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原电池的工作原理
第四章 化学反应与电能
1.认识原电池的形成条件、原理及应用；
2.能根据电极反应、电流方向或离子的移动方向判断原电池的正极和负极；
3.能书写电极反应和总反应方程式；
4.知道原电池原理的应用，能设计简单的原电池。
如何让小风扇转起来？
材料：锌片、铜片、硫酸铜溶液
任务一：提炼原电池基础模型
e－
e－
e－
e－
Zn2+
Cu2＋
e－
e－
SO42－
内电路：阳离子移向正极，阴离子移向负极(离子不上岸)
－
+
外电路：电子由负极经导线流向正极(电子不下水)
负极：氧化反应
Zn－ 2e－=Zn2＋
总反应：Zn＋Cu2+ ＝ Zn2+ + Cu
正极：还原反应
Cu2＋+2e－=Cu
2e-
构成原电池的条件
④必须自发进行氧化还原反应
①一般有两种活泼性不同的导电材料作电极
②两个电极必须相连并形成闭合回路
③两个电极必须插入电解质溶液中或熔融的电解质中
两极一液成回路，氧化还原是中心
Cu析出
G
Cu2＋
Zn2+
Zn
Cu
e-
e-
e-
e-
e-
e-
SO42-
Cu2＋
硫酸铜溶液
SO42-
单液电池的异常现象研究
负极：Zn - 2e- Zn2+
正极：Cu2+ + 2e- Cu
总反应：
Zn + Cu2+ = Cu + Zn2+
实验现象：铜片、锌片表面均附着红色固体，电流表指针偏转，但电流逐渐衰减。
【思考】观察并记录上述实验现象，其中哪些与预测一致，哪些与预测不同？
【思考】分析“锌片表面附着红色固体，电流逐渐衰减” 的原因。
现象 原因
锌片表面附着红色固体
电流逐渐衰减
化学能转化为热能，转移的电子没有经过导线，电流逐渐衰减。
Zn与Cu2+直接接触发生反应，Zn片、附着在Zn上的Cu以及CuSO4溶液局部形成了原电池，促进了Cu在锌片表面析出。
任务二：运用模型改进电池装置
任务二：运用模型改进电池装置
SO42－
Zn2+
Zn2+
SO42—
Zn
Cu2+
Cu2+
Cu
解决问题的关键：
还原剂Zn与氧化剂CuSO4不直接接触
两个溶液间缺少离子导体，无法形成闭合回路
ZnSO4溶液
CuSO4溶液
Zn
SO42－
Cu2+
Cu2+
Cu
CuSO4溶液
盐桥
通常盐桥是装有含琼胶的KCl 饱和溶液。盐桥中的K＋、Cl－是可以自由移动，琼胶的固定作用可以防止KCl溶液直接流出来。
A
e-
ZnSO4溶液
CuSO4溶液
+
Zn
Cu
电流表
盐桥
图4-1锌铜原电池示意图
如图4-1所示，将置有锌片的ZnSO4溶液和置有铜片的CuSO4溶液用一个盐桥连接起来，然后将锌片和铜片用导线连接，并在中间串联一个电流表，观察现象。取出盐桥，观察电流表的指针有何变化。
【实验4-1】
双液原电池（带盐桥）
双液原电池（带盐桥）
A
e-
ZnSO4溶液
CuSO4溶液
+
Zn
Cu
电流表
盐桥
图4-1锌铜原电池示意图
双液原电池（带盐桥）
(1)注明原电池的组成。
(2)标明氧化反应和还原反应发生区域。
(3)标明电子的运动方向和阴阳离子的迁移方向。
请同学们结合图4-1绘制原电池工作原理的示意图，并与同学交流。示意图要求包括以下内容:
双液原电池（带盐桥）
ZnSO4溶液
CuSO4溶液
Zn
Cu
电解质溶液
A
K＋
Cl-
Zn - 2e- = Zn2+
Cu2+ + 2e- = Cu
发生氧化反应
发生还原反应
负极
正极
铜半电池
锌半电池
总反应：
Zn + Cu2+= Zn2+ + Cu
电子导体
离子导体
阳离子迁移方向
阴离子迁移方向
e-
盐桥的作用
A
e-
ZnSO4溶液
CuSO4溶液
+
Zn
Cu
电流表
盐桥
图4-1锌铜原电池示意图
①平衡电荷，使连接的两溶液保持电中性
②沟通内电路传导离子，使之成为闭合回路
③避免电极与电解质溶液的直接接触，放电更持久，提高了能量转换率
双液原电池解决了电池自损耗的问题
如何判断正负极？
电子流出的电极
电子流入的电极
——负极
——正极
阴离子移向的电极
阳离子移向的电极
微观判断
根据电子流动方向
根据离子流动方向
——负极
——正极
如何判断正负极？
宏观判断
①根据电极材料
②根据原电池电极发生的反应
较活泼的电极材料
较不活泼的电极材料
——负极
——正极
③根据电极现象的变化
③根据电极现象的变化
发生氧化反应的电极
发生还原反应的电极
——负极
——正极
质量增加的电极
质量减少的电极
——正极
——负极
工作后，有气泡冒出的电极为正极
工作后
利用数字化实验探究单、双液铜锌原电池工作效率
电流较小，
电流稳定，
转化效率高
电流较大，
衰减快，
转化效率低
双液原电池电流弱的原因是什么？
隔膜原电池
改进
缩短盐桥的长度，增大盐桥的横截面积
能否用一张薄薄的隔膜代替盐桥呢？
①离子运动的距离长
②离子运动的通道窄
③离子容量小
改进
ZnSO4溶液
CuSO4溶液
Cu
Zn
交换膜
ZnSO4溶液
CuSO4溶液
隔膜原电池
1.隔膜：将电池的正负极材料隔开，防止两极接触发生短路
（不同的膜形成不同的离子通道）。
2.常见的三种离子交换膜
Cu
Zn
ZnSO4溶液
CuSO4溶液
交换膜
①阳离子交换膜：只允许阳离子通过
③质 子 交 换 膜：只允许H+通过
②阴离子交换膜：只允许阴离子通过
该原电池选择什么类型的离子交换膜？
为避免Zn与Cu2+接触，应选择阴离子交换膜，允许SO42-通过。
任务三：基于探索设计原电池
根据原电池工作原理，将下列氧化还原反应设计成原电池：
2Fe3+ + 2I- 2Fe2+ + I2
要求：
（1）分别写出氧化反应和还原反应。
（2）根据原电池构成要素，选择合适的物质或材料，并画出原电池的工作原理示意图。
设计思路
2Fe3+ + 2I- 2Fe2+ + I2
2e-
正极电解液：铁盐（FeCl3等）
负极电解液：碘盐（KI等）
正极材料：惰性电极
负极材料：惰性电极
（+）2Fe3＋＋2e- = 2Fe2＋
（-）2I- - 2e- = I2
正极材料
正极反应物
负极材料
负极反应物
离子导体
（盐桥/隔膜）
电子导体
方案展示
任务三：基于探索设计原电池
（+）还原反应：
2Fe3＋＋2e- = 2Fe2＋
（-）氧化反应：
2I- - 2e- = I2
KI溶液
石墨
FeCl3溶液
石墨
Cl－
K+
正极
负极
思考：隔膜原电池如何设计？
原电池原理的应用
加快氧化还原反应的速率
构成原电池的反应速率比直接接触的反应速率快。
对于酸性电解质，一般是负极金属的活动性较强，正极金属的活动性较弱。
例如：实验室制取氢气时，粗锌比纯锌与稀硫酸反应速率快；或向溶液中滴入几滴硫酸铜溶液，产生氢气的速率加快。
比较金属活动性强弱

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