電池 1.) 電池 : 利用化學反應, 將化學能 電能, 為放熱反應.) 伏打電池 : 最早的電池 伏打將含食鹽水的抹布夾在鋅和銀的圓形板中間, 再堆積成圓柱並連接導線 丹尼爾將鋅片與銅片各自泡在 Zn + 與 Cu + 溶液中, 製出鋅銅電池 1. 組成 :1. 兩種不同的金屬. 可導電的電解質溶液. 原理 :1. 活性大的金屬, 易氧化 ( 放出電子 ) 當負極. 活性小的金屬, 易還原 ( 接受電子 ) 當正極 例 : 鋅銅電池 鋅銀電池 銅銀電池 水果電池 水果電池 : 水果含有電解質, 兩活性不同的金屬插於水果中, 接上導線形成一通路時, 就會有電流流通, 燈泡便會發光 3.) 鋅銅電池 : 1. 裝置 : a. 電極 : 鋅片和銅片 b. 燒杯溶液 :Zn + 及 Cu + 溶液 c. 鹽橋 : 電解質水溶液, 如 KNO 3 NaNO 3. 電流方向 : a. 外電路 : 電子由鋅片 銅片 b. 電池內部 : 由離子導電 3. Zn 活性大, 易氧化 (Zn ZnO), 會放出 e -, 為負極 Zn Zn e Zn 流入溶液中 e 由導線流到 Cu片 4. Cu 活性小, 獲得 e -, 為正極 Cu e Cu Cu 由溶液向上 e 由外電線來 結合成金屬 Cu 析出 正負極的判斷 : 有 A B 兩種金屬, 其中 A AO ( 其中 A 為 +) A A + +e - B 金屬接受電子 B + +e - B A 為負極 B 當正極 - 1 -
5. 放電後 : Zn( 負極 ) 重量變輕 ; Zn Cu( 正極 ) 重量變重 ; Cu 6. 總反應 : 負極 : Zn Zn 正極 : Cu e 全反應 : Zn Cu e Cu Cu Zn 增加 ; ZnSO 減少 ; CuSO a. 實際參與反應者 : Zn Cu 4 4 仍為無色 藍色變淡 b. Zn 減少 1 mole (65.4 g),cu 增加 1 mole (63.5 g), Zn 與 Cu 共稱總重變輕, 但全部裝置質量守恆 c. 兩電極每反應 1 mole, 須流過 mole 電子 =193000 庫侖 7. 鹽橋中的 KNO 3 ( KNO 3 K NO3 ) K Cu ( 正離子往正極 ) NO3 Zn ( 負離子往負極 ) 8. 鹽橋的功用 限制與注意事項 : a. 功用 : i. 溝通電路 ii. 維持溶液的電中性 b. 限制與注意事項 : i. 電解質不可和溶液發生化學反應 ii. 棉花的鬆緊度要剛好 太鬆, 液體會漏出 ; 太緊, 離子不易通過, 無法平衡離子而無法導電 iii. 管中不可以有空氣 有氣泡, 會使電流中斷 9. 放電一段時間後, 電流變小 (Cu + 減少, 顏色變淡 ) - -
充電 : 電池外加電源, 進行與放電逆向的反應 1. 原則 : 電源正極 電池正極 ( 正接正 ); 電源負極 電池負極 ( 負接負 ) Zn: Zn e Zn 鋅片變重. 鋅銅電池的充電 : Cu: Cu Cu e 銅片變輕 總反應 : Cu Zn Zn Cu 電極總質量減輕 4.) 廣義的氧化還原 : 物質得失電子的反應 1. 氧化 : 失去電子 如鋅銅電池中的 Zn 片. 還原 : 得到電子 如鋅銅電池中的 Cu 片 兩者必同時發生 例 : 銅銀電池 電極負極 ( 銅片 ) 正極 ( 銀片 ) 反應式 總反應式 Cu Cu e Ag e Ag Cu Ag Cu Ag 氧化還原發生氧化反應發生還原反應 電子得失 失去 莫耳電子產生 1 莫耳 Cu + 離子 獲得 莫耳電子產生 莫耳 Ag 原子 電極質量變化銅片質量減少銀片質量增加 溶液濃度變化 Cu + 濃度增加, 溶液顏色變深 Ag + 濃度減少, 溶液顏色不變 - 3 -
1.) 電池的分類 : 實用電池 1. 一次電池 ( 原電池 ): 只能用一次, 不可充電 如 : 碳鋅電池 鹼性電池. 二次電池 ( 蓄電池 ): 可重複充電使用 如 : 鉛蓄電池 鎳氫電池 鋰電池 鎳鎘電池 太陽能電池.) 為碳鋅電池 :( 乾電池 勒克朗舍電池 ) 1. 正極 : 碳棒, 導電用, 不參與反應 負極 : Zn外殼 電解質 : NH 4Cl 石墨粉 澱粉 MnO H O 糊狀物 反應 : MnO NH 4Cl Zn Zn( NH 3) Cl H O MnO3. 性質 : a. 電壓不穩, 初期為 1.5V, 使用後漸漸降低 b. 過久不用 Zn 會腐蝕 水會蒸發 電解液外漏 c. 不能充電, 若充電會產生氣體 (H ) 爆裂 d. 不同型號的乾電池, 電壓都相等, 但電能不同 使用時要注意其大小 方向 漏液 價格便宜, 亦製造, 但功率較小 3.) 鹼性電池 : 內部的電解液為鹼性, 為鹼錳電池 1. 正極 : 碳棒, 導電用, 不參與反應 實際反應為 MnO 負極 : Zn外殼 電解質 : KOH. 性質 : a. 電壓穩定, 為 1.54V b. 內電阻小 電流較大 壽命較長 較貴 低溫可用 (-0~54 ) c. 不能充電, 若充電會產生氣體 (H ) 爆裂 - 4 -
4.) 鉛蓄電池 ( 電瓶 ): 鉛酸電池 1. 正極 : 二氧化鉛 ( PbO ) 負極 : 鉛 ( Pb) 電解質 : H SO 4水溶液, D 1.4 g. 放電 : a. 正 負極均產生白色硫酸鉛 (PbSO 4 ), 兩極重量增加 b. 硫酸溶液濃度變小,pH 增加 cm c. 反應式 : Pb PbO H SO4 PbSO4 H O 3. 充電 : a. 要用直流電 DC b. 外電源正極 電池正極 ( 正接正 ); 外電源負極 電池負極 ( 負接負 ) c. 正極恢復為二氧化鉛, 負極恢復為鉛, 重量皆減輕 d. 硫酸溶液濃度變大,pH 降低 e. 反應式 : PbSO4 H O Pb PbO H SO4 4. 在 5 下, 每組鉛電池電壓 = V, 通常串聯成 6V 或 1V 5. 使用一段時間後, 要補充水, 充電程度可由稀硫酸密度來判定 放電與充電比較 : 比較項目放電充電 正極反應 PbO PbSO 4, 電極變重 PbSO 4 PbO, 電極變輕 負極反應 Pb PbSO 4, 電極變重 PbSO 4 Pb, 電極變輕 溶液濃度 稀硫酸消耗濃度減小, 密度減小 3 稀硫酸回復濃度變大, 密度變大 能量變化化學能 電能電能 化學能 電極接法 鋰電池 :1991 年開發出 1. 正極 :Li 金屬氧化物 負極 :C 正極接正極, 負極接負極. 電壓為 3.6V, 廣泛使用, 可充電 長時間使用 無記憶效應 3. 手提電腦及行動電話已普遍使用 4. 鋰金屬重量輕, 可提供高電壓, 但是活性大 ( 危險 ), 故改用 Li + - 5 -
記憶效應 : 電池充電不完全所導致, 使電池容量降低, 使用時間減少 鎳鎘電池 : 1. 電壓穩定 壽命長 用於預備電源與安全燈. 鎘 (Cd) 為有毒金屬, 必須回收 鎳氫電池 : 1. 負極為可吸附 H 的合金, 取代 Cd. 體積小 重量輕 電壓穩定 壽命長 可充電再使用 較安全 3. 用於手提式攝影機 數位相機和一般攜帶型電器 電池內部的金屬及電解液 ( 如汞 鉛 ) 會汙染環境, 應將電池回收 比較 比較下列各種電池的特性 : (1) 伏打發現的是伏打電池 () 無公害污染的是太陽能電池 (3) 便宜又普遍的是碳鋅電池 (4) 外型與乾電池相似的是鹼錳電池 (5) 可重複使用於汽車的是鉛電池 (6) 重污染被許多國家限制用的是鎳鎘電池 (7) 普遍使用於電腦的是鋰電池 (8) 取代鎳鎘電池的是鎳氫電池 - 6 -
電流的化學效應 1.) 電池 : 化學能 電能 電解 ( 電鍍 ): 電能 化學能.) 電解 : 1. 必須用直流電 DC. 為吸熱的化學變化 3. 電解棒的正負極判斷 : 連接外電源正極 正極 連接外電源負極 負極 4. 通電時, 正負離子往兩極移動, 並產生新物質 正離子 負極, 得到電子, 產生金屬或 H 負離子 正極, 失去電子, 產生非金屬或 O 電極種類 5. 影響電解結果的因素 : 電解液的種類 3.) 水的電解 : 第一個電解實驗 1800AD, 英國尼可爾生. 卡利斯列作 1. 純水難解離, 加入 H SO 4 或 NaOH 幫助導電 電解 H SO 4(aq) 的產物 = 電解水的產物. 反應式 : 正極 : H 負極 : 4H 總反應 : H O 4H 4e O H 4e 電解 O H( 負 ) O( 正 ) 負氫正氧 3. H 與 O 的體積比 =:1; 質量比 =1:8; 密度比 =1:16 4. 增加電解速率的方法 : a. 增加電壓 b. 增加電流 c. 將電極靠近, 但不接觸 d. 增加電解質濃度 白金電極 最好 貴 電極的影響 : 注射針頭 普通 便宜 - 7 -
5. H 與 O 的密度 < 水, 且不溶於水, 用排水集氣法收集 a. H : 具可燃性 將點燃的火柴靠近, 發出爆鳴聲, 產生淡藍色火焰 b. O : 具助燃性 將火柴餘燼移近試管口, 火柴復燃 4.) 電解硫酸銅溶液 : 溶液中 CuSO 4 Cu + +SO 4-1. 以碳棒作電極 : a. C 棒為導電物, 不參與反應 ( 惰性電極 ) b. 正極反應 : H O 4H e O 重量不變 4 c. 負極反應 : Cu e Cu Cu 析出, 重量增加 d. 電解液 : i. Cu + 減少, 藍色變淡 ii. H 增加,pH 降低, 酸性增加 總反應 : H O Cu O 4H Cu. 以銅棒作電極 :( 電解精鍊 ) a. 銅棒有參與反應 b. 正極反應 : Cu Cu e 重量減少 c. 負極反應 : Cu e Cu 重量增加 d. 電解液 : Cu 不變, 藍色不變 e. 總反應 : Cu( 粗 ) Cu Cu Cu( 精 ) 電解前後, 兩電極的總質量不變 電解食鹽水溶液 : 溶液中 NaCl Na + +Cl - 1. 正極 : 生成 Cl, Cl Cl e 負極 : 生成 H, H O e H OH - - -. 總反應 : H O Cl H ( 負 ) Cl ( 正 ) OH 或 H O NaCl H ( 負 ) Cl ( 正 ) OH - Na - 8 -
5.) 電鍍 : 使用直流電 (DC) 電解, 將金屬鍍到被鍍物表面 1. 目的 : a. 防止生鏽 : 隔絕內部金屬與外部空氣 水氣 如白鐵 馬口鐵 b. 增加美觀 : 使物體表面光滑明亮 如餐具 c. 增加硬度, 提高耐磨度 正極 : 欲鍍物. 裝置 : 負極 : 被鍍物 ( 要可導電 ) 電解液 : 含欲鍍金屬離子的溶液 電極反應 : i. 正極 : 欲鍍金屬放出電子 M M n ii. 負極 : 金屬離子獲得電子, 形成金屬析出 M n ne M 電解液種類 : 擬鍍金屬 正極 負極 電鍍液的鹽類 銅 銅片 被鍍物體 硫酸銅 CuSO 4 ( 藍色 ) 銀 銀片 被鍍物體 銀氰化鉀 KAg(CN) 鎳 鎳片 被鍍物體 硫酸銨亞鎳 NiSO 4.(NH 4 ) SO 4.6H O 3. 舉例 : 將 Zn 鍍到 Cu ne 正極 : Zn 負極 : Cu, 紅色 電解液 : ZnSO 4 4. 注意事項 : 正極 : Zn Zn e 重量 負極 : Zn e Zn 生成銀白色金屬, 重量正極減輕的重量 = 負極增加的重量 a. 被鍍物先以砂紙及稀鹽酸除鏽, 再以 NaOH(aq) 去油污 b. 電鍍後, 成品表面以 H O 沖洗, 再用丙酮洗淨靜置一天, 待電鍍層硬化後再擦亮之 c. 電鍍後的金屬薄膜是否堅實, 受到溫度 電流強度及電鍍液濃度等因素影響 電鍍後的廢物 : a. 常含有重金屬離子 ( 如 Cu + Cr + Zn + ), 造成環境污染 b. 鍍 Ag 的電解液中有 CN -, 必須回收處理 c. 鍍液含有 CuSO 4, 可加鐵絲絨反應析出 Cu - 9 -
例 : 如圖, 兩燒杯都裝 CuSO 4 溶液,a d 兩電極為銅片, b c 兩電極為碳棒 ; 通電後, 試回答下列問題 : (1) 有氧氣產生的電極是 c () 重量增加的電極是 b d 減輕的是 a (3) 重量不變的電極是 c (4) 溶液顏色變淡的燒杯是 乙 燒杯 (5) 附近溶液 PH 值下降之電極是 乙 燒杯 例 : 如圖上端為鋅銅電池, 下端為電解槽,C D 為銅片, 則 : (1) 鋅銅電池將 化學能 轉換成 電能, 電解槽將電池的 電能 來引起 化學 變化 () 承上題, 電池 釋出 能量, 電解槽 吸收 能量 ( 吸收或釋出 ) (3) A B C D 四電極中, AD 質量減少, BC 質量增加 (4) A 電極的反應式為 : ZnZn + +e - ; C 電極的反應式為 : Cu + +e - Cu - 10 -