师:19年,诺贝尔化学奖颁给了锂离子电池的三位发明者。锂离子电池究竟有何魅力,能反复充电且能量强大呢?其实锂离子电池离大家并不遥远,它的基本原理就是我们高一学过的原电池。现在,咱们回忆一下原电池的相关知识。

  大家看这个装置,它构成原电池还差什么呢?我们先来回忆一下原电池的四个基本条件。第一个是什么?对,要有氧化还原反应。还有呢?要有电解质溶液以及两个什么?两个电极,而且这两个电极的活泼性要有差异,这是不同原电池的基本条件。

  那在这个原电池当中,谁做负极,谁做正极呢?锌做负极,锌失去两个电子生成锌离子,发生的是什么反应?课代表回答,是氧化反应,非常好。后面同学,正极发生什么反应?对,是还原反应。它的反应式呢?铜离子得到两个电子生成铜单质。

  所以这个电池的主要反应就是锌和铜离子反应生成锌离子和铜。左边同学判断一下,在这个过程中有电子转移吗?电子怎么移动的?从锌经过导线到铜,电子不会进入溶液,因为被铜得到结合生成了铜单质,也就是电子不下水。那么溶液中有离子移动吗?有,铜离子和硫酸根离子,它们分别是什么行为?铜离子向正极移动,硫酸根离子向负极移动。

  外电路中电极移动方向我们分析过了,溶液中离子的移动方向也分析过了,还有电流的方向呢?电流方向与电子的运动方向相反,它从正极通过导线,要经过溶液再回到正极,形成一个闭合回路。这就是我们之前学习的锌铜原电池的工作原理,这是一个演示动画,我们刚刚已经复习过了。

  锌做负极,会失去电子,生成的锌离子进入溶液,电子经过导线到正极,这部分电子被溶液中的铜离子获得生成铜单质附着在正极上。总反应就是锌与铜离子反应。内电路当中,阴离子向负极移动,阳离子向正极移动,这是我们在高一阶段学习过的。

  根据这个工作原理,我们知道它工作时会有一些现象。首先锌片可能会溶解,会越来越薄;铜片上有红色物质析出;因为是原电池,会有电流,所以连接的电流表指针会发生偏转。实际上是不是这样呢?我们来看一下这个实验装置,大家注意仔细观察实验中电流表的示数变化以及两极的现象。

  我们看到锌片和铜片放在一个容器里,连接了电流表,加入了1mol/L的硫酸铜溶液。这个视频比较短,有些现象可能不太明显。老师在实验室做完这个实验后,拍摄了两极的照片,大家仔细观察,这里的锌片下面有红色物质生成,铜片的尾端和上面,下面也有现象。我们刚刚观察到视频里电流表示数在不断变化且变小,如果我们有仪器在反应过程中监测数据并绘制出图,能得到一个曲线图。请晨晨起来帮我们分析一下,从这个图里能得到哪些信息?

  生:首先上面显示温度随时间变化,发现反应过程中温度会升高;第二个是电流,总体趋势是减弱,原来是0.126安,最后是0.026安,说明电流不稳定。

  师:非常好,请坐。所以我们发现在实际反应过程中,出现的现象与我们之前从理论上分析的不太一样。为什么会这样呢?大家思考一下。首先锌片表面附着红色固体,这个红色固体是什么?大家都知道是铜,那这个铜是怎么来的?对,是溶液中的铜离子,锌片直接放在硫酸铜溶液中,可能会发生什么?对,置换反应,锌会置换出铜单质附着在锌片上,大家要记住这点。那么电流逐渐衰减又是因为什么呢?

  生:溶液中铜离子浓度减小,而且铜附着在锌片上,阻碍了锌与溶液的接触。

  师:请坐,还有其他想法吗?电流是怎么产生的?是电荷的定向移动。电流衰减说明什么?说明参与定向移动的电荷减少了。那这些电荷去哪里了呢?班长想到了,说说看。

  生:锌片上有锌有铜,周围还有硫酸铜溶液,能构成微小原电池,部分电子直接在微小原电池处发生转移,不通过导线。

  师:就好比原来要去很远地方买饮料,现在家门口开了一家店,就更倾向去近的地方。所以这部分电子直接在微小原电池发生转移,导致电流越来越小。那么温度升高又是因为什么呢?

  生:锌和铜离子发生置换反应,是放热反应,化学能转化为热能,温度就升高了。

  师:总结一下这个原电池有哪些特点和缺点。

  生:效率会降低,因为化学能会转化为热能,而且电流会逐渐衰减。

  师:请坐。总结出来它的缺点,一个是电流会逐渐衰减,另一个是能量转换效率比较低,所以在生活中应用不太好,不适合生活使用。

  那么我们如何改进它呢?改进的关键是什么?造成这些现象的原因是什么?是不是因为锌直接与硫酸铜发生了置换反应,它们接触了呀?所以改进的关键就是避免它们接触。在改进之前,我们看这种电池有什么特点?只有一种电解质溶液,放在一个烧杯里,这种方式叫做单液原电池。

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《化学选择性必修1 原电池的工作原理 公开课逐字稿课堂教学实录-4,633字》.docx
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