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品味化學(xué)電源發(fā)展史,螺旋式認(rèn)識(shí)原電池原理

發(fā)布時(shí)間:2018-06-21 來(lái)源: 幽默笑話 點(diǎn)擊:


  摘要:以“化學(xué)電源”發(fā)展史為課堂教學(xué)素材,遵循課堂教學(xué)的科學(xué)發(fā)展觀,從能量與物質(zhì)變化兩個(gè)層面品味、解讀各時(shí)期經(jīng)典化學(xué)電源,分析、比較各時(shí)期化學(xué)電源的工作原理和特征,螺旋式認(rèn)識(shí)原電池工作原理,提出突破原電池工作原理的教學(xué)難點(diǎn)、重點(diǎn)的策略和建議。
  關(guān)鍵詞:化學(xué)電源;發(fā)展史;原電池原理;螺旋式
  文章編號(hào):1005–6629(2016)12–0085–05 中圖分類號(hào):G633.8 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:B
  許多學(xué)者[1、2、3]從不同視角對(duì)原電池工作原理以及課堂教學(xué)設(shè)計(jì)作了細(xì)致的研究,對(duì)教師準(zhǔn)確把握有關(guān)原電池的教學(xué)起到很大作用。本文試以“化學(xué)電源”的發(fā)展史為素材,遵循和挖掘化學(xué)史中所體現(xiàn)的科學(xué)發(fā)展規(guī)律,采用《物理化學(xué)》[4]中有關(guān)熱力學(xué)電極電位等相關(guān)理論,對(duì)原電池原理做出全面解讀(有關(guān)物理化學(xué)理論和計(jì)算,都出自該文獻(xiàn)),理解“螺旋式上升”教材的編寫理念及有關(guān)教學(xué)策略、設(shè)計(jì)的初衷[5],以饋?zhàn)x者。
  1 伏打電堆與Daniell電池
  教學(xué)建議:讓學(xué)生依據(jù)伏打電堆工作實(shí)景畫出等效電路圖,如圖1(c)。
  教學(xué)意義:許多學(xué)生開始對(duì)原電池的認(rèn)識(shí)只停留在電流表指針會(huì)偏轉(zhuǎn)這一“奇特”的現(xiàn)象上,教學(xué)中,教師引導(dǎo)學(xué)生通過(guò)畫出等效電路圖,可讓學(xué)生深刻體會(huì):原電池實(shí)際上就是一種電源裝置。
  比較伏打電堆與Zn|H2SO4|Cu所組成的單液電池發(fā)現(xiàn):前者裝置中并不存在一個(gè)顯而易見的自發(fā)的氧化還原反應(yīng),而后者很容易得出裝置中發(fā)生氧化還原反應(yīng)是發(fā)生原電池反應(yīng)前提的結(jié)論。
  教學(xué)建議:與其先引入Zn|H2SO4|Cu所組成的單液電池有關(guān)實(shí)驗(yàn),不如先展示伏打電堆這一最早的原電池,以避免學(xué)生產(chǎn)生電極必須參與反應(yīng)的錯(cuò)誤認(rèn)知。
  1.2 Daniell(丹尼爾)電池
  科學(xué)家Daniell在1836年采用鹽橋?qū)煞N電解質(zhì)溶液連通起來(lái)的裝置,解決了H+與金屬Zn接觸而發(fā)生反應(yīng)的問(wèn)題。鹽橋中的陰、陽(yáng)離子的遷移速率幾乎相同,如K+和Cl-的遷移率非常接近,當(dāng)鹽橋插入到濃度不大的兩電解質(zhì)溶液之間的界面時(shí),K+和Cl-向外擴(kuò)散是接界面上離子擴(kuò)散的主流,從而消除液接電位。
  教學(xué)困惑:電解質(zhì)溶液中的離子會(huì)進(jìn)入鹽橋嗎——由于鹽橋中的離子濃度很高,電化學(xué)反應(yīng)中電解質(zhì)溶液不會(huì)進(jìn)入鹽橋;若電解質(zhì)是AgNO3溶液時(shí),則不能使用KCl鹽橋,而應(yīng)使用NH4NO3鹽橋,其道理一樣——NH4+和NO3-的遷移速率也非常接近。
  隨著Daniell電池反應(yīng)的進(jìn)行,溶液中的c(Zn2+)升高,c(Cu2+)降低,在非標(biāo)態(tài)下的E(Zn2+/Zn)變正,E(Cu2+/Cu)變負(fù),最終E(Zn2+/Zn)=E(Cu2+/Cu),電流表指針歸零。
  此時(shí),若在電池的ZnSO4溶液中繼續(xù)加適量的固體ZnSO4溶解,在CuSO4溶液中加水稀釋,則c(Zn2+)升高,c(Cu2+)降低,則將發(fā)生Cu|Cu2+電極失去電子,而Zn|Zn2+電極得到電子,發(fā)生的電極反應(yīng)與Daniell電池反應(yīng)剛好相反,其總反應(yīng)為:Cu(s)+Zn2+(aq)=Zn(s)+Cu2+(aq)——是一個(gè)非自發(fā)的氧化還原反應(yīng)。
  對(duì)于Zn(s)+Cu2+(aq)=Zn2+(aq)+Cu(s)而言,該反應(yīng)是放熱反應(yīng),化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能易于理解,但對(duì)于相反的過(guò)程,其電能又是如何產(chǎn)生的?
  邢瑞斌等[7]在“能設(shè)計(jì)成原電池的反應(yīng)一定是放熱反應(yīng)嗎”一文中很好地回答了這一問(wèn)題,認(rèn)為放熱反應(yīng)不是發(fā)生原電池反應(yīng)的必要條件,原電池反應(yīng)是吸熱反應(yīng)時(shí),完全可以理解成電池反應(yīng)過(guò)程中吸收環(huán)境中提供的熱量(開放體系的化學(xué)電池),認(rèn)為原電池反應(yīng)必須是放熱反應(yīng)是建立在孤立體系的前提下的,實(shí)際上,反應(yīng)體系往往與外界有能量和物質(zhì)的交換,相關(guān)案例不再贅述。
  教學(xué)建議:對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)過(guò)程,何嘗不是如此?螺旋式上升的學(xué)習(xí)過(guò)程,對(duì)知識(shí)漸進(jìn)感悟的過(guò)程是客觀事實(shí),一步到位的教學(xué)思想不可取。
  2 采用《物理化學(xué)》中相關(guān)理論準(zhǔn)確認(rèn)識(shí)原電池工作原理
  2.1 金屬在鹽溶液中的“溶解-沉積”平衡和雙電層理論
  金屬在水溶液中存在著金屬的“溶解-沉積”過(guò)程,金屬與其一定濃度的鹽溶液會(huì)形成一種動(dòng)態(tài)平衡,金屬越活潑(如金屬Zn),越容易失去電子,Zn2+進(jìn)入溶液的傾向越大,進(jìn)入溶液的Zn2+受晶體負(fù)電荷的吸引,聚集到金屬表面附近,形成一個(gè)正電荷層,與晶體上的負(fù)電荷層形成雙電層,如圖2(a)、(c),在正負(fù)電層之間產(chǎn)生了一定的電位差,金屬銅也一樣,只是產(chǎn)生的電位方向相反,如圖2(b)。
  教學(xué)建議:教師設(shè)問(wèn)——Zn分別與Zn、Fe、石墨能否構(gòu)成原電池,指針是否偏轉(zhuǎn)?若把稀硫酸改成食鹽水,電流表指針會(huì)偏轉(zhuǎn)嗎?
  這樣的設(shè)問(wèn)可避免帶來(lái)一個(gè)問(wèn)題:學(xué)生原以為形成原電池需要兩個(gè)電極材料不同的電極,給后續(xù)的教學(xué)帶來(lái)不必要的負(fù)擔(dān)——如蘇教版《化學(xué)2》中在第42頁(yè)就介紹了使用相同的電極(石墨)所組成的氫氧燃料電池。因此在教學(xué)中,不過(guò)分強(qiáng)調(diào)電極不同是發(fā)生原電池的必要條件是明智的。
  教學(xué)意義:不同電極在不同的電解質(zhì)溶液的電極電位不一樣,因此“電源”的電動(dòng)勢(shì)也不一樣;兩個(gè)完全相同的金屬電極在相同的電解質(zhì)溶液中,不能形成電勢(shì)差;若兩電極的金屬材料一樣,而電解質(zhì)溶液不相同,則還能形成電勢(shì)差。那種形成原電池必須是兩個(gè)不同材料的電極的觀點(diǎn)是不恰當(dāng)?shù)摹?p style="margin-bottom:10px">相關(guān)熱詞搜索:發(fā)展史 品味 原理 電源 化學(xué)

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