(共21张PPT)
各种电池DIY实验
——体验原电池装置的优化
【设计师成果展示】
随时充放电汗液电池
可降解糖生物电池
超薄弯曲电池
比亚迪汉电动汽车
充电25min，续航600公里
各种电池DIY实验
---体验原电池装置的优化
选修
负极
电解质
正极
必修2
【教材分析】
【纵观剧本】
探
究
实
验
程
序
探究单液原电池
1
双液原电池应用
3
探究双液原电池
2
【环节1：探究单液原电池】
实验目的：
根据提供的试剂和仪器，设计并组装原电池，测其电流，分析电流强度不同原因，体验化学能转化为电能。
仪器用品：
Zn片(厚的银白色金属片)、Al片(薄的银白色金属片)、Cu片、
电流计、导线、夹子、
H2SO4溶液、CuSO4溶液、各种蔬菜水果
【环节1：探究单液原电池】
方法导引：a.
用电流表测电流（量程10mA或1mA）
黑色头--原电池负极；红色头--原电池正极
b.电极材料插入溶液深度不同，电极板间距大小不同，
分析电流表读数不同的原因。
c.
四人小组合作分工，及时记录并分析，
将数据和分析结论整理到学案上。
编号
类型
电流表读数（mA）
1
Zn│CuSO4│Cu
2
Zn│H2SO4│Cu
3
Al│CuSO4│Cu
4
Al│H2SO4│Cu
5
Zn│西红柿│Cu
6
Zn│
桔子
│Cu
7
Zn│
……
│Cu
思考：以上原电池的电流强度为何不同？哪些因素影响电流强度？
实验数据：
【活动1：探究单液原电池】
1.以上原电池的电流强度为何不同？哪些因素影响电流强度？
I=U/R
R=ρL/S
电极材料
电解质溶液
电极板间距
（种类和浓度）
电极板正对面积
3.为什么锌表面变黑？
锌与CuSO4溶液直接反应，置换出了铜。
思想：控制变量，对比实验
缺点：降低了电池效率
【活动1：探究单液原电池】
问题讨论：
2.若想验证以上因素影响电流强度，如何设计实验？
实验目的：
设计并组装双液原电池，测量电流强度，分析电流强度不同原因。体会双液原电池的优点。
仪器用品：Zn片(厚的银白色金属片)、Cu片、CuSO4溶液、
ZnSO4溶液、电流计、导线、夹子、大小玻璃片、滤纸、镊子
【活动2：探究双液原电池
】
探究任务：
（1）利用以上试剂和仪器，将总反应
Zn+CuSO4=
ZnSO4+Cu
设计成双液原电池，测量电流强度。在学案上画出装置图。
（2）如何将上述装置设计成微型装置？
（提示：利用滤纸，用少量试剂达到实验目的）
【活动2：探究双液原电池
】
汇报方案：
【活动2：探究双液原电池
】
汇报方案：
【活动2：探究双液原电池
】
微型化改进
CuSO4
Zn
Cu
ZnSO4
金属Zn片
金属Cu片
浸有ZnSO4
的滤纸
浸有CuSO4
的滤纸
浸有KCl
的滤纸
小玻璃片
夹心式铜锌原电池
铜电极
滴有CuSO4溶液的滤纸
隔膜
滴有ZnSO4溶液的滤纸
锌电极
金属Zn片
浸有ZnSO4
的滤纸
浸有KCl
滤纸
小玻璃片
浸有CuSO4
的滤纸
金属Cu片
方案汇总：
仪器双液原电池
微型原电池
试剂和仪器
金属片：锌片、铜片；
溶液：CuSO4、ZnSO4、KCl；烧杯、盐桥、电流表
金属片：锌片、铜片；
溶液：CuSO4、ZnSO4、KCl；
烧杯、盐桥、电流表、滤纸
画图
电流强度
（mA）
【活动2：探究双液原电池
】
实验过程：
浸有ZnSO4
的滤纸
浸有CuSO4
的滤纸
浸有KCl的滤纸
【环节3：双液原电池的应用】
1.纽扣式银锌电池
负极：Zn+2OH-
-2e-
=Zn(OH)2
正极：Ag2O+H2O+2e-=2Ag+2OH-
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，溶液两边用羧甲基纤维素作隔膜，将电极与电解液分开。
负极材料
负极反应物
膜
正极反应物
正极材料
不锈钢
Zn
羧甲基纤维素
Ag2O
不锈钢
2.（1）酸性锌锰干电池
【环节3：双液原电池的应用】
以锌筒作为负极，并经汞齐化处理，使表面性质更为均匀，以减少锌的腐蚀，提高电池的储藏性能。正极反应物是由二氧化锰粉、氯化铵及碳黑组成的一个混合糊状物。正极材料中间插入一根碳棒，作为引出电流的导体。在正极和负极之间有一层增强的隔离纸，该纸浸透了含有氯化铵和氯化锌的电解质溶液。
负极材料
负极反应物
膜
正极反应物
正极材料
酸性干电池
Zn筒
Zn
隔离纸
MnO2
碳棒
负极反应物是锌，正极反应物是二氧化锰，电解液是氢氧化钾溶液。中间由锌粉压制的圆柱状负极，外缠裹着浸满氢氧化钾溶液的纤维材料，再外是二氧化锰、碳粉及氢氧化钾溶液组成的正极。电池的外壳由惰性金属制成与正极相连，电池的负极通过集电针与电池底部相连。
2.（2）碱性锌锰干电池
【环节3：双液原电池的应用】
负极材料
负极反应物
膜
正极反应物
正极材料
碱性干电池
集电针
Zn粉
纤维材料
MnO2
惰性金属
一颗钮扣电池弃入大自然后，可以污染60万升水，相当于一个人一生的用水量，而中国每年要消耗这样的电池70亿只。废电池无论在大气中还是深埋在地下，其重金属成份都会随渗液溢出，造成地下水和土壤的污染，日积月累还会严重危害人类健康。
小小废旧电池危害大
回收废旧电池，保护环境，
从我做起！
【环节3：双液原电池的应用】
3.氢氧燃料电池
负极材料
负极反应物
膜
正极反应物
正极材料
碳/铂
碳/铂
H2
O2
质子交换膜
纳米电池
兆瓦级燃料电池发电站
通过本节课学习，在设计和研发电池方面有什么收获？
电池反应
电极材料
电解质
内部构造
…………
【本节总结】
谢谢大家！各种电池DIY实验—体验原电池装置的优化【评测练习】
高考中的实用电池
1．[2019浙江4月选考]化学电源在日常生活和高科技领域中都有广泛应用。下列说法不正确的是
A．Zn2+向Cu电极方向移动，Cu电极附近溶液中H+浓度增加
B．正极的电极反应式为Ag2O＋2e?＋H2O2Ag＋2OH?
C．锌筒作负极，发生氧化反应，锌筒会变薄
D．使用一段时间后，电解质溶液的酸性减弱，导电能力下降
2．[2020新课标Ⅱ]电致变色器件可智能调控太阳光透过率，从而实现节能。下图是某电致变色器件的示意图。当通电时，Ag+注入到无色WO3薄膜中，生成AgxWO3，器件呈现蓝色，对于该变化过程，下列叙述错误的是
A．Ag为阳极
B．Ag+由银电极向变色层迁移
C．W元素的化合价升高
D．总反应为：WO3+xAg=AgxWO3
3．[2020新课标Ⅰ]科学家近年发明了一种新型Zn?CO2水介质电池。电池示意图如图，电极为金属锌和选择性催化材料，放电时，温室气体CO2被转化为储氢物质甲酸等，为解决环境和能源问题提供了一种新途径。
下列说法错误的是
A．放电时，负极反应为
B．放电时，1
mol
CO2转化为HCOOH，转移的电子数为2
mol
C．充电时，电池总反应为
D．充电时，正极溶液中OH?浓度升高
4．[2020新课标Ⅲ]一种高性能的碱性硼化钒(VB2)—空气电池如下图所示，其中在VB2电极发生反应：该电池工作时，下列说法错误的是
A．负载通过0.04
mol电子时，有0.224
L(标准状况)O2参与反应
B．正极区溶液的pH降低、负极区溶液的pH升高
C．电池总反应为
D．电流由复合碳电极经负载、VB2电极、KOH溶液回到复合碳电极
5．[2020年山东新高考]微生物脱盐电池是一种高效、经济的能源装置，利用微生物处理有机废水获得电能，同时可实现海水淡化。现以NaCl溶液模拟海水，采用惰性电极，用下图装置处理有机废水(以含
CH3COO-的溶液为例)。下列说法错误的是
A．负极反应为
B．隔膜1为阳离子交换膜，隔膜2为阴离子交换膜
C．当电路中转移1mol电子时，模拟海水理论上除盐58.5g
D．电池工作一段时间后，正、负极产生气体的物质的量之比为2:1
6．[2019天津]我国科学家研制了一种新型的高比能量锌?碘溴液流电池，其工作原理示意图如下。图中贮液器可储存电解质溶液，提高电池的容量。
下列叙述不正确的是
A．放电时，a电极反应为
B．放电时，溶液中离子的数目增大
C．充电时，b电极每增重，溶液中有被氧化
D．充电时，a电极接外电源负极
7．[2018新课标Ⅰ]最近我国科学家设计了一种CO2+H2S协同转化装置，实现对天然气中CO2和H2S的高效去除。示意图如图所示，其中电极分别为ZnO@石墨烯（石墨烯包裹的ZnO）和石墨烯，石墨烯电极区发生反应为：
①EDTA-Fe2+-e-＝EDTA-Fe3+
②2EDTA-Fe3++H2S＝2H++S+2EDTA-Fe2+
该装置工作时，下列叙述错误的是
A．阴极的电极反应：CO2+2H++2e-＝CO+H2O
B．协同转化总反应：CO2+H2S＝CO+H2O+S
C．石墨烯上的电势比ZnO@石墨烯上的低
D．若采用Fe3+/Fe2+取代EDTA-Fe3+/EDTA-Fe2+，溶液需为酸性
【开放式作业】
查阅资料，了解人类社会所面临的能源危机及未来新型能源；
调查市场常见化学电池的种类，讨论这类电池的工作原理、生产工艺和回收价值；
答案：1-5ACDBB
6-7
DC各种电池DIY实验—体验原电池装置的优化
一、教学目标
1.通过单双液原电池的模型的认识，实验现象的观察，微粒动向的分析，培养学生的宏观辨识与微观探析的素养。
2.通过对原电池的设计和原理的分析，使学生熟知构成原电池条件，加深对电化学本质的认识。
3.通过学生分组实验的设计和操作，诊断学生实验探究模型的水平。对学生小组交流及课堂发言信息的分析，发展学生实验探究设计的水平。
4.通过提高能量转换效率讨论和对废旧电池回收的研究性学习，使学生认识到电池对现代生活的重要作用，具备节约资源保护环境的可持续发展意识，增强学生社会责任感。
2、过程与方法
1.通过实验探究，观察实验现象和分析实验数据，培养学生分析问题的能力；
2.通过理论与实践相结合，培养学生创新精神；
3.发现事物变化的实质，培养科学的逻辑推理能力。
三、教学过程
环节
情景设置
师生活动
引入
图片展示1图片展示2
师：生活中见过各种各样的电池，例如干电池、锂电池、蓄电池；为了满足不同领域的需求，设计出了各种新型电池，比如随时充放电的汗液电池，可降解糖的生物电池，超博可随意弯曲的电池。我们再看这款国产比亚迪汉快充电动汽车，充电25分钟，续航600公里。到青岛五四广场400公里，吃顿饭的功夫充电，考虑到堵车等因素，也能从这里开到青岛。这个指标令众多车迷心动。
展示标题
师：今天我们在实验室组装原电池，体验由简单原电池一步步设计成高效、实用的电池。
学情分析
复习回顾
师：必修阶段我们认识了简单的铜锌原电池，选修阶段中也系统学习了双液原电池和燃料电池。那么复习一下，构成原电池的条件有哪些？生：电极材料，电极反应物，电子导体，离子导体，闭合回路，自发的氧化还原反应。师：很好，若电极材料作为反应物，活泼的电极为负极。
纵观剧本
展示内容
师：今天探究的的内容主要有三个环节1.组装单液原电池2.设计微型双液原电池3.感受和认识双液原电池在实际电池中的应用
环节1探究单液原电池
布置任务
师：介绍利用实验台上的试剂和仪器组装原电池，其中提供的电极材料有锌片（银白色窄且厚的）、铝片（银白色宽且薄的），还有紫红色的铜；离子导体有硫酸和硫酸铜，各种水果等。组装原电池，用电流表测其电流，记录并分析电流强度大小不同原因，体验化学能转化为电能。在使用电流表过程中注意：a.电流表使用（量程10mA或1mA），黑色头--原电池负极；红色头--原电池正极b.电极材料插入溶液深度，电极板间距大小，分析电流表读数变化c.四人小组合作分工，及时记录并分析，所得数据结论整理在探究学案上。
学生实验
开始实验…………师：实验结束，停下手中实验，每个小组汇报实验结果生：逐一汇报结果
问题讨论
5.问题讨论师：以上原电池的电流强度为何不同？哪些因素影响电流强度？生：与电极材料有关，电极板间距，电极板入溶液的深度……师：总结结合物理上学的公式：I=U/R
R=ρL/S电压取决于电极反应物的电势差，电阻取决于溶液电阻率，电极板间距，电极板的正对面积。电极板间距越小，电极板的正对面积越大，电阻越小，电流越大。师：追问—若想探究以上因素如何影响电流强度，应该如何设计实验？生：控制变量，对比实验师：追问—在实验过程中，还有哪些困惑？生：锌片表面变黑，为什么？师：第1个原因芯片不纯；第2个原因锌片（负极）与电解质溶液发生了反应。若想提高电池效率，避免负极材料与正极反应物反应，可将两者隔离，改装成双液原电池。
环节2探究双液原电池
实验任务
师：下面把锌置换成铜的这个反应，设计成双液原电池；社会的需求，由大笨重向小轻便发展。思考，如何将这个装置改进，用少量的试剂即可测出电流，尝试利用滤纸作为溶液载体对传统双液原电池进行微型化设计。在导学案上画出装置图。
汇报方案
师：课前同学们已经填写过预习学案，画出了各种设计图，下面我们一起分析可行性。
生：这是经典的双液原电池液，这是单液原电池
生：只有一种溶液
生：中间是滤纸，不能稳固放置吗，这样设计起不到隔开两种溶液的效果
。
生：这样需要特殊的装置，固定滤纸。这次实验室没有提供这样的烧杯。
生：用盐桥无法将两侧溶液联通起来，是断路。
生：指出错误：铝换成锌，两溶液是混合在一起的，
负极依然和电解质溶液接触。
生：在滤纸上滴ZnSO4，CuSO4；再滴KCl溶液将其连起来。理论可行，可能因为溶液太少，电流太弱。生：分别在两玻璃片上放浸有CuSO4和ZnSO4溶液，
再用浸有KCl的滤纸链接起来，上面在分别放上金属电极材料。这个设计好。
方案汇总
师：（1）结合同学们的设计，组装传统双液原电池，并测量电流。（2）利用滤纸作为溶液载体，组装微型原电池:
在玻璃片上，放上接好电流表的两个电极金属片，将浸有ZnSO4，CuSO4溶液的滤纸分别放到金属片上（也可以将金属片包裹起来），用浸有KCl溶液的滤纸将两溶液连接起来，形成闭合回路。为了使其充分接触，上层压上玻璃片。等电流稳定，测量其电流，记录在学案上。
（3）也可以将其设计成夹心汉堡式微型原电池，隔膜将两溶液和电极隔开。在操作时，在玻璃片上，从下往上依次放上Zn片，浸有ZnSO4溶液的滤纸，浸有KCl溶液的滤纸，浸有CuSO4溶液的滤纸，Cu片，为了使其充分接触，最上面盖上玻璃片。测量电流强度。
实验过程
师：测量电流，量程放到10mA或者1mA,注意电流表负极与原电池的负极相连，用黑色导线的触头和黑色铁夹与活泼电解（负极锌片）连接在一起。同理，红色导线和红色铁夹连正极铜片，用浸有KCl溶液的滤纸作为盐桥将两溶液连接形成闭合电路。微型原电池组装时，注意小组合作分工，有负责测量的，有负责记录的，并分析电流强度不同的原因。好，前后四人一组，开始实验……
汇报结果
师：哪个组测量出电流了？生：……师：这几组电流强度为什么不同？生：传统双液原电池电极板间距较大，电流小。
夹心汉堡原电池电极板间距小，正对面积大，电流大。师：现在很多实用电池中，利用就是这个模型原理。
环节三：双液原电池的应用
实例1.纽扣式银锌电池
师：比如纽扣式银锌原电池，通过阅读材料，负极和正极材料都是不锈钢，负极反应物是锌汞合金中的锌，在碱性环境中发生电极反应。正极反应物是Ag2O和少量石墨中的Ag2O，在碱性环境中发生电极反应。中间用一层隔膜，羧甲基纤维素将两边电极反应物隔开。追问：电极材料，一定是电极反应物吗？生：……师：从这些电池中看出，电极材料不一定是电极反应物，起到电子导体的作用。中间的隔膜将正负极的电极反应物隔开，可以减少副反应的发生，提高电池效率。师：外接用电器，电流流动方向和内电路中的离子迁移方向是什么样的？生：……
实例2.（1）酸性锌锰干电池碱性锌锰干电池
师：再看我们熟悉的干电池，每个实验台上都放了我拆开的干电池。4人一组，我们看着分析：（1）在酸性干电池中，负极材料是锌桶，和正极材料是中间的碳棒，负极反应物是汞齐化处理过的锌桶，目的使表面性质更均匀，减少锌的腐蚀，提高电池的储存性能。其中锌是参加电极反应。正极反应物是二氧化锰粉、氯化铵及碳黑组成的一个混合糊状物。其中二氧化锰参加电极反应。中间用一层隔离纸，将两边电极反应物隔开。（2）在碱性干电池中负极材料是集电针，和正极材料是外壳惰性金属，负极反应物是锌粉，正极反应物是二氧化锰、碳粉及氢氧化钾溶液组成的，其中二氧化锰发生电极反应。中间用一层纤维材料，将两边电极反应物隔开。
增强社会责任感：小小废旧电池危害大
师：刚才提到负极反应物是锌汞合金，锌经过汞齐化处理，在电池里含有汞和镉等重金属，一个纽扣电池弃入大自然后，可以污染60万升水，相当于一个人一生的用水量。而中国每年要消耗这样的电池70亿只。污染的水量相当于，地球人一生用的水。回收废旧电池，保护环境，从我做起！
实例3：氢氧燃料电池
师：刚才我们观察的干电池，电极反应物是固体。那么，电极反应物是气体呢?
看实验台上的氢氧燃料电池装置。电解水装置：分析哪边产生的是氢气？生:
产生气泡快的；
负极产生的是氢气师：产生的氢气通入燃料电池（小方块），是负极反应物，正极反应物氧气来自于空气，通过透气孔进入。电极材料是碳载铂，中间是质子交换膜。负极产生的氢离子通过质子交换膜到正极，和氧气发生电极反应。产生的电能可供用电器工作。航天器中用的就是这样燃料电池。这里是靠质子交换膜将正极和负极隔开。我手里拿的就是质子交换膜。样子像塑料，它的空隙大小只允许氢离子通过，不允许大的离子或者分子通过。
实例4：全钒电池--钒液流电池
师：现在清华大学正在研发一个储能电池，它的电极反应物是液体，我们一起学习。（播放视频）师：感慨各这种技成果！在用电低谷期储存电能，用电高峰期提供电能，使用电不在紧张，排除了很多用电行业的后顾之忧！
本节总结
提问
师：通过本节课学习，在设计和研发电池方面有什么收获？生：……师：1.根据用途选择合适的电池反应。2.选择合适的电极材料、电极反应物、电解质环境。考虑到优化其性能，添加合适的辅助剂。3.结合外观要求，电池效率（除了电流强度大小，还有电流的稳定性，持续性，以及电压大小等方面），设计内部结构。4.后期包装，等等现在已经设计成了微型电池—纳米电池，也有大规模的燃料电池发电站等等。科技创新让生活变得更美好，期待同学们日后的科研成果！谢谢同学们，下课！
