巧用图像表征 认识燃料电池

刘志平 朱海燕 汤希雁

(广西壮族自治区南宁师范大学化学与材料学院)

信息科技迅猛发展的今天,可视化图像成为传达信息的主流方式之一。图像传达信息,并不像文字表述,而是以一种更加直观、清晰明了的形式展现。在化学教学中巧用图像表征,可以助力教学落实宏微结合、促进学生模型建构、树立变化观念,多方位发展学生的化学学科核心素养。

化学中的图像类型有很多,实验装置图、数据曲线图、物质结构图、工艺流程图、反应机理图、物质转化图等。考查学生图像表征的能力主要包括读图、识图、析图、画图能力。图像表征是历年高考的重点考查部分,图像表征能力则成为高中生必不可少的能力之一。

1.教学分析

《普通高中化学课程标准》(2017年版2020年修订)中关于氢氧燃料电池这一教学内容对教师的教和学生的学都做出了明确的要求:了解常见化学电源的工作原理;充分利用氢氧燃料电池素材,组织学生开展分析解释、推论预测、设计评价等学习活动,建立对电化学过程的系统分析思路;能分析能源的利用对自然环境和社会发展的影响。氢氧燃料电池是学生学习原电池从实验模型到实用电源的转折。分析学生的思维障碍发现学生对原电池的工作原理以及电化学系统的基本要素往往会存在认知偏差,这些困难给学生解决陌生情境下的复杂电池问题形成阻碍。借助图像表征,采用装置-原理二维图、思维导图等图像帮助学生理解燃料电池的工作原理,深化燃料电池模型认知,构建解题思维导图,完成对原电池的进阶学习。

2.教学目标与评价目标

2.1 教学目标

(1)通过冬奥氢能源车引入,了解氢能源的优良性能、发展前景,感受中国科技魅力,发展学生科学态度与社会责任的学科核心素养。

(2)通过问题驱动的方式,剖析氢氧燃料电池的工作原理,并用图像形式表征;厘清电池构成,理解电池与氧化还原反应的系统关系,发展学生宏观辨识与微观探析、证据推理与模型认知的学科核心素养。

(3)了解试题考查方向,构建解题思维导图,发展模型认知的学科核心素养。

2.2 评价目标

(1)通过设问探析氢氧燃料电池性能优良的原因,诊断学生的化学价值认识水平(社会价值视角、学科价值视角)。

(2)基于氧化还原反应原理,从装置和原理两个维度,对氢氧燃料电池剖析,诊断学生微观分析水平(微粒水平、符号表征水平)。

(3)通过构建工作原理示意图、装置-原理二维图、解题思维导图,诊断学生的图像表征水平(识图水平、读图水平、析图水平、用图水平)。

3.氢氧燃料电池教学案例研究

3.1 教学案例流程图

3.2 教学案例展示

3.2.1 教学任务1:绿色冬奥,“氢”情助力

评价任务1:通过设问探析氢氧燃料电池性能优良的原因,诊断学生的化学价值认识水平:社会价值视角、学科价值视角。

2022年北京冬奥会和冬残奥会为践行“绿色” “共享” “开放” “廉洁”的办奥理念,实现低碳管理目标。数百辆氢氧燃料电池汽车在北京市区、延庆、张家口三大赛区投入使用,在比赛期间提供服务。担当交通运输主力的氢燃料车续航里程达630公里,能实现零下30℃低温启动。相比于传统化石能源车辆,氢能客车每行驶100公里,可减少约70公斤二氧化碳排放。根据氢燃料车的内部构造,引导学生思考它是如何将化学能转化为电能,为何可以助力减排环保?

图2 北京冬奥会氢燃料汽车

设计意图:讲解冬奥会上氢燃料车的工作过程,以及氢能源的发展前景,学生了解氢燃料车的优越性能和清洁环保,感受中国为保护环境所做出的努力和贡献,感悟化学知识与生活之间的联系,培养学生的创新思维,提升学生的科学态度与社会责任的学科核心素养。

3.2.2 教学任务2:追本溯源,原理探析

评价任务2:通过观察氢氧燃料电池的内部构造图,进而分析工作原理,诊断学生能否从宏微结合的视角收集证据,从而得出结论;基于氧化还原反应原理,从装置和原理两个维度,对氢氧燃料电池剖析,诊断学生微观分析水平:微粒水平、符号表征水平。

图3 原理分析流程图

图4 氢氧燃料电池

【问题驱动】1.氢氧燃料电池中,正、负极反应物分别是什么?如何获得这些反应物?

2.哪些物质可以用作氢氧燃料电池的电极材料?哪些物质可以用作氢氧燃料电池的电解液?

3.分析氢氧燃料电池的工作原理。

4.画出氢氧燃料电池工作原理示意图。

图5 氢氧燃料电池工作原理图

5.改变电解质溶液,对电极反应有什么影响?

【思考】装置中有哪些部分,各部分有何作用?

【建模】构建氢氧燃料电池装置-原理二维图像。

图6 氢氧燃料电池装置-原理二维图

【学生活动】画氢氧燃料电池在不同电解质溶液环境中的装置-原理二维图(如图7、8)。

图7 学生作图——碱性条件下二维图

图8 学生作图——酸性条件下二维图

图9 判断电池正负极导图

图10 书写电极反应方程式导图

图11 电池溶液pH变化解题导图

图12 质量变化题导图

图13 氢氧燃料电池思维导图

6.分析氢燃料车的工作原理。

设计意图:采用问题驱动的方式,层层引导学生认识燃料电池的工作原理和装置结构。分析结构,以图像的形式表征其工作原理,不仅帮助学生形象地理解微观过程,也方便学生记忆。宏微结合,分析原理,提升学生宏观辨识与微观探析的学科核心素养。分析电池各部分的作用以及和氧化还原反应的关系,厘清电池的基本要素,构建装置-原理二维图,简洁明了地表示出原电池构成,提高学生画图、析图能力,发展学生证据推理与模型认知的学科核心素养,为解决燃料电池问题做好铺垫。

3.2.3 教学任务3:导图拓展,思维花开

评价任务3:通过构建原电池工作原理示意图、装置-原理二维图、解题思维导图,诊断学生的图像表征水平:识图水平、读图水平、析图水平、用图水平。

【建构思维导图】通过分析近两年高考真题,可以大致总结出原电池问题考查主要集中于几个方面:电池正负极判断、电极反应方程式的书写、溶液pH的变化、离子交换膜问题、质量变化问题。将这几个方面的问题和解题策略结合起来可以构建出一个解决陌生情境下典型原电池问题的解题思维系列导图。

①判断电池正负极

在解题过程中,首先分析电池装置:判断电池的正负极、电解质溶液的酸碱性、电极材料等。判断电池的正负极整体上可从宏观和微观两个层面进行分析。

宏观层面可从电极材料和实验现象来判断。一般较活泼金属作负极,较不活泼金属或非金属导体作正极。也有特殊情况:Mg、Al的活泼性在中性或酸性溶液中是Mg>Al;而在碱性溶液中,Al与OH-反应,Mg相对稳定,所以,Mg与Al连导线后放入NaOH溶液中,Al是负极,Mg是正极。根据现象判断:质量减少的一极一般为负极,质量增加或有气泡放出的一极一般为正极。

微观层面:可从反应类型、电子流向、离子移动三个方面进行判断。发生氧化反应的一极为负极,发生还原反应的一极为正极;在原电池中,电子是由负极流向正极的;电解质溶液中,阳离子移向正极,阴离子移向负极。

②电极反应方程式的书写

陌生情境下原电池电极反应方程式的书写,需按照以下步骤:第一,根据题目信息,确定电极反应物和产物,注意考虑电解质溶液的酸碱性对产物的影响;第二,根据元素化合价的变化情况,分析电极反应中得失电子的数目;第三,遵循质量守恒、电荷守恒定律,根据电解质溶液的酸碱性进行配平。酸性溶液用H+和H2O,碱性溶液用OH-和H2O进行配平;若需要书写总电极反应,将正负极两个电极反应式相加配平即可。

③电池溶液pH变化

电池溶液可分为两个环境:电极周围、电解质溶液。电极周围溶液pH的变化,可从电极反应方程式判断,若反应有H+的生成,则pH降低,若反应有OH-的生成,则pH增大;比较电解质溶液的pH变化,可通过总反应方程式进行判断,即若反应有H2O的生成,酸性溶液的pH变大,碱性溶液的pH变小。

④质量变化题

关于质量变化,试题常考两种类型:电极材料的质量变化和电解质溶液的质量变化。负极材料若是参与反应,则质量减少,否则质量不变;若是反应生成沉淀附着在正极上,正极材料的质量增加,若生成的是气体或者其他溶于电解质溶液中的物质,则正极材料质量不变。电解质溶液的质量变化可从两个角度考虑,从产物角度分析,如果电解质溶液中的离子参与反应并生成了气体或沉淀,则溶液的质量减少;从反应物角度分析,若是外来物质参与反应,生成了可溶于电解质溶液中的物质,则溶液的质量增加。

【氢氧燃料电池思维导图】以氢氧燃料电池为例,围绕试题主要考查的方面,构建详细的解题思维导图。

设计意图:分析原电池高考考点,基于学生的思维障碍,应用思维导图的方法提供解题的方向,提高学生读图、用图、析图的能力;建构陌生情境下的解题思维导图,帮助学生快速地抽出题目的关键信息,从而解决问题,促进学生思维理解。

4.结语