Transcript 1-3電池
第一章 電的應用 1-3 電池 電池概述 電池：利用 化學反應 ( 氧化還原 反應)產 生 電位差 的裝置，將 化學能 轉成 電能。 原理： (1)化學作用能產生電位差，是因為反應時，物 質得到或失去 電子 。這種得失電子的力 量，促使電子流動，也就是有一個電位差。 電池概述 (2)促使電子移動的能力，和 物質活性 、 反應溫度 及 反應物濃度 有關。 (3)回顧：活性是與某一物質 化合 的能力。國 中所學的是針對 氧 。其活性大小次序是： 鉀 ＞ 鈉 ＞ 鈣 ＞ 鎂 ＞ 鋁 ＞ 碳 ＞ 鋅 ＞ 鐵 ＞ 錫 ＞ 鉛 ＞ 銅 ＞ 汞 ＞ 銀 ＞ 鉑 ＞ 金 。 電池概述 構造： (1)電池提供 電位差 ，電位較 高 的那一極稱 為 正極 ，較 低 的為 負極 。 (電位高低以 正 電荷來判斷，電荷由A處自由 的移動到B處，則稱A處為 高電位 ，B處為 低電位 ) (2)電池的正極就是 正電 流出的那一極，負 極就就是 負電 流出的那一極。當然，在 導線中真正會移動的是 自由電子 。 伏打電池 伏打電池的發展歷史 (1)西元1780年，義大利的 生物學家賈法尼無意間 將銅製的解剖刀碰觸到 鐵盤上的青蛙，發現青 蛙立刻產生抽搐的現象 伏打電池 (2)義大利學者 伏打 ，以含 食鹽水的溼抹布夾在 銀 製和 鋅 製的圓形板中， 堆積成 圓柱 狀，以導線 連接最上端的銀圓板，和 最下端的鋅圓板，製成第 一個產生穩定電流的裝置， 稱為 伏打電池 。(鋅－銀 電池為世界第一顆電池) 伏打電池 以兩種 活性不同 的 金屬 ，中間夾著可導 電物質所做的電池，均可稱為 伏打電池 。 產生電流的原因：是因為金屬的 活性不同 。 活性 大 的金屬容易 失去電子 ，而形成 負 極，再藉由電解質作用形成電流。 鋅銅電池 檢流器 ‧檢驗 電子 的流向 ‧電子由 鋅 向 銅 ，電流由 銅 向 鋅 ‧指針指向 右 方 e－ 鋅銅電池 負極(鋅片Zn) ‧活性 大 ， 失去 電子 發生 氧化 反應 ‧化學半反應式： Zn→Zn2＋＋2e－ ‧反應後鋅片質量 減少 2e－ Zn→Zn2＋ 進到硫酸鋅水溶液 鋅銅電池 硫酸鋅(ZnSO4)電解液 ‧電解液解離方程式： 2e－ ZnSO4→ Zn2＋＋SO42－ ‧電解液顏色： 無 色 ‧通電後：Zn2＋濃度 增加 電解液顏色 不變 Zn→Zn2＋ 進到硫酸鋅水溶液 鋅銅電池 2e－ 2e－正極(銅片Cu) ‧活性 小 ， 得到 電子 發生 還原 反應 ‧化學半反應式： Cu2＋＋2e－→Cu ‧反應後銅片質量 增加 Cu2＋ ＋2e－ → Cu 由硫酸銅水溶液提供 由鋅片提供的電子 鋅銅電池 2e－ 2e－ 硫酸銅(CuSO4)電解液 ‧電解液解離方程式： CuSO4→ Cu2＋＋SO42－ ‧電解液顏色： 藍 色 ‧通電後：Cu2＋濃度 減少 電解液顏色 變淡 CuSO4→ Cu2＋＋SO42－ 與銅片上的電子結合形成新的銅 Cu2＋＋2e－→Cu 鋅銅電池 NO3 － Zn→Zn2＋ K＋ 鹽橋(硝酸鉀KNO3) ‧解離方程式： KNO3→ K＋ ＋ NO3－ ‧ K＋ 往 正 極電解液(CuSO4) 方向移動，中和 SO42－ ‧NO3－往 負 極電解液(ZnSO4) 方向移動，中和 Zn2＋ 。 Cu2＋ →Cu 鋅銅電池 鋅銅電池全反應式： Zn＋Cu2＋→Zn2＋＋ Cu 或Zn＋CuSO4→Cu＋ZnSO4。 (1)負極：溶解1mole鋅 (原子量為65.4)，即減 少 65.4 克的鋅。 (2)正極：得到1mole銅 (原子量為63.5)，即產 生 63.5 克的銅。 ∴鋅銅電池放電後，正負兩極總質量 減少 。 鋅銅電池 鹽橋是U型管中，裝入的 強 電解質 鹽 類(如： 硝酸鉀KNO3、硝酸鈉NaNO3、氯化鉀KCl、 氯化銨NH4Cl、硝酸銨NH4NO3等)的水溶液， 兩端用棉花塞住。棉花不要塞太鬆或太緊， U型管中不能有氣泡。 鋅銅電池 (1)鹽橋的功能：形成 通路 、保持 電中性 、 避免兩溶液混合。 (2)鹽橋若未置入，電路為 斷電 狀態， 不會 有電流產生。 (3)鹽橋內裝的物質 不能 與電解液產生反應。 實用電池 伏打電池由於電流衰減很快，故實用性不高。 在科學家努力下，現在有各種實用或有發展 可能的電池。 目前電池種類：(1)ㄧ次電池(又稱乾電池或 原電池)： 碳鋅 電池、 鹼性 電池。 (2)二次電池(又稱充電電池)： 鉛 電池、 鋰 電池、水銀電池、鎳鎘電池、鎳氫電池。 (3)未來電池：太陽電池、燃料電池。 實用電池 乾電池 (1)任何電池都有正負極及電解質水溶液。所謂 乾電池是在 電解液 中加入 澱粉 混合成糊 狀物，並非沒有水的存在。 (2)乾電池由於體積 小 ，電解質 不易 外漏， 所以便於攜帶。最早的乾電池是 碳鋅 電池， 現在多用鹼性電池。【註：考試時的乾電池 指 碳鋅 電池，平常所稱的乾電池是指碳鋅 電池及鹼性電池。】 實用電池 (3)乾電池的優缺點： 優點：電解質不易外漏，也不必補充，且價 格便宜，使用方便。 缺點：電壓較小，且容易衰減(特別是碳鋅電 池)。 (4)一般而言，乾電池 不能 充電，尤其是碳鋅 電池(充電後會產生氫氣，有爆炸危險)。 碳鋅電池(又稱勒克朗舍電池) 構造： (1)正極： 碳棒 。 (2)負極： 鋅 製的金屬 圓筒。 (3)電解質： 氯化銨 、 二氧化錳 及 澱粉 等 加少量的水調成的糊 狀物。 碳鋅電池(又稱勒克朗舍電池) 放電時， 電子 由 鋅 經由外電路流向 碳 棒 ； 電流 由 碳棒 經由外電路流向 鋅 電壓： 1.5 V 鹼性電池 電解液為 鹼性 的電池稱鹼性電池，又稱鹼 錳電池，多為錳鋅電池。 構造：(1)正極： 二氧化錳 ；(2)負極： 鋅殼 ；(3)電解液： 氫氧化鉀 。 優缺點：(1)優點電流較大，電壓較能維持不 變，使用壽命較久。(2)缺點：價格較貴。 鹼錳電池外觀與電壓與碳鋅電池相近。電壓： 1.5 V 鉛蓄電池(又稱鉛酸電池) 構造： (1)正極： 二氧化鉛 ( PbO2 )。 (2)負極：鉛(Pb)。 (3)電解液： 稀硫酸 溶液( H2SO4 )。 鉛蓄電池(又稱鉛酸電池) (4)電極板為 平板 狀，主要可增加與 稀硫酸的接觸面積， 增加反應速率 (5) 正 極板與 正 極板相連， 負 極 板與 負 極板相連。 極板中置有多孔的 絕緣板，正負極板 相互配置。 鉛蓄電池(又稱鉛酸電池) 放電－將 化學 能轉成 電 能。 (1)電極反應：【註：半反應方程式僅供參考，不必背】 正極：PbO2＋4H＋＋SO42－＋2e－→PbSO4↓＋2H2O 由 二氧化鉛 變為 硫酸鉛 。 負極：Pb→Pb2＋＋ 2e－或 Pb2＋＋ SO42－ →PbSO4↓ 由 鉛 變為 硫酸鉛 。 鉛蓄電池(又稱鉛酸電池) (2)放電後正負極最後都生成 白 色的 硫酸鉛 ( PbSO4 )，附著在極板上。 (3)放電過程中，正負極的質量都 增加 ；而硫 酸的濃度變 小 (水份 增加 )、密度變 小 電壓 下降 。 鉛蓄電池(又稱鉛酸電池) 充電－將 電 能轉成 化學 能。 (1)外加電力可使極板回復放電前的狀態，再回 復供電能力，稱為 充電 。 充電時，電源正極要接在 二氧化鉛 板( 正 極)，電源負極要接在 鉛 板( 負 極)。 充電時，所接電源必須是 直 流電。 鉛蓄電池(又稱鉛酸電池) (2)電極反應：【註：半反應方程式僅供參考，不必背】 正極： PbSO4＋2H2O→ PbO2＋4H＋＋SO42－＋2e－ 由 硫酸鉛 變為 二氧化鉛 。 負極：PbSO4 →Pb2＋＋ SO42－ 由 硫酸鉛 變為 鉛 。 (3)充電過程中，正負極的質量都 減少 ；而硫 酸的濃度變 大 (水份 減少 )、密度變 大 電壓 上升 。 鉛蓄電池(又稱鉛酸電池) 鉛蓄電池兩極總反應式為︰ Pb(負極)＋ PbO2(正極)＋2H2SO4 2PbSO4＋2H2O 一個鉛電池的電壓約為 2 V，汽機車使用的 電瓶為6V或12V，為3或6個鉛電池 串 聯而成 優缺點：(1)電壓穩定、可充電重複使用。 (2)缺點：體積大、重量重。 應用：用於電訊、信號燈、緊急照明，及用 於發動汽機車、飛機船舶等交通工具的引擎 其它電池 鎳氫電池： (1)電極： 正極為 鎳 。 負極以能吸收 氫 原子的特殊 合金 。 電解液：氫氧化鉀。 其它電池 鎳氫電池： (2)優點：體積 小 、重量 輕 、電壓 穩定 、 壽命 長 ，能儲存較高能量、可快速充電、 記憶性 小 、 環保 。已大量取代鎳鎘電池 (3)應用：用於行動電話、手提式攝影機、數位 相機和一般攜帶型電器。 其它電池 鋰(蓄)電池 (1)電極： 正極為 鋰 金屬氧化物。負極： 碳 。電解 液：鋰鹽有機溶液。 (2)優點：重量 輕 、輸出電壓較 高 (約3.6伏 特)、無記憶性、可快速充電。 (3)應用：用於手機及電腦之中，已成為現代電 子工業重要器材。 其它電池 鎳鎘電池： (1)為早期的充電電池，因有記憶效應及重金屬 鎘，許多國家已立法限制其使用。 含汞電池： (1)在乾電池或鹼性電池中加入汞，可以提升電 池容量、降低成本。 (2)容易造成環境汙染。 其它電池 太陽電池： (1)是將 光 能轉換成 電 能。太陽電池的光源 亦可使用日光燈。 (2)優點：零汙染、幾乎可以永久使用的。 (3)缺點：成本高、價格不便宜，轉換效率亦有 待提升。 其它電池 燃料電池： (1)使用 燃料 進行 化學反應 產生電力的裝置， 最常見的是 氫氧 電池。 (2)價格低廉無汙染危害，且產物為 水 可以供 人使用，所以最早應用於太空飛行器上。 (3)但由於產生的電量太小，無法瞬間提供大量 電能，因此仍在研發階段。