2022-2023高中化学人教版选择性必修1 4.1原电池的高效化与微型化创新改进（共28张PPT）
文档属性
| 名称 | 2022-2023高中化学人教版选择性必修1 4.1原电池的高效化与微型化创新改进（共28张PPT） |  | |
| 格式 | zip | ||
| 文件大小 | 7.0MB | ||
| 资源类型 | 教案 | ||
| 版本资源 | 人教版（2019） | ||
| 科目 | 化学 | ||
| 更新时间 | 2022-12-18 18:11:21 | ||
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文档简介
(共28张PPT)
原电池的高效化与微型化创新改进
01
03
02
宏观辨识与微观探析
科学态度与社会责任
科学探究与创新意识
通过数字化电流、温度传感器，结合数据曲线，初步形成分析推理、对比归纳的能力及宏观辨识与微观探析核心素养。
通过原电池的创新改进，加深学生对与原电池工作原理的认识初步建立化学电源的基本模型，提高学生的设计实验能力、创新能力及模型认知能力。
通过创设真实有意义的教学情境，认识化学知识与人类生活的密切联系，体会化学科学的重要性，激发学生积极参与学习的激情，感受科学精神与社会责任核心素养。
【学习目标】
探
究
实
验
内
容
单液与双液原电池的比较
1
原电池的微型化创新改进
3
4
原电池的高效化创新改进
2
高效化与微型化创新改进
前置作业
根据反应：Zn + CuSO4 = ZnSO4 + Cu，设计单液原电池和双液两种原电池，并画出装置简图（标注出正负极材料、电解质溶液、电极反应式、电子方向、电流方向）。
CuSO4
Zn
Cu
A
CuSO4
Zn
Cu
ZnSO4
(- )
(+)
(- )
(+)
I
e-
I
e-
A
负极：Zn - 2e- = Zn2+ 正极：Cu2+ + 2e- = Cu
自发的氧化还原反应
两 极 一 液 一回路
ZnSO4
CuSO4
Cu
Zn
CuSO4
Cu
Zn
主题一 探究单液与双液原电池的优缺点
图1 单液与双液原电池实验装置图
影响单双液原电池电流的因素有哪些？
电极活泼性、电极之间的距离、电极的截面积等
实验步骤 请同学们按如图所示装置连接：
1、按照图1所示连接好数字化传感器。依次为平板电脑、数据采集器、传感器三部分组成，打开DISLab 6.9快捷图标，打开通用软件。
2、红色导线夹链接铜片，黑色导线夹链接锌片，点击界面“编辑”下的调出实验设置，打开组合图线，以时间t为Y轴，以电流I为X轴，点击开始按钮，采集数据2min。
3、观察锌片、铜片、平板电脑电流示数的变化并如实记录，点击界面“编辑”下的保存图片；
4、实验结束，将电极从电解质溶液中取出，用滤纸擦干； 如实书写实验现象。
问题1-1：描述单液与双液原电池的正负极现象？
问题1-2：单液、双液原电池电流起始读数是多少？电流稳定性如何？
电极现象 电流曲线 温度变化
单液原电池
双液原电池
【实验 ·探究一】
探究单液与双液原电池的优缺点
锌片、铜片上有均
红色物质析出。
锌片上无明显变化；铜片上有红色物质析出。
电流曲线平稳，
示数为0.01A
起始示数为
电流曲线不稳定逐渐减小
I/A
t/s
0.076
I/A
t/s
0.01
单液电流传感器采集实验数据
双液液电流传感器采集实验数据
概括归理1：单液、双液原电池的工作原理
守
恒
观
Zn
Cu
A
SO42-
Cu2+
失e-
负极：Zn - 2e- = Zn2+
正极：Cu2+ + 2e- = Cu
失电子场
所（负极）
电子导体
（导线）
离子导体
（电解质溶液）
得电子场所
（正极材料）
电极反应物
电极产物
过程
现象
装置维度
原理维度
还原剂
氧化产物
氧化剂
得e-
还原产物
e-
e-移动方向
阴离子
阳离子
原电池模型
单液温度传感器采集实验数据
℃
t/s
14.5
16
双液温度传感器采集实验数据
℃
t/s
14.1
电极现象 电流曲线 温度变化
单液原电池
双液原电池
锌片、铜片上有均
红色物质析出。
锌片上无明显变化；铜片上有红色物质析出。
电流示数稳定
电流曲线不
稳定逐渐减小；
溶液温度升高1.5 ℃
溶液温度变化不明显
部分化学能转化为热能
化学能基本全部转化为电能
问题1-3：从能量转换的角度思考，原电池是一个什么装置？
问题1-4：单液电池的优点、缺点是什么？（从电流示数、电流稳定性、放电效率、药品用量的角度思考）
问题1-5：对于单液电池，双液电池的优点、缺点是什么？
单液原电池 双液原电池
表1 单双液原电池的比较
电流示数大
放电效率低，电流不稳定，
药品用量多
能量转换率高，电流稳定
电流示数小，药品用量多
优点
缺点
【概括归理2：实验探究思路】
I/A
t/s
0.076
I/A
t/s
0.01
单液电流传感器采集实验数据
双液液电流传感器采集实验数据
发现
问题
分析
问题
设计
方案
实施
实验
得出
结论
反思
评价
问题 2-1： U型管双液原电池电流变小的原因是什么？
（从盐桥内离子移动距离和离子运动通道两个方面思考， 对原电池内阻的影响）
CuSO4
Zn
Cu
A
Zn
Cu
ZnSO4
CuSO4
一是盐桥距离长，离子运动距离变长；
二是盐桥与电解质溶液接触面积小，离子运动通道变窄；导致原电池内阻变大电流变小。
主题二 原电池的高效化创新改进
问题 2-2：如何改进？
将盐桥加宽变短
改进
【实验 ·探究二】
原电池的高效化创新改进
电流 电流稳定性 药品用量
双液原电池
高效化原电池
实验
结论
0.01A
稳定
>200 ml
Zn
Cu
ZnSO4
CuSO4
DIS
问题3-1：改进后的原电池电流增大数倍，药品用量依然较大，能否设计更微型化的原电池？
滤纸可以吸收大量溶液
作为反应容器
主题三 原电池的微型化创新改进
创新方案： 1、滤纸条作为反应池；
2、蘸有饱和KCl溶液滤纸当做盐桥；
改进
Zn
Cu
ZnSO4
CuSO4
小贴士：
【实验 ·探究三】
原电池的微型化创新改进
【实验步骤】
1、铜片上放一层滤纸滴加5滴CuSO4；锌片上放滤纸滴加5滴ZnSO4 ；用镊子夹取蘸有饱和KCl溶液的滤纸，再与两金属片紧贴好，并用小玻璃片压住滤纸，用鱼尾夹固定好原电池
2、读取数据2min，测完请及时断开电路
3、导线夹与金属片接触即可，避免接触溶液
问题4-1：仔细阅读课本P75材料，观察纽扣式锌银电池体积虽小电流却很大的原因什么？
浸了KOH（aq）的隔板
电流 电流稳定性 药品用量
高效化原电池 0.07 A 稳定 >200 ml
微型化原电池
0.02 A
稳定
1 ml
【实验 ·探究四】
原电池的高效化与微型化创新改进
玻璃片（用双面胶粘贴铜片）
玻璃片（用双面胶粘贴铜片）
铜片
锌片
隔膜
浸CuSO4 aq 滤纸
浸ZnSO4 aq 滤纸
阳离子交换膜
蘸有饱和KCl滤纸
塑料薄膜（空白实验）
夹心式铜锌膜电池
【实验 ·探究四】
原电池的高效化与微型化创新改进
夹心式膜原电池
【实验步骤】
1、铜片上放两层滤纸滴加10滴CuSO4；锌片上放滤纸滴加10滴ZnSO4 ；中间夹为隔膜，并用小玻璃片压住滤纸；
2、读取数据2min，测完请及时断开电路
3、导线夹与金属片接触即可，避免接触溶液
【实验 ·探究四】
原电池的高效化与微型化创新改进
实验方案
1
2
3
4
5
6
阳离子交换膜
（允许阳离子
通过）
蘸有饱和KCl
溶液的滤纸
塑料薄膜
（不透任何离子）
序号
方案简述
学生实验
现象及结论
宏观实验
问题4-2：通过实验，你观察到什么实验现象？
微观分析
图1：阳离子交换膜的原电池
Cu
Zn
+
-
e-
e-
e-
e-
e-
e-
Zn
Zn
Zn
Zn
Zn
Zn
Zn2+
Zn2+
Zn2+
A
阳离子交换膜
Cu2+
Cu2+
Cu2+
Cu
Cu
Cu
e-
e-
I
CuSO4
ZnSO4
Zn2+
Zn2+
Zn2+
随着反应的进行，铜单质不断在电极表
面及滤纸析出，堵塞滤纸的孔径，电池
内阻变大，电流衰减较快。
问题4-3：夹心式膜电池30s到60s
为什么会递减？
30 min
图2：浸饱和KCl溶液滤纸的膜原电池
Cu
Zn
+
-
e-
e-
e-
e-
e-
e-
Zn
Zn
Zn
Zn
Zn
Zn
Zn2+
Zn2+
Zn2+
A
浸饱和KCl滤纸
Cu2+
Cu2+
Cu2+
Cu
Cu
Cu
e-
e-
I
CuSO4
ZnSO4
Zn2+
Zn2+
Zn2+
图3：塑料膜原电池
Cu
Zn
+
-
Zn
Zn
Zn
Zn
Zn
Zn
A
塑料薄膜
CuSO4
ZnSO4
断路
Cu
Cu
Cu
Zn2+
Zn2+
Zn2+
Zn2+
Zn2+
Zn2+
优点
体积小、药品用量少(1ml)、电流持久较稳定、实验操作简便快速、阳膜可重复使用、废弃滤纸无污染绿色化学等优点。
宏
观
现
象
微
观
探
析
根据上述实验结论，利用所提供的材料，组装”完美”的电池，使石英表工作。
主题五 夹心式膜电池的实际应用研究
【实验 ·探究四】
膜电池的实际应用研究
问题4：夹心式膜电池能使石英钟表重新转动起来吗？
6小时20min
15小时40min
随着各地“限牌”政策的推出，电动汽车成为汽车届的“新宠”。“游侠”全电动汽车使用的是钴酸锂(LiCoO2)电池，其工作原理如图，A 极材料是金属锂和碳的复合材料(碳作为金属锂的载体)，电解质为一种能传导Li＋的高分子材料，隔膜只允许 Li＋通过，电池反应式为LixC6＋Li1－xCoO2 ＝ C6＋LiCoO2。
“游侠”电动跑车为什么具有这么好的优良性能？
负极材料：石墨(能吸附锂原子)
负极反应：
LixC6－xe－==xLi＋＋6C
正极反应：
Li1－xCoO2＋xLi＋＋xe－==LiCoO2
知识梳理 归纳总结
微型化原电池
高效化原电池
既高效又微型化
夹心式膜电池
单双液原电池
传统
实验
改进
实验
知识层次逐渐递增
电池设计逐渐精妙
核心素养逐渐提升
科学探究能力提升
膜电池（生活中化学电源的最基本模型）
正极材料
负极材料
隔膜
电解液
外壳
【概括归理3：膜电池的组成部分】
高考中的膜电池
2015·全国卷Ⅰ，11
生活中的膜电池
通过本节课，你学到了什么？
展望原电池
环境友好型的纸电池
科技需要不断发展
进步需要你的创新！！！
世界上最薄的电池诞生了，一张纸就能充电！
原电池的高效化与微型化创新改进
01
03
02
宏观辨识与微观探析
科学态度与社会责任
科学探究与创新意识
通过数字化电流、温度传感器，结合数据曲线，初步形成分析推理、对比归纳的能力及宏观辨识与微观探析核心素养。
通过原电池的创新改进，加深学生对与原电池工作原理的认识初步建立化学电源的基本模型，提高学生的设计实验能力、创新能力及模型认知能力。
通过创设真实有意义的教学情境，认识化学知识与人类生活的密切联系，体会化学科学的重要性，激发学生积极参与学习的激情，感受科学精神与社会责任核心素养。
【学习目标】
探
究
实
验
内
容
单液与双液原电池的比较
1
原电池的微型化创新改进
3
4
原电池的高效化创新改进
2
高效化与微型化创新改进
前置作业
根据反应：Zn + CuSO4 = ZnSO4 + Cu，设计单液原电池和双液两种原电池，并画出装置简图（标注出正负极材料、电解质溶液、电极反应式、电子方向、电流方向）。
CuSO4
Zn
Cu
A
CuSO4
Zn
Cu
ZnSO4
(- )
(+)
(- )
(+)
I
e-
I
e-
A
负极：Zn - 2e- = Zn2+ 正极：Cu2+ + 2e- = Cu
自发的氧化还原反应
两 极 一 液 一回路
ZnSO4
CuSO4
Cu
Zn
CuSO4
Cu
Zn
主题一 探究单液与双液原电池的优缺点
图1 单液与双液原电池实验装置图
影响单双液原电池电流的因素有哪些？
电极活泼性、电极之间的距离、电极的截面积等
实验步骤 请同学们按如图所示装置连接：
1、按照图1所示连接好数字化传感器。依次为平板电脑、数据采集器、传感器三部分组成，打开DISLab 6.9快捷图标，打开通用软件。
2、红色导线夹链接铜片，黑色导线夹链接锌片，点击界面“编辑”下的调出实验设置，打开组合图线，以时间t为Y轴，以电流I为X轴，点击开始按钮，采集数据2min。
3、观察锌片、铜片、平板电脑电流示数的变化并如实记录，点击界面“编辑”下的保存图片；
4、实验结束，将电极从电解质溶液中取出，用滤纸擦干； 如实书写实验现象。
问题1-1：描述单液与双液原电池的正负极现象？
问题1-2：单液、双液原电池电流起始读数是多少？电流稳定性如何？
电极现象 电流曲线 温度变化
单液原电池
双液原电池
【实验 ·探究一】
探究单液与双液原电池的优缺点
锌片、铜片上有均
红色物质析出。
锌片上无明显变化；铜片上有红色物质析出。
电流曲线平稳，
示数为0.01A
起始示数为
电流曲线不稳定逐渐减小
I/A
t/s
0.076
I/A
t/s
0.01
单液电流传感器采集实验数据
双液液电流传感器采集实验数据
概括归理1：单液、双液原电池的工作原理
守
恒
观
Zn
Cu
A
SO42-
Cu2+
失e-
负极：Zn - 2e- = Zn2+
正极：Cu2+ + 2e- = Cu
失电子场
所（负极）
电子导体
（导线）
离子导体
（电解质溶液）
得电子场所
（正极材料）
电极反应物
电极产物
过程
现象
装置维度
原理维度
还原剂
氧化产物
氧化剂
得e-
还原产物
e-
e-移动方向
阴离子
阳离子
原电池模型
单液温度传感器采集实验数据
℃
t/s
14.5
16
双液温度传感器采集实验数据
℃
t/s
14.1
电极现象 电流曲线 温度变化
单液原电池
双液原电池
锌片、铜片上有均
红色物质析出。
锌片上无明显变化；铜片上有红色物质析出。
电流示数稳定
电流曲线不
稳定逐渐减小；
溶液温度升高1.5 ℃
溶液温度变化不明显
部分化学能转化为热能
化学能基本全部转化为电能
问题1-3：从能量转换的角度思考，原电池是一个什么装置？
问题1-4：单液电池的优点、缺点是什么？（从电流示数、电流稳定性、放电效率、药品用量的角度思考）
问题1-5：对于单液电池，双液电池的优点、缺点是什么？
单液原电池 双液原电池
表1 单双液原电池的比较
电流示数大
放电效率低，电流不稳定，
药品用量多
能量转换率高，电流稳定
电流示数小，药品用量多
优点
缺点
【概括归理2：实验探究思路】
I/A
t/s
0.076
I/A
t/s
0.01
单液电流传感器采集实验数据
双液液电流传感器采集实验数据
发现
问题
分析
问题
设计
方案
实施
实验
得出
结论
反思
评价
问题 2-1： U型管双液原电池电流变小的原因是什么？
（从盐桥内离子移动距离和离子运动通道两个方面思考， 对原电池内阻的影响）
CuSO4
Zn
Cu
A
Zn
Cu
ZnSO4
CuSO4
一是盐桥距离长，离子运动距离变长；
二是盐桥与电解质溶液接触面积小，离子运动通道变窄；导致原电池内阻变大电流变小。
主题二 原电池的高效化创新改进
问题 2-2：如何改进？
将盐桥加宽变短
改进
【实验 ·探究二】
原电池的高效化创新改进
电流 电流稳定性 药品用量
双液原电池
高效化原电池
实验
结论
0.01A
稳定
>200 ml
Zn
Cu
ZnSO4
CuSO4
DIS
问题3-1：改进后的原电池电流增大数倍，药品用量依然较大，能否设计更微型化的原电池？
滤纸可以吸收大量溶液
作为反应容器
主题三 原电池的微型化创新改进
创新方案： 1、滤纸条作为反应池；
2、蘸有饱和KCl溶液滤纸当做盐桥；
改进
Zn
Cu
ZnSO4
CuSO4
小贴士：
【实验 ·探究三】
原电池的微型化创新改进
【实验步骤】
1、铜片上放一层滤纸滴加5滴CuSO4；锌片上放滤纸滴加5滴ZnSO4 ；用镊子夹取蘸有饱和KCl溶液的滤纸，再与两金属片紧贴好，并用小玻璃片压住滤纸，用鱼尾夹固定好原电池
2、读取数据2min，测完请及时断开电路
3、导线夹与金属片接触即可，避免接触溶液
问题4-1：仔细阅读课本P75材料，观察纽扣式锌银电池体积虽小电流却很大的原因什么？
浸了KOH（aq）的隔板
电流 电流稳定性 药品用量
高效化原电池 0.07 A 稳定 >200 ml
微型化原电池
0.02 A
稳定
1 ml
【实验 ·探究四】
原电池的高效化与微型化创新改进
玻璃片（用双面胶粘贴铜片）
玻璃片（用双面胶粘贴铜片）
铜片
锌片
隔膜
浸CuSO4 aq 滤纸
浸ZnSO4 aq 滤纸
阳离子交换膜
蘸有饱和KCl滤纸
塑料薄膜（空白实验）
夹心式铜锌膜电池
【实验 ·探究四】
原电池的高效化与微型化创新改进
夹心式膜原电池
【实验步骤】
1、铜片上放两层滤纸滴加10滴CuSO4；锌片上放滤纸滴加10滴ZnSO4 ；中间夹为隔膜，并用小玻璃片压住滤纸；
2、读取数据2min，测完请及时断开电路
3、导线夹与金属片接触即可，避免接触溶液
【实验 ·探究四】
原电池的高效化与微型化创新改进
实验方案
1
2
3
4
5
6
阳离子交换膜
（允许阳离子
通过）
蘸有饱和KCl
溶液的滤纸
塑料薄膜
（不透任何离子）
序号
方案简述
学生实验
现象及结论
宏观实验
问题4-2：通过实验，你观察到什么实验现象？
微观分析
图1：阳离子交换膜的原电池
Cu
Zn
+
-
e-
e-
e-
e-
e-
e-
Zn
Zn
Zn
Zn
Zn
Zn
Zn2+
Zn2+
Zn2+
A
阳离子交换膜
Cu2+
Cu2+
Cu2+
Cu
Cu
Cu
e-
e-
I
CuSO4
ZnSO4
Zn2+
Zn2+
Zn2+
随着反应的进行，铜单质不断在电极表
面及滤纸析出，堵塞滤纸的孔径，电池
内阻变大，电流衰减较快。
问题4-3：夹心式膜电池30s到60s
为什么会递减？
30 min
图2：浸饱和KCl溶液滤纸的膜原电池
Cu
Zn
+
-
e-
e-
e-
e-
e-
e-
Zn
Zn
Zn
Zn
Zn
Zn
Zn2+
Zn2+
Zn2+
A
浸饱和KCl滤纸
Cu2+
Cu2+
Cu2+
Cu
Cu
Cu
e-
e-
I
CuSO4
ZnSO4
Zn2+
Zn2+
Zn2+
图3：塑料膜原电池
Cu
Zn
+
-
Zn
Zn
Zn
Zn
Zn
Zn
A
塑料薄膜
CuSO4
ZnSO4
断路
Cu
Cu
Cu
Zn2+
Zn2+
Zn2+
Zn2+
Zn2+
Zn2+
优点
体积小、药品用量少(1ml)、电流持久较稳定、实验操作简便快速、阳膜可重复使用、废弃滤纸无污染绿色化学等优点。
宏
观
现
象
微
观
探
析
根据上述实验结论，利用所提供的材料，组装”完美”的电池，使石英表工作。
主题五 夹心式膜电池的实际应用研究
【实验 ·探究四】
膜电池的实际应用研究
问题4：夹心式膜电池能使石英钟表重新转动起来吗？
6小时20min
15小时40min
随着各地“限牌”政策的推出，电动汽车成为汽车届的“新宠”。“游侠”全电动汽车使用的是钴酸锂(LiCoO2)电池，其工作原理如图，A 极材料是金属锂和碳的复合材料(碳作为金属锂的载体)，电解质为一种能传导Li＋的高分子材料，隔膜只允许 Li＋通过，电池反应式为LixC6＋Li1－xCoO2 ＝ C6＋LiCoO2。
“游侠”电动跑车为什么具有这么好的优良性能？
负极材料：石墨(能吸附锂原子)
负极反应：
LixC6－xe－==xLi＋＋6C
正极反应：
Li1－xCoO2＋xLi＋＋xe－==LiCoO2
知识梳理 归纳总结
微型化原电池
高效化原电池
既高效又微型化
夹心式膜电池
单双液原电池
传统
实验
改进
实验
知识层次逐渐递增
电池设计逐渐精妙
核心素养逐渐提升
科学探究能力提升
膜电池（生活中化学电源的最基本模型）
正极材料
负极材料
隔膜
电解液
外壳
【概括归理3：膜电池的组成部分】
高考中的膜电池
2015·全国卷Ⅰ，11
生活中的膜电池
通过本节课，你学到了什么？
展望原电池
环境友好型的纸电池
科技需要不断发展
进步需要你的创新！！！
世界上最薄的电池诞生了，一张纸就能充电！