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原電池的工作原理
第四章 化學(xué)反應(yīng)與電能
1.認(rèn)識原電池的形成條件、原理及應(yīng)用；
2.能根據(jù)電極反應(yīng)、電流方向或離子的移動方向判斷原電池的正極和負(fù)極；
3.能書寫電極反應(yīng)和總反應(yīng)方程式；
4.知道原電池原理的應(yīng)用，能設(shè)計簡單的原電池。
如何讓小風(fēng)扇轉(zhuǎn)起來？
材料：鋅片、銅片、硫酸銅溶液
任務(wù)一：提煉原電池基礎(chǔ)模型
e－
e－
e－
e－
Zn2+
Cu2＋
e－
e－
SO42－
內(nèi)電路：陽離子移向正極，陰離子移向負(fù)極(離子不上岸)
－
+
外電路：電子由負(fù)極經(jīng)導(dǎo)線流向正極(電子不下水)
負(fù)極：氧化反應(yīng)
Zn－ 2e－=Zn2＋
總反應(yīng)：Zn＋Cu2+ ＝ Zn2+ + Cu
正極：還原反應(yīng)
Cu2＋+2e－=Cu
2e-
構(gòu)成原電池的條件
④必須自發(fā)進(jìn)行氧化還原反應(yīng)
①一般有兩種活潑性不同的導(dǎo)電材料作電極
②兩個電極必須相連并形成閉合回路
③兩個電極必須插入電解質(zhì)溶液中或熔融的電解質(zhì)中
兩極一液成回路，氧化還原是中心
Cu析出
G
Cu2＋
Zn2+
Zn
Cu
e-
e-
e-
e-
e-
e-
SO42-
Cu2＋
硫酸銅溶液
SO42-
單液電池的異常現(xiàn)象研究
負(fù)極：Zn - 2e- Zn2+
正極：Cu2+ + 2e- Cu
總反應(yīng)：
Zn + Cu2+ = Cu + Zn2+
實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：銅片、鋅片表面均附著紅色固體，電流表指針偏轉(zhuǎn)，但電流逐漸衰減。
【思考】觀察并記錄上述實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，其中哪些與預(yù)測一致，哪些與預(yù)測不同？
【思考】分析“鋅片表面附著紅色固體，電流逐漸衰減” 的原因。
現(xiàn)象 原因
鋅片表面附著紅色固體
電流逐漸衰減
化學(xué)能轉(zhuǎn)化為熱能，轉(zhuǎn)移的電子沒有經(jīng)過導(dǎo)線，電流逐漸衰減。
Zn與Cu2+直接接觸發(fā)生反應(yīng)，Zn片、附著在Zn上的Cu以及CuSO4溶液局部形成了原電池，促進(jìn)了Cu在鋅片表面析出。
任務(wù)二：運(yùn)用模型改進(jìn)電池裝置
任務(wù)二：運(yùn)用模型改進(jìn)電池裝置
SO42－
Zn2+
Zn2+
SO42—
Zn
Cu2+
Cu2+
Cu
解決問題的關(guān)鍵：
還原劑Zn與氧化劑CuSO4不直接接觸
兩個溶液間缺少離子導(dǎo)體，無法形成閉合回路
ZnSO4溶液
CuSO4溶液
Zn
SO42－
Cu2+
Cu2+
Cu
CuSO4溶液
鹽橋
通常鹽橋是裝有含瓊膠的KCl 飽和溶液。鹽橋中的K＋、Cl－是可以自由移動，瓊膠的固定作用可以防止KCl溶液直接流出來。
A
e-
ZnSO4溶液
CuSO4溶液
+
Zn
Cu
電流表
鹽橋
圖4-1鋅銅原電池示意圖
如圖4-1所示，將置有鋅片的ZnSO4溶液和置有銅片的CuSO4溶液用一個鹽橋連接起來，然后將鋅片和銅片用導(dǎo)線連接，并在中間串聯(lián)一個電流表，觀察現(xiàn)象。取出鹽橋，觀察電流表的指針有何變化。
【實(shí)驗(yàn)4-1】
雙液原電池（帶鹽橋）
雙液原電池（帶鹽橋）
A
e-
ZnSO4溶液
CuSO4溶液
+
Zn
Cu
電流表
鹽橋
圖4-1鋅銅原電池示意圖
雙液原電池（帶鹽橋）
(1)注明原電池的組成。
(2)標(biāo)明氧化反應(yīng)和還原反應(yīng)發(fā)生區(qū)域。
(3)標(biāo)明電子的運(yùn)動方向和陰陽離子的遷移方向。
請同學(xué)們結(jié)合圖4-1繪制原電池工作原理的示意圖，并與同學(xué)交流。示意圖要求包括以下內(nèi)容:
雙液原電池（帶鹽橋）
ZnSO4溶液
CuSO4溶液
Zn
Cu
電解質(zhì)溶液
A
K＋
Cl-
Zn - 2e- = Zn2+
Cu2+ + 2e- = Cu
發(fā)生氧化反應(yīng)
發(fā)生還原反應(yīng)
負(fù)極
正極
銅半電池
鋅半電池
總反應(yīng)：
Zn + Cu2+= Zn2+ + Cu
電子導(dǎo)體
離子導(dǎo)體
陽離子遷移方向
陰離子遷移方向
e-
鹽橋的作用
A
e-
ZnSO4溶液
CuSO4溶液
+
Zn
Cu
電流表
鹽橋
圖4-1鋅銅原電池示意圖
①平衡電荷，使連接的兩溶液保持電中性
②溝通內(nèi)電路傳導(dǎo)離子，使之成為閉合回路
③避免電極與電解質(zhì)溶液的直接接觸，放電更持久，提高了能量轉(zhuǎn)換率
雙液原電池解決了電池自損耗的問題
如何判斷正負(fù)極？
電子流出的電極
電子流入的電極
——負(fù)極
——正極
陰離子移向的電極
陽離子移向的電極
微觀判斷
根據(jù)電子流動方向
根據(jù)離子流動方向
——負(fù)極
——正極
如何判斷正負(fù)極？
宏觀判斷
①根據(jù)電極材料
②根據(jù)原電池電極發(fā)生的反應(yīng)
較活潑的電極材料
較不活潑的電極材料
——負(fù)極
——正極
③根據(jù)電極現(xiàn)象的變化
③根據(jù)電極現(xiàn)象的變化
發(fā)生氧化反應(yīng)的電極
發(fā)生還原反應(yīng)的電極
——負(fù)極
——正極
質(zhì)量增加的電極
質(zhì)量減少的電極
——正極
——負(fù)極
工作后，有氣泡冒出的電極為正極
工作后
利用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)探究單、雙液銅鋅原電池工作效率
電流較小，
電流穩(wěn)定，
轉(zhuǎn)化效率高
電流較大，
衰減快，
轉(zhuǎn)化效率低
雙液原電池電流弱的原因是什么？
隔膜原電池
改進(jìn)
縮短鹽橋的長度，增大鹽橋的橫截面積
能否用一張薄薄的隔膜代替鹽橋呢？
①離子運(yùn)動的距離長
②離子運(yùn)動的通道窄
③離子容量小
改進(jìn)
ZnSO4溶液
CuSO4溶液
Cu
Zn
交換膜
ZnSO4溶液
CuSO4溶液
隔膜原電池
1.隔膜：將電池的正負(fù)極材料隔開，防止兩極接觸發(fā)生短路
（不同的膜形成不同的離子通道）。
2.常見的三種離子交換膜
Cu
Zn
ZnSO4溶液
CuSO4溶液
交換膜
①陽離子交換膜：只允許陽離子通過
③質(zhì) 子 交 換 膜：只允許H+通過
②陰離子交換膜：只允許陰離子通過
該原電池選擇什么類型的離子交換膜？
為避免Zn與Cu2+接觸，應(yīng)選擇陰離子交換膜，允許SO42-通過。
任務(wù)三：基于探索設(shè)計原電池
根據(jù)原電池工作原理，將下列氧化還原反應(yīng)設(shè)計成原電池：
2Fe3+ + 2I- 2Fe2+ + I2
要求：
（1）分別寫出氧化反應(yīng)和還原反應(yīng)。
（2）根據(jù)原電池構(gòu)成要素，選擇合適的物質(zhì)或材料，并畫出原電池的工作原理示意圖。
設(shè)計思路
2Fe3+ + 2I- 2Fe2+ + I2
2e-
正極電解液：鐵鹽（FeCl3等）
負(fù)極電解液：碘鹽（KI等）
正極材料：惰性電極
負(fù)極材料：惰性電極
（+）2Fe3＋＋2e- = 2Fe2＋
（-）2I- - 2e- = I2
正極材料
正極反應(yīng)物
負(fù)極材料
負(fù)極反應(yīng)物
離子導(dǎo)體
（鹽橋/隔膜）
電子導(dǎo)體
方案展示
任務(wù)三：基于探索設(shè)計原電池
（+）還原反應(yīng)：
2Fe3＋＋2e- = 2Fe2＋
（-）氧化反應(yīng)：
2I- - 2e- = I2
KI溶液
石墨
FeCl3溶液
石墨
Cl－
K+
正極
負(fù)極
思考：隔膜原電池如何設(shè)計？
原電池原理的應(yīng)用
加快氧化還原反應(yīng)的速率
構(gòu)成原電池的反應(yīng)速率比直接接觸的反應(yīng)速率快。
對于酸性電解質(zhì)，一般是負(fù)極金屬的活動性較強(qiáng)，正極金屬的活動性較弱。
例如：實(shí)驗(yàn)室制取氫氣時，粗鋅比純鋅與稀硫酸反應(yīng)速率快；或向溶液中滴入幾滴硫酸銅溶液，產(chǎn)生氫氣的速率加快。
比較金屬活動性強(qiáng)弱

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