Transcript 基化二第3章b

課本3-2 化學電池
化學電池原理
• 化學電池：經由氧化還原反應提供電能的
裝置。
電池的種類
一次電池
乾電池
鹼性電池
二次電池
鋰電池
鋰離子
電池
鉛蓄電池
鎳氫電池
化學電池實例-鋅銅電池
陽極
陰極
發生氧化反應的電極
（放出電子）
發生還原反應的電極
（得到電子）
電池的基本反應
－
鋅質量減少
銅質量增加
顏色變淡
電池與電解槽
的電極
電極
陽極
陰極
對電池
負極
正極
對電解槽
正極
負極
科學家小傳-伏打
• 1745~1827,義大利
• 伏特-電壓的單位,用來記念他。
• 1800年，伏打利用兩種金屬
交互堆集成世界第一個電池伏打堆。
常見的電池-乾電池（勒克朗社電池）
• 組成：
1. 正極－石墨棒，但不
參與反應，僅傳遞電
子。
2. 負極－鋅殼，進行氧
化反應。
3. 糊狀物質－電解質(氯
化銨，酸性)
• 輸出電壓值：1.5V
• 正負極的反應式。
乾電池正負極的反應式
• 其中MnO2為去極劑，也是氧化劑，可移除吸附在
石墨棒上氫氣。
• 為避免鋅殼與二氧化錳直接反應(短路)，兩者間須
以多孔性紙張分隔。
常見的電池-鹼性乾電池
• 原理：與乾電池相似，但
電解質為鹼性物質，如
NaOH 、 KOH。
• 輸出電壓值：1.5V
• 使用壽命較乾電池長。
鹼性乾電池
放電反應：
(1) 負極（陽極）：
Zn(s)＋2OH－(aq) → ZnO(s)＋H2O( l )＋2e－
(2) 正極（陰極）：
2MnO2(s)＋H2O( l )＋2e－→ Mn2O3(s)＋2OH－(aq)
(3) 總反應：
Zn(s)＋2MnO2(s) → ZnO(s)＋Mn2O3(s)
常見的電池-鉛蓄電池(鉛酸電池)
• 用途：汽機車的電源，
通常由六組或三組電池
槽串聯而成。
• 組成
1. 負極－Pb
2. 正極－PbO2
3. 電解質－30%H2SO4(aq)
• 每個電池槽輸出電壓2V，
六個電池槽12V。
• 鉛蓄電池的反應方程式。
鉛蓄電池的反應方程式
• 放電過程，硫酸
水溶液的濃度漸
減小，電池輸出
功率漸減。
• 先進電池，以鉛
鈣合金為負極，
可避免充電時產
生氫氣。
鉛蓄電池
又稱：鉛酸電池
電解液：30%的硫酸溶液
正極：深棕色PbO2
負極：海綿狀Pb
鉛蓄電池
放電反應：
(1) 負極（陽極）：
Pb(s)＋SO4(aq)2－→ PbSO4(s)＋2e－
(2) 正極（陰極）：
PbO2(s)＋4 H(aq)＋＋SO4(aq)2－＋2e－→
PbSO4(s)＋2 H2O( l )
(3) 總反應：
PbO2(s)＋Pb(s)＋2H2SO4(aq) →
2PbSO4(s)＋2 H2O( l )
鉛蓄電池
充電反應：
(1) 正極接外加直流電源的正極
(2) 負極接負極
(3) 使充電電流方向與電池放電
的方向相反。故此時鉛電
池會變成一電解槽 。
鉛蓄電池
用比重計測量稀硫酸密度變化，
充電反應式：
(1) 陽極（正極）： 即可知充電程度。
PbSO4(s)＋2H2O( l )→PbO2(s)＋
4H+(aq)＋SO42－(aq)＋2e(2) 陰極（負極）：
PbSO4(s)＋2 e－→ Pb(s)＋SO42－(aq)
(3) 總反應：
2PbSO4(s)＋2H2O( l ) → PbO2(s)＋Pb(s)+ 2H2SO4(aq)
鉛蓄電池
(1) 特性：
汽機車電瓶，通常由三至六組電池串聯而成
(2) 電壓：約為2.0 V，壽命為二至三年。
(3) 材料：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。
例題3-3
• 當鉛蓄電池與電器連接時，電子在兩極間
流動的方向如何？
電子會由負極流出，經
由外電路流入正極。
常見的電池-鋰離子電池
• 組成
1. 正極：鋰的過渡元素氧
化物(LiCoO2 、LiMn2O4)
2. 負極：使用嵌有鋰的石
墨(碳)。
• 輸出電壓值：3.6V，會引
起水的電解反應，必須使
用非水溶劑。
• 電解質：有機溶劑。
• 優點：高電壓、質輕、適
用溫度範圍大。
鋰離子電池
負極：LixC6
正極：Li1-xCoO2
二氧化鋰鈷
電解質：溶於有機
溶劑的鋰鹽
LiClO4
鋰離子電池
放電反應：
(1) 負極（陽極）：
LixC6(s) → x Li＋(aq)＋C6(s)＋x e－
(2) 正極（陰極）：
Li1-xCoO2(s)＋x e－＋x Li＋(aq) → LiCoO2(s)
(3) 總反應：
LixC6(s)＋Li1-xCoO2(s) → C6(s)＋LiCoO2(s)
充電時為上述之逆反應
常見的電池-磷酸鋰鐵電池
• 正極：LiFePO4
• 優點：與傳統鋰離子電池比較
1. 安全性高，不易因溫度上升引發電阻升高而
爆炸。
2. 可反覆多次充放電，使用壽命較長。
3. 電流大、功率高、汙染少。
• 用途：常用於電動工具、車用電池等。
鋰離子電池
電池特性：
(1) 無記憶效應，故可隨時充電。
(2) 重量輕且具有高電壓及高能量密度。
(3)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。
(4) 近來新發展的磷酸鋰鐵電池其正極材料化學式
LiFePO4，與傳統鋰離子電池使用的LiCoO2相比較，
其優點為比較不易發生度升高，而引發電阻升高
並產生爆炸，安全性高，可反覆多次充放電，使
用壽命較長，且電流大功率高。一般可用於電動
工具、車用電池等。
能量密度
電池的平均單位體積或單位質量所釋放出
的電能：
瓦特•小時/升 (Wh/L)
瓦特•小時/公斤 (Wh/kg)
常見的電池-燃料電池
• 利用燃料與氧化劑反應產生電能的裝置。
• 發電效率比傳統火力發電高，放電後，只
需直接補充燃料，不必充電就能持續使用。
燃料電池：
化學能
火力發電：
化學能
電能
熱能
機械能
氫
氧
燃
料
電
池
電極
覆蓋催化劑 (如Pt, Ni) 的
多孔性碳板
陽極
氫氣 (H2)
陰極
氧氣 (O2)
電解液
電壓
氫氧化鉀溶液 (KOH(aq))
約1.0V
陽極： H2 + 2OH－  2H2O + 2e－
陰極： O2 + 2H2O + 4e－ 4OH－
全反應： 2H2 + O2  2H2O
◎氫燃料電池以何物質為燃料？以何物質為
氧化劑？
氧化數=0
氧化數= -2
氧化劑：本身進行還原反應。
氫氣為燃料，氧氣為氧化劑。
氫燃料電池
陽極：白金
陰極：白金
電解質：
質子交換膜
氫燃料電池
+
H2(g) → 2H＋(aq)＋2e－
1／2 O2(g)＋2 e－＋2 H＋(aq) → H2O( l )
H2(g)＋1／2 O2(g) → H2O( l )
氫燃料電池
特性：
(1) 氫燃料電池汽車，可達零碳排放，較環保。
(2) 氫氣體積龐大不便貯存，需經低溫、高壓
處理以減小其體積。
(3) 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。
直接甲醇燃料電池
全反應為：
CH3OH( l )＋3/2O2(g) → CO2(g)＋2H2O( l )
直接甲醇燃料電池
優點：
(1) 能量密度比氫燃料電池高出許多。
(2) 液態甲醇比氫氣方便貯存。
缺點：
(1) 反應產物為二氧化碳，較不符合環保概念 。
(2) 甲醇有毒易燃，有危險性。
直接甲醇燃料電池
Direct Methanol Fuel Cell (DMFC)
甲醇溶液產生 6H+ + 6eToshiba
各種電池的比較
電池種類
乾電池
鹼性乾電池
鉛蓄電池
鋰離子電池
正 極
石墨棒（惰性電
極）、二氧化錳
負 極
鋅
鋼外殼（惰性電
金屬集電棒（惰
極）、二氧化錳
性電極）、鋅
二氧化鉛
鋰金屬氧化物
（如 LiCoO2）
鉛
石墨
電解質
氯化銨水溶液、
氯化鋅水溶液
氫氧化鉀水溶液
硫酸水溶液
溶於有機溶劑的
鋰鹽（如 LiPF6
電壓（V）
1.5
1.5
2
3.6
／乙醚）
鎳（惰性電極、催化 鉑（惰性電極、
氫燃料電池*
質子交換膜
劑）、氧氣
催化劑）、氫氣
0.86
講義3-2 化學電池
一、電化電池的原理：
1. 電化電池
2. 電解槽
3. 電池的分類
二、常見的電池：
三、燃料電池：
1. 氫燃料電池
2. 直接甲醇燃料電池
範例 3-2.1
右圖是鋅銅電池的簡易裝置，下列
有關鋅銅電池的敘述，何者正確？
(A) U型管內為電解質溶液
(B)銅極所在燒杯需盛鋅鹽的水溶液
(C)電路接通時，溶液中的正離子會移向負極
(D)以伏特計測量電壓時，電池的正極需接到伏
特計的負極【90.推甄】 [答] (A)
[解] (B)銅極置入CuSO4(aq)；(C)正離子移向
陰極（正極）；(D)伏特計正端接正極。
範例 3-2.2
下列有關乾電池的敘述，何者錯誤？
(A)碳棒為正極
(B)陰極反應為Zn(s) → Zn2＋(aq)＋2e－
(C)鋅罐為陽極
(D)電解液為氯化銨、二氧化錳與氯化鋅的混
合物
[答] (B)
[解] (B) Zn(s) → Zn2+(aq)＋2e－為陽極所進行
的反應。
類題 3-2.2
右圖是碳鋅乾電池的剖面圖。
當這種乾電池放電時，下列何者
物質獲得電子？【95.學測】
(A)鋅 (B)碳棒 (C)氯化銨
(D)氯化鋅 (E)二氧化錳
[答] (C)(E)
[解] 2NH4＋＋2e－→ 2NH3＋H2；
H2＋2MnO2 → Mn2O3＋H2O。）
（氧化劑）
範例 3-2.3
鉛蓄電池是以鉛為負極、二氧化鉛為正極，而
兩種電極均浸於稀硫酸溶液所構成的一種電池，
可用比重計測定溶液的比重，來決定是否需要
充電。鉛蓄電池在放電時，下列相關的敘述，
哪些正確？ 【96.學測】
(A)稀硫酸的濃度增大 (B)稀硫酸的濃度減小
(C)溶液的密度增大 (D)溶液的密度減小
(E)正極、負極的重量都增加
(F)正極重量減少，負極重量增加
範例 3-2.3
[答] (B)(D)(E)
[解]
Pb＋PbO2＋2 H2SO4 → 2 PbSO4＋2 H2O
(A)(B)鉛蓄電池在放電時，消耗 H2SO4，產生 H2O，
H2SO4莫耳數↓
又[H2SO4]＝
溶液體積↑
∴ [H2SO4]↓濃度減小硫酸密度↓
(E)(F)正極、負極反應皆產生 PbSO4(s)
附著於電極，故電極重量都增加。
範例 3-2.4
下列關於鋰離子電池的敘述，何者正確？
(A)電解質是KOH溶液 (B)陽極使用金屬鋰
(C)充電時，鋰離子會向負極移動
(D)電壓約為1.5伏特
[答] (C)
[解] (A)電解質為LiClO4；(B)使用LixC6(s) 而
非Li；(D)電壓約為3.6V。
範例 3-2.5
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
範例 3-2.5
[答] (D)
[解]
(A) O2被H2還原；(B) O2在陰極還原，
而氫氣在陽極氧化；(C)電子由Ni移到NiO上。
類題 3-2.5
下列有關甲醇燃料電池的敘述，何者錯誤？
(A)甲醇和水的混合物送至陽極，發生氧化反
應生成CO2，並釋放出電子
(B)電子從陰極經外電路轉移至陽極
(C)甲醇用完後，只要補充甲醇水溶液就可以，
不需充電
(D)以環保觀點來看，甲醇燃料電池沒有氫氧
燃料電池好
[答] (B)
[解] (B)電子由陽極經外電路移到陰極。
3-2 結束
3-3 常用能源
一、非再生能源的利用
1. 火力發電：
2. 核能發電：
二、再生能源的利用
1. 水力發電：
2. 地熱：
3. 風力：
4. 海洋能：
5. 太陽能：
6. 生質能：
非再生能源的利用
定義：
短時間內無法獲得補充、再生而重複使用
的能源 。如化石燃料與核能。
火力發電：
(1) 燃燒化石燃料，以產生的熱轉為電能。
(2) 臺灣最主要的發電方式。
(3) 因化石燃料存量有限，以及環保問題，使
火力發電的總發電量有下降的趨勢。
核能發電
核能：經由核分裂或核熔合所產生的能量。
核分裂
1
0
核熔合
n U  Br La 3 n
235
92
85
35
148
57
1
0
3
1
T  D He n
2
1
4
2
1
0
核反應遵守質量數守恆及核電荷守恆
核能發電
核能的來源：
核反應時，質量轉化成能量。
愛因斯坦曾提出質能互換的公式 ：
E = mc2
E：放出能量（J）、m：減少質量（kg）、c：
為光速（3×108 m／s）
核能發電
例：1公克的質量虧損，將產生多少能量呢？
答：
E＝1 × 10－3 kg × (3 × 108 m／s)2＝9 × 1013 J
的能量。
相當於16萬公噸黃色炸藥的爆炸威力或約可
讓100瓦的燈泡點亮約三萬年。
核能發電
發電原理： 核能發電
鈾之連鎖核分裂
火力發電
燃燒化石燃料
皆轉換將水加熱變成蒸氣之動能
核能的發展
(1) 因化石燃料日益短缺，加上溫室效應的問
題，使得核能發電再度受到重視。
(2) 核能發電必須通過生態環境、人身安全、
輻射外洩防護及廢料處理等嚴格評估與考
量後，才能獲得運轉許可。
(3) 核熔合產物為氦，沒有核廢料問題，放出
熱值一般也比核分裂大。但兩個帶正電原
子核要互相靠近進而熔合，必須克服靜電
排斥力，目前仍有許多技術瓶頸待克服。
範例 3-3.1
下列有關核能的敘述，何者錯誤？
(A)臺灣核能發電廠的原料使用 235
92 U
(B)核分裂反應中，反應物之質量小於生成物之質量
(C)所使用的鈾同位素受到慢中子的撞擊而分裂 (D)
愛因斯坦質能互換的原理即每減少1公克質量，可
轉變約為9 × 1013 J的能量
[答] (B)
[解] (B)核分裂反應中，反應物之質量大於生成
物之質量。
再生能源的利用
可重複使用，無耗盡，且為潔淨低汙染能源。
(一) 水力發電
優點：乾淨再循環
缺點：破壞生態
重力位能轉為電能
地熱
缺點：硫磺氣或二氧化硫外洩導致管線腐蝕
風力
目前台灣沿海有架設
缺點：需風力大、風向
穩定且需較大的土地面
積。預計未來增加200
部以上發電組。
海洋潮汐發電
利用每天兩次潮汐漲落來發電
缺點：潮汐落差達3公尺以上，方具經濟效益，
臺灣較不具發展潮汐發電之條件。
海洋波浪發電
海浪衝擊帶動機組活塞，造成高壓海流，經由
管線往岸邊送，最終用來推動岸邊水力發電機，
並轉換成電能。
臺灣波浪能源蘊藏豐富
海洋洋流發電
利用洋流推動海底的發電機，也可以發電。
海洋溫差發電
原理：
利用海洋表面及海底的溫度差，也可發電。
條件：
臺灣東部海域的海底地形陡峻，離岸不遠處，
水深即達800公尺，水溫約5 ℃。同時海面適有
黑潮暖流通過，表層水溫達25 ℃。因地形及水
溫條件佳，有開發溫差發電的潛力。
太陽能發電
單晶矽電池：轉換效率最高29%。
多晶矽電池：轉換效率最高24%，成本低。
生質能
定義：
有機物經自然或人為化學反應後，作為能
源加以應用，如牲畜糞便、農作物殘渣、
城市垃圾及工業廢水、廢棄物等。
利用方式：
皆可經由直接燃燒作為能源，或由微生物的
厭氧分解反應而產生沼氣（主要成分為甲
烷）後再行應用。
生質能
臺灣生質能：
主要以大型都市垃圾焚化爐
附屬之發電設施為主，目前
營運中之焚化廠共有22座，
發電量為國內再生能源第二位。
青草汽油：
將農業廢棄物、木材和青草中的不可食用
纖維素，轉化成各式各樣的生質燃料。
範例 3-3.2
有關臺灣能源的開發，下列敘述何者正確？
(A)火力發電是臺灣總發電量的主力
(B)臺灣西岸因夏秋之際常有颱風，故不適合風力發
電
(C)臺灣地處歐 亞板塊之間，有發展地熱的條件
(D)臺灣四周環繞海洋，最適合開發潮汐發電
(E)可利用焚化爐燃燒垃圾生成氣體，作為發電之用
[答] (A)(C)(E)
[解] (B)臺灣西岸由於有強勁的夏季西南氣流與
冬季東北季風吹襲，故很適合風力發電。
3-3 結束
The end