化学能与电能相互转化的实验设计与教学研究开题报告

1. 研究目的与意义

化学能与电能相互转化实验是化学反应与能量变化教学中的重点。该类实验是通过设计原电池和电解池进行，原电池是将化学能转换成电能的化学模型，单液铜锌原电池是一种以稀硫酸为单一电解质的原电池，该内容被编排在人教版高中化学必修2“ 化学反应与能量变化” 部分，实验预期的现象是，锌片逐渐溶解 ，铜片上有气泡产生 ， 电流计指针偏转。但是在实际过程中往往锌片和铜片上都有气泡产生，甚至锌片上产生的气泡还比铜片上的多。这样的现象容易引起学生对原电池原理的误解。原电池工作时形成外电路和内电路，外电路通过电子的定向移动形成电流，内电路通过离子的定向移动形成电流，单液铜锌原电池未能表现原电池溶液中阴阳离子的运动情况，教学模型抽象，不易学生理解。

电解池是将电能转化成化学能的工具，在人教版化学选择性必修1电解池章节中，是以石墨做电极，利用u形管电解25%的cucl₂ 溶液。此装置需用的试剂用量较多，且为敞口装置，产生的氯气会逸散到空气中污染环境，危害人体健康，同时也不利于氯气的收集、检验与尾气处理。此外，电解饱和食盐水作为重点知识，教材中没有设计向学生展示电解过程的实验，让该知识点局限于书本，不能直观的呈现在学生面前，不利于学生对该知识点的学习和运用。

为了贯彻落实化学核心素养，使学生能更好的了解并掌握原电池与电解池形成的原理及定义，并能利用所学知识进行知识的运用，需利用实验探究原电池与电解池形成的特点及条件。因此，进行实验改进是必要的，在原电池实验中，利用中学所涉及能构成原电池的物质，设计新实验，使实验效果更明显，并能展示阴阳离子的运动情况，表征原电池形成闭合回路，在学生的头脑中构建清晰的知识体系。在电解池实验中，设计新型实验装置，利用生活中常见的物品，达到实验更环保、药品用量更少、操作更简单、也更贴近生活的目的。同时在教学过程中激发学生的科学探究能力与创新意识，吸引学生的兴趣，对绿色化学更深层次的理解。

2. 研究内容和预期目标

研究内容：

（1）改进原电池实验装置：针对单液铜锌原电池的不足，即锌片上容易产生气泡影响实验现象观察、不能展示出电解质溶液中阴阳离子的运动情况。设计铜-铁-稀盐酸原电池（即铁作负极，铜作正极，稀盐酸作电解质）在负极附近滴加六氰合铁酸钾表征二价铁离子的移动方向。在正极附近滴加硝酸银溶液用于表征氯离子的移动方向。

（2）改进电解池实验装置：针对缺点，对实验装置进行改进，设计出能适用于电解cucl₂ 溶液实验的装置，考虑到生成气体的储存、处理，随后进行新型实验装置试用，加以改良，同时对装置部件是否易得、实验装置能否重复利用等条件也进行考虑，设计最终的实验方案，进行实验。利用该装置进行电解饱和食盐水实验。

3. 研究的方法与步骤

研究方法：

(1)原电池实验

由单液铜锌原电池实际现象，分析出该实验的缺陷。经过筛选，用中学常见原电池替代，从而得到实验现象更明显的原电池，在原装置的基础上稍加改动，运用离子检验试剂证明电解质中离子的运动情况，最后实验设计并进行实验。

4. 参考文献

[1]龙丽华,熊文.铜锌原电池实验装置的改进与原理探究[j].实验教学与仪器,2021,38(10):30-31.

[2]李新,李茵萍,韩玲玲,肖璐.铜锌原电池实验稳定性高效化探究与改进[j].实验教学与仪器,2021,38(05):30-32.

[3]蒋晓乾.微观反应 宏观显现——原电池实验和碳酸钠与盐酸分步反应的可视化改进[j].化学教育(中英文),2021,42(05):77-79.

5. 计划与进度安排

第一阶段：2024-2024-1学期17-19周(2024.12.19-2024.1.8)

选择课题，查阅文献，制定计划，

第二阶段：2024-2024-2学期第1周-第3周(2024.2.20-3.12)