第一節原電池

新人教版選擇性必修一第四章

化學反應與電能

原電池

第1課時各種化學電源寫出原電池中的總反應方程式和電極反應式，并標出電子轉移和離子遷移的方向。知識回顧化學能轉化為電能的裝置Zn+H2SO4ZnSO4+H2↑

電極反應：負極：Zn-2e-Zn2+（氧化反應）

正極：2H++2e-H2↑（還原反應）

總反應方程式：知識回顧化學能轉化為電能的裝置負極氧化反應正極還原反應+-e-外電路電子遷移：負→正內電路離子遷移：陽離子：移向正極陰離子：移向負極角度1電極反應角度2粒子遷移原電池原理示意圖反思與總結任務一根據原電池工作原理，預測下面裝置能否形成原電池。

如果能，寫出總反應方程式、電極反應式，標出電子轉移方向和離子遷移方向，并預測能觀察到的現象。原電池原理的應用Zn+

Cu2+Cu

+Zn2+電極反應：負極：Zn-2e-Zn2+

正極：Cu2++2e-Cu總反應：e-Zn2+CuZnCuSO4溶液Cu2+任務一原電池原理的應用觀察并記錄實驗現象，其中哪些與預測一致，哪些與預測不同？任務一原電池原理的應用實驗現象：銅片、鋅片表面均附著紅色固體，電流表指針偏轉，但電流逐漸衰減。相同：銅片表面附著紅色固體，電流表指針偏轉。不同：鋅片表面附著紅色固體

電流逐漸衰減觀察并記錄實驗現象，其中哪些與預測一致，哪些與預測不同？任務一原電池原理的應用請分析“鋅片表面附著紅色固體，電流逐漸衰減”的原因。思考Zn片觀點2現象原因鋅片表面附著紅色固體Zn片、附著在Zn上的Cu以及CuSO4溶液局部形成了原電池，促進了Cu在鋅片表面析出。電流逐漸衰減轉移的電子沒有經過導線，電流逐漸衰減裝置攜帶不方便能量轉化不充分……為什么沒有直接利用該裝置作為化學電源？

思考理想的化學電源的特點：便于攜帶內阻小質量小反復使用單位質量或單位體積輸出的能量多價格便宜體積小連續工作壽命長如何實現？……該裝置能量轉化率低的原因是什么？如何解決？任務二原電池裝置的改造解決問題的關鍵：還原劑Zn與氧化劑CuSO4不直接接觸方案展示兩個溶液間缺少離子導體，無法形成閉合回路。為什么沒有電流？該如何解決？任務二原電池裝置的改造鹽橋中通常裝有含KCl飽和溶液的瓊膠，K+和Cl-可在其中自由移動。鹽橋一種凝膠態的離子導體任務二原電池裝置的改造↑↑Cl-K+觀察實驗現象雙液電池的工作原理CuSO4溶液ZnCue-Zn2+Cu2+Cl-K+負極：Zn-2e-Zn2+

正極：Cu2++2e-Cu鹽橋中的離子遷移進入兩側電解質溶液，聯通了兩側電解質溶液，從而形成閉合回路。ZnSO4溶液e-雙液電池單液電池請繪制前面雙液電池的工作原理示意圖。要求包括以下內容：（1）注明原電池的組成；（2）標明氧化反應和還原反應發生的區域；（3）標明電子的運動方向和陰離子、陽離子的遷移方向。任務二原電池裝置的改造+-方案展示負極氧化反應正極還原反應電池工作時，裝置中各物質或材料的作用是什么？能否用其他物質或材料代替？思考各部分的作用Cu片電極材料Zn片電極反應物電極材料CuSO4溶液電極反應物離子導體ZnSO4溶液離子導體鹽橋離子導體導線電子導體任務二原電池裝置的改造原電池的構成要素還原劑-氧化反應、氧化劑-還原反應離子導體電極材料電極反應電子導體反思與總結內電路，實現離子定向遷移進行電子轉移的場所外電路，實現電子定向轉移基本要素原電池雙液電池單液電池電極反應正極：Cu2++2e-Cu負極：Zn-2e-Zn2+

正極：Cu2++2e-Cu負極：Zn-2e-Zn2+

電極材料正極：銅片;負極：鋅片正極：銅片;負極：鋅片離子導體ZnSO4溶液、鹽橋、CuSO4溶液CuSO4溶液電子導體導線導線雙液原電池解決了電池自損耗的問題。根據原電池工作原理，將下列氧化還原反應設計成原電池：2Fe3++2I-2Fe2++I2評價活動要求：（1）分別寫出氧化反應和還原反應。（2）根據原電池構成要素，選擇合適的物質或材料，并畫出原電池的工作原理示意圖。（1）氧化反應：2I--2e-I2還原反應：2Fe3++2e-2Fe2+（2）（2）（1）氧化反應：2I--2e-I2還原反應：2Fe3++2e-2Fe2+同學甲同學乙方案展示石墨石墨石墨石墨實驗現象KI溶液FeCl3溶液含KCl溶液濾紙條滴加淀粉液滴加鐵氰化鉀溶液（2）同學丙方案展示只允許K+或Cl-通過的隔膜（1）氧化反應：2I--2e-I2還原反應：2Fe3++2e-2Fe2+自發的氧化還原反應閉合回路原電池化學能電能離子導體電極材料電極反應反思與總結原電池工作原理電子導體還原反應氧化反應理想的化學電源的特點：便于攜帶內阻小質量小反復使用單位質量或單位體積輸出的能量多價格便宜體積小連續工作壽命長如何實現？……原電池

第2課時結構簡單一次電池反復使用二次電池連續工作燃料電池新型電池電池的研發原電池的構成要素自發的氧化還原反應閉合回路原電池化學能電能離子導體電極材料電極反應電子導體還原反應氧化反應知識回顧一、一次電池一次電池是放電后不可充電的電池。堿性干電池銀鋅電池認識普通鋅錳干電池任務一構造示意圖

普通鋅錳干電池是最早進入市場的實用干電池。因其電解質溶液用淀粉糊固定化，稱為干電池。認識普通鋅錳干電池任務一結合資料和示意圖分析：

電極反應中的還原劑和氧化劑、電極材料、離子導體。資料普通鋅錳干電池放電時發生的主要反應為：Zn+2NH4Cl+2MnO2Zn(NH3)2Cl2+2MnO(OH)構造示意圖0+4+3+2電極反應活性物質負極：Zn正極：MnO2電極材料負極：Zn正極：石墨棒離子導體NH4Cl和ZnCl2混合物構造示意圖3.分析普通鋅錳干電池長期占據市場和現在逐漸被替代的可能原因。認識普通鋅錳干電池任務一Zn石墨棒NH4ClMnO2NH4ClZnCl2A單液電池優點：結構簡單、價格低廉。缺點：會發生自放電。Zn石墨棒NH4ClMnO2NH4ClZnCl2A單液電池放置不同時間后的普通鋅錳干電池堿性鋅錳干電池

容量高，能大電流連續放電。還具有優良的低溫性能、儲存性能和防漏性能。堿性鋅錳干電池結構金屬外殼離子型導電隔膜Zn粉和KOH混合物銅針MnO2和KOH混合物

已知該電池總反應為：Zn+2MnO2+2H2O2MnO(OH)+Zn(OH)2資料根據示意圖和資料：1.分析各部分的作用，

畫出工作原理示意圖；2.寫出電極反應式。認識堿性鋅錳干電池任務二金屬外殼離子型導電隔膜Zn粉和KOH混合物銅針0+4+3+2MnO2和KOH混合物觀點展示金屬外殼離子型導電隔膜Zn粉和KOH混合物銅針電極反應還原劑：Zn粉氧化劑

：MnO2電極材料負極：銅針正極：金屬外殼離子導體KOH、離子型導電隔膜MnO2和KOH混合物＋－正極金屬外殼離子型導電隔膜Zn粉KOH混合物負極銅針MnO2KOH混合物e-+-負極：Zn-2e-+2OH-Zn(OH)2正極：2MnO2+2e-+2H2O2MnO(OH)+2OH-

正極金屬外殼離子型導電隔膜Zn粉KOH混合物負極銅針MnO2KOH混合物e-+-總反應：Zn+2MnO2+2H2O2MnO(OH)+Zn(OH)20+4+3+2資料

①堿性干電池增大了正負極間的相對面積，用高導電性的氫氧化鉀溶液替代了氯化銨、氯化鋅溶液，鋅也變成粉末狀，同時采用了反應活性更高的電解二氧化錳粉；

②電流是單位時間內通過橫截面的電量。

4.閱讀資料，找出能使堿性鋅錳干電池產生大電流和高電壓的設計。認識堿性鋅錳干電池任務二電極活性物質Zn粉、高活性電解MnO2電極材料增大相對面積離子導體高導電性的KOH溶液加快反應速率減小電池內阻大電流高電壓改進方式改進目的改進效果化學電源——原電池原理+工藝控制堿性鋅錳干電池普通鋅錳干電池二、二次電池二次電池又稱可充電電池或蓄電池，是一類放電后可以再充電而反復使用的電池。認識鉛蓄電池任務三鉛酸蓄電池的構造示意圖鉛蓄電池優點電壓穩定使用方便安全可靠價格低廉稀硫酸Pb+PbO2+2H2SO42PbSO4+2H2O資料鉛蓄電池放電時的總反應為：PbSO4難溶于水，充電過程與上述過程相反。1.根據鉛蓄電池放電過程的總反應寫出電極反應式。認識鉛蓄電池任務三0+4+2正極：PbO2+4H+++2e-

PbSO4+2H2O負極：Pb+-2e-

PbSO4

SO4

2-

SO4

2-

認識鉛蓄電池任務三Pb+PbO2+2H2SO42PbSO4+2H2O0+4+2總反應：

2.鉛蓄電池的電極反應物(Pb、PbO2)和放電后的產物(PbSO4)均以固體形式附著在電極材料表面，分析這樣設計的目的。認識鉛蓄電池任務三目的：使電極反應物和產物富集在電極材料表面，充、放電時可以循環轉化，實現電池重復使用。PbPbSO4PbO2PbSO4放電充電負極正極放電充電

1.利用下面反應，設計能夠連續提供電能的原電池。2H2+O22H2O實驗用品：H2、O2、稀硫酸、石墨棒、試管、U形管、導管、導線、電流表等。繪制實驗裝置圖，并思考：①電池中的電極反應是什么；②裝置是如何實現連續工作的。設計連續工作的電池任務四e-H2O2H2SO4溶液石墨棒負極：2H2

-4e-4H+

正極：O2

+4H+

+4e-2H2O

由于燃料和氧化劑連續地由外部供給并在電極上進行反應，生成物不斷地被排出，因此可以實現連續供電。石墨棒設計連續工作的電池任務三H2O2H2SO2溶液2.如何使氣體反應物快速、充分的反應？設計連續工作的電池任務三增大接觸面積使用催化劑負極：2H2

-4e-4H+

正極：O2

+4H+

+4e-2H2O

氫氧燃料電池工作原理示意圖稀硫酸資料氫氧燃料電池汽車能連續不斷地提供電能三、燃料電池燃料電池是一種連續的將燃料和氧化劑的化學能直接轉化為電能的化學電源。能量轉化率超80%綠色發電裝置②電池內部的電極材料和離子導體在工作過程中不發生改變，使燃料電池可以持續工作。燃料電池的特點①燃料和氧化劑連續的由外部供給，生成物不斷地被排出，可以連續不斷地提供電能。電池類型原理工藝及目的一次電池原電池原理加入隔膜分隔氧化劑與還原劑，減少電池自損耗。二次電池原電池及電解池原理將相關活性物質富集在電極材料表面，實現物質循環轉化。燃料電池原電池原理燃料和氧化劑連續由外部提供，保持電極材料和離子導體穩定，能夠實現連續工作。重視廢舊電池的回收利用，減少環境污染，節約資源。普通干電池二次電池……堿性干電池有巨大研究潛力的電池用廢紙發電的生物電池理論上計算一張A4紙可產生的電力大約相當于6節5號電池的電量！新型柔性電池：有巨大研究潛力的電池原電池

第3課時鹽水小汽車資料小汽車電源結構鹽水小汽車電池工作原理分析1.如何形成了原電池？請畫出原電池工作示意圖進行說明。任務一e-+-負極ZnNaCl溶液觀點展示Zn片還原劑電極材料石墨片電極材料浸NaCl溶液的濾紙片離子導體正極石墨負極：2Zn-4e-2Zn2+

正極：O2+4e-+2H2O4OH-

e-+-負極ZnNaCl溶液總反應：2Zn+O2+2H2O2Zn(OH)2

觀點展示Zn片還原劑電極材料石墨片電極材料浸NaCl溶液的濾紙片離子導體正極石墨Zn還沒有完全消耗，小汽車就跑不動了。

使用前的鋅片與濾紙接觸的一面表面有Zn(OH)2覆蓋2.表面的Zn(OH)2是如何產生的？鹽水小汽車電池工作原理分析任務一Zn2++2OH-Zn(OH)2正極生成的OH-向負極遷移與負極生成的Zn2+反應Zn2+O2OH-溶液電極反應粒子遷移分析原電池問題的兩個重要角度：Zn2+O2OH-溶液3.請給生產商一個改造電池的建議，以能夠延長鹽水小汽車行駛的時間。鹽水小汽車電池工作原理分析任務一方案展示特殊性質的膜材料限制OH-通過的離子導電性隔膜負極正極石墨ZnNaCl溶液方案展示新能源汽車各種新能源汽車電池電池類型鎳鎘電池鎳氫電池鋰離子電池比能量/(W·h·kg－1)5560～70120循環壽命/次500以上1000以上1000以上優點比能量較高、壽命長、耐過充放性好比能量高、壽命長比能量高、壽命長缺點鎘有毒、有記憶效應、價格較高價格高、高溫充電性差價高、存在一定安全性問題比能量（比功率）：電池單位質量或單位體積所能輸出

電能的多少（或功率的大小）2019年諾貝爾化學獎得主吉野彰約翰·古迪納夫斯坦利·惠廷厄姆鋰離子電池的發展鋰金屬電池鋰離子電池作為心臟起搏器的電池應該具備什么樣的特點。回顧鋰電池的發展任務二1960年，瑞典醫生奧克·森寧為一位病人植入了心臟起搏器，并將電池埋在皮下。當電池耗盡后需要手術更換電池。作為心臟起搏器的電池應該具備什么樣的特點。體積小、質量小、高能量——比能量高回顧鋰電池的發展任務二作為心臟起搏器的電池應該具備什么樣的特點。體積小、質量小、高能量——比能量高回顧鋰電池的發展任務二怎樣提高電池的比能量呢？轉移1mol電子時，消耗金屬的質量科學家們將目光聚焦在了Li上結合鋰的化學性質，思考用金屬鋰作為負極材料時需要注意的問題。回顧鋰電池的發展任務二Li：第二周期IA族；

還原性較強；易與水和氧氣發生反應。電池的電解質溶液不能含水；電池要嚴格密封，防止接觸空氣。一次鋰金屬電池資料

鋰金屬電池一般使用MnO2為正極反應物、金屬鋰或其合金為負極材料、使用非水電解質溶液做離子導體。并且用良好的密封材料進行封裝。

放電反應：xLi

+

MnO2

LixMnO2負極正極一次鋰電池價格昂貴，不可充電。請思考如何解決這一問題？回顧鋰電池的發展任務二二次電池的特點：電極反應物和產物在充、放電時可以循環轉化，實現電池重復使用。改進方法：尋找可以實現物質循環轉化的材料或方法。2019諾貝爾化學獎得主斯坦利·惠廷厄姆在1976年提出了第一個嵌入脫出型的正極材料TiS2，這幾乎標志著從早期的Li—MnO2一次電池到現代二次鋰電池的轉變。TiS2Li+資料

TiS2是一種微觀上具有層狀結構的固體材料。充、放電時，Ti元素的化合價發生變化，層狀結構所帶電荷量發生改變，鋰離子會因此從其中脫出或嵌入。放電總反應：xLi+TiS2LixTiS2結合資料、總反應與示意圖，分析:1.放電時Li+遷移方向

和電極反應；2.簡單說明其能夠反復

充電的理由。

Li固體TiS2隔膜含Li+的電解質溶液：Li+：e-回顧鋰電池的發展任務二觀點展示1.放電時Li+移向正極正極：TiS2+xLi++xe-LixTiS2負極：xLi–xe-

xLi+xLi+TiS2LixTiS2放電LiLi+TiS2LixTiS2放電充電負極正極放電充電2.觀點展示1.放電時Li+移向正極正極：TiS2+xLi++xe-LixTiS2負極：xLi–xe-

xLi+xLi+TiS2LixTiS2放電如何解決這個問題？回顧鋰電池的發展任務二資料鋰電池充電過程中，鋰金屬表面會逐漸析出尖銳的鋰枝晶，有可能穿透正負極之間的隔膜，造成電池內部短路，引發電池自燃，造成爆炸。鋰枝晶金屬Li如何解決這個問題？回顧鋰電池的發展任務二資料鋰電池充電過程中，鋰金屬表面會逐漸析出尖銳的鋰枝晶，有可能穿透正負極之間的隔膜，造成電池內部短路，引發電池自燃，造成爆炸。鋰枝晶金屬Li增加隔膜的強度抑制或阻礙鋰枝晶的形成

約翰·古迪納夫發現了LiCoO2等一系列正極材料，減少了枝晶短路的可能，進而大幅提升鋰電池的穩定性。2019年諾貝爾化學獎得主鈷酸鋰LiCoO2資料與TiS2類似，

LiCoO2也是層狀結構，鋰離子能在放電與充電的過程中脫出或嵌入，實現物質循環轉化。負極

Li正極固體LiCoO2隔膜電解質溶液：Li+：e-負極材料為金屬Li，依然屬于二次鋰電池放電時的總反應：

xLi+Li1-xCoO2LiCoO2

2019諾貝爾化學獎得主吉野彰將碳基材料用作負極，依舊用鈷酸鋰做正極，并采用聚乙烯或聚丙烯為隔膜，LiClO4的