中学综合学科资源库——电池

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化学电池

电池，你一定不会感到陌生吧！除了熟悉的干电池外，还有供电子手表、电子计算器等使用的钮扣电池，供心脏起搏器、助听器使用的超小型提电池，供汽车、风力发电机使用的蓄电池。此外，潜艇、卫星、宇宙飞船等也要依靠电池提供能量。当今社会虽然有方便的交流电电网，但电池的销售量却有增无减，而且不断涌现新的品种。

电池是一种将化学能直接转变为电能的装置，又叫化学电池。在化学电池中，化学能是怎样转变成电能的？化学电池工作时，储存的化学能能否全部转化为电能？

要了解这些问题，让我们先来重温有关原电池的知识。

【知识梳理】

原电池

右图的装置就是一个原电池，由于用锌片和钢片做

电极，因而叫Cu－Zn原电池。

实验中可以看到，锌片在不断溶解，铜片上有小气

泡产生。同时观察到电流表的指针发生偏转，这说明导

线中产生了电流。原理如下：

Zn（负极）：Zn－2e→Zn2＋（氧化反应）

Cu（正极）：2H＋＋2e→H2↑（还原反应）

总反应：Zn＋2H＋→Zn2＋＋H2↑（氧化还原反应）

负极锌失去的电子，经过电流表（或用电器）流向

正极铜。因此，产生电流的原因是电池内部电

极上发生了氧化和还原反应。

从电化学角度看，一个自发进行的氧化还

原反应都可以设计成电池装置。

思考：右图是化学家丹尼尔于1836年设计

的一个实用电池，并用于早期铁路的信号灯，

其现象有锌片溶解、铜片增厚，并有电流产生。

请写出电极反应和总反应方程式，并标出正、

负极。

【专题导读】

实验和研究：干电池的解剖及其原理研究

1．观察干电池的内部构造

取1节废于电池（1号），剥去外层包装和封口

上的火漆，用刀如右图或沿垂直方向剖开，观察内部

构造。

干电池的外壳是金属锌，作负极，中心碳棒（石墨）是正极，碳律周围由一层纸质包裹的黑色物质，这是石墨粉和二氧化锰的混合物，纸质和锌壳之间填满了糊状白色电解液，其成分是氯化铵、氯化锌和淀粉糊。

2．糊状物的分离

收集糊状物（可能混有黑色物质）加一定量水（如糊状物50g，则加约40mL水），充分搅拌，煮沸2分钟，滤去黑色物质，收集滤液备用。

3．黑色物质的检验

取出碳棒周围的黑色物质，用水洗净（如果大部分黑色物质和糊状物混杂，则取操作2中滤纸上的黑色物质），晾干，用万用表测量其导电性，证明含有石墨粉。

把黑色物质放在铁制器皿中灼烧，石墨粉燃烧发出点点火星，将石墨粉烧尽后的余物再用万用表测量，已无导电性，这种剩余物质是二氧化锰。

请设计一个实验，证明二氧化锰的氧化性，有条件可进行操作。

4．干电池的模拟

利用废电池的锌壳、碳棒和操作2收集的滤液（再加少量氯化铵或稀盐酸），装配一个电池装置，并接上电流表或小电珠、发光二极管，观察电流的产生。

5．干电池原理的研究

干电池模拟装置产生电流的原理为：

Zn（－）失去电子：Zn－2e→Zn2+（氧化反应）

C（＋）得到电子：2NH4+＋2e→2NH3＋H2（还原反应）

实际干电池正极周围还有二氧化锰，它起什么作用呢？在模拟干电池实验中可以看到，电流会迅速减小，这是由于碳棒上吸附一层氢气，内电阻增加而使反应停止的缘故。二氧化锰把正极上产生的H2氧化成水，而本身则被还原为MnO(OH)。显然没有二氧化锰的干电池是没有实用价值的。另外，产生的NH3被糊状电解质中的Zn2+吸收为Zn(NH3)2Cl2。因此，干电池工作时，负极的反应材料是锌，正极是二氧化锰，故而它的学名叫锌锰电池，输出电压为 1.5伏。干电池中总反应可大体表示为：Zn＋2MnO2＋2NH4Cl→2 MnO(OH)＋Zn(NH3)2Cl2。

【科技史话】

干电池发明小史

原电池的发明可追溯至18世纪末期，当时意大利生物学家伽伐尼在进行著名的青蛙实验，当用金属手术刀接触蛙腿时，发现蛙腿会发生抽搐。大名鼎鼎的伏打认为这是金属与蛙腿组织液（电解质溶液）之间产生的电流刺激造成的。1799年，伏打据此设计出了现在被称为伏打电池的装置，锌为负极，银为正极，用盐水作电解质溶液。1836年，丹尼尔发明了世界上第一个实用电池（如右图所示）。

现代干电池的发明则应归功于电化学家勒克朗谢。1866年，他以锌为负极，二氧化锰为正极，氯化铵溶液作电解质，这是电池发展的重大转折。以后，盖斯南将淀粉加入

氯化铵中制成糊状电解质，从此，锌锰电池成了“干电池”，而且导致了20世纪初手电筒的发明，使干电池进入广大民众的生活之中。

干电池有体积较大，电容量较小，且不能反复使用的缺点。曾经有报道，这种电池会被高性能的或可充电的电池代替。然而，干电池的市场需求量却持续上井。目前世界年产量已达100亿个，其原因是价格便宜。产生相同的电量，其成本是一般蓄电池的1/20，镍－镉电池的1/50。因此干电池仍然受到消费者的青睐。

【科技小制作】

自制果蔬电池

知识背景：果蔬（如柑橘、柠檬、番茄等）汁液含有丰富的有机酸和无机盐，是一种能导电的电解质溶液，选择适当的材料如锌、铜做电极，就可以制作各种果蔬电池。

制作过程：

1．用pH试纸分别测量柑橘、柠檬或番茄汁液的pH。

2．分别将锌片、铜片插入上述果蔬中，用带鳄鱼夹的导线相连，接上电压表和小电珠（或发光二极管），记录测得的电压和两极片间的距离。

3．改变两极片之间的距离，研究电压和极片间距离的关系，并确定一个最佳使用距离。

成果报告：在自制果蔬电池上贴上标签，写上自己的姓名，并撰写制作过程和体会，在班级内展示交流。

思考：在其他条件相同时，用镁条代替锌片制作的果蔬电池，其电压有何变化？试分析原因。（提示：从金属活动性的顺序来考虑。）

【阅读】

可充电的“干电池”——镍－镉电池

大家知道，干电池用完后不能通过充电再继续使用，这种不能重复使用的电池叫一次电池。一次电池对材料是一种浪费，也容易对环境造成污染。可以通过充放电反复使用的电池叫二次电池。二次电池，放电（使用）时，化学能转变成电能；充电时，电能转变成化学能。

最早使用的二次电池就是目前汽车上使用的铅蓄电池。铅蓄电池虽然结构简单，造价较低，但体积太大，又因使用液体硫酸作电解质溶液（名副其实的“湿”电池）而使用不便。能否制造出类似于干电池，但又能反复充放电的新颖电池呢？镍——镉电池就是这种类型的电池。

镍——镉电池的外形完全与5号干电池类似，输出电压为1.5伏，充放电可达2000～4000次，使用期长达10～15年。正是因为这种优点，镍——镉电池常与太阳能电池配套使用作为通信卫星的电源。

镍——镉电池，负极是镉（Cd），正极是三氧化二镍（Ni2O3），氢氧化钠作电解液。其原理见下表；