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电池探秘
教案
教学目标
知识与技能:
1、 掌握原电池的基本原理;
2、了解几种常见的原电池;
3.、用电极反应和电池反应表示化学能和电能的转化关系;
4、认识化学能与电能转化的实际意义以及废弃电池的污染及新型环保电池开发使用的意义。
过程与方法:
从身边常见的化学电池出发,先了解生活中的各种电池,以及最新的电池,并初步懂得化学能至电能的转化过程;然后结合电池反应和相关试验,通过探讨其工作原理,真正体验化学能至电能的转化过程。21世纪教育网版权所有
教学重难点:
掌握原电池的基本原理;用电极反应和电池反应表示化学能和电能的转化关系。
教学用具:
铜片、锌片、铁片、碳棒、稀硫酸、硫酸铜溶液、酒精、导线、电流表、烧杯。
教学过程:
[创设引入]大家都知道现在电池在生活和生产发挥了巨大的作用,为我们提供了便利。不论在陆地上,海洋上,还是在太空中都有它们的身影。今天这节课我们来了解一下各种各样的电池,希望大家有兴趣跟我一起来了解电池的世界。www.21-cn-jy.com
[板书]课题1
电池探秘
[提问]那首先请大家说说你见到过的或者听说过的电池有哪些?
[学生]干电池、蓄电池、手机电池、纽扣式电池、太阳能电池、燃料电池……
[讲授]大家回答得很全面,那我们先了解一下电池的历史吧。
[投影]
电池发展历史
1800年
Alessandro
Volta
发明世界上第一个电池.
1802年
Dr.
William
Cruikshank
设计了第一个便于生产制造的电池.
1836年
John
Daniell
为提供稳定的放电电流,对电池做了改进
1859年
Gaston
Planté
发明可充电的铅酸电池.
1868年
George
Leclanché
开发出使用电解液的电池
1881年
J.
A.
Thiebaut
取得干电池专利.
1888年
Dr.
Gassner
开发出第一个干电池.
1890年
Thomas
Edison
发明可充电的铁镍电池
1896年
在美国批量生产干电池
1896年
发明D型电池.
1899年
Waldmar
Jungner
发明镍镉电池.
1910年
可充电的铁镍电池商业化生产
1911年
我国建厂生产干电池和铅酸蓄电池(上海交通部电池厂)
1914年
Thomas
Edison
发明碱性电池.
1934年
Schlecht
and
Akermann
发明镍镉电池烧结极板.
1947年
Neumann
开发出密封镍镉电池.
1949年
Lew
Urry
(Energizer)
开发出小型碱性电池.
1954年
Gerald
Pearson,
Calvin
Fuller
and
Daryl
Chapin
开发出太阳能电池.
1956年
Energizer.制造第一个9伏电池
1956年
我国建设第一个镍镉电池工厂(风云器材厂(755厂))
1960前后
Union
Carbide.商业化生产碱性电池,我国开始研究碱性电池(西安庆华厂等三家合作研发)21教育网
1970前后
出现免维护铅酸电池.
1970前后
一次锂电池实用化.
1976年
Philips
Research的科学家发明镍氢电池.
1980前后
开发出稳定的用于镍氢电池的合金.
1983年
我国开始研究镍氢电池(南开大学)
1987年
我国改进镍镉电池工艺,采用发泡镍,电池容量提升40%
1987前
我国商业化生产一次锂电池
1989年
我国镍氢电池研究列入国家计划
1990前
出现角型(口香糖型)电池,
1990前后
镍氢电池商业化生产.
1991年
Sony.可充电锂离子电池商业化生产
1992年
Karl
Kordesch,
Josef
Gsellmann
and
Klaus
Tomantschger
取得碱性充电电池专利21cnjy.com
1992年
Battery
Technologies,
Inc.生产碱性充电电池
1995年
我国镍氢电池商业化生产初具规模
1999年
可充电锂聚合物电池商业化生产
2000年
我国锂离子电池商业化生产
2000后
燃料电池,太阳能电池成为全世界瞩目的新能源发展问题的焦点
[讲解]我国第一家电池厂于1911年诞生于上海。1921年第一家专业铅蓄电池厂-上海蓄电池厂也建于上海。1941年在延安中央军委三局所属电信材料厂开始生产锌锰干电池和修理铅酸蓄电池。1957年组建机电部电材局化学电源研究室,1958年成为我国第一个专业研究所,既原一机部化学电源研究所(原电子工业部天津电源研究所)。1960年我国第一家碱性蓄电池厂“风云器材厂”在河南新乡正式验收投产。20世纪90年代初,国家开始了“863”重点攻关,使Ni-MH电池的生产化得到了迅速发展。以后国家又开始了锂离子电池“863”重点攻关,希望能借此推动锂离子电池及其材料的国产化。【来源:21·世纪·教育·网】
[过渡]接下来就从身边最熟悉的电池开始了解。最早使用的干电池就是像“三圈”牌电池那样的——锌-锰电池,这是法国科学家勒兰社(Leclanche)于1868年发明的。不知道有没有哪位同学曾经对电池感兴趣过,而且还进行过解剖?【来源:21cnj
y.co
m】
[学生]有些学生可能发表见解。
[引导]这事我就曾做过,当时只发现里头除了大量的黑色粉末、一些白色糊状物质、一根戴着铜帽子的碳棒、塑料盖子和外壳。没什么特别的,怎么会产生电流呢,就是没弄明白。大家明白工作原理么?那我们先了解一下它的结构吧。2·1·c·n·j·y
[投影]图3-1-5锌锰干电池剖面示意图
[指导学生讲解]外围是锌筒,正中央插着一根碳棒,锌筒和碳棒之间装满了用NH4Cl溶液拌湿的二氧化锰和石墨的混合物,还含有少量氯化锌,电池上端用酚醛塑料、蜡和沥青等材料进行密封。【版权所有:21教育】
[讲授]如果我们用两根导线将电池与小灯泡连接,就可以看到灯泡发光。这是因为锌筒上的锌原子失去电子,这些电子通过导线、金属帽流向碳棒,内部的二氧化锰得到电子被还原。电子就这样形成了定向移动,供应出电流。最早使用的都是酸性锌锰电池,有这样的缺点不能长时间稳定供电,而且在低温下不能工作。后来改进成碱性锌锰电池,用氢氧化钾(KOH)或氢氧化钠(NaOH)的水溶液来替代NH4Cl溶液,锌片改为锌粉,外壳改用钢皮,使电池的容量和放电电流都能得到显著的提高。21教育名师原创作品
[设问]大家知道这样变化就使电池的容量和放电电流都能得到显著的提高的原因吗?
[引导分析]强碱导电性更强,锌片改为锌粉,反应面积成倍增长,放电电流大幅度提高。
[激发兴趣]锂电池是一次性电池。陆续发明的锂电池已经有不少品种。近年来,植入某些心脏病人体内的心脏起博器中用的微型电池几乎成为锂碘电池的一统天下。这种电池制造过程及使用材料很复杂,所以产品价格昂贵。用锂作为电池的负极,跟用相同质量的其他金属作负极相比较,使用寿命大大延长。锂电池是一种高能电池,它具有质量轻、电压高、工作效率高和贮存寿命长的优点,因而已用于电脑、照相机、手表、心脏起搏器上,以及作为火箭、导弹等的动力电源。21
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锂电池以锂作负极,非水有机溶剂如环脂、直链脂及酰胺等和无机溶剂作溶剂,以锂盐LiClO4、LiAlCl4、LiAsF4等为电解质。由于锂密度低,电极电位负值高、延展性好,使得锂电池有比容量大、电压高、电阻低的优点,同时电池材料中无一种可能对环境造成污染。被广泛地应用于心脏起搏器、电子表、计算器。
[板书]一、认识几种电池
1.锌锰电池
[过渡]一般圆柱形比如:1号/2号/5号/7号等,这些适用于一般电子商品,而且是一次性的。如果汽车也用这样的电池,那不是几个小时就要更换一次,因此需要一种容量更大、还可以充电的电池。
[板书]2.铅酸蓄电池
[投影]图3-1-6汽车用铅酸蓄电池示意图
[讲解]铅酸蓄电池是1859年法国普兰特(Plante)发现的。由正极板、负极板、电解液、隔板、容器(电池槽)等5个基本部分组成。这个大家可以到摩托车或者汽车修配店看看具体实物。这是用二氧化铅作正极活性物质,铅作负极活性物质,硫酸作电解液,微孔橡胶、烧结式聚氯乙烯、玻璃纤维、聚丙烯等作隔板制成的电池。
[提问]对于这样的可充电的蓄电池,我们如何来确定电池是否应该充电,总不能等车开不动的时候再来充电吧?
[学生]可以通过检查硫酸溶液的密度来确定。因为在放电的过程中,硫酸是不断地被消耗,浓度肯定降低、密度会变小。
[讲解]既然是个可充电电池,那就意味着这种电池发生的反应应该是个可逆反应。也就是在充电时,在两极上又要分别产生出铅和二氧化铅,同时生成硫酸,将电能再以化学能形式储存。
[讲解]充电电池的充电过程是向电池提供电能,发生强制性的氧化反应,把电能转化成化学能的过程。放电过程恰好与之相反。优点就是充、放电方便稳定性强。但是这种蓄电池需要使用几十千克铅,体积大,使用不方便,而且寿命较短。所以一般在汽车、小型电动车中使用。
[过渡]由于铅酸蓄电池有那样的缺点,所以在生活中就不可能使用它了。那常用的充电电池有哪些呢?
[激发兴趣]镍——镉电池的外形完全与5号干电池类似,输出电压为1.5伏,充放电可达2000~4000次,使用期长达10~15年。正是因为这种优点,镍——镉电池常与太阳能电池配套使用作为通信卫星的电源。镍——镉电池,负极是镉(Cd),正极是三氧化二镍(Ni2O3),氢氧化钠作电解液。21·cn·jy·com
采用氧化镍或氢氧化镍作正极,以氢氧化钾或氢氧化钠的水溶液作电解质溶液,金属氢化物作负极。金属氢化物电池为20世纪80年代末,利用吸氢合金和释放氢反应的电化学可逆性发明制成,是小型二次电池主导产品。Ni
—
H2可逆电池
——绿色电池:可连续充电500次,每次充放电成本底,不含汞、无污染(日本1996年3.6亿节增长到1998年的4.2亿节)。【出处:21教育名师】
锂二次电池是本世纪90年代新发展起来的绿色能源。也是我国能源领域重点支持的高新技术产业,以其高可逆容量、高电压、高循环性能和高能量密度等优异性能而备受世人青睐,被称为20世纪的主导电源,其应用领域不断扩大,目前已由3C市场(Consullle,COpe。d
Communicabo扩大至4THC
CORDLESST00LS,无绳工具)市场。迅速对电池市场发起冲击,大有独瞩天下之势,产值也多达30多亿美元。因此,作为键二次电池负极材料的中间相沥青炭微球(Mesocalbon
Micmbeads.MC皿B)必将随着理二次电池业的兴旺而更具光明的前景。www-2-1-cnjy-com
常见的钮扣电池为银锌电池,它用不锈钢制成一个由正极和负极盖组成的小圆盒,盒内靠正极壳一端填充由Ag2O和少量石墨组成的正极活性材料,负极盖一端填充锌汞合金作负极活性材料,电解质溶液为浓KOH,溶液两边用羧甲级纤维素作隔膜,将电极与电解液分开。一粒钮扣电池的电压达1.59V,安装在电子表里可使用两年之久。
银锌蓄电池是一种高能电池,它质量轻、体积小,是人造卫星、宇宙火箭、空间电视转播站等的电源。
[过渡]像9月25日神七飞天,应用在宇宙航天器上的电池肯定不象我们使用的电池,它应该有自己的特点,比如提供电能之外还能提供饮用水。2-1-c-n-j-y
[板书]3.燃料电池
[讲解]燃料电池起源于20世纪60年代初期。当时,美国的国家航空和宇宙航行局(NASA)正计划进行一系列无人航天飞行。由于使用干电池较重,太阳能价格昂贵,而核能又太危险,NASA正探索为其提供动力的解决方案。燃料电池通过氧与氢结合成水的简单电化学反应而发电,吸引了许多人的视线,NASA便资助了一系列的研究合同,从事开发实用燃料电池的设计。尽管燃料电池在空间应用方面获得了令人感兴趣的发展,但大规模商业化生产却存在着许多障碍。1973年的石油禁运引发了人们对燃料电池动力在地面应用的重新兴趣,因为许多政府期望降低对石油进口的依赖性。最后,直到20世纪90年代,也就是Grove于1839年最初所进行的电解实验(使用电将水分解成氢和氧)之后的150多年,一种廉价的,清洁的,可再生的能源最终变成了事实。
燃料电池是利用燃料和氧化剂间的氧化还原反应提供电能的电池,最大特点就是在工作时不断地从外界输入燃料和氧化剂,同时将电极反应产物排出电池。比如常听说的氢氧燃料电池。
[激发兴趣]海水电池用取之不尽的海水为电解液,靠空气中的氧使铝不断氧化而产生电流。1991年,我国首创以铝-空气-海水为能源的新型电池,用作航海标志灯已研制成功。该电池以取之不尽的海水为电解液,靠空气中的氧使铝不断氧化而产生电流。这种海水电池的能量比"干电池"高20~50倍。
目前空气锌电池也是取代锂离子电池的佼佼者,空气锌电池也以无害而低价的锌为负极活性物质,以空气中的氧气为正极活性物质。其基本工作原理为:电池阳极上的锌与电解液中的氢氧根离子发生化学反应(负极反应),释放出电子;同时GDE(气体扩散电极或空气电极)反应层中的催化剂与电解液及经由扩散作用进入电池的空气中的氧气相接触,吸收电子,发生电化学反应(正极反应)。整个过程在外电路中产生电流。由于空气中的氧气随时可取,不占用电池空间,在相同体积、重量之下,锌空气电池储存了更多的反应原料,与传统电池相比,其能量更高,成本更低。以7号电池为例,锌空气电池容量是同型号碱性电池的2.5倍,而重量却仅为碱性电池的三分之二,在通常使用情况下,若是手机电池,则待机时间可高达45天以上。
[小结]电池的种类很多,除了刚才我们介绍的各种化学电池,当然也有物理电池如太阳能电池。像这些环保型的电池将会在我们未来生活中发挥更大、更重要的作用。
[设疑]对于化学电池到底是怎么进行工作的?能否用简单的实验来进行探究呢?
[布置作业]请大家回去好好回去设计课本P63的实验。下节课我们将进行实验探究。
主板书
课题1
电池探秘
一、认识几种电池
1.锌锰电池
2.铅酸蓄电池
3.燃料电池
[布置作业]请大家回去好好回去设计课本P63的实验。下节课我们将进行实验探究。
(第二课时)
[引入新课]在必修课本中我们已经学过原电池。电池结构当然比它复杂多了,但原理是一样的。
[活动探究1]以小组为单位,做以下实验,观察现象,分析原因。
(1)把一块锌片插入稀硫酸中;(2)把一块锌片和一块铜片平行插入稀硫酸中(锌片与铜片不接触);(3)把锌片、电流表和铜片用导线连接起来,然后将锌片与铜片平行插入稀硫酸中。
[学生以小组为单位汇报交流]
[讲解]当锌片与铜片同时浸入电解质溶液时,由于锌比铜活泼,锌原子容易失去电子被氧化成Zn2+进入溶液,锌片上积累了较多的电子,此时两个电极材料分别与溶液间的形成的电势差不相等。当用导线将锌片与铜片连接起来时,锌片上的电子沿导线流向铜片;溶液中的H+从铜片上获得电子被还原成氢原子,氢原子结合成氢分子进而聚集成氢气在铜片上放出。电子持续流动形成电流。在这个过程中,铜片起传导电子的作用。我们称电子流出的极(锌片)为负极,电子流入的极(铜片)为正极。在负极上锌被氧化,正极上H+被还原。
[投影并解说]电极反应式:
负极(锌):
Zn→Zn2++2e-(氧化反应)
正极(铜):
2H++2e-→H2↑(还原反应)
原电池总反应式:Zn+2H+=Zn2++H2↑(说明总反应式与电极反应式的关系)
电荷流向:
导线中:电子由锌片(负极)经导线流向铜片(正极);(外电路)
溶液中:SO42-、OH-
移向锌片(负极),H+、Zn2+
移向铜片(正极)(内电路)
原电池反应的实质:发生了自发的氧化还原反应,电子由负极经外电路流向正极,形成电流。
[板书]二、电池是怎样工作的
1.原电池反应的实质:发生了自发的氧化还原反应,电子由负极经外电路流向正极,形成电流。
[过渡]我们又一次重做这个实验,下面我们要继续进行探究。
[活动探究2]
⑴利用给出的实验用品组成原电池,比较不同原电池产生电流的情况.
⑵记录实验结果,分析每个原电池中发生氧化还原反应的物质是什么,它们是怎样反应的?
⑶思考要组成一组原电池应满足哪些条件?
(注意事项:①分工合作完成实验、填写表格;
②注意电流表的使用方法;
③每次更换溶液之后要把电极用蒸馏水冲洗干净。)
电极
溶液
是否产生电流
发生氧化还原反应的物质
电极反应式
氧化还原反应的化学方程式
铜片、锌片
酒
铜片、铁片
铜片、锌片
蔗糖溶液
铜片、铁片
铜片、锌片
稀硫酸
铜片、铁片
铁片、碳棒
铜片、铜片
[师生交流]1、有哪几组组成了原电池?
2、学生表述实验现象。
[总结归纳并板书]
2、组成原电池的条件:
前提:有自发进行的氧化还原反应
原电池反应能够将氧化反应和还原反应分别在两个不同区域进行,电子沿导线从氧化区域流向还原区域。
原电池的构成及各部分的作用:
①两个电极
说明:通常所见的原电池都是由较活泼的金属作负极,不活泼金属或非金属作正极。在负极上发生金属原子失去电子的氧化反应;但并非所有电池的负极材料都是活泼金属,例如燃料电池,燃料电池发生反应的物质是可燃物和氧化剂,所以需要固体导体做电极材料,该导体可以由不活泼金属或导电非金属材料构成,(如铂和石墨等),该导电固体起导电作用和催化作用,在两个固体导电体上分别实现了可燃物失去电子的氧化反应和氧化剂得到电子的还原反应。21·世纪
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因此我们只能说在负极上一定会发生失去电子的氧化反应,但不一定是负极材料本身失去电子。
②电解质溶液
电解质溶液在原电池反应中主要起导电作用,有时电解质还会参与电极反应。
③闭合回路
[练习判断]能组成原电池并产生电流的是:
A
Cu-Cu,稀H2SO4
B
Cu-Zn,稀H2SO4
C
Cu-Zn,C2H5OH
D
Cu-Zn,
稀H2SO4分别置于两个烧杯中用导线连接。21
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[过渡]同学们,通过前面内容的学习,我们了解了原电池的工作原理,可以这样说我们研究原电池原理的主要目的是利用原电池原理为我们的生产生活服务。
[板书]3、原电池原理的应用:
[总结]原电池原理最主要的应用就是我们都知道的-制作电池。这我们在上节课就已经进行了解。
[家庭探究]水果也能制作电池,你也试试吧。哪种水果、电极组合好些?你想过身边的材料,如酱油、食醋、盐水、饮料、铅笔芯、钱币、铁钉等可作电池材料吗?
主板书
二、电池是怎样工作的
1、原电池反应的实质:发生了自发的氧化还原反应,电子由负极经外电路流向正极,形成电流。
2、组成原电池的条件:
①两个电极
②电解质溶液
③闭合回路
3、原电池原理的应用
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