4-2 化學電池
班級： 座號： 姓名： 壹、電池的定義與構造 一、氧化還原反應 1. 定義： 狹義 廣義 氧化反應 物質得到氧 物質失去氫 物質失去電子 還原反應 物質失去氧 物質得到氫 物質得到電子 實例 Fe2O3＋3 C → 2 Fe＋3 CO 氧化（還原劑）為 C 還原（氧化劑）為 Fe2O3 Zn＋Cu2＋ → Zn2＋＋Cu 氧化（還原劑）為 Zn 還原（氧化劑）為 Cu2＋ 2. 氧化劑與還原劑： (1) 氧化劑：在氧化與還原反應中，使它種物質氧化，而本身被還原的物質。 例 ：3 C(s)＋Fe2O3(s) ─→ 3 CO△ (g)＋2 Fe( )，Fe2O3為氧化劑 發生還原作用 (2) 還原劑：在氧化與還原反應中，使它種物質還原，而本身被氧化的物質。 例 ：Zn(s)＋Cu2＋ (aq) ─→ Zn2 ＋ (aq)＋Cu(s)，Zn 為還原劑 發生氧化作用 3. 氧化還原（Redox）反應的特性： (1) 在氧化還原化學反應中，氧化與還原 同時發生，同時結束 。 (2) 就電子得失而言，氧化劑所獲得電子數等於還原劑失去之電子數。故在整個反應過程中，物 系仍保持 電中性 。 註：只有氧化還原反應涉及電子的得失，酸鹼或沉澱反應沒有電子得失情形。 補充 ··· 氧化劑與還原劑直接接觸時的現象 1. 氧化半反應：Zn(s) → Zn2 ＋ (aq)＋2 e － 2. 還原半反應：Cu2＋(aq)＋2 e － → Cu(s) 3. Zn 和 Cu2＋直接接觸，直接轉移電子，形成熱能散失，沒有辦法加以利用。 裝置 Zn 與 Cu 極有無反應？ 有無電流可使 用？ (1) Zn＋2 H＋ → Zn2＋＋H2 (2) 銅極無反應 無電流可使用 (1) Zn＋2 H＋ → Zn2＋＋H2 (2) 銅極無反應 (3) 但有些有電子經由鋅片傳遞到銅片，故 可看到銅片附近也有氫氣產生 無電流可使用(1) Zn → Zn2＋ ＋2 e－ 電子經導線傳遞到銅片 (2) H＋移往銅片附近得到電子產生氫氣 2 H＋＋2 e－ → H2 有電流可使用 H2O 無任何反應 無電流可使用 (1) Zn →Zn2＋ ＋2 e－ 電子經導線傳遞到銅片 (2) Cu2＋移往銅片附近得到電子產生 Cu。 Cu2＋＋2 e－ → Cu 。 因為 [Cu2＋ ] 變小，故藍色變淡 有電流可使用 ··· 二、電池定義：利用自發性的氧化還原反應，將化學能轉成電能的裝置，稱為化學電池，簡稱電 池，為放熱反應。而電解池即為電解，利用電能產生化學反應，為吸熱反應。 三、電池基本構造 1. 電極： (1) 陽極（anode）：發生 氧化 反應的電極。 (2) 陰極（cathode）：發生 還原 反應的電極。 (3) 正極：電子流入 的電極。 (4) 負極：電子流出 的電極。 (5) 活性電極：可能參與反應，反應時重量有變化。：鋅、鐵、銅…。 (6) 惰性電極：不參與反應，本身重量不改變。： 金 、 鉑 、 石墨 。 (7) 氣體電極：如氫氣電極，此電極中有白金片，白金周圍為 1 大氣壓的 H2(g)，H2 分子在白金 表面轉變成 H＋，但白金本身不變。 (8) 金屬電極的判斷：利用金屬失去電子傾向來判斷，失去電子傾向愈大的金屬當電池的陽極 （負極）。金屬在水中的氧化電位（失去電子的傾向）如下： Li＞Rb＞K＞Cs＞Ba＞Sr＞Ca＞Na＞Mg＞Al＞Mn＞Zn＞Cr＞Fe＞Co＞Ni＞Sn＞Pb＞H 你 如 假 色，倍 思 蓋 娜 美 女 們，碳心 若 鐵， 姑 念 喜 錢 情 ＞Cu＞Hg＞Ag＞Pt＞Au 總 共 一 百 金
2. 電解液：提供導電物質，常選用與電極金屬相同的離子。
例：鋅半電池 —— ZnSO4；銅半電池 —— CuSO4；銀半電池 —— AgNO3。
3. 鹽橋：電化電池中，連接兩個半反應電池之裝置。 (1) 組成：是一支倒置的 U 形管，充以 不與電池液反應 的強電解質鹽類飽和溶液，常 用—KNO3、NaNO3。為防止溶液從鹽橋流動起見，把鹽橋的兩塞上玻璃棉（太緊或太鬆都不 好），或將一種鹽類溶於洋菜膠狀物料中，作為鹽橋的電解質。 (2) 條件：不能與電池溶液發生反應 。 (3) 功用： ① 藉 離子 移動，形成導電現象。 ② 形成電通路，維持溶液的 電中性 。 ③ 以鋅銅電池為例： a. 陽極：當 Zn(s) 氧化，Zn2 ＋ (aq) 增加 ，但 SO42 － 不變，故鹽橋內的 NO3(aq) 便流向陽極 以維持電中性。 b. 陰極：當 Cu2＋(aq) 還原，Cu2 ＋ (aq) 減少 ，但 SO42 － 不變，故鹽橋內的 K＋ (aq) 便流向陰極 以維持電中性。 註：鹽橋中的負（陰）離子往負（陽）極移動，正（陽）離子往正（陰）極移動 4. 電路： (1) 外電路（導線） 電子： 陽極（負極） → 導線 → 陰極（正極） 。 (2) 內電路（溶液） 陽離子：游向 陰極 ，陰離子：游向 陽極 。 (3) 電子流方向與電流方向相反。伏特計或安培計的指針方向和 電子流 方向相同。 四、鋅－銅電池 1. 活性大的金屬當 負（陽） 極。 2. 鋅當 負（陽） 極，反應為 Zn → Zn2＋＋2 e－ （ 氧化 半反應）。 3. 銅當 正（陰） 極，反應為 Cu2＋＋2 e－ → Cu （ 還原 半反應）。 4. 全反應： Zn＋Cu2＋ → Zn2＋＋Cu 。 5.接安培計或伏特計（＋接＋、－接－），所以鋅接安培計的 負 極，銅接安培計的 正 極。 6. 鹽橋內裝易解離的鹽類，如上圖，為使兩溶液保持 電中性 ，NO3 － 游入 鋅 杯，而 K ＋ 游入 銅 杯。 7. 過一段時間，電流漸小，直至指針為零，此時表示 反應達平衡 ，電壓為 零 。 8. 安培計（或伏特計）指針偏轉的方向為 電子流 的方向。 9. 兩電極棒的質量總和隨反應進行，質量變 小 。 10. 銅 極用石墨代替，反應不變； 鋅 極用石墨代替，反應停止。
五、電解槽 1. 原理：由外界輸入電能引發化學反應（ 電能 → 化學能 ）。 2. 裝置：當電池連接電解槽時，電子由電池的負極流出，流至電解槽的 負極（陰極） ；溶液中的陽離子往 陰極 移動，而陰離子 往 陽極 移動。 Ex1：電池原理 有關化學電池原理的敘述，哪一個錯誤？ (A)化學電池是利用氧化還原反應產生電子流的裝置 (B)電池放電時，化學能變成電能 (C)化學電池充電時，電能變成化學能 (D)電池是一非自發反應，反應時要吸熱
(E) Zn＋CuSO4 → ZnSO4＋Cu 反應，可用來設計化學電池
【觀念補強】電池是利用自發性氧化還原放熱反應，並產生電子的轉移 【答案】D 【解析】(D)電池為自發反應，反應時要放熱。 Ex2：鋅銅電池 有關鋅－銅電池的實驗及性質，何者敘述錯誤？ (A)總反應方程式為 Zn(s)＋Cu2 ＋ (aq) → Zn2 ＋ (aq)＋Cu(s) (B)經放電後，銅半電池燒杯內的溶液藍色變淡 (C)鋅－銅電池的電壓大於鋅－銀電池的電壓 (D)鹽橋內的溶液為易解離鹽類水溶液，如：NH4NO3、NH4Cl 【觀念補強】活性差愈多，電壓愈大 【答案】C 【解析】(C)鋅和銀的活性差異較鋅和銅大，故鋅銀電池的電壓較大。 Ex3：將鋁棒置於裝有 1 M 硝酸鋁水溶液的燒杯中，將銅棒置於裝有 1 M 硝酸銅水溶液的燒杯 中，U 型玻璃管裝有硝酸鉀飽和水溶液作為鹽橋，利用上述裝置組成電池，則下列選項哪些 正確？ (A)電池的淨反應式：2 Al(s)＋3 Cu2 ＋ (aq) → 2 Al3 ＋ (aq)＋3 Cu(s) (B)陽極為銅棒，發生還原反應 (C)電子由鋁棒經外電路流向銅棒 (D)溶液中 NO3－陰離子經鹽橋流向銅極溶液 (E)溶液中的藍色愈來愈深 【觀念補強】活性大金屬為負極（陽極），發生氧化反應（失去電子） 【答案】 AC 【解析】(B)陽極為鋁棒，發生氧化反應；(D)溶液中 NO3 － 陰離子經鹽橋流向鋁極溶液；(E)因為銅離 子變少，所以藍色愈來愈淡。
貳、電池的分類 目前市售電池種類眾多，大小不一。因此我們依電池本身的充放電特性與工作性質簡單分類如下： 二次電池（蓄電池） 鉛蓄電池 鎳鎘電池 鋰離子電池 電池 一次電池（原電池） 乾電池（勒克朗社電池） 鹼性乾電池 鋰電池 (一) 乾電池：為一次電池，又稱碳鋅電池。 1. 電極：正極 —— 中間石墨棒（未參與反應，僅作導電用，又稱惰性電極）。 負極 —— 外殼鋅殼。 2.電解質：內部填充有氯化鋅、氯化銨、石墨粉、二氧化錳、澱粉和少量的水做成的黑色糊狀物。 註：(1) 電解質氯化銨呈酸性，故乾電池可稱酸性乾電池。 (2) 乾電池並非完全乾燥。 3. 放電反應： (1) 負極（陽極）：Zn(s) → Zn2 ＋ (aq)＋2 e － (2) 正極（陰極）： 2 NH4 ＋ (aq)＋2 e － → 2 NH3(g)＋H2(g) 2 MnO2(s)＋H2(g) → Mn2O3(s)＋H2O(l) 2 NH3(g)＋ZnCl2(aq) → Zn(NH3)2Cl2(aq) (3) 總反應為：2 MnO2(s)＋2 NH4Cl(aq)＋Zn(s) → Zn(NH3)2Cl2(aq)＋Mn2O3(s)＋H2O(l) 說明：陰極產生的氨氣與氫氣為非導體，會將碳棒包 圍，導致電池的電位顯著下降，稱為極化現象 。而二氧化錳及氯化鋅就是用來抑制陰極之極 化現象的發生，故將它們稱為「去極劑」，其 中二氧化錳也是氧化劑。 4. 特性：不可充電，電壓約 1.5 伏特（V）。 (二) 鹼性乾電池：為一次電池，又稱鹼錳電池。 1. 電極：正極為鋼製外殼（惰性電極）；負極為金屬集電棒（惰性電 極）。 2. 電解質：含 KOH 之膠狀物。 3. 放電反應： (1) 負極：Zn(s)＋2 OH － (aq) → ZnO(s)＋H2O(l)＋2 e － (2) 正極：2 MnO2(s)＋H2O(l)＋2 e － → Mn2O3(s)＋2 OH － (aq) (3) 總反應：Zn(s)＋2 MnO2(s) → ZnO(s)＋Mn2O3(s) 4. 特性：因陰極無氣體產生且還原劑為粉狀鋅，故電壓穩定，電流較 大。電壓約 1.5 V。 不可充電 可充電
(三) 鉛蓄電池：為二次電池，又稱鉛酸電池。 1. 電極：負極為 Pb；正極為 PbO2。 2. 電解質溶液：30％的硫酸溶液。 3. 放電反應： (1) 負極：Pb(s)＋SO42 － (aq) → PbSO4(s)＋2 e － (2) 正極：PbO2(s)＋4 H ＋ (aq)＋SO42 － (aq)＋2 e － → PbSO4(s)＋2 H2O(l)
(3) 總反應：PbO2(s)＋Pb(s)＋2 H2SO4(aq) → 2 PbSO4(s)＋2 H2O(l)
註：① 鉛蓄電池中，硫酸根同時移向兩極使兩極皆生成白色的 硫酸鉛 ，附於極板上面，故兩 極板質量都 增加 。隨著反應進行，硫酸的濃度 漸減 ，密度 變小 ，pH 值變大 ， 電壓 下降 。
② 當電池放電 2 F （即 2 mol e－
）電量時，陽極消耗 Pb 1 mol，陰極消耗 PbO2 1
mol，用去 H2SO4 2 mol。兩極共生成 PbSO4 2 mol，H2O 2 mol。故陽極重量增
加：PbSO4－Pb＝ 96 克，陰極重量增加：PbSO4－PbO2＝ 64 克，硫酸重量減少：
196 克，水重量增加： 36 克。 4. 充電反應： (1) PbO2（ 正極 ）接外加直流電源的 正極 ，Pb（ 負極 ）接外加電源 負極 ，使充 電電流方向與電池放電的方向相反。故此時鉛電池會變成電解槽。 (2) 負極上的硫酸鉛恢復成鉛，正極的硫酸鉛恢復成二氧化鉛，同時 水分減少，硫酸的濃度與密度均變 大 。反應式如下： 陽極（正極）：PbSO4(s)＋2 H2O(l) → PbO2(s)＋4 H ＋ (aq)＋SO42 － (aq)＋2 e － 陰極（負極）：PbSO4(s)＋2 e － → Pb(s)＋SO42 － (aq)
總反應：2 PbSO4(s)＋2 H2O(l) → PbO2(s)＋Pb(s)＋2 H2SO4(aq)
(3) 充電之副反應為電解水，故舊式鉛蓄電池常需添加水。 (4) 用比重計測量稀硫酸密度的變化，即可知充電程度。 (5) 特性：常作為汽機車的電瓶，通常由三至六組電池串聯而成。電池電壓約為 2.0 V，壽命為二 至三年。而目前較先進的鉛蓄電池，是以鉛與鈣的合金為負極材料，這種設計可以避免電池 充電時產生氫氣，因此不需添加水，常以密封狀態出售，壽命也較長。 (四) 鋰離子電池：為二次電池，常用於手機。 1. 電極：負極為嵌有鋰離子的石墨（以 LixC6 表示）；正極為鋰的過渡元素氧化物。 例：Li1－xCoO2，二氧化鋰鈷。 2. 電解質：溶於 有機溶劑 的鋰鹽。 例：LiClO4。 3. 放電反應：如右圖所示。 (1) 負極：LixC6(s) → x Li ＋ (aq)＋C6(s)＋x e － (2) 正極：Li1－xCoO2(s)＋x e － ＋x Li＋ (aq) → LiCoO2(s)
(3) 總反應：LixC6(s)＋Li1－xCoO2(s) → C6(s)＋LiCoO2(s)
(4) 充電時則為上述之逆反應。
4. 特性：鋰離子電池的最大優點為充電時無記憶效應。目前 市面手機、筆電…等的充電電池多為此類電池；電壓約為 3.6 V。
補充 ··· 鎳鎘電池 鎳鎘電池為二次電池 1. 電極：負極 —— 鎘（Cd）；正極 —— 鹼式氧化鎳（NiO(OH)）。 2. 電解質：KOH。 3. 放電反應： (1) 負極：Cd(s)＋2 OH － (aq) → Cd(OH)2(s)＋2 e － (2)正極：NiO(OH)(s)＋e － ＋H2O(l) → Ni(OH)2(s)＋OH － (aq)
(3) 總反應：Cd(s)＋2 NiO(OH)(s)＋2 H2O(l) → Cd(OH)2(s)＋2 Ni(OH)2(s)
(4)充電時則為上述之逆反應。 4. 特性：用於停電預備電源和安全燈，電壓穩定，壽命長且可充放電次數高（1200 次以上），但有 記憶效應，可充電量隨之降低；電壓約為 1.3 V。 ··· (五) 燃料電池 1. 定義：凡是利用燃料與氧化劑反應而放出電能的電化學裝置，均可稱為燃料電池。燃料電池放 電後，通常直接補充燃料，而不進行充電。 2. 氫燃料電池： (1) 電極：負極為白金；正極為白金。 (2) 電解質：採用質子交換膜。有些燃料電池使用 KOH 為電解液。 (3) 電極反應： ① 負極：H2(g) → 2 H ＋ (aq)＋2 e － ② 正極：1／2 O2(g)＋2 e － ＋2 H＋ (aq) → H2O(l) ③ 總反應：H2(g)＋1／2 O2(g) → H2O(l) (4) 優點： ① 現在的火力發電廠都是先將燃料轉變成熱能，再將熱能轉化成電能，整過發電過程的功率 只能達到 40％左右；而燃料電池的發電功率可達 80％以上。 ② 因產物僅為水，故較無環境汙染問題。 (5) 缺點： ① 氫氣體積龐大不便貯存，需經高壓低溫處理以減小其體積。 ② 需克服三相接觸技術困難（氣態燃料、液態電解質與固態電極），且以白金或貴金屬為觸 媒，成本較高；電壓約為 0.86 V。 (6) 特性：燃料電池是將燃料的化學能轉變成電能，因此不需充電只需不斷添加燃料，即可 維持電力。 (六) 直接甲醇燃料電池（補充資料） 1. 直接甲醇燃料電池也為常見的一種燃料電池，其全反應為： 總反應：CH3OH(l)＋3／2 O2(g) → CO2(g)＋2 H2O(l) 註：甲醇從陽極通入，氧氣從陰極通入。 2. 優點：直接甲醇燃料電池的能量密度比氫燃料電池高，且液態甲醇比氫氣方便貯存。 3. 缺點：反應產物為二氧化碳，較不符合環保概念，且甲醇有毒易燃，有危險性。
Ex1：乾電池與鹼性乾電池 下列有關乾電池與鹼性乾電池的敘述，何者正確？ (A)乾電池的負極為鋅殼 (B)乾電池中的二氧化錳為催化劑，鹼性乾電池中的二氧化錳為還原劑 (C)乾電池不可充電，鹼性乾電池可充電反覆使用 (D)乾電池中的氯化銨電解質在放電過程中會產生氨氣與氫氣，進而產生極化現象 (E)乾電池的電解液為中性，而鹼性乾電池的電解質為鹼性 【觀念補強】乾電池與鹼性乾電池的最大差異在於電解質的不同 【答案】AD 【解析】(B)兩者的二氧化錳皆為氧化劑；(C)兩者皆不可充電；(E)乾電池的電解液為酸性。 Ex2：鉛蓄電池 下列有關鉛蓄電池的敘述，哪些正確？ (A)放電過程中，Pb 極與 PbO2 極之重量皆減少 (B)可藉由測量 H2SO4 的比重來判斷電池之放電情形 (C)放電時，鉛極為負極 (D)充電過程中，電解液之重量漸減 (E)充電時，鉛極須與外加電源的負極連接 (F)放電時，硫酸的濃度下降 【觀念補強】放電時，Pb 與 PbO2 皆變成 PbSO4，故兩電極皆變重；而硫酸的莫耳數下降，水的莫 耳數上升，故溶液的密度及硫酸的濃度皆下降 【答案】BCEF 【解析】(A)兩電極皆增重；(D)充電過程中，電解液的重量漸增。 Ex3：燃料電池 燃料電池是太空飛行的重要能量來源，右圖的燃料電池是以氫與氧為 反應物，氫氣在鎳（Ni）極與 OH－ 反應，氧氣在氧化鎳（NiO）極與 水反應，反應的淨產物是水，氫氧化鉀水溶液為電解液。根據化學電 池的原理，下列有關此電池的敘述，何者正確？ (A)氧氣是被 H2O 還原，氫氣是被 OH － 氧化 (B)氧氣在陽極被還原，氫氣在陰極被氧化 (C)電子在外電路的導線中，從氧化鎳極向鎳極移動 (D)電池放電時，氫氧化鉀水溶液中的 pH 值會逐漸下降 【觀念補強】氫氧燃料電池的總反應式為：2 H2＋O2 → 2 H2O，由此判斷氫氣被氧化，氧氣被還原 【答案】D 【解析】(A)氧氣被氫氣還原，氫氣被氧氣氧化；(B)氧氣在陰極被還原，氫氣在陽極被氧化；(C)電子 在外電路中從鎳極往氧化鎳極移動。
