常见的化学电池及工作原理

2024-11-23 15:04 来源: 文化之窗 本文影响了:599人

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原电池的知识 ,既是中学化学中电化学的主要内容,也是历年来高考试题的热点之一。如: 2020年全国高考科学家近年发明了一种新型 Zn-CO2 水介质电池。电池示意图如下,电极为金属锌和选择性催化材料。放电时,温室气体 CO2被转化为储氢物质甲酸等,为解决环境和能源问题提供了一种新途径。

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下列说法错误的是( )

A.放电时,负极反应为

Zn-2e-+4OH-=Zn(OH)42-

B.放电时,1molCO2转化为HCOOH,转移的电子数为2mol

C.充电时,电池总反应为

2Zn(OH)42-=2Zn+O2↑+4OH-+2H2O

D.充电时,正极溶液中OH-浓度升高

可见,掌握原电池的基本知识,认识常见的原电池,不仅对于学好化学基础知识,而且对于提高学习兴趣和高考成绩都是大有裨益的,为此,本文似就常见的原电池作如下介绍:

一、干电池

干电池即普通的锌锰电池,它是用锌制的圆筒形干壳作负极,位于中央的顶盖有铜帽的石墨作正极,在石墨周围填充ZnCl2、NH4Cl和淀粉糊作电解质,还填有MnO2作去极剂(吸收正极放出的H2,防止产生极化现象)。

电极反应为:负极:Zn-2e-=Zn2+

正极:2NH+4+2e-=2NH3+H2

H2+2MnO2=Mn2O3+H2O

正极产生的HN3又和ZnCl2作用:

Zn2++4NH3=[Zn(NH3)4]2+

淀粉糊的作用是提高阴、阳离子在两个电极的迁移速度。

电池总反应为:

2Zn+4NH4Cl+2MnO2=

[Zn(NH3)4]Cl2+ZnCl2+Mn2O3+H2O

干电池的电压通常约为1.5伏,只能使用一次,不能充电再生。

二.铅蓄电池

铅蓄电池是用硬橡胶或透明塑料制成长方形外壳,在正极板上有一层棕褐色PbO2,负极板是海绵状金属铅,两极均浸在一定浓度的硫酸溶液中,且两极间用微孔橡胶或微孔塑料隔开。

铅蓄电池既可放电亦可充电,具双重功能。放电时的电极反应为:

负极:

Pb+SO42--2e=PbSO4

正极:

PbO2+4H++SO42-+2e=PbSO4+2H2O

当放电进行到硫酸浓度降低,溶液密度降为1.05时即停止放电,此时需要将蓄电池进行充电。充电时的电极反应为:

阳极:

PbSO4+2H2O-2e=PbO2+4H++SO42-

阴极:

PbSO4+2e=Pb+SO42-

当溶液密度增加至1.28时,应停止充电。

铅蓄电池是最常见的二次电池,充电和放电时的总反应式为:

Pb(s)+PbO2(s)+2H2SO4(aq)(充电)=

(放电)2PbSO4(s)+2H2O(l)

铅蓄电池的电压通常为2伏左右。

目前,有一种形似于干电池的充电电池,它实际是一种银锌蓄电池,电解液为KOH,电池反应为:

Zn+Ag2O+2H2O(充电)=(放电)Zn(OH)2+2Ag

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三、爱迪生蓄电池

爱迪生蓄电池类似于铅蓄电池,也是一种可充电电池。它以铁为负极,NiO2为正极,KOH为电解液。电极反应为:

负极:

Fe+2OH--2e=Fe(OH)2

正极:

NiO2+2H2O+2e=Ni(OH)2+2OH-

充电、放电时的反应为:

Fe+NiO2+2H2O(充电)=

(放电)Fe(OH)2+Ni(OH)2

四、钮扣电池

常见的钮扣电池为银锌电池,它用不锈钢制成一个由正极壳和负极盖组成的小圆盒,盒内靠正极壳一端填充由Ag2O和少量石墨组成的正极活性材料,负极盖一端填充锌汞合金作负极活性材料,电解质溶液为浓KOH,溶液两边用羧甲基纤维素作隔膜,将电极与电解质溶液隔开,电极反应为:

负极:

Zn+2OH--2e=ZnO+H2O

正极:

Ag2O+H2O+2e=2Ag+2OH-

电池总反应式为:

Ag2O+Zn=2Ag+ZnO

钮扣式电池的电压可达1.59伏,一粒钮扣电池安装在电子表里可使用两年之久。

五、氢氧燃料电池

氢氧燃料电池是一种高效低污染的新型电池,主要用于航天领域。它的电极材料一般为活性电极,具有很强的催化活性,如铂电极、活性炭电极等。电解质溶液一般为40%的KOH溶液。电极反应为:

负极:H2+2OH--2e=2H2O

正极:O2+2H2O+4e=4OH-

电池总反应为:2H2+O2=2H2O

氢氧燃料电池是目前最成熟的燃料电池,可分酸性和碱性两种。

六、燃料电池

该电池用金属铂片插入KOH溶液中作电极,又在电极上分别通甲烷、氧气(或空气)。电极反应为:

负极:

CH4+10 OH--8e=CO32-+7H2O

正极:

O2+2H2O+4e=4OH-

电池总反应为:

CH4+2O2+2KOH=K2CO3+3H2O

七、锂电池

锂电池是用锂作负极,炭作正极,无机溶剂亚硫酰氯(SO2Cl2)在炭极上发生还原反应,电解液是由四氯化铝锂(LiAlCl4)溶解于亚硫酰氯中组成,电极反应为:

负极:

Li-e-═Li+

正极:

2SOCl2+4e-═4Cl-+S+SO2

总反应式:

8Li+3SO2Cl2═6LiCl+Li2SO3+2S

这种电池体积小,容量大,电压稳定,贮存时间长,能在216.3~344.1K温度范围内工作,常用作心脏起搏器、照相机闪光灯的电源。如做成钮扣式微型锂电池,可用于电子手表、窍听器和计算器等方面。

八、铂锌电池

有人设计以铂和锌为电极材料,埋人人体内作某种心脏病人的心脏起搏器的能源,它依靠人体液中含有一定浓度的氧分子、氢离子和锌进行工作。电极反应为:

负极:2Zn-4e=2Zn2+

正极:O2+4H++4e=2H2O

电池总反应为:

O2+4H++2Zn=2Zn2++2H2O

九、海水电池

1991年, 我国首创以铝——空气——海水为能源的新型电池,用作航海的标志灯,该电池以取之不尽的海水为电解液,靠空气中的氧使铝不断氧化而产生电流。电极反应为:

负极:Al-3e=Al3+

正极:O2+2H2O+4e=4OH-

电池总反应为:

4Al+3O2+6H2O=4Al(OH)3

这种海水电池的能量比“干电池”要高20-50倍。

十、银锌蓄电池

目前,有一种形似于干电池的充电电池,它实际是一种银锌蓄电池,电解液为KOH。这种电池是由一系列圆形锌片和银片相互交迭而成的装置,在每一对银片和锌片之间,用一种在盐水或其他导电溶液中浸过的纸板隔开。银片和锌片是两种不同的金属,盐水或其他导电溶液作为电解液,它们构成了电流回路。这是一种比较原始的电池,是由很多银锌电池连接而成的电池组。银锌蓄电池电极反应为:

正极:

Ag2O2+2H2O-4e-=2Ag+4OH-

负极:

2Zn+4OH-=2Zn(OH)2+4e-

电池反应为:

Zn+Ag2O+2H2O(充电)=

(放电)Zn(OH)2+2Ag

大容银锌蓄电池可以拥有极高的电容量和稳定的电池性能。在当今的航天飞机、导弹、鱼雷等尖端领域才能找到大容量银锌蓄电池的身影。

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