2019高中化学省级优质课——化学电源

原电池原理及应用

课前准备：微课、导学案

微课主要内容包括：

（1）介绍第一个出现的原电池装置——伏打电堆（将不同的金属片插入电解质

水溶液形成的电池），然后，就以Zn-Cu-H2SO4原电池为例，复习原电池的装置、原理（2）Zn-Cu-H2SO4原电池的电流—时间曲线

（3）简单介绍一些生活中的化学电源、以及一些原电池的应用

任务单主要内容包括：

1、用脑图画出你对原电池的了解（可放一个脑图实例，并提醒学生留白）

2、你作为化学电源的消费者，你觉得化学电源的哪些性能是你认为十分重要的？

导入:电池的应用

提问：伏打电池电流不稳定、放电效率低，可能是什么因素引起的呢？

（提示：原电池中的反应现象--在锌片表面也会有气泡产生）

生：锌片的表面有气泡产生，说明一部分的锌与硫酸直接发生反应，而使化学能转化为热能，那转化为电能的效率就低了

师：说的很棒，那如果我们要是让锌与硫酸在不同的区域内进行氧化和还原反应，然后，再以适当的方式连接，是否就可以解决这个问题了呢？

生：是的

师：以前的科学家其实和我们也想过同样的问题，然后，一个叫丹尼尔的科学家就利用一种叫“盐桥”的装置解决了这个问题，这个盐桥呢就是浸有饱和氯化钾的琼脂。

投影：丹尼尔电池装置，让学生仿照设计出Zn-Cu-H2SO4双液原电池装置

师：实践出真知，是否双液原电池真的比单液原电池的放电效率就要高呢？我们一起来看一看。

演示：利用电流传感器测单双液原电池的电流曲线图

提问：请同学分析在双液电池中，原电池是如何工作的？盐桥起了何种作用？

师：除了放电效率外，统计了大家完成的任务单上的观点，很多同学都对电池的容量比较重视，那可能有哪些因素对电池的容量会有影响呢？

生：提出各种观点，如：串联、温度、电解质溶液的种类，电极的种类，电极的表面积，电极之间的距离等

师：很好，在实际的生产中，为了实现产品性能的提升，研发人员可能会进行很多的实验，但是，为了节约成本，一般都会先在实验室中进行模拟。今天，也给大家准备了一些物品，大家来验证一下你们小组的猜想

药品：各种水果、果汁、小刀、细铁钉、铁片、铜片、铝片、导线等

生：分组实验，汇报结果，并解释原因

师：很好，那根据你们的猜想，我归类了一下：大致是从电解质、电极材料出发的，其实，科研人员也经过了你们这样的探索过程，再联系实际的情况，推出了一些“干电池”

展示：锌锰湿电池—碳锌电池，发生的总反应为:Zn+2MnO2+2NH4+=2Zn2++Mn203+2NH3+H20

师：请大家思考如下问题:

(1)正负极分别是什么？

(2)写出正负极的电极方程式

(3)为什么正极材料不用铜？

(4)与丹尼尔电池相比，它有什么优点？

(5)它有什么缺点？

展示：碱性干电池构造图及总反应zn+2Mn02+2H20=2MnOOH+Zn(OH)2

师：干电池虽然便于携带，但是它的容量太小，并且属于一次性电池，比如说如果安装在我们现在骑的电动车上，是不合适的，所以，如何提高电池的容量，并且重复利用呢？刚刚有同学提到了“利用电池串联”的想法就很好，当时的科研人员就推出了“铅蓄电池”

展示：铅蓄电池图片，以及它的作用原理

师：铅蓄电池虽然大大提高了电池的容量，但是，因为铅每108g转移2mol电子，在符合大容量的前提下，它也成了个大块头，如果你们是当时的科研人员会向什么方向改进电池的性能呢？

生：寻找质量轻同时放电能力强的金属

师：很好，也就是说我们要寻找单位质量转移电子多的金属。那你们可以借助元素周期表，找一找觉得什么金属比较适合呢？

生：Li、Na、Mg、Al等

师：很好，所以，大家现在用的很多的电池都是Li电池，比如，手机、电脑等

展示：锂号称“稀有金属”，地壳中约有0.0065%的锂，其丰度居第二十七位。

师：从提高单位质量电池的容量（比容量）来说，金属材料Li做负极反应物已达顶峰，但是，它仍有缺陷，是否有这样的一种负极反应物，既可再生，也可提高电池比容量呢？（提示：可以借助元素周期表）

生：氢气

师：很好，氢氧燃料电池就顺应而生了。

展示应用：2016年载人飞船发射成功的图片，以及其中“航天器能量储存系统”示意图：

师：那请大家自己设计出氢氧燃料电池的模型。

师：展示几组同学的模型设计，对比，并提出问题

结合前面我们对影响电池性能的探究，你们可以从哪些方面完善这个装置呢？

生：电极距离可以近些，用膜隔开，用具有吸附性强的电极等

师：那就请大家按照自己设计的氢氧燃料电池写出电极反应式。

师：氢氧燃料电池有什么优点呢？

生：优点：环保、能量高。转化效率高

师：那大家在日常生活中看到的氢氧燃料电池多么？

生：不多

师：那是什么一些因素可能限制了它的普及呢？

缺点：不安全、氢气属于二级能源、需要存储的设备比较复杂

师：很好，这也是那你们是否可以想出一些代替氢气的燃料呢？

生：乙醇，甲烷等

展示：我国海域可燃冰试采成功的新闻以及生物乙醇是指通过微生物的发酵将各种生物质转化为燃料酒精的报道

师：大家的想法非常好，也是值得提倡的，那大家能写出乙醇—氧气燃料电池的正负极反应式么？

师：你们刚刚穿过了207年的时光隧道，亲自参与了化学电源的变迁更迭，我相信你们应该很有感触，我们一起来分享下

生：科技需要创新，生活需求驱动科学的发展等

师：大家说的真的很好，你们都是一群有思想的孩子，电源的发展，为我们带了无限的可能，但是，是否大家在感受到喜悦的同时，又会有一丝丝担忧呢？

生：是的，电池的废料太多

展示：现在的废旧电池处理的方式——填埋

课后任务：

假设你们小组作为空间站的开发人员，要准备电池的采购，你们会如何取选择合适的电池呢