教法：建立燃料电池实验模型、认识并应用燃料电池实验模型学法：小组交流合作讨论、小组实验、总结归纳教学思路②实验原理的模型建立：课前实验活动预习任务布置“完成燃料电池的装置示意图”，课堂展示学生装置示意图并进行讲解，通过装置图引导学生完成实验用品的准备①情境导入：通过展示燃料电池城市客车图片和燃料电池性能介绍激发学生学习兴趣②实验原理的模型建立：课前实验活动预习任务布置“完成燃料电池的装置示意图”，课堂展示学生装置示意图并进行讲解，通过装置图引导学生完成实验用品的准备①情境导入：通过展示燃料电池城市客车图片和燃料电池性能介绍激发学生学习兴趣④实验过程：通过观看实验进行实验现象记录，师生共同完成实验现象的分析③问题与讨论：以表格形式直观简要的呈现电解水和氢氧燃料电池的工作原理对比④实验过程：通过观看实验进行实验现象记录，师生共同完成实验现象的分析③问题与讨论：以表格形式直观简要的呈现电解水和氢氧燃料电池的工作原理对比⑤联系实际：要求学生根据实验所得利用书籍、网络等进行燃料电池⑤联系实际：要求学生根据实验所得利用书籍、网络等进行燃料电池性能、构成、特点、应用范围及发展历史，并结合燃料电池的发展前景，谈谈对研发新型电池意义的理解。教学过程环节教师活动学生活动情境导入【教师讲解】提供燃料电池城市客车图片，讲解燃料电池的优越性：供电量易于调节，能适应电器负载的变化，不需要很长的充电时间，在航天、军事和交通等领域有广阔的应用前景。认真倾听，提升兴趣。实验原理的模型建立【教师提问】我们能否在实验室制作一个燃料电池？你们能否尝试画一画实验装置图？【教师讲解】氢氧燃料电池的装置图设计、电解水的装置图设计。二者并联后的实验原理模型图的建立【教师讲解】教师引导学生根据并联后的装置图来罗列实验所需要的的仪器和药品：仪器：U形管、石墨棒、可调节的直流电源、鳄鱼夹、导线、发光二极管、万用电表。药品：1mol/LNa2SO4溶液、酚酞溶液。设计电解水、氢氧燃料电池的装置图。认真听老师进行评价分析。根据实验装置图罗列实验用仪器和药品。实验过程与现象、结论解释【教师活动】教师进行实验进行，同时引导学生对实验现象进行记录并在实验结束后进行讲解：电解水阳极现象：阴极现象：实验解释：氢氧燃料电池正极现象：负极现象：实验解释：认真观看实验；进行实验现象记录；自主进行实验现象解释。问题与讨论【教师讲解】教师罗列表格大纲要求学生比较氢氧燃料电池和电解水的工作原理并呈现学生答案进行讲解：根据教师提供的表格进行列表对比电解水和氢氧燃料电池的工作原理；认真听老师进行讲解分析归纳总结。联系实际【教师引导】为什么燃料电池的供电量易于调节？为什么它不需要很长的充电时间？@信息搜索：同学们能否通过网络、书籍等渠道，调查了解燃料电池的性能、构成、特点、应用范围及发展历史，并结合燃料电池的发展前景，谈谈你对研发新型电池意义的理解。思考与交流课下进行自主调研活动板书设计主板书：实验活动5制作简单的燃料电池实验目的：实验原理：实验用品：实验过程：实验记录：问题讨论：副板书：实验现象记录1.电解水阳极：阴极：2.氢氧燃料电池负极：正极：课堂练习1．燃料电池是目前电池研究的热点之一。现有某课外小组自制的氢氧燃料电池，如图所示，a、b均为惰性电极。下列叙述不正确的是()A．a电极是负极，该电极上发生氧化反应B．b极反应是O2+4OH--4e-=4H2OC．总反应方程式为2H2+O2=2H2OD．使用过程中电解质溶液的pH逐渐减小2．燃料电池是燃料跟氧气（或空气）起反应将化学能转变为电能的装置。下列关于甲烷燃料电池（电解质溶液是强碱溶液）的说法正确的是()A．正极反应式：B．负极反应式：C．随着放电的进行，溶液中C(OH-)不变D．放电时溶液中的阳离子向负极移动3．科技工作者利用催化剂和电化学原理还原，使其转化为可被利用的燃料。如图所示装置就可以将CO2转化为燃料CO。下列有关判断正确的是()A．该装置的电化学原理为电解原理，M电极发生氧化反应B．该装置工作时，N电极的电极反应为C．质子由N电极区通过质子交换膜移向M电极区D．外电路中流过10mol电子，理论上可收集70g燃料4．如图为一种微生物燃料电池结构示意图，关于该电池叙述正确的是()A．放电过程中，H+从正极区移向负极区B．正极每消耗1molMnO2有2molOH-迁移至负极C．微生物所在电极区放电时发生还原反应D．左边电极反应式为：MnO2+4H++2e﹣=Mn2++2H2O5．科学家预言，燃料电池将是21世纪获得电力的重要途径，美国已计划将甲醇燃料电池用于军事。一种甲醇燃料电池是采用铂或碳化钨作为电极催化剂，在稀硫酸电解质中直接加入纯化后的甲醇，同时向一个电极通入空气。回答下列问题：(1)这种电池放电时发生的化学反应方程式：_________。(2)此电池的正极发生的电极反应：________，负极发生的电极反应：________。(3)电解液中H+向___极移动，向外电路释放电子的电极是_____。(4)使用该燃料电池的另一个好处是________。【课堂练习参考答案】1.B2.A3.B4.D5.（1）2CH3OH+3O2=2CO2+4H2O（2）3O2+12H++12e-=6H2O2CH3OH+2H2O-12e-=2CO2+12H+正负极对环境无污染《制作简单的燃料电池》作业设计一、单项选择题I1．锂水电池是一种可用于鱼雷和潜艇的贮备电池。该电池的电极材料是Li和钢板，电解质为LiOH，使用时加水即可工作。下列有关该电池的说法正确的是()A．Li为负极，电池工作时，Li电极生成B．钢板为正极，水在该电极被氧化C．放电时，水中的向正极移动D．电池工作时，水只起到溶剂作用，溶解电解质【参考答案】C【质量水平】考点细化内容质量水平原电池原理ALi为负极，负极反应为，不产生，正极才产生L2B钢板为正极，正极反应为，水被还原L2C电池工作时，阳离子移向正极L1D电池工作时，水既是溶剂又是氧化剂L22．下列说法不正确的是()A．一次电池要回收利用防止污染B．铅蓄电池是一次电池C．二次电池又叫蓄电池，它放电后可以再充电使活性物质获得再生D．燃料电池能量转化率高，活性物质由外界加入，可实现连续不间断供电【参考答案】B【质量水平】考点细化内容质量水平化学电源种类A一次电池主要含铁、锌、锰等，此外还含有微量的汞，汞是有毒的，电池要回收利用防止污染L1B铅蓄电池为可充电电池，是二次电池L1C二次电池又称为充电电池或蓄电池，是指在电池放电后可通过充电的方式使活性物质激活而继续使用的电池L2D燃料电池为一种把燃料所具有的化学能直接转换成电能的化学装置，能量转化率高，活性物质由外界加入，可实现连续不间断供电L23．如图为一种微生物燃料电池结构示意图，关于该电池叙述正确的是()A．放电过程中，H+从正极区移向负极区B．正极每消耗1molMnO2有2molOH-迁移至负极C．微生物所在电极区放电时发生还原反应D．左边电极反应式为：MnO2+4H++2e﹣=Mn2++2H2O【参考答案】D【质量水平】考点细化内容质量水平陌生燃料电池A放电时，阳离子向正极区移动L1B正极每消耗1molMnO2转移2mol电子，两极间有质子交换膜，氢氧根离子不能穿过L2C微生物所在电极区放电时，碳元素化合价升高，发生氧化反应L2D左边电极为正极，锰元素化合价降低，发生还原反应，反应式为：MnO2+4H++2e﹣=Mn2++2H2OL24．科技工作者利用催化剂和电化学原理还原，使其转化为可被利用的燃料。如图所示装置就可以将转化为燃料CO。下列有关判断正确的是()A．该装置的电化学原理为电解原理，M电极发生氧化反应B．该装置工作时，N电极的电极反应为C．质子由N电极区通过质子交换膜移向M电极区D．外电路中流过10mol电子，理论上可收集70g燃料【参考答案】B【质量水平】考点细化内容质量水平陌生化学电源A该电化学装置为原电池装置L2B发生氧化反应，发生还原反应，故M电极为负极，N电极为正极，N电极的电极反应为L2C原电池工作时，阳离子从负极移向正极，即质子从M电极区通过质子交换膜移向N电极区L2D由N电极的电极反应式可知，外电路中通过2mol电子时，生成1molCO，故外电路中通过10mol电子，理论上可生成5molCO，即140gCOL35．以Fe3O4/Pd为催化材料，利用电化学原理实现用H2消除酸性废水中的目的，其反应过程如图3所示[已知Fe3O4中Fe元素化合价为+2、+3价，分别表示为Fe(Ⅱ)、Fe(Ⅲ)]。下列说法错误的是()A．Fe(Ⅱ)与Fe(Ⅲ)的相互转化起传递电子的作用B．处理的电极反应式为2+6e-+4H2O=N2↑+8OH-C．用该法处理后，水体的pH升高D．消耗标准状况下6.72LH2，理论上可处理含4.6mg·L-1的废水2m3【参考答案】B【质量水平】考点细化内容质量水平陌生化学电源AH2消除酸性废水中的致癌物的总反应为：2H++2+3H2N2+4H2O，Fe(Ⅱ)与Fe(Ⅲ)的相互转化起到了传递电子的作用L2B过程①是在酸性条件下被还原生成N2，电极反应为2+8H++6e-＝N2↑+4H2OL3C总反应方程式为2H++2+3H2N2+4H2O，消耗氢离子，用该法处理后，水体的pH升高L3D总反应方程式为2H++2+3H2N2+4H2O，消耗标准状况下6.72L即0.3molH2，理论上可处理0.2mol，质量是0.2mol×46g/mol=9.2g，即处理4.6mg•L-1的废水体积是2m3L36．燃料电池是燃料（如、、等）跟氧气（或空气）起反应将化学能转变为电能的装置。下列关于甲烷燃料电池（电解质溶液是强碱溶液）的说法正确的是()A．正极反应式：B．负极反应式：C．随着放电的进行，溶液中不变D．放电时溶液中的阳离子向负极移动【参考答案】A【质量水平】考点细化内容质量水平燃料电池原理A原电池工作时，氧气在正极得电子发生还原反应，电极反应式为L2B是酸性氧化物，在碱性条件下生成，原电池工作时，甲烷在负极失去电子发生氧化反应生成碳酸根，电极反应式为L2C电池总反应为，反应中消耗，溶液中降低，L2D原电池工作时，阴离子向负极移动，阳离子向正极移动L17．燃料电池是目前电池研究的热点之一。现有某课外小组自制的氢氧燃料电池，如图所示，a、b均为惰性电极。下列叙述不正确的是()A．a电极是负极，该电极上发生氧化反应B．b极反应是O2+4OH--4e-=4H2OC．总反应方程式为2H2+O2=2H2OD．使用过程中电解质溶液的pH逐渐减小【参考答案】B【质量水平】考点细化内容质量水平燃料电池原理A在燃料电池中，通入燃料氢气的电极为负极，负极上发生氧化反应：H2-2e-+2OH-=2H2OL1B通入氧气的电极为正极，正极上发生还原反应：O2-4e-+2H2O=4OH-L2C该燃料电池总反应方程式为2H2+O2=2H2OL2D根据燃料电池总反应方程式可知，使用过程中电解质溶液的水不断增加，而溶质的物质的量不变，所以溶液的体积逐渐增大，故pH逐渐减小L3二、单项选择题II8．一种双室微生物燃料电池污水净化系统原理如图所示，图中酸性污水中含有的有机物用表示。下列有关该电池的说法不正确的是()A．正极的电极反应为B．电池的总反应为C．该交换膜可选用质子交换膜D．若将溶液改为，当有参与反应时，理论上转移电子【参考答案】D【质量水平】考点细化内容质量水平陌生燃料电池A正极发生还原反应，由题图中的电极反应物和电极产物可知，正极反应为L3B酸性条件下，在负极失去电子被氧化成二氧化碳，则负极的电极反应为，正、负电极反应相加即得电池总反应：L3C电极乙为负极，负极附近产生的通过交换膜向正极移动，则该交换膜可选用质子交换膜L2D指明氧气所处状态是否为标准状况，不能确定其物质的量L39．电解一定量的硫酸铜溶液的实验装置如图1所示，电解的实验数据如图2所示，横轴表示电解过程中转移电子的物质的量，纵轴表示电解过程中产生气体的总体积(标准状况下)。则下列说法正确的是A．开始时b电极上有红色物质析出，而后有气泡产生B．a电极上的电子经溶液流向b电极再流入直流电源C．在PQ段，产生的和的体积之比为1：2D．从开始到Q点，装置中产生的气体中有0.1mol【参考答案】D【质量水平】考点细化内容质量水平电解池原理A根据电流方向可知，a为电解池的阴极、b为电解池的阳极。b电极上无红色物质析出，但一直有氧气产生，L2B电子仅在外电路中移动，溶液中为阴、阳离子的定向移动，L2C由图象和反应过程可知，刚开始为电解溶液的过程，仅有氧气生成，PQ段为电解的过程，则PQ段a电极上生成氢气，b电极上生成氧气，且二者的体积之比为2：1L3D在电解过程中，每转移4mol电子，有1mol生成，