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平居糊口中常睹的化学电源

  日常生活中常见的化学电源_高二理化生_理化生_高中教育_教育专区。日常生活中常见的化学电源 电池是指能将化学能、内能、光能、原子能等形式的能直接转化 为电能的装置。 最早的电池我们可以追溯到两百年以前意大利物理学 家伏打发明的伏打电池, 它使人们第一次获得了比较稳定

  日常生活中常见的化学电源 电池是指能将化学能、内能、光能、原子能等形式的能直接转化 为电能的装置。 最早的电池我们可以追溯到两百年以前意大利物理学 家伏打发明的伏打电池, 它使人们第一次获得了比较稳定而持续的电 流,具有划时代的意义。在伏打电池原理和研发精神的指引下,人们 通过不断努力,开发了一代又一代的新型电池,从人们普遍使用的干 电池到新型的太阳能电池、锂聚合物电池(Li-polymer)和燃料电池 等等,不仅在电池容量、体积、使用方便程度等方面有很大突破,更 重要的是在这些新型电池的研发过程中, 渗透着人们强烈的绿色环保 意识。化学电源品种繁多,大体可分为三类: 1.一次电池 (1)锌锰电池—干电池 普遍用在手电和小型器械上的干电池,外壳锌片作负极,中间的 碳棒是正极,它的周围用石墨粉和二氧化锰粉的混合物填充固定,正 极和负极间装入氯化锌和氯化铵的水溶液作为电解质, 为了防止溢出, 与淀粉制成糊状物。其电极反应式为: 负极:Zn-2e- == Zn2+ 正极:2 NH4++2e-=2NH3↑+H2↑ 产生的 NH3 和 Zn2+作用:Zn2++4NH3 = [ Zn(NH3)4]2+ 产生的 H2 和 MnO2 作用:H2+2MnO2 = Mn2O3+H2O 总反应式为:2Zn+4MnO2+4NH4Cl== [Zn(NH3)4]Cl2+ ZnCl2+2Mn2O3+2H2O Zn+2MnO2+2 NH4Cl== Zn(NH3)2Cl2+ 2MnO(OH) 或 Zn+2 NH4+= Zn2++2NH3↑+H2↑ 电池中 MnO2 的作用是将正极上 NH4+还原生成的 H2 氧化成为水,以 免产生 H2 附在石墨表面而增加电池内阻。由于反应中锌筒不断消耗 变薄,且有液态水生成,故电池用久后会变软。 新制干电池的电动势为 1.5V,这样的干电池是“一次”电池,不能 充电再生。 (2)银锌电池—钮扣电池 钮扣电池最常见的为微型的 Ag—Zn 电池, 它用不锈钢制成一个由 正极壳和负极壳盖组成的小圆盒。盒内靠正极壳一端充由 Ag2O 和石 墨组成的正极活性材料,负极盖一端填充 Zn—Hg 合金作负极活性材 料,电解质溶液为 KOH。该电池使用寿命较长,广泛用于电子表和电 子计算机。其电极分别为 Ag2O 和 Zn,电解质为 KOH 溶液。其电极反 应式为: 负极:Zn+2OH--2e- == ZnO+H2O 总反应式为:Zn+ Ag2O== ZnO+2Ag (3) 高能电池—锂电池 该电池是 20 世纪 70 年代研制出的一种高能 电池。由于锂的相对原子质量很小,所以比容量(单位质量电极材料 所能转换的电量)特别大,使用寿命长,适用于动物体内(如心脏起 搏器) 。因锂的化学性质很活泼,所以其电解质溶液应为非水溶剂。 如作心脏起搏器的锂—碘电池的电极反应式为: 负极:2Li-2e- ==2Li+ 总反应式为:2Li+I2==2LiI (4)海水铝电池 该电池是 1991 年我国首创以“铝-空气-海水”电池 正极:I2+2e-==2I正极:Ag2O+H2O+2e-==2Ag+2OH- 为能源的新型航海标志灯。这种灯以海水为电解质溶液,靠空气中氧 气使铝不断氧化而产生电流, 只要把灯放入海水中就能发出耀眼的闪 光,其能量比干电池高 20—50 倍。其电极反应式为: 负极:4Al-12e- ==4Al3+ 正极:3O2+6H2O+12e-==12OH- 总反应式为:4Al+3O2+6H2O==4Al(OH)3 2、蓄电池:可以多次反复使用,放电后可以充电复原,又称二次电 池。 (1)铅蓄电池 蓄电池能够充电再生,当其放电时,发生自发反应,它起一个原电池 的作用;充电时发生电解反应,起电解池的作用,可使原来的反应物 再生。汽车用的铅蓄电池是最常用的蓄电池之一。它是由间隔的海棉 状的铅板和二氧化铅所构成,并浸在硫酸溶液中。当电池放电时,发 生下列反应: 负极:Pb+SO42--2e- = PbSO4 正极:PbO2 +4H++ SO42-+2e- = PbSO4+2H2O 总反应式为:Pb+PbO2+2H2 SO4=2Pb SO4+2H2O (2)碱性镍—镉电池 该电池以 Cd 和 NiO(OH) 作电极材料,NaOH 作电解质溶液。其电极反应式为: 负极:Cd+2OH--2e- ==Cd(OH)2 正极:2NiO(OH)+2H2O +2e-==2Ni(OH)2+2OH总反应式为:Cd+2NiO(OH)+2H2O==Cd(OH)2 + 2Ni(OH)2 从上述两种蓄电池的总反应式可看出, 铅蓄电池在放电时除消耗电 极材料外,同时还消耗电解质硫酸,使溶液中的自由移动的离子浓度 减小,内阻增大,导电能力降低。而镍—镉电池在放电时只消耗水, 电解质溶液中自由移动的离子浓度不会有明显变化,内阻几乎不变, 导电能力几乎没有变化。 3、 燃料电池: 又称连续电池, 一般以天然燃料或其它可燃物质如 H2、 CH4 等作为负极反应物质,以 O2 作为正极反应物质而形成的。燃料电 池体积小、质量轻、功率大,是正在研究的新型电池之一。 (1)氢氧燃料电池 主要用于航天领域,是一种高效低污染的新型电 池,一般用金属铂(是一种惰性电极,并具有催化活性)或活性炭作 电极,用 40%的 KOH 溶液作电解质溶液。其电极反应式为: 负极:2H2 + 4OH--4e- = 4H2O 总反应式为:2H2 + O2 = 2H2O (2)甲醇燃料电池 是最近摩托罗拉公司发明的一种由甲醇和氧气以 及强碱作为电解质溶液的新型手机电池, 电量是现有镍氢电池或锂电 池的 10 倍。其电极反应式为: 负极:2CH4O + 16OH- -12e-==2CO32-+12H2O 正极:3O2 + 6H2O +12e- == 12OH总反应式为:2CH4O + 3O2 +4OH-==2CO32-+ 6H2O (3)固体氧化物燃料电池 该电池是美国西屋公司研制开发的,它以 固体氧化锆—氧化钇为电解质,这种固体电解质在高温下允许 O2-在 其间通过。其电极反应式为: 负极:2H2 + 2O2--4e- = 2H2O 正极:O2 +4e- = 2O2正极:O2 + 2H2O +4e- = 4OH- 总反应式为:2H2 + O2 = 2H2O 废电池的危害 一般的电池主要成分为碳棒、碳粉、铝皮、包装纸,其中含有铁、 碳、锌、锰、铝等元素以及一些微量的汞、镉、镍等元素,虽然所含 的汞、镍含量极少,但其是重金属,所以对人体、环境的危害却不可 估量。 (1)废电池对人体的危害。汞是一种毒性很强的重金属,对人体 中枢神经的破坏力很大, 上世纪五十年代发生在日本的震惊中外的水 俣病就是由于汞污染造成的。 目前我国生产的含汞碱性干电池的汞含 量达 1%—5%,中性干电池的汞含量为 0.025%,我国电池生产消耗的 汞每年就达几十吨之多。镉在人体内极易引起慢性中毒,主要病症是 肺气肿、骨质软化、贫血,严重使人体瘫痪。而铅进入人体后最难排 泄,它干扰肾功能、生殖功能。 (2)废电池对环境的危害。目前,我国的废电池几乎都和生活垃 圾一起排出;而生活垃圾多以堆肥,焚烧,填埋三种方式处理。据检 验,我国有的城市每吨垃圾汞含量竟高达 1.7~5.1g,其中 70%来自 废电池。当生活垃圾堆肥处理时,会因含汞等重金而影响发酵;当生 活垃圾焚烧处理时,烟气中的汞含量也高达 1~5mg/Nmз ,超过世 界保健机构规定的标准 60~300 倍;当生活垃圾填埋处理时,电池中 的重金属可能随滤液一起渗漏出, 成为污染土壤和地下水的永久隐患。 有关资料显示,一节一号电池烂在地里,能使 1 平方米的土壤永久失 去利用价值;一粒纽扣电池可使 600 吨水受到污染,相当于一个人一 生的饮水量。在对自然环境威胁最大的几种物质中,电池里就包含了 汞、铅、镉等多种,若将废旧电池混入生活垃圾一起填埋,或者随手 丢弃,渗出的汞及重金属物质就会渗透于土壤、污染地下水,进而进 入鱼类、农作物中,破坏人类的生存环境,间接威胁到人类的健康。