基礎化學(一)--第四章-2

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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

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(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

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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。

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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。

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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

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(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。

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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。

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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。

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參考文獻