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由碳鋅乾電池中的二氧化錳得到的啟示

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Academic year: 2021

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- 37 -

由碳鋅乾電池中的二氧化錳得到的啟示

楊禮義

私 立 中 華 技 術 學 院 通 識教 育 中 心

壹、前言

電 化 學 中 , 耳 熟 能 詳 , 由 法 國 人 (G. Leclanche)發 明的 鋅 錳 電 池是 最 早 的 乾電 池 ( 亦 稱 碳 鋅 乾 電 池---dry Leclanché cell ), 是 當 今 使 用 最 廣 的 一 次 電 池 (primary cell)。其 構 造 是 以 罐 狀 的 鋅 金 屬 為 負 極 並 兼 作 為 電 池 容 器 , 內 容 物 有 MnO2( 熟 知 的 化 學 反 應 中 的 催 化 劑 , 註 1)、 NH4Cl 溶 液 、 碳 粉 、 ZnCl2 溶 液 及 澱 粉 所 調 成 的 糊 狀 物,再 以 碳 棒 作 為 正 極( 其 實 碳 棒 僅 僅 擔 任 導 電 功 能 而 已 )。 在 25℃ 時 , 電 壓 約1.5 伏 特 。

貳、二氧化錳的功能

95 年 學 測/ 自 然,題目:4.圖 1 是 碳 鋅 乾 電 池 的 剖 面 圖 。 當 這 種 乾 電 池 放 電 時,下 列 哪 一 種 物 質 獲 得 電 子 ? ( 單 選 題) (A) 鋅 (B) 碳 棒 (C) 氯 化 銨 (D) 氯 化 鋅 (E) 二氧 化 錳 圖 1、 是 碳 鋅 乾 電池 的 剖 面 圖,內 容 物 為 MnO2、碳 粉、NH4Cl 溶 液 、ZnCl2溶 液 及 澱 粉 所 調 成 的 糊 狀 物 。 (http://hk.geocities.com/csss4j/04.htm)

漿糊狀

氯化氨

碳棒

電池符號

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科學教育月刊 第310 期 中華民國九十七年七月 - 38 - 分 析 陰 、 陽 極 反 應 式 如 下 : 陽 極 (anode) :發 生 氧 化 現象 , 放 出 電子 ( 帶 負 電) , 故 又 稱為 「 負 極 」( 註 2) (1)Zn(s) → Zn2+(aq) + 2e - 陰 極 (cathode) : 發 生 還 原現 象 , 正 離子 吸 收 電 子, 相 對 於 前者 , 故 又 稱之 「 正 極 」 。 (2)2NH4+(aq)+2e- → 2NH3+H2 ---2NH4+( 獲 得 電 子 ) (2-1) Zn2+ (aq)+2NH3aq)+2Cl-(aq) → Zn(NH32Cl2s

(2-2)2MnO2(s)+H2→ Mn2O3s)+H2O(l)--- MnO2s)將 H2氧 化 為H2O,所 以

也 是 獲 得 電 子 , 本 身 被 還 原 ) 所 以 正 確 答 案 為 ( C)、( E); 但 因 為 該 大 題 項 是 單 選 題 , 大 學 學 測 中 心 ( 出 題 不 夠 嚴 謹 ), 只 好 公 佈 答 案 為 (C) 或 (E)。 陰 極 的 反 應 很 特 殊 , 總 反 應 乃 由 (2) +(2-1) + (2-2) 三 個 反應 式 所 組 成 (2-3) Zn2+ (aq)+2Cl-+2NH4 + (aq)+2MnO2s)+2e - → Mn2O3(s)+Zn(NH32Cl2s) +H2O(l) 而 整 個 碳 鋅 電 池 的 全 反 應 : 陽 極 (1) +陰 極 (2-3) 2MnO2(s)+2NH4Cl(aq)+Zn(s)→Zn(NH32Cl2s)+Mn2O3s)+H2O(l) 碳 鋅 乾 電 池 中,內 容 物 中 的「 二 氧 化 錳 」,主 要 功 能 是 氧 化 劑,因 為 它 擔 任 了 將「 氯 化 銨 」獲 得 電 子 的反 應 中 產 生 出 來 的「 氫 氣 」( 圍 繞 在 碳 棒 四 周 )氧 化 為「 水 」,有 避 免 產 生「 極 化 作 用 」的 功 能, 所 以 又 稱 為「 去 極 劑/去 極 化 劑 」(De-polarizer,註 3)。也因 為 有 了 「 去 極 劑 」 的 功 能 , 能 使 陰 極 ( 即 電 池 的 正 極---碳 棒 ), 導 電 功 能 正 常 , 因 此 也 有 了 「 復 極 劑 」( 恢 復 陰 、 陽 兩 電 極 的 正 常 功 能 ) 的 名 稱 。 在 諸 多 化 學 反 應 中 ,MnO2 都 是 擔 任 氧 化 劑 的 功 能 , 可 是 , 製 造 錳 酸 鉀(K2MnO4)的

反 應 中:3MnO2(s)+KClO3 +6KOH →3K2MnO4+KCl+3H2O(陳 國成,1978),因 為 KClO3

為 強 氧 化 劑 , 此 時 MnO2就 只 好 變 成 是 「 還 原 劑 」 的 角 色 了(註 5)。

參、結語

「 二 氧 化 錳 」,在 碳 鋅 乾 電 池 中 肩 負 著 氧 化 劑、去 極 劑、復 極 劑 等 三 種 功 能 於 一 身 , 如 同 簡 便 的 速 成 咖 啡 包 , 是 典 型 的 「 三 合 一 」(Three in One)( 註 4)。 它 除了 傳 統 的 做 為 典 型 的 催 化 劑 外( 默 默 地 協 助 完 成 反 應,功 成 身 退,不 帶 走 任 何 一 物 );又 主 要 職 司 氧 化 劑 的 功 能,但 當 時 勢 所 趨,也 可 以 屈 就 為「 還 原 劑 」,真 如 同「 剪 刀(2)、石 頭( 0)、 布 (5)」(2>5、0>2、 5>0),「 遇 弱 則強 , 遇 強 則弱 」, 各 有 所長 、 各 有 罩門 。 自 然 界 五 行 「 金 ( 西 )、 木 ( 東 )、 水 ( 北 )、 火 ( 南 )、 土 ( 中 )」, 相 生 相 剋 , 沒 有 相 生 , 就 沒

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由碳鋅乾電池中的二氧化錳得到的啟示

- 39 - 有 事 務 的 發 生 與 成 長 ; 沒 有 相 剋 , 就 不 能 維 持 正 常 協 調 下 的 變 化 與 發 展 。 一 物 剋/ 勝 一 物 (Diamond cut diamond.), 一 物 生 一 物 , 有 捨 才 有 得 , 人 生 諸 多 事 務 又 何 嘗 不 是 如 此 呢 ?

肆、註解說明

註1: 加 熱 KClO3時( 二 氧 化 錳 為 催 化 劑 catalyst),產 生 KCl 與 O2,為 一 種 自 身 氧 化 還 原 反 應(Auto Redox)。 註2: 電 池本 身 的 陽 極( 負 極 )、陰極( 正 極 ); 而 電 解 反 應 的 裝 置 中 , 電 解 槽 中 陽 極 是 正 極 , 陰 極 是 負 極 ; 兩 種 是 不 相 同 的 , 務 必 要 弄 清 楚 。 註3:反 應 方 程式(2)產 生的 另 一 種 氣體 NH3, 也 是 圍 繞 在 碳 棒 四 周 , 但 其 水 溶 性 大,會 反 應 成 Zn(NH3)2Cl2(s) (氯 化 二 氨 鋅 ),反 應 方 程 式 (2-1)。 註 4:FeS2 (pyrite, 硫化 鐵),一 般 稱 為 黃 鐵 礦 , 以 硬 物 去 敲 擊 時 會 產 生 火 花 , 歸 類 為 鐵 礦 。 可 是 其 主 要 功 能 是 用 來 生 產 二 氧 化 硫 (4FeS2+11 O2 → 2Fe2O3(s)+8SO2 ),再 用 來 製 造 硫 酸 , 所 以 用 途 上 又 歸 屬 於 硫 礦 。 但 是 FeS2 的 外 型 卻 是 金 光 閃 閃 , 很 像 黃 澄 澄 的 金 子 , 俗 稱 愚 人 金( 擬 人 金,Fool’s Gold),也可 說 是 一 種 「 三 合 一 」 化 合 物 。 註 5: 氧 化 劑 :氧 化 其 他 物質 , 本 身 會被 還 原 ; 還 原 劑 : 還 原 其 他 物 質 , 本 身 會 被 氧 化 ; 氧 化 劑 與 還 原 劑 兩 者 相 互 間 是 典 型 的 「 有 捨 有 得 」。

伍、參考資料

http://hk.geocities.com/csss4j/04.htm 97 年 3 月 4 日 陳 國 成 (1978), 參 考 化 學 , 325-326, 台 北 市 : 大 中 國 圖 書 公 司

參考文獻

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