中学综合学科资源库-电池

-.z.中学综合学科资源库——电池化学电池电池，你一定不会感到陌生吧！除了熟悉的干电池外，还有供电子手表、电子计算器等使用的钮扣电池，供心脏起搏器、助听器使用的超小型提电池，供汽车、风力发电机使用的蓄电池。此外，潜艇、卫星、宇宙飞船等也要依靠电池提供能量。当今社会虽然有方便的交流电电网，但电池的销售量却有增无减，而且不断涌现新的品种。电池是一种将化学能直接转变为电能的装置，又叫化学电池。在化学电池中，化学能是怎样转变成电能的？化学电池工作时，储存的化学能能否全部转化为电能？要了解这些问题，让我们先来重温有关原电池的知识。【知识梳理】原电池右图的装置就是一个原电池，由于用锌片和钢片做电极，因而叫Cu－Zn原电池。实验中可以看到，锌片在不断溶解，铜片上有小气泡产生。同时观察到电流表的指针发生偏转，这说明导线中产生了电流。原理如下：Zn〔负极〕：Zn－2e→Zn2＋〔氧化反响〕Cu〔正极〕：2H＋＋2e→H2↑〔复原反响〕总反响：Zn＋2H＋→Zn2＋＋H2↑〔氧化复原反响〕负极锌失去的电子，经过电流表〔或用电器〕流向正极铜。因此，产生电流的原因是电池内部电极上发生了氧化和复原反响。从电化学角度看，一个自发进展的氧化复原反响都可以设计成电池装置。思考：右图是化学家丹尼尔于1836年设计的一个实用电池，并用于早期铁路的信号灯，其现象有锌片溶解、铜片增厚，并有电流产生。请写出电极反响和总反响方程式，并标出正、负极。【专题导读】实验和研究：干电池的解剖及其原理研究1．观察干电池的内部构造取1节废于电池〔1号〕，剥去外层包装和封口上的火漆，用刀如右图或沿垂直方向剖开，观察内部构造。干电池的外壳是金属锌，作负极，中心碳棒〔石墨〕是正极，碳律周围由一层纸质包裹的黑色物质，这是石墨粉和二氧化锰的混合物，纸质和锌壳之间填满了糊状白色电解液，其成分是氯化铵、氯化锌和淀粉糊。2．糊状物的别离收集糊状物〔可能混有黑色物质〕加一定量水〔如糊状物50g，则加约40mL水〕，充分搅拌，煮沸2分钟，滤去黑色物质，收集滤液备用。3．黑色物质的检验取出碳棒周围的黑色物质，用水洗净〔如果大局部黑色物质和糊状物混杂，则取操作2中滤纸上的黑色物质〕，晾干，用万用表测量其导电性，证明含有石墨粉。把黑色物质放在铁制器皿中灼烧，石墨粉燃烧发出点点火星，将石墨粉烧尽后的余物再用万用表测量，已无导电性，这种剩余物质是二氧化锰。请设计一个实验，证明二氧化锰的氧化性，有条件可进展操作。4．干电池的模拟利用废电池的锌壳、碳棒和操作2收集的滤液〔再加少量氯化铵或稀盐酸〕，装配一个电池装置，并接上电流表或小电珠、发光二极管，观察电流的产生。5．干电池原理的研究干电池模拟装置产生电流的原理为：Zn〔－〕失去电子：Zn－2e→Zn2+〔氧化反响〕C〔＋〕得到电子：2NH4+＋2e→2NH3＋H2〔复原反响〕实际干电池正极周围还有二氧化锰，它起什么作用呢？在模拟干电池实验中可以看到，电流会迅速减小，这是由于碳棒上吸附一层氢气，内电阻增加而使反响停顿的缘故。二氧化锰把正极上产生的H2氧化成水，而本身则被复原为MnO(OH)。显然没有二氧化锰的干电池是没有实用价值的。另外，产生的NH3被糊状电解质中的Zn2+吸收为Zn(NH3)2Cl2。因此，干电池工作时，负极的反响材料是锌，正极是二氧化锰，故而它的学名叫锌锰电池，输出电压为1.5伏。干电池中总反响可大体表示为：Zn＋2MnO2＋2NH4Cl→2MnO(OH)＋Zn(NH3)2Cl2。【科技史话】干电池创造小史原电池的创造可追溯至18世纪末期，当时意大利生物学家伽伐尼在进展著名的青蛙实验，当用金属手术刀接触蛙腿时，发现蛙腿会发生抽搐。大名鼎鼎的伏打认为这是金属与蛙腿组织液〔电解质溶液〕之间产生的电流刺激造成的。1799年，伏打据此设计出了现在被称为伏打电池的装置，锌为负极，银为正极，用盐水作电解质溶液。1836年，丹尼尔创造了世界上第一个实用电池〔如右图所示〕。现代干电池的创造则应归功于电化学家勒克朗谢。1866年，他以锌为负极，二氧化锰为正极，氯化铵溶液作电解质，这是电池开展的重大转折。以后，盖斯南将淀粉参加氯化铵中制成糊状电解质，从此，锌锰电池成了"干电池〞，而且导致了20世纪初手电筒的创造，使干电池进入广阔民众的生活之中。干电池有体积较大，电容量较小，且不能反复使用的缺点。曾经有报道，这种电池会被高性能的或可充电的电池代替。然而，干电池的市场需求量却持续上井。目前世界年产量已达100亿个，其原因是价格廉价。产生一样的电量，其本钱是一般蓄电池的1/20，镍－镉电池的1/50。因此干电池仍然受到消费者的青睐。【科技小制作】自制果蔬电池知识背景：果蔬〔如柑橘、柠檬、番茄等〕汁液含有丰富的有机酸和无机盐，是一种能导电的电解质溶液，选择适当的材料如锌、铜做电极，就可以制作各种果蔬电池。制作过程：1．用pH试纸分别测量柑橘、柠檬或番茄汁液的pH。2．分别将锌片、铜片插入上述果蔬中，用带鳄鱼夹的导线相连，接上电压表和小电珠〔或发光二极管〕，记录测得的电压和两极片间的距离。3．改变两极片之间的距离，研究电压和极片间距离的关系，并确定一个最正确使用距离。成果报告：在自制果蔬电池上贴上标签，写上自己的**，并撰写制作过程和体会，在班级内展示交流。思考：在其他条件一样时，用镁条代替锌片制作的果蔬电池，其电压有何变化？试分析原因。〔提示：从金属活动性的顺序来考虑。〕【阅读】可充电的"干电池〞——镍－镉电池大家知道，干电池用完后不能通过充电再继续使用，这种不能重复使用的电池叫一次电池。一次电池对材料是一种浪费，也容易对环境造成污染。可以通过充放电反复使用的电池叫二次电池。二次电池，放电〔使用〕时，化学能转变成电能；充电时，电能转变成化学能。最早使用的二次电池就是目前汽车上使用的铅蓄电池。铅蓄电池虽然构造简单，造价较低，但体积太大，又因使用液体硫酸作电解质溶液〔名副其实的"湿〞电池〕而使用不便。能否制造出类似于干电池，但又能反复充放电的新颖电池呢？镍——镉电池就是这种类型的电池。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。其原理见下表；放电充电负极〔Cd〕Cd＋2OH－－2e→Cd(OH)2〔氧化反响〕该极连接外电源负极，Cd(OH)2复原为Cd正极〔Ni2O3〕Ni2O3＋2H2O＋2e→2Ni(OH)2〔复原反响〕该极连接外电源正极，Ni(OH)2氧化为Ni2O3。化学能转变成电能电能转变成化学能【内容拓展】〔供向理科方向开展的学生学习〕1．化学电池能不能把化学能全部转换成电能？电池可看作是一种能量转换器，人们当然关心，电池在输出电功时，化学能有多少可转换成电能？科学家们利用如下反响：Zn＋2AgCl→2Ag＋Zn2＋＋2Cl－，并通过一系列实验来研究这一问题。首先是使上述反响在量热计〔一种能测定热量的装置〕中进展，测出1mol锌氧化放出的热量为233kJ，这一能量可看作为1mol锌所包含的化学能。其次，将上述反响设计为一个电池，将电池和负荷电阻回路也放入量热计中。当1mol锌完全消耗时，测出的热量也是233kJ。这时，量热计测出的热量有两局部组成，一局部是电池中化学反响的热量，一局部是电流通过电阻产生的热，后一局部的热量可看作电池输出电功的大小，它必定小于电池中储存的化学能。第三个实验是分别测出这两局部的热量，即把电池和负荷电阻分别置于两个量热计中，接通电池回路。同时改变负荷电阻的数值，测定热量，其结果见下表：1mol锌氧化时电池反响热量和输出电功负荷电阻输出电流电池反响热量(A)输出电功(B)两者之和(A＋B)0〔短路〕无限大233kJ0233kJ增大减小减小增大233kJ无限大趋于043kJ190kJ233kJ这是一个有趣的结果，这三种情况的两者之和均是233kJ〔化学能〕。当短路时，输出电功为0，当负荷电阻增大时，电流减小而输出电功增大；当负荷电阻无限大时，电流无限小而输出电功到达最大值190kJ，仅占总化学能的81.5％。结果已经很明显了，电极物质中包含的化学能是不能全部转化成电能的，一个化学电池的输出电功为最大值时，正是化学能向电能转化的极限。这一数值在电化学中可以进展理论上的计算。实际使用时，由于用电器电阻不可能无限大而达不到这一数值。讨论1：化学电池使用时，为什么输出电流小可以增大输出电功呢？思路：电功是电量和电压的乘积，电量取决于电极物质的反响量；而电流减小时，端电压增大，故在电量固定的情况下，由于端电压的增大，输出电功增大。讨论2：平时使用电池，不小心发生短路，此时有什么现象产生？电池是否输出电功？思路：电池发热，很快耗尽其化学能，电池损坏，没有输出电功。2．锂电池的使用寿命为什么比一般电池要长？供心脏起搏器运作的电池要体小、质轻、平安和高能。以前一般来用小型的以锌作负极的高能电池，使用寿命大约是2年。现在改用以锂〔Li〕作负极的钾电池，使用寿命约是原来的5倍，安置于人体内，就不必经常更换。这是什么原因呢？锂是最轻的金属，摩尔质量为7g/mol，每7g锂氧化成为Li＋，可以释放出1mol电子；而7g锌的物质的量是0.108mol，氧化成Zn2+，释放的电子为0.216mol，约是一样量锂的1/5。因此，锂电池的使用寿命很长，防止了经常替换，可减轻患者的痛苦。3．高效的燃料电池在火力发电厂中，燃料发电发生了屡次的能量转换，每次能量换都会有损耗，所以燃料化学能的利用效率仅30％～40％。燃料燃烧产生热量→热量使水变成水蒸气，并带动蒸汽轮机运动→蒸汽轮机带动发电机发电；化学能→内能→机械能→电能燃料燃烧是一种氧化复原反响，能否把燃料作为电极材料，使其化学能直接转变成电能呢？燃料电池就是基于这一思想而创造的。右图是氢氧燃料电池的剖面示意图。原料是氢气和氧气，用多孔性的碳为电极。负极吸附氢气，正极吸附氧气，30％的氢氧化钾溶液为电解液。燃料电池产生电流的原理为：负极：H2＋2OH－－2e→2H2O〔氧化反响〕正极：O2＋2H2O十4e→4OH－〔复原反响〕总化学方程式：2H2＋O2→2H2O这就是氢气的燃烧反响，但在燃料电池中没有火焰，而是产生电流。除氢气外，甲烷、煤气、天然气都能作为燃料电池的燃料。燃料电池的优点，首先是能量利用率高，可达70％；其次，可节约大量的金属。然而，要使燃料电池产生平稳的电流并不容易。氢气、氧气必须要有特殊的催化剂才能在电极上发生上述反响，而这类催化剂的研制十分困难，价格昂贵，因此，目前燃料电池仅应用于人造卫星、航天飞机等尖端科技领域。【社区大家谈】环境保护与社区密切相关，我们该如何面对这个严峻的问题——废电池回收率仅百分之一报载随意丢弃的小小一节电池，渗入水体能污染60万升水；一节一号电池进入土壤，烂在土地里，溶出物可使1平方米的土壤丧失农用价值。通过食物链如瓜果、水产鱼虾等在人体内富集，将产生致癌、致畸等后果。以上讲的危害性不听不知道，一听吓一跳。由于不少社区居民对废干电池当垃圾抛弃的危害性认识缺乏，因此把手电筒、手机、BP机、挂钟、半导体、电须刀等用过的废干电池随意丢弃。虽然现在**城乡有不少百货商场、废品收购站回收废干电池，但目前回收率只有1％左右。我们建议采取以旧换新的方法购置新的电池，并在公共场所、超市、大商场设置废干电池专用投放箱，供广阔市民投放废电池，以减少对环境的污染。摘自2000年10月6日"新民晚报"看了这则社会新闻，同学们应该问一问自己，我有没有随便乱扔废电池？如果你以前不注意而现在做得很好，同时又能积极参加"如何处置废电池〞的讨论，提出建立性的意见。则，这应是学习本专题的最大收获了。建议本专题完毕前，安排这一讨论。——本专题"化学电池"由本站导师陆惊帆教授撰写【综合练习】一．据报道，最近摩托罗拉〔MOTOROLA〕公司研发了一种由甲醇和氧气以及强碱作电解质溶液的新型手机电池，电量可达现用镍氢或锂电池的十倍，可连续使用一个月才充一次电。据此请答复以下问题：1．甲醇是极，电极反响是2．电池反响的离子方程式是3．这种电池假设用在宇宙飞船上还可为宇航员提供生活用水。设在这种电池的总反响中每消耗lmol甲醇将生成amol水和放出QkJ的热量，在实际使用中这种电池每发1度电时生成mg水。则电池的能量利用率为。〔用含a、Q、m的代数式表示〕。4．这种电池输出的电压为bV，要使标有bV、12w的小灯泡发光1小时，实际应消耗甲醇g〔用含有关的字母的代数式表示〕。【参考答案】1．负CH3OH－6e－＋8OH－==＋6H2O2．CH3OH＋O2＋2OH－＝＋3H2O或2CH3OH＋3O2＋4OH一＝＋6H2O3．〔提示：由题知，生成mg永放出能量kJ，1度电等于3600kJ，则此电池的能量利用率为3600／〔〕×100％＝〕4．或g〔提示：灯泡耗能＝12×3600×1J＝43.2kJ，假设实际消耗甲醇的质量为*，则·Q·＝43.2，*＝g〕二．被誉为改变未来世界的十大科技之一的燃料电池是一种新型的无污染、无噪音、高效率的汽车动力和发电设备，正以势不可档之势挤入汽车工业和电力工业。它是一种不经过燃烧，将燃料的化学能直接转换成电能的装置。它主要由燃料、氧化剂、电极、电解质组成。在构造上与传统电池一样具有正负电极，正负电极被电解质分隔。它以复原剂〔用氢作燃料，也可以添加一个氢气变换器，直接使用甲醇、天然气、甚至石油、柴油、煤等作燃料〕为负极反响物，以氧化剂〔如氧气、空气等〕为正极反响物。为了使燃料便于进展电极反响，要求电极材料兼有催化剂的特性。可用多孔碳、多孔镍、铂、钯等贵金属以及聚四氟乙烯等电极材料。电解质则有碱性、酸性、熔融盐和固体电解质及高聚物质子交换膜等数种。以下是一种氢—氧燃料电池的工作原理图。电解质为有机高分子聚合物，它不是传导氧离子而是传导质子H+，是通透质子的交换膜燃料电池。燃料电池将燃料的化学能直接转换成电能，氢气和氧气源源不断地送入，反响连续不断地进展，于是在电池内产生了持续的电流。反响的生成物是水，不会造成对环境的污染。燃料电池之所以能成为载人航天器的首选电池，另一个很重要的原因是相中了它生成的"废物〞—水。这正好解决了宇航员在太空的饮水间题。当年美国"阿彼罗11号〞宇航飞船在长达八天的登月旅行中。三位宇航员的生活用水，来自于燃料电池提供的水。1．写出氢—氧燃料电池正负极发生的电极反响式。并注明是氧化反响还是复原反响。写出电池的总反响方程式。假设用燃料电池发电；输出电流的电流强度为A，则每小时能合成多少水？〔阿佛加德罗常数NA=6.02×1023mol－1，电子的电量e=1.60×10－19C〕2．电池燃料氢可利用甲醇、天然气、石油、柴油等燃料，通过一个氢气变换器而得到。写出利用天然气转化为氢的化学方程式3．燃料电池在发电的同时，还合成了水，这正好解决了宇航员在太空中饮水的问题。〔1〕宇航员饮用合成水，通过消化系统，大局部在以下哪一处被吸收A口腔B食道C小肠D大肠〔2〕原生质中含量最多的化学成分是A糖类B水C无机盐D蛋白质〔3〕水通过自由扩散的方式出入细胞，这种运输方式不需要也不需要。〔4〕水在生物体中以和两种形成存在。水既是的重要组成成分，又是细胞内的。各种生物体的生命活动，都是绝对不能离开水的。〔5〕人体排泄水的途经主要有三条：①以尿的形式经过泌尿系统排出；②以的形成经过排出；③以的形成经过排出。〔6〕①尿的形式包括滤过、重吸收和三个过程。②当血液流经肾小球时，除了血浆中的血细胞和以外，其他如水分、无机盐、葡萄糖和尿素等物质，都可以经过肾小球滤过到内，形成原尿。③机体每日从肾小球滤过的钠可达500g以上，但每日由尿排出的钠仅为3～5g，试分析原因及其意义。4．请根据文中质子交换膜燃料电池工作原理图，说明负载的电流方向为5．如右图所示为千瓦级质子交换膜燃料电池组性能图谱，工作条件是：以H2和O2作为反响气体，控制电池温度为85℃，保持H2与O2压强分别为0.45MPa和0.50MPa。根据该图答复以下问题：〔1〕计算该电池组稳定后的内阻r大小约为多少？〔2〕当输出电流大于40A时，电池的输出功率范围〔3〕当电池的输出功率为1kw时，相当于电动势为多少的普通电池？6．用*种燃料电池的电炉供电，设电炉的额定功率P0=400w，电池在不接负载时的路端电压与电炉的额定电压一样，当电炉接到该电源上时，电炉实际消耗的功率P1=324w，假设两个这样的炉并联接到该电源上，求两个电炉实际消耗的总功率P2为多少？【参考答案】1．略179.3g2．CH4＋H2O3H2＋CO；CO＋H2OH2＋CO23．〔1〕C〔2〕B〔3〕不需要消耗细胞内新陈代谢所释放的能量，也不需载体蛋白质来协助。〔4〕水在生物体中以结合水和自由水两种形式存在。水既是细胞构造的重要组成成分，又是细胞内的良好溶剂。〔5〕②以汗的形式经过皮肤排出③以气体的形式经过呼吸系统排出〔6〕①分泌②大分子蛋白质肾小囊腔③说明滤液中的Na+有99%以上被肾小管和集合管重吸收。这对机体维持细胞外液中Na+的浓度和内环境的相对稳定起着重要作用。4．从右到左因为氢气失去电子，电子从左向右通过负载。5．〔1〕0.1Ω〔2〕＞1kW〔3〕30.7V6．536W【补充资料】形形色色的电池电池，做为提供直流电的能源，已广泛用于航天、科学实验和日常生活中，电池的种类也从最早的原电池----伏打电堆开展到铅蓄电池、镉镍电池，直至新型的氢镍电池，锂电池。现在我就为大家介绍一下庞大的电池家族。一、原电池——一次电池所谓一次电池，就是指放电后不能充电使其复原的电池。通常由正极、负极、电解质和容器、隔膜组成，历史上第一个原电池是由伏打在18世纪末创造的。当时这个电池是由一些金属〔铜、银、锌〕片和湿的硬纸片组成。伏打是这样描述他的电池的；用水〔盐水更好〕把这些硬圆纸片浸湿，先在桌上放一块银片，再放上一块锌片，然后在它的上面放一个湿润的硬纸片，再在上面放一块银片和锌片及硬纸片，如此循环放置，直至一定高度，就组成了电堆。这是历史上最原始的电池，也称作原电池，现在所用的一次电池主要有两种：1．锌锰电池该种电池表达式为：Zn|NH4Cl,ZnCl2|MnO2(C)生活中常用的1号或5号干电池就多是该种电池，实际制造时，锌皮做负极同时兼作容器外皮，正极氧化锰为粉末，依靠碳棒导电。两层隔膜中的电解液制成糊状以限制其流电又可让离子发生迁移。此种电池适用于间歇式放电场合，如手电筒、收音机等。其工作电压为1.5～1.6V。由于外皮由锌组成，所以电池用完时，锌皮易被蚀穿而使电解液〔NH4Cl〕渗出，所以电池用完后应取出以免腐蚀电器。2．碱性锌锰电池该种电池表达式为：这种电池性能优于传统干电池，它于1912年开发，直到1949年投产问世，该电池电解液为碱性，有良好的导电性能，负极为锌池，反响面积增大，所以可以连续大容量放电，外壳为铁皮封闭，可防电解液渗漏。所以该电池是良好的传统干电池的替代产品，但价格略高于传统干电池。3．锌银扣式电池该电池表达式为：Zn|KOH|Ag2O这种电池体积小，但有优越的大电池放电性能，放电电压平稳，被广泛用于电子表、石英钟、计算机CMOS电池等。二、蓄电池——二次电池二次电池，就是利用化学反响的可逆性，在电池中化学能转化为电能后，用外加电能使电池中化学体系复原，重新利用的电池。该类电池主要有：1．铅蓄电池该电池表达式为：Pb|H2SO4|PbO2这是最常用的二次电池，硫酸在电池中不仅可传达电流，且参加电池反响，随放电进展，硫酸逐渐减少，且有水生成，所以硫酸浓度不断下降；充电时，硫酸不断生成，硫酸浓度不断增加，所以可用电池中硫酸浓度估计蓄电池荷电状态，该种电池单体正常工作