4.2 原电池和化学电源 第1课时（教学课件）化学沪科版2020选择性必修1

第四章 化学反应与电能 第一节 原电池 课时1 原电池的工作原理 沪教版2020选择性必修1 原电池原理的应用 2 原电池的工作原理 1 知识导航 1.理解原电池的工作原理，能正确书写锌铜原电池的电极反应和总反应方程式。 3.知道原电池的构成条件，能够根据氧化还原反应设计简单的原电池。 2.了解单液原电池的缺点，掌握双液原电池的构成、工作原理及应用。 明·学习目标 电能是现代社会中应用广泛、使用方便的一种能源。化学电源是把化学能转变为电能的装置，是能够实际应用的原电池，习惯上叫做电池。现代生活离不开化学电源。 产品名称：半自动体外除颤器(AED) 产品尺寸：29.6×22.0×9.7cm(±1cm) 产品重量：2.5kg(士0.3kg) 电池类型：一次性免维护4.2Ah锂电池 引·新课导入 01 原电池的工作原理 原电池的工作原理 实验探究 锌和硫酸铜溶液的反应中的能量变化 探究 【实验一】将温度传感器插入 1 mol · L-1 的 CuSO4 溶液中，再向其中加入少量锌粉，测量反应过程中溶液的温度，记录实验现象。 (a)反应装置 (b)温度变化曲线 e- 化学能 热能 Zn ＋ CuSO4 ＝ ZnSO4 ＋ Cu 探·知识奥秘 原电池的工作原理 实验探究 锌和硫酸铜溶液的反应中的能量变化 探究 【实验二】将锌片、铜片分别插入1 mol · L-1的 ZnSO4 溶液 和 1 mol · L-1的 CuSO4 溶液中，两个溶液用盐桥进行连接，金属片之间用导线连接，导线中间接入灵敏电流计，记录实验现象。 灵敏电流 计指针偏转 有电流 产生 Zn－2e-＝Zn2+ Cu2+＋2e- ＝Cu 电池反应 Zn ＋ CuSO4 ＝ ZnSO4 ＋ Cu 探·知识奥秘 通过必修二的学习，我们已经知道，将锌片、铜片置于稀硫酸中并以导线连接起来组成原电池，可以获得电流。 原电池的工作原理 正极电极反应 负极电极反应 总反应方程式 锌铜原电池示意图 (还原反应) 2H+＋2e- ＝H2↑ Zn－2e-＝Zn2+ (氧化反应) Zn＋H2SO4＝ZnSO4＋H2↑ 探·知识奥秘 8 通过必修二的学习，我们已经知道，将锌片、铜片置于稀硫酸中并以导线连接起来组成原电池，可以获得电流。 锌铜原电池示意图 由于这种原电池中氧化反应与还原反应并没有完全隔开，如锌与其接触的稀硫酸发生反应，电流会逐渐衰减。 ( Zn＋2H+＝Zn2+＋H2↑ ) 原电池的工作原理 探·知识奥秘 9 为什么没有直接利用该装置作为化学电源呢? 装置携带不方便，能量转化不充分； 产生氢气容易爆炸，安全性差； 电池电流电压容易受到硫酸浓度的影响而不稳定； 硫酸本身是强烈腐蚀性的，安全性差； 反应本身不好控制，容易发热起火等。 探·知识奥秘 10 单位质量或单位体积输出的能量多 理想的化学电源的特点 质量小 便于携带 价格便宜 体积小 反复使用 内阻小 连续工作 寿命长 原电池的工作原理 探·知识奥秘 11 如何优化这种电池呢? 探·知识奥秘 12 锌铜原电池示意图 由于这种原电池中氧化反应与还原反应并没有完全隔开，如锌与其接触的稀硫酸发生反应，电流会逐渐衰减。 ( Zn＋2H+＝Zn2+＋H2↑ ) 探究：原电池装置的优化 原电池的工作原理 探·知识奥秘 13 单液-原电池 双液原电池 探究：原电池装置的优化 解决问题的核心 使还原剂Zn与氧化剂CuSO4不直接接触 原电池的工作原理 探·知识奥秘 探·知识奥秘 15 两个溶液间缺少离子导体，无法形成闭合回路。 为什么没有电流?该如何解决? 探究：原电池装置的优化 解决问题的核心 使还原剂Zn与氧化剂CuSO4不直接接触 原电池的工作原理 探·知识奥秘 16 一种凝胶态的离子导体 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 探究：原电池装置的优化 解决问题的核心 使还原剂Zn与氧化剂CuSO4不直接接触 ③避免电极与电解质溶液直接反应，相比单液原电池有利于最大程度地将化学能转化为电能。 ①形成闭合回路。 ②平衡两侧溶液的电荷，使溶液保持电中性。 盐桥作用 原电池的工作原理 探·知识奥秘 17 Cl- K+ Zn2+ Cu2+ e- e- e- e- 探究：原电池装置的优化 解决问题的核心 使还原剂Zn与氧化剂CuSO4不直接接触 原电池的工作原理 探·知识奥秘 18 探·知识奥秘 负极：Zn－2e-＝Zn2+ 盐桥中的离子迁移进入两侧电解质溶液，连通了两侧电解质溶液，从而形成闭合回路。 正极：Cu2+＋2e-＝Cu Cl- K+ Zn2+ Cu2+ e- e- e- e- 剖析：双液原电池的工作原理 双液原电池的工作原理 原电池的工作原理 探·知识奥秘 20 双液电池 单液电池 探·知识奥秘 21 负极 正极 双液原电池的组成 剖析：双液原电池的工作原理 原电池的工作原理 探·知识奥秘 22 氧化反应 还原反应 负极 正极 标明氧化反应和还原反应发生的区域 剖析：双液原电池的工作原理 原电池的工作原理 探·知识奥秘 23 随着反应的进行ZnSO4溶液中Zn2+离子浓度增大，为使ZnSO4溶液保持电中性，盐桥中的Cl-会移向ZnSO4溶液 随着反应的进行CuSO4溶液中Cu2+离子浓度减小，为使CuSO4溶液保持电中性，盐桥中的K+会移向CuSO4溶液 Cl- K+ Zn2+ Cu2+ e- e- e- e- Zn－2e-＝Zn2+ Cu2+＋2e-＝Cu 标明电子的运动方向和阴离子、阳离子的迁移方向 剖析：双液原电池的工作原理 原电池的工作原理 探·知识奥秘 24 探·知识奥秘 产生电流的过程 剖析：双液原电池的工作原理 锌片上：Zn－2e-＝Zn2+ 锌片上的 Zn2+与接触面上的水分子结合形成水合锌离子，使部分 Zn2+ 离开锌片进入 ZnSO4 溶液中。 ZnSO4 溶液中：Zn2+＋2e-＝Zn ZnSO4 溶液中 Zn2+ 受到锌片表面电子吸引而沉积到锌片表面。 在锌片和溶液的接触面达到平衡，形成了一个带相反电荷的界面，由于界面两侧电荷不均等，便产生了电势差。 原电池的工作原理 探·知识奥秘 产生电流的过程 剖析：双液原电池的工作原理 在铜片与溶液之间也存在着类似的平衡，但由于金属锌失去电子的趋势比铜大，所以锌片上有过剩的电子，铜片上则缺少电子，两者的电势差不相等。 若用导线把锌片和铜片连接起来，电子从锌片移向铜片。锌片上电子的流出，破坏了它和溶液中 Zn2+ 间的平衡，平衡向溶解方向移动，而铜片上由于电子的流入，平衡向沉积方向移动。用盐桥连通两电解液时，整个电路构成回路，可以持续产生电流。 Cl- K+ Zn2+ Cu2+ e- e- e- e- 原电池的工作原理 探·知识奥秘 【典例】氧化还原反应中也存在着化学平衡。对于铜锌原电池，增大 ZnSO4 溶液的浓度或减小 CuSO4 溶液的浓度时，灵敏电流计指针有什么变化?分析其中的原因。 增大ZnSO4浓度：锌电极(负极)的电极电势升高，导致总电动势减小。 减小CuSO4浓度：铜电极(正极)的电极电势降低，进一步减小总电动势。 电动势减小会使电流强度减弱，灵敏电流计指针偏转角度随之减小。若浓度变化显著，可能引发正负极反转，指针方向也可能改变。 析·典型范例 电池工作时，装置中各物质或材料的作用是什么呢? Cl- K+ Zn2+ Cu2+ e- e- e- e- 探·知识奥秘 29 Cu片 Zn片 CuSO4溶液 ZnSO4溶液 盐桥 导线 电极材料 电极反应物 电极材料 电极反应物 离子导体 离子导体 离子导体 电子导体 原电池中各部分的作用 剖析：双液原电池的工作原理 Cl- K+ Zn2+ Cu2+ e- e- e- e- 原电池的工作原理 探·知识奥秘 ( 进行电子转移的场所 ) 活动性不同的两块电极材料 条件一 构成条件 剖析：双液原电池的工作原理 金属导电材料直接参与半反应的电极 导电材料本身不发生氧化还原反应的电极 如：铂、石墨等 如：铜锌原电池中的锌电极和铜电极 电极表面的气体会参与半反应的电极 如：标准氢电极等 金属电极 惰性电极 气体电极 原电池的工作原理 探·知识奥秘 ( 进行电子转移的场所 ) 活动性不同的两块电极材料 条件一 电极均与电解质溶液接触 形成闭合回路 能自发进行的氧化还原反应 ( 内电路，实现离子定向迁移 ) ( 外电路，实现电子定向转移 ) ( 还原剂-氧化反应、氧化剂-还原反应 ) 条件二 条件三 条件四 具体问题需综合考量：电极体系(材料＋环境)，相同电极材料也可。 构成条件 剖析：双液原电池的工作原理 原电池的工作原理 探·知识奥秘 双液原电池解决了电池自损耗的问题 原电池中各部分的作用 剖析：双液原电池的工作原理 Cl- K+ Zn2+ Cu2+ e- e- e- e- 原电池的工作原理 探·知识奥秘 【典例】如图为锌铜原电池，盐桥中装有含KCl饱和溶液的琼脂，下列说法错误的是 A．铜片作正极 B．盐桥中K+移向CuSO4溶液 C．锌片不断溶解 D．电子从铜片经外电路流向锌片 B 析·典型范例 02 原电池原理的应用 原因：原电池中，氧化反应和还原反应分别在两极进行，使溶液中离子运动时相互干扰减少，打破静电屏蔽效应，电子得以顺利从负极沿导线移向正极，使得反应速率增大。 应用一 原电池原理的应用 加快化学反应速率 探·知识奥秘 原理：一般情况下，两种金属分别作原电池的两极时，作负极的金属比较活泼，发生氧化反应；作正极的金属的活泼性相对较差，发生还原反应。 举例：有两种金属A和B，用导线连接插入稀硫酸中，观察到A极溶解，B极上有气泡产生，根据原电池原理，金属活泼性A大于B。 稀硫酸 A 发生溶解 产生气泡 B 应用二 比较金属活动性强弱 原电池原理的应用 探·知识奥秘 【典例】A、B、C、D四种金属片两两相连浸入稀硫酸中都可组成原电池。AB相连时，外电路电流从A流向B；AC相连时，C为正极；BD相连时，B上有气泡逸出，据此判断这四种金属活泼性由大到小的顺序是 A．ABCD B．DBAC C．BDAC D．DBCA B 析·典型范例 1799年，意大利科学家伏打发明了世界上最早的电池--伏打电池。由于它的诞生，加深了人们对光、热、电磁、化学变化之间的关系的认识，导致了与电化学、电磁相联系的一系列重大的科学发现，也为电力应用开辟了广阔的前景。 人类历史上的第一块电池--伏打电池 迁·拓展延伸 1．下列烧杯中盛放的都是稀硫酸，在铜电极上能产生气泡的是(　　) A 练·技能实战 2．有关电化学知识的描述正确的是(　　) A．CaO＋H2O=Ca(OH)2，可以放出大量的热，故可把该反应设计成原电池，把其中的化学能转化为电能 B．某原电池反应为Cu＋2AgNO3=Cu(NO3)2＋2Ag，装置中的盐桥中可以是装有含KCl饱和溶液的琼胶 C．原电池的两极一定是由活动性不同的两种金属组成 D．从理论上讲，任何能自发进行的氧化还原反应都可设计成原电池 D 练·技能实战 3．铜锌原电池(如图)工作时，下列叙述正确的是(　　) A．正极反应为Zn－2e－=Zn2＋ B．电池反应为Zn＋Cu2＋=Zn2＋＋Cu C．在外电路中，电子从铜极流向锌极 D．盐桥中的K＋移向ZnSO4溶液 B 练·技能实战 4.如图所示，杠杆AB两端分别挂有体积相同、质量相等的空心铜球和空心铁球，调节杠杆并使其在水中保持平衡，然后小心地向烧杯中央滴入M的浓溶液，一段时间后，下列有关杠杆的偏向判断正确的是(实验过程中，不考虑两球的浮力变化)(　　) A．当M为CuSO4、杠杆为导体时，A端低，B端高 B．当M为AgNO3、杠杆为导体时，A端高，B端低 C．当M为盐酸、杠杆为导体时，A端高，B端低 D．当M为CuSO4、杠杆为绝缘体时，A端低、B端高 A 练·技能实战 5.某化学兴趣小组利用反应Zn＋2FeCl3=ZnCl2＋2FeCl2，设计了如图所示的原电池装置，下列说法正确的是(　　) A．Zn为负极，发生还原反应 B．b电极反应式为2Fe3＋＋2e－=2Fe2＋ C．电子流动方向是a电极→FeCl3溶液→b电极 D．电池的正极材料可以选用石墨、铂电极，也可以用铜 D 练·技能实战 加快化学反应速率 金属活动性强弱比较 设计原电池 课时1 原电池 的工作 原理 原电池的构成条件 探究：锌铜原电池的工作原理(含盐桥) 原电池的 工作原理 原电池 的应用 理·核心要点 感谢 您的聆听 THANKS 沪教版2020选择性必修1 $