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1、第一节原电池 新人教版选择性必修一新人教版选择性必修一第第四四章章 化学反应与电能化学反应与电能 原电池原电池 第第1 1课时课时各种化学电源 写出原电池中的总反应方程式和电极反应式，并标出电子转移和离子迁移的方向。知识回顾 化学能转化为电能的装置Zn+H2SO4 ZnSO4+H2 电极反应：负极：Zn-2e-Zn2+（氧化反应）正极：2H+2e-H2（还原反应）总反应方程式：知识回顾 化学能转化为电能的装置负极氧化反应正极还原反应+-e-外电路电子迁移：负正内电路离子迁移：阳离子：移向正极阴离子：移向负极角度1电极反应角度2粒子迁移原电池原理示意图反思与总结任务一 根据原电池工作原理，预测下
2、面装置能否形成原电池。如果能，写出总反应方程式、电极反应式，标出电子转移方向和离子迁移方向，并预测能观察到的现象。原电池原理的应用Zn+Cu2+Cu+Zn2+电极反应：负极：Zn -2e-Zn2+正极：Cu2+2e-Cu总反应：e-Zn2+CuZnCuSO4溶液Cu2+任务一原电池原理的应用 观察并记录实验现象，其中哪些与预测一致，哪些与预测不同？任务一原电池原理的应用 实验现象：铜片、锌片表面均附着红色固体，电流表指针偏转，但电流逐渐衰减。相同：铜片表面附着红色固体，电流表指针偏转。不同：锌片表面附着红色固体 电流逐渐衰减 观察并记录实验现象，其中哪些与预测一致，哪些与预测不同？任务一原电池
3、原理的应用 请分析“锌片表面附着红色固体，电流逐渐衰减”的原因。思考Zn片观点2现象原因锌片表面附着红色固体Zn片、附着在Zn上的Cu以及CuSO4溶液局部形成了原电池，促进了Cu在锌片表面析出。电流逐渐衰减转移的电子没有经过导线，电流逐渐衰减装置携带不方便能量转化不充分 为什么没有直接利用该装置作为化学电源？思考理想的化学电源的特点：便于携带内阻小质量小反复使用单位质量或单位体积输出的能量多价格便宜体积小连续工作寿命长如何实现？该装置能量转化率低的原因是什么？如何解决？任务二原电池装置的改造解决问题的关键：还原剂Zn与氧化剂CuSO4不直接接触方案展示两个溶液间缺少离子导体，无法形成闭合回路
4、。为什么没有电流？该如何解决？任务二原电池装置的改造 盐桥中通常装有含KCl饱和溶液的琼胶，K+和Cl-可在其中自由移动。盐桥一种凝胶态的离子导体任务二原电池装置的改造Cl-K+观察实验现象双液电池的工作原理CuSO4溶液ZnCue-Zn2+Cu2+Cl-K+负极：Zn-2e-Zn2+正极：Cu2+2e-Cu 盐桥中的离子迁移进入两侧电解质溶液，联通了两侧电解质溶液，从而形成闭合回路。ZnSO4溶液e-双液电池单液电池 请绘制前面双液电池的工作原理示意图。要求包括以下内容：（1）注明原电池的组成；（2）标明氧化反应和还原反应发生的区域；（3）标明电子的运动方向和阴离子、阳离子的迁移方向。任务二
5、原电池装置的改造+-方案展示负极氧化反应正极还原反应 电池工作时，装置中各物质或材料的作用是什么？能否用其他物质或材料代替？思考各部分的作用Cu片电极材料Zn片电极反应物 电极材料CuSO4溶液电极反应物 离子导体ZnSO4溶液离子导体盐桥离子导体导线电子导体任务二原电池装置的改造原电池的构成要素还原剂-氧化反应、氧化剂-还原反应离子导体电极材料电极反应电子导体反思与总结内电路，实现离子定向迁移进行电子转移的场所外电路，实现电子定向转移基本要素原电池双液电池单液电池电极反应正极：Cu2+2e-Cu 负极：Zn -2e-Zn2+正极：Cu2+2e-Cu 负极：Zn-2e-Zn2+电极材料正极：铜
6、片;负极：锌片正极：铜片;负极：锌片离子导体ZnSO4溶液、盐桥、CuSO4溶液CuSO4 溶液电子导体导线导线双液原电池解决了电池自损耗的问题。根据原电池工作原理，将下列氧化还原反应设计成原电池：2Fe3+2I-2Fe2+I2评价活动 要求：（1）分别写出氧化反应和还原反应。（2）根据原电池构成要素，选择合适的物质或材料，并画出原电池的工作原理示意图。（1）氧化反应：2I-2e-I2 还原反应：2Fe3+2e-2Fe2+（2）（2）（1）氧化反应：2I-2e-I2 还原反应：2Fe3+2e-2Fe2+同学甲同学乙方案展示石墨石墨石墨石墨实验现象KI溶液FeCl3溶液含KCl溶液滤纸条滴加淀粉
7、液滴加铁氰化钾溶液（2）同学丙方案展示只允许K+或Cl-通过的隔膜（1）氧化反应：2I-2e-I2 还原反应：2Fe3+2e-2Fe2+自发的氧化还原反应闭合回路原电池化学能电能离子导体电极材料电极反应反思与总结 原电池工作原理电子导体还原反应氧化反应理想的化学电源的特点：便于携带内阻小质量小反复使用单位质量或单位体积输出的能量多价格便宜体积小连续工作寿命长如何实现？原电池原电池 第第2 2课时课时结构简单一次电池反复使用二次电池连续工作燃料电池新型电池电池的研发原电池的构成要素自发的氧化还原反应闭合回路原电池化学能电能离子导体电极材料电极反应电子导体还原反应氧化反应知识回顾一、一次电池一次电
8、池是放电后不可充电的电池。碱性干电池银锌电池认识普通锌锰干电池任务一 构造示意图 普通锌锰干电池是最早进入市场的实用干电池。因其电解质溶液用淀粉糊固定化，称为干电池。认识普通锌锰干电池任务一 结合资料和示意图分析：电极反应中的还原剂和氧化剂、电极材料、离子导体。资料 普通锌锰干电池放电时发生的主要反应为：Zn+2NH4Cl+2MnO2 Zn(NH3)2Cl2+2MnO(OH)构造示意图0+4+3+2电极反应活性物质负极：Zn正极：MnO2电极材料负极：Zn正极：石墨棒离子导体NH4Cl和ZnCl2混合物构造示意图 3.分析普通锌锰干电池长期占据市场和现在逐渐被替代的可能原因。认识普通锌锰干电池
9、任务一 Zn石墨棒NH4Cl MnO2NH4ClZnCl2A单液电池优点：结构简单、价格低廉。缺点：会发生自放电。Zn石墨棒NH4Cl MnO2NH4ClZnCl2A单液电池放置不同时间后的普通锌锰干电池碱性锌锰干电池 容量高，能大电流连续放电。还具有优良的低温性能、储存性能和防漏性能。碱性锌锰干电池结构 金属外壳离子型导电隔膜Zn粉和KOH混合物铜针MnO2和KOH混合物 已知该电池总反应为：Zn+2MnO2+2H2O 2MnO(OH)+Zn(OH)2资料根据示意图和资料：1.分析各部分的作用，画出工作原理示意图；2.写出电极反应式。认识碱性锌锰干电池任务二 金属外壳离子型导电隔膜Zn粉和K
10、OH混合物铜针0+4+3+2MnO2和KOH混合物观点展示 金属外壳离子型导电隔膜Zn粉和KOH混合物铜针电极反应还原剂：Zn粉氧化剂：MnO2电极材料负极：铜针正极：金属外壳离子导体KOH、离子型导电隔膜MnO2和KOH混合物正极金属外壳离子型导电隔膜Zn粉KOH混合物负极铜针MnO2KOH混合物e-+-负极：Zn-2e-+2OH-Zn(OH)2正极：2MnO2+2e-+2H2O 2MnO(OH)+2OH-正极金属外壳离子型导电隔膜Zn粉KOH混合物负极铜针MnO2KOH混合物e-+-总反应：Zn+2MnO2 +2H2O 2MnO(OH)+Zn(OH)20+4+3+2资料 碱性干电池增大了正
11、负极间的相对面积，用高导电性的氢氧化钾溶液替代了氯化铵、氯化锌溶液，锌也变成粉末状，同时采用了反应活性更高的电解二氧化锰粉；电流是单位时间内通过横截面的电量。4.阅读资料，找出能使碱性锌锰干电池产生大电流和高电压的设计。认识碱性锌锰干电池任务二 电极活性物质Zn粉、高活性电解MnO2电极材料增大相对面积离子导体高导电性的KOH溶液加快反应速率减小电池内阻大电流高电压改进方式改进目的改进效果化学电源原电池原理+工艺控制碱性锌锰干电池普通锌锰干电池二、二次电池 二次电池又称可充电电池或蓄电池，是一类放电后可以再充电而反复使用的电池。认识铅蓄电池任务三 铅酸蓄电池的构造示意图 铅蓄电池优点电压稳定使
12、用方便安全可靠价格低廉稀硫酸Pb+PbO2+2H2SO4 2PbSO4+2H2O 资料 铅蓄电池放电时的总反应为：PbSO4难溶于水，充电过程与上述过程相反。1.根据铅蓄电池放电过程的总反应写出电极反应式。认识铅蓄电池任务三 0+4+2正极：PbO2+4H+2e-PbSO4+2H2O负极：Pb+-2e-PbSO4 SO4 2-SO4 2-认识铅蓄电池任务三 Pb+PbO2+2H2SO4 2PbSO4+2H2O 0+4+2总反应：2.铅蓄电池的电极反应物(Pb、PbO2)和放电后的产物(PbSO4)均以固体形式附着在电极材料表面，分析这样设计的目的。认识铅蓄电池任务三 目的：使电极反应物和产物富
13、集在电极材料表面，充、放电时可以循环转化，实现电池重复使用。PbPbSO4PbO2PbSO4放电充电负极正极放电充电 1.利用下面反应，设计能够连续提供电能的原电池。2H2+O2 2H2O实验用品：H2、O2、稀硫酸、石墨棒、试管、U形管、导管、导线、电流表等。绘制实验装置图，并思考：电池中的电极反应是什么；装置是如何实现连续工作的。设计连续工作的电池任务四 e-H2O2H2SO4溶液石墨棒负极：2H2-4e-4H+正极：O2+4H+4e-2H2O 由于燃料和氧化剂连续地由外部供给并在电极上进行反应，生成物不断地被排出，因此可以实现连续供电。石墨棒设计连续工作的电池任务三 H2O2H2SO2溶
14、液2.如何使气体反应物快速、充分的反应？设计连续工作的电池任务三 增大接触面积 使用催化剂 负极：2H2-4e-4H+正极：O2+4H+4e-2H2O 氢氧燃料电池工作原理示意图稀硫酸资料氢氧燃料电池汽车能连续不断地提供电能三、燃料电池 燃料电池是一种连续的将燃料和氧化剂的化学能直接转化为电能的化学电源。能量转化率超80%绿色发电装置 电池内部的电极材料和离子导体在工作过程中不发生改变，使燃料电池可以持续工作。燃料电池的特点 燃料和氧化剂连续的由外部供给，生成物不断地被排出，可以连续不断地提供电能。电池类型原理工艺及目的一次电池原电池原理加入隔膜分隔氧化剂与还原剂，减少电池自损耗。二次电池原电
15、池及电解池原理将相关活性物质富集在电极材料表面，实现物质循环转化。燃料电池原电池原理燃料和氧化剂连续由外部提供，保持电极材料和离子导体稳定，能够实现连续工作。重视废旧电池的回收利用，减少环境污染，节约资源。普通干电池二次电池碱性干电池有巨大研究潜力的电池用废纸发电的生物电池理论上计算一张A4纸可产生的电力大约相当于6节5号电池的电量！新型柔性电池：有巨大研究潜力的电池原电池原电池 第3课时盐水小汽车资料小汽车电源结构盐水小汽车电池工作原理分析 1.如何形成了原电池？请画出原电池工作示意图进行说明。任务一 e-+-负极ZnNaCl溶液观点展示Zn片还原剂 电极材料石墨片电极材料浸NaCl溶液的滤
16、纸片离子导体正极石墨负极：2Zn-4e-2Zn2+正极：O2+4e-+2H2O 4OH-e-+-负极ZnNaCl溶液总反应：2Zn+O2+2H2O 2Zn(OH)2 观点展示Zn片还原剂 电极材料石墨片电极材料浸NaCl溶液的滤纸片离子导体正极石墨 Zn还没有完全消耗，小汽车就跑不动了。使用前的锌片与滤纸接触的一面表面有Zn(OH)2覆盖2.表面的Zn(OH)2是如何产生的？盐水小汽车电池工作原理分析任务一 Zn2+2OH-Zn(OH)2正极生成的OH-向负极迁移与负极生成的Zn2+反应Zn2+O2OH-溶液电极反应粒子迁移分析原电池问题的两个重要角度：Zn2+O2OH-溶液 3.请给生产商一
17、个改造电池的建议，以能够延长盐水小汽车行驶的时间。盐水小汽车电池工作原理分析任务一 方案展示特殊性质的膜材料限制OH-通过的离子导电性隔膜负极正极石墨ZnNaCl溶液方案展示新能源汽车各种新能源汽车电池电池类型镍镉电池镍氢电池锂离子电池比能量/(Whkg1)556070120循环寿命/次500以上1000以上1000以上优点比能量较高、寿命长、耐过充放性好比能量高、寿命长比能量高、寿命长缺点镉有毒、有记忆效应、价格较高价格高、高温充电性差价高、存在一定安全性问题比能量（比功率）：电池单位质量或单位体积所能输出 电能的多少（或功率的大小）2019年诺贝尔化学奖得主吉野彰约翰古迪纳夫斯坦利惠廷厄姆
18、锂离子电池的发展锂离子电池的发展锂金属电池锂离子电池 作为心脏起搏器的电池应该具备什么样的特点。回顾锂电池的发展任务二 1960年，瑞典医生奥克森宁为一位病人植入了心脏起搏器，并将电池埋在皮下。当电池耗尽后需要手术更换电池。作为心脏起搏器的电池应该具备什么样的特点。体积小、质量小、高能量比能量高回顾锂电池的发展任务二 作为心脏起搏器的电池应该具备什么样的特点。体积小、质量小、高能量比能量高回顾锂电池的发展任务二 怎样提高电池的比能量呢？转移1mol电子时，消耗金属的质量科学家们将目光聚焦在了Li上 结合锂的化学性质，思考用金属锂作为负极材料时需要注意的问题。回顾锂电池的发展任务二 Li：第二周
19、期IA族；还原性较强；易与水和氧气发生反应。电池的电解质溶液不能含水；电池要严格密封，防止接触空气。一次锂金属电池 资料 锂金属电池一般使用MnO2为正极反应物、金属锂或其合金为负极材料、使用非水电解质溶液做离子导体。并且用良好的密封材料进行封装。放电反应：x Li+MnO2 LixMnO2负极正极 一次锂电池价格昂贵，不可充电。请思考如何解决这一问题？回顾锂电池的发展任务二 二次电池的特点：电极反应物和产物在充、放电时可以循环转化，实现电池重复使用。改进方法：寻找可以实现物质循环转化的材料或方法。2019诺贝尔化学奖得主 斯坦利惠廷厄姆在1976年提出了第一个嵌入脱出型的正极材料TiS2，这
20、几乎标志着从早期的LiMnO2一次电池到现代二次锂电池的转变。TiS2Li+资料 TiS2是一种微观上具有层状结构的固体材料。充、放电时，Ti元素的化合价发生变化，层状结构所带电荷量发生改变，锂离子会因此从其中脱出或嵌入。放电总反应：x Li+TiS2 LixTiS2 结合资料、总反应与示意图，分析:1.放电时Li+迁移方向 和电极反应；2.简单说明其能够反复 充电的理由。Li固体TiS2隔膜含Li+的电解质溶液：Li+：e-回顾锂电池的发展任务二 观点展示1.放电时Li+移向正极正极：TiS2+x Li+x e-LixTiS2负极：x Li x e-x Li+x Li+TiS2 LixTiS
21、2放电LiLi+TiS2LixTiS2放电充电负极正极放电充电2.观点展示1.放电时Li+移向正极正极：TiS2+x Li+x e-LixTiS2负极：x Li x e-x Li+x Li+TiS2 LixTiS2放电如何解决这个问题？回顾锂电池的发展任务二 资料 锂电池充电过程中，锂金属表面会逐渐析出尖锐的锂枝晶，有可能穿透正负极之间的隔膜，造成电池内部短路，引发电池自燃，造成爆炸。锂枝晶 金属Li如何解决这个问题？回顾锂电池的发展任务二 资料 锂电池充电过程中，锂金属表面会逐渐析出尖锐的锂枝晶，有可能穿透正负极之间的隔膜，造成电池内部短路，引发电池自燃，造成爆炸。锂枝晶 金属Li增加隔膜的
22、强度抑制或阻碍锂枝晶的形成 约翰古迪纳夫发现了LiCoO2等一系列正极材料，减少了枝晶短路的可能，进而大幅提升锂电池的稳定性。2019年诺贝尔化学奖得主钴酸锂LiCoO2资料 与TiS2类似，LiCoO2也是层状结构，锂离子能在放电与充电的过程中脱出或嵌入，实现物质循环转化。负极 Li正极 固体LiCoO2隔膜电解质溶液：Li+：e-负极材料为金属Li，依然属于二次锂电池放电时的总反应：x Li+Li1-xCoO2 LiCoO2 2019诺贝尔化学奖得主 吉野彰将碳基材料用作负极，依旧用钴酸锂做正极，并采用聚乙烯或聚丙烯为隔膜，LiClO4的碳酸丙烯酯液为电解质溶液。确立了现代锂离子电池的基本
23、框架。放电时的总反应：LixCy+Li1-xCoO2 LiCoO2+Cy 负极 LixCyLixCy 充电时，电子被石墨层结构得到，Li+仅迁移嵌入石墨层间，依然以Li+形式存在，故不存在金属Li。锂离子电池LixCy+Li1-xCoO2 LiCoO2+Cy 放电充电充电：x Li+Cy+x e-LixCy负极材料正极材料碳基材料作负极，防止生成锂枝晶钴酸锂作正极，减少了锂枝晶嵌入脱出型材料TiS2中国科学家研究成果简介 2018年10月，南开大学梁嘉杰、陈永胜教授课题组与江苏师范大学赖超课题组合作，成功制备了具有多级结构的银纳米线石墨烯三维多孔载体，并负载金属锂作为复合负极材料，其同样可抑制
24、锂枝晶产生，从而可实现电池超高速充电，有望大幅延长锂电池“寿命”。已知磷酸铁锂电池放电时的总反应为：1.放电时下面电极反应发生在A极还是B极？LixCyx e-x Li+CyLixCy+Li1-xFePO4 LiFePO4+Cy 2.为了安全、有效的回收锂，拆解废旧电池时需要先进行放电处理，其目的是什么？评价活动观点一：反应生成Li+，图示显示Li+向左迁移，所以可以判断反应发生在B电极。观点二：反应是失去电子的负极反应。图示显示阳离子Li+向左（即正极）迁移，由此判断B极为负极，所以反应发生在B电极。LixCyx e-x Li+Cy观点展示答案：充分放电后，体系的化学能已充分转化为电能，避免了后续处理过程中继续释放能量，造成安全隐患。同时放电过程中，Li+从负极B极脱出并向正极A极迁移，使Li元素在正极区富集，更利于有效的回收锂。2.为了安全、有效的回收锂，拆解废旧电池时需要先进行放电处理，这样的目的是什么？观点展示谢谢观看！谢谢观看！