中学综合学科资源库——电池

中学综合学科资源库——电池化学电池电池，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；正极（Ni2O3）Ni2O3＋2H2O＋2e→2Ni(OH)2（还原反应）该极连接外电源正极，Ni(OH)2氧化为Ni2O3。

化学能转变成电能电能转变成化学能【内容拓展】（供向理科方向发展的学生学习）1．化学电池能不能把化学能全部转换成电能？电池可看作是一种能量转换器，人们当然关心，电池在输出电功时，化学能有多少可转换成电能？科学家们利用如下反应：Zn＋2AgCl→2Ag＋Zn2＋＋2Cl－，并通过一系列实验来研究这一问题。

首先是使上述反应在量热计（一种能测定热量的装置）中进行，测出1mol锌氧化放出的热量为233kJ，这一能量可看作为1mol锌所包含的化学能。

其次，将上述反应设计为一个电池，将电池和负荷电阻回路也放入量热计中。

当1mol锌完全消耗时，测出的热量也是233kJ。

这时，量热计测出的热量有两部分组成，一部分是电池中化学反应的热量，一部分是电流通过电阻产生的热，后一部分的热量可看作电池输出电功的大小，它必定小于电池中储存的化学能。

第三个实验是分别测出这两部分的热量，即把电池和负荷电阻分别置于两个量热计中，接通电池回路。

同时改变负荷电阻的数值，测定热量，其结果见下表：负荷电阻输出电流电池反应热量(A) 输出电功(B) 两者之和(A＋B)0（短路）无限大233kJ 0 233kJ增大减小减小增大233kJ无限大趋于0 43kJ 190kJ 233kJ这是一个有趣的结果，这三种情况的两者之和均是233kJ（化学能）。

当短路时，输出电功为0，当负荷电阻增大时，电流减小而输出电功增大；当负荷电阻无限大时，电流无限小而输出电功达到最大值190kJ，仅占总化学能的81.5％。

结果已经很明显了，电极物质中包含的化学能是不能全部转化成电能的，一个化学电池的输出电功为最大值时，正是化学能向电能转化的极限。

这一数值在电化学中可以进行理论上的计算。

实际使用时，由于用电器电阻不可能无限大而达不到这一数值。

讨论1：化学电池使用时，为什么输出电流小可以增大输出电功呢？思路：电功是电量和电压的乘积，电量取决于电极物质的反应量；而电流减小时，端电压增大，故在电量固定的情况下，由于端电压的增大，输出电功增大。

讨论2：平时使用电池，不小心发生短路，此时有什么现象产生？电池是否输出电功？思路：电池发热，很快耗尽其化学能，电池损坏，没有输出电功。

2．锂电池的使用寿命为什么比一般电池要长？供心脏起搏器运作的电池要体小、质轻、安全和高能。

以前一般来用小型的以锌作负极的高能电池，使用寿命大约是2年。

现在改用以锂（Li）作负极的钾电池，使用寿命约是原来的5倍，安置于人体内，就不必经常更换。

这是什么原因呢？锂是最轻的金属，摩尔质量为7g/mol，每7g锂氧化成为Li＋，可以释放出1mol电子；而7g锌的物质的量是0.108mol，氧化成Zn2+，释放的电子为0.216mol，约是相同量锂的1/5。

因此，锂电池的使用寿命很长，避免了经常替换，可减轻患者的痛苦。

3．高效的燃料电池在火力发电厂中，燃料发电发生了多次的能量转换，每次能量换都会有损耗，所以燃料化学能的利用效率仅30％～40％。

燃料燃烧产生热量→热量使水变成水蒸气，并带动蒸汽轮机运动→蒸汽轮机带动发电机发电；化学能→内能→机械能→电能燃料燃烧是一种氧化还原反应，能否把燃料作为电极材料，使其化学能直接转变成电能呢？燃料电池就是基于这一思想而发明的。

右图是氢氧燃料电池的剖面示意图。

原料是氢气和氧气，用多孔性的碳为电极。

负极吸附氢气，正极吸附氧气，30％的氢氧化钾溶液为电解液。

燃料电池产生电流的原理为：负极：H2＋2OH－－2e→2H2O（氧化反应）正极：O2＋2H2O十4e→4OH－（还原反应）总化学方程式：2H2＋O2→2H2O这就是氢气的燃烧反应，但在燃料电池中没有火焰，而是产生电流。

除氢气外，甲烷、煤气、天然气都能作为燃料电池的燃料。

燃料电池的优点，首先是能量利用率高，可达70％；其次，可节约大量的金属。

然而，要使燃料电池产生平稳的电流并不容易。

氢气、氧气必须要有特殊的催化剂才能在电极上发生上述反应，而这类催化剂的研制十分困难，价格昂贵，因此，目前燃料电池仅应用于人造卫星、航天飞机等尖端科技领域。

【社区大家谈】环境保护与社区密切相关，我们该如何面对这个严峻的问题——废电池回收率仅百分之一报载随意丢弃的小小一节电池，渗入水体能污染60万升水；一节一号电池进入土壤，烂在土地里，溶出物可使1平方米的土壤丧失农用价值。