楊劍花
一、什么是化學學科核心素養(yǎng)?
高中化學課程標準修訂組根據“中國學生發(fā)展核心素養(yǎng)(征求意見稿)”和高中化學課程特點,提出了包括“宏觀辨識與微觀探析”、“變化觀念與平衡思想”、“證據推理與模型認知”、“實驗探究與創(chuàng)新意識”、“科學精神與社會責任”等五個要素的高中化學核心素養(yǎng)(簡稱“化學核心素養(yǎng)”)。
關于化學核心素養(yǎng)培養(yǎng)的真正落腳點在哪里,應該如何在實際教學中將該核心素養(yǎng)融入其中,對于核心素養(yǎng)的五大要素在不同的教學環(huán)節(jié)和不同的教學內容中又是如何真正得以實現(xiàn)并落實……等等,都必須通過我們的教學實踐活動不斷地去研究與探索、提煉與總結。本文通過“原電池原理及應用”一輪復習課教學設計為例,闡述筆者對核心素養(yǎng)某些要素的理解與實踐。
二、教學設計思路
“原電池原理及應用”高三復習課主要包括以下知識點:原電池工作原理,常見的化學電源和金屬的腐蝕及防護。這三塊內容涉及的知識本質上均是原電池的原理。本節(jié)課在設計時以金屬的腐蝕引入并復習原電池的工作原理,通過問題驅動,嘗試將該反應設計成金屬-空氣電池,由金屬-空氣電池→鋰-空氣電池→鋰金屬電池→鋰離子電池為主線,在電池的設計和改進過程中,體會化學學科的價值,體會科學家的思維脈絡,激發(fā)學生熱愛科學、將科學知識原理應用于生產、生活及科技領域的強烈愿望,培養(yǎng)學生“科學精神與社會責任”的化學學科核心素養(yǎng)。
三、教學過程
情景創(chuàng)設:課件展示鋼鐵腐蝕的圖片,全世界每年因金屬腐蝕造成的直接經濟損失占GDP的2%~4%,超過所有自然災害造成損失的總和,導致極大的浪費。
問題一:寫出鋼鐵腐蝕過程的總反應方程式(4Fe+3O2+2nH2O=2Fe2O3·nH2O)
問題二:雖然以上反應導致鋼鐵生銹而造成巨大經濟損失,但是換個角度思考該反應是否有利用價值,從物質轉化和能量轉化兩個角度思考?
從物質轉化角度看:該反應中鐵粉可用于封閉環(huán)境中吸收氧氣,比如用作食品脫氧劑等
從能量轉化角度看:可以利用該反應的熱能,如市售的暖寶寶、自熱食品等
展示暖寶寶和自熱食品圖片及配料表,共同配料:鐵粉、活性炭、氯化鈉、水
追問:里面的發(fā)熱包是怎么做到快速放熱的?
設計意圖:引導學生一分為二看問題,讓學生建立研究反應的兩種角度,物質變化和能量變化,即化學核心素養(yǎng)中的“變化觀念”
問題三:既然暖寶寶和自熱食品涉及的是原電池反應,但最終化學能還是轉化為熱能,說明缺少合適的裝置將化學能轉化為電能,請大家設計一套裝置將上述反應的化學能轉化為電能。該裝置是如何將化學能轉化為電能?分析該電池的工作原理,寫出電極反應式,總反應式。
練習1:金屬(M)–空氣電池(如下圖)具有原料易得、能量密度高等優(yōu)點,有望成為新能源汽車和移動設備的電源。該類電池放電的總反應方程式為:4M+nO2+2nH2O=4M(OH)n。思考并回答以下問題:
1.采用多孔電極的目的是什么?
(提高電極與電解質溶液的接觸面積,并有利于氧氣擴散至電極表面)
2.該電池工作時內電路中離子如何移動?如果去掉陰離子交換膜,離子又如何移動?
3.在Mg–空氣電池中,為防止負極區(qū)沉積Mg(OH)2,應采用什么離子交換膜?
4.M–空氣電池放電過程的正極反應式如何書寫?
設計目的:鞏固原電池工作原理分析,突破離子交換膜的應用
問題四:上述金屬—空氣電池是一次性電池,不可再充電,放電完全后只能更換負極板。美國佛羅里達州設計的一款電動汽車,電源就用鋁做負極,更換一次負極板可以行使1600公里。為什么用鋁-空氣電池而不用鐵-空氣電池?
設計意圖:設計輕而容量大的電池是人類追求的目標,但負極反應物的選擇不是盲目的,在目前已有知識的基礎上,學生應該建立一個有序思維模型。模型認知能力是以后解決眾多問題的一個重要能力。真實地電池研發(fā)同時還受制于材料的開發(fā),學生通過化學史感知科學研究的不易。
學生很快意識到應該提高單位質量電池的容量,應該尋找單位質量提供電子物質的量最大的金屬。例如Zn:65克~2mole—;Fe:56克~2mole—;Al:27克~3mole—。根據此思路可以將常見金屬提供1mol電子所需質量(克)由大到小排列:
BeLiAlMgCaNaFe....
4.57912202328....
在電池工業(yè)上,用比容量(單位質量的電極材料能釋放出的最大電能)來衡量電極的容量。鈹及其化合物毒性大,不適合做電極,目前比容量最大的是鋰,所以現(xiàn)在手機等便攜式的設備多用鋰電池。其次是鋁,鋁的價格便宜,安全性好,比容量大,所以鋁—空氣電池經常用作航海航標燈、水下潛艇等的電源。
練習2:鋰—空氣電池的放電原理如圖(隔膜只允許鋰離子通過),電池放電時的反應可表示為:4Li+O2+2H2O=4LiOH。思考并回答以下問題:
1.寫出負極電極反應式?
2.鋰常用于制作電池主要是因為什么?
3.放電時,內電路中Li+如何移動?
4.為什么負極去用有機電解液,而不用水性電解液?
5.若去掉隔膜和有機電解液,電池反應會不會改變?
6.以上鋰-空氣電池的致命缺陷在哪里?
(有機電解液一般是用碳酸酯類溶劑,溶解LiClO4、LiPF6等鋰鹽;隔膜允許Li+通過)
設計意圖:進一步強化原電池工作原理,電極反應式書寫及離子移動方向
以上鋰—空氣電池有個致命缺陷就是生成的LiOH會在正極上堆積,使電解液與空氣的接觸被阻斷,從而導致放電停止。因此鋰—空氣電池目前仍在開發(fā)中,市場上還買不到。
改進:正極活性物質改為金屬氧化物或其他固體、液體氧化劑,比如鋰二氧化錳Li/MnO2電池主要應用于照相機以及電子儀器設備的記憶電源,鋰亞硫酰氯Li/SOCl2電池主要應用于需要較大功率的無繩電動工具的電源等。
展示鋰-二氧化錳電池、鋰-亞硫酰氯電池的用途,電極材料,總反應式和電極反應式。
鋰電池具有比能量高、壽命長、耐漏液等優(yōu)點,目前廣泛應用在手機、筆記本電腦上,但由于鋰的化學性質太活潑,帶來極高的危險性,安全性較差。若電池外殼稍微裂開,空氣漏進去,容易和鋰反應放熱而爆炸;或者電池廠商為提升電池的能量密度,使用了較薄的隔膜,不能有效隔離正負極,進而引發(fā)電池的短路而爆炸等。
改進:用石墨作負極,鈷酸鋰、錳酸鋰、磷酸鐵鋰等含鋰化合物材料作正極,研究表明這些材料的結構中形成了納米級的細小微孔,可用來儲存鋰離子,這樣一來,即使電池外殼破裂,氧氣進入,由于氧分子太大進不了這些細小的微孔中,使得鋰不會和氧氣接觸而避免爆炸。而且石墨作負極材料無毒,且資源充足,鋰離子嵌入碳中,克服了鋰的高活性,解決了上述鋰電池存在的安全問題。此類電池稱為鋰離子電池。鋰離子電池的充放電過程,就是鋰離子的嵌入和脫嵌過程。當電池放電時,嵌在負極碳層中的鋰失電子生成離子脫出,經過電解液、隔膜運動到正極,并嵌入到正極材料的微孔中;當對電池進行充電時則相反,電池的正極上有鋰離子脫出,經過電解液運動到負極,嵌入到碳層的微孔中。在鋰離子的嵌入和脫嵌過程中,同時伴隨著與鋰離子等物質的量的電子的轉移。如下圖所示:
練習3:現(xiàn)如今太陽能電池已經廣泛地應用于生產生活中,現(xiàn)代四大發(fā)明之一的共享單車也用上了太陽能電池。哈羅單車前面載物籃的底座就是太陽能電池,電極材料是LixC6/LiCoO2,太陽能電池的原理如圖所示,放電時正極反應為xLi++xe-+Li(1-x)CoO2==LiCoO2,下列說法不正確的是()
A.陽光照射該電池時,能量轉化過程:太陽能→電能→化學能
B.光照時負極的質量減少C.太陽能電池板材料是Si
D.開鎖時,電池總反應為Li1-xCoO2+LixC6==LiCoO2+6C
講述:我們班的林楷睿同學在今年5月份獲得69屆英特爾國際工程和科學大獎賽二等獎,他的獲獎項目《基于硬碳/石墨混合正極的鉀雙離子電池》,該電池是在鋰離子電池的基礎上進行改進,下面請楷睿同學講講他的電池工作原理以及相比鋰離子電池的優(yōu)勢。
楷睿同學上臺分享他的科技成果。介紹鉀雙離子的電極材料,有機電解液,工作原理,以及改進后的優(yōu)勢。
鉀雙離子的優(yōu)勢在于用硬碳/石墨代替鈷酸鋰等含鋰化合物做正極,極大地降低了成本,而且也沒有了鈷等元素的污染,體現(xiàn)了綠色化學的思想??5姆窒恚屚瑢W們更加覺得創(chuàng)新離我們很近,化學的應用并不是遙不可及,希望將來我們班能有一些同學從事這方面的研究,為國家的科技發(fā)展貢獻力量。
結語:金屬的腐蝕是生活中的普遍現(xiàn)象,這是一個真實情景,每個學生都有切身體會,借助“金屬的腐蝕”能讓學生感知真實的化學。本節(jié)課的復習過程中嘗試培養(yǎng)學生“宏觀—微觀—符號”相結合的方式表征化學反應的素養(yǎng),讓學生形成物質在一定條件下可發(fā)生變化,變化的過程遵循能量守恒的觀念。將金屬腐蝕反應設計成金屬-空氣電池,利用原電池模型分析鋰電池工作原理,在一系列電池的設計與改進的過程中體會化學學科的思維脈絡,對原電池本職屬性的認知建構起解決原電池問題的認知模型,體現(xiàn)“證據推理與模型認知”的化學核心素養(yǎng);通過鋰離子電池電極材料微觀結構分析,體現(xiàn)“宏觀辨識與微觀探析”的化學核心素養(yǎng);通過化學電源鋰電池的應用、改進、發(fā)展的學習,激發(fā)學生熱愛科學、發(fā)現(xiàn)科學美并將科學知識原理運用于生產、生活及科技領域的強烈愿望,體現(xiàn)“科學精神和社會責任”化學核心素養(yǎng)。整節(jié)課通過一些列問題以及練習的解決使學生保持對物質及其變化的好奇和探究欲望,培養(yǎng)學生積極探索科學問題的熱情和解決生產生活中的化學問題的擔當和能力,突出化學科學對提高人類生活質量和促進讓人類社會發(fā)展的價值。