高中化 主題3 合理利用化能源 課題1 電池探秘素材 魯科1

學必求其心得，業(yè)必貴于專精學必求其心得，業(yè)必貴于專精PAGEPAGE3學必求其心得，業(yè)必貴于專精課題1電池探秘教學資源1．伏打和伏打電池伏打(AlessandroVolta，1745～1827）意大利物理學家。自1765年開始從事靜電實驗研究。伏打?qū)蓧K不同的金屬與浸有酸溶液的濕布接觸,再用導線將兩塊金屬連接起來,發(fā)現(xiàn)導線中產(chǎn)生了電流。伏打稱這種電池為伽伐尼電池(又稱伏打電池.這個電池大概是我們今天所用的許多型號、種類的電池的始祖。伏打用了三年的時間，把各種金屬兩兩搭配進行實驗，他發(fā)現(xiàn)，一種金屬與某一種金屬接觸時帶正電,與另一種金屬接觸時則可能帶負電。例如，銅和鋅接觸時銅帶負電，鋅帶正電；但銅若與金、銀接觸,則銅帶正電，金、銀帶負電。伏打以大量的實驗為基礎，發(fā)現(xiàn)了如下的起電順序：鋅—錫—鐵一銅-銀—金一石墨一木炭，序列中任何兩種物質(zhì)相接觸，都是位序在前的一種帶正電,后面的一種帶負電。這就是著名的伏打序列.2．實驗探究鋅—錳干電池組成部分的化學性質(zhì)(可作為課外興趣實驗)。負極金屬的性質(zhì):敷剪下一片負極的金屬：①加熱，觀察金屬表面的顏色；②與稀鹽酸反應，緩慢加熱，用燃燒的火柴檢驗融產(chǎn)物；③將上述反應所得的溶液倒入另一試管中，逐滴加入NaOH溶液，觀察現(xiàn)象。溶液呈中性后再加入斡滴鹽酸，發(fā)生了什么變化?黑色糊狀物的性質(zhì)：(1）將兩勺黑色糊狀物放入100mL燒杯中，加入50mL蒸餾水,然后過濾，并保留殘渣和濾液。將少量殘渣加入裝有漂白劑的試管中，用點燃的火柴檢驗產(chǎn)生的氣體。(2)①向濾液中加入少量稀硝酸和硝酸銀溶液；②向濾液逐滴滴加NaOH溶液，然后緩慢加熱，用pH默紙檢驗放出的氣體.以上實驗只能初步了解干電池的組成成分，教師可建議學生進一步實驗以便充分認識干電池的組成:《負極-—鋅；正極-—碳；黑色糊狀物—-二氧化錳、氯化銨和氯化鋅等的混合物.安全提示：碳～鋅干電池含有少量有毒的汞，在電解質(zhì)中加入了汞鹽，可以使鋅筒汞齊化從而減緩鋅筒的墉蝕。在實驗完成后一定要洗手！堿性電池中含有強腐蝕性的濃堿，一定不能打開。在整個實驗中必須帶護目鏡.3．幾種電池的介紹從化學反應式中可以看出,銀鋅蓄電池的充、放電反應不消耗氫氧化鉀電解質(zhì)。但在放電過程中，極板潮性物質(zhì)吸收電解液中的一部分水，而充電過程中又放出相同量的水。因此,在放電時液面降低，充電時液面升高。銀一鋅蓄電池的優(yōu)點是比能量高，可達150—200W·L·kg—1，是目前廣泛應用的蓄電池中比能量最高的|一種。銀一鋅蓄電池內(nèi)阻小，特別適用于強電流密度放電,工作電壓穩(wěn)定，實際電壓約為1．5V。缺點是價格昂貴、循環(huán)壽命短、低溫性能較差，一般用在航空、火箭上。⑤氫鎳電池{氫鎳電池是新型的二次電池，無論它的獨特外型，還是高達4MPa的內(nèi)部氣體壓力，都使人感到新奇.正極為氧化鎳，負極為氫電極。它的工作狀態(tài)可以劃分為3種：正常工作狀態(tài)、過充電狀態(tài)和過放電狀態(tài).在不同的工作狀態(tài)下，電池內(nèi)部發(fā)生的電化學反應是不同的。氫鎳電池的電解液為密度1．3g／mL差E右的氫氧化鉀水溶液,這種電池的突出優(yōu)點是循環(huán)壽命很長，1977年起在地球同步軌道條件下工作壽命超過10年。此外，它承受過充電和過放電的能力很強；但它的初始成本較高，電池自放電速度較大，有爆炸的可能性。盡管如此，氫鎳電池的前景十分樂觀,隨著研究工作的進展，最終將在航天領域內(nèi)全面取代鎘鎳電池。⑥鋰電池鋰是自然界里最輕的金屬元素，比重僅及水的一半，同時它又具有最低的電負性，電極電位是3．045v。所以選擇適當?shù)恼龢O與其相匹配，可以獲得較高的電動勢，這種電池應該具有最高的比能量。由于金屬鋰遇水會發(fā)生劇烈的反應，所以電解質(zhì)溶液都選用非水電解液.正極材料常選用二氧化錳或氧化銅等。鋰電池可制成一次電池,也可制成二次電池.鋰電池作為一種新穎的電池，其性能是十分吸引人的，主要是比能量高，有寬廣的溫度使用范圍，放電電壓平坦。以固體電解質(zhì)制成的鋰電池,具有體積小，無電解液滲漏，電壓隨放電時間緩慢下降，可以預示電池壽命等優(yōu)點，特別適用于心臟起搏器的電源。但在短路或某些重負荷條件下，有發(fā)生爆炸的可能性，這是鋰電池的一大缺點。⑦燃料電池燃料電池是以氫氣、肼、烴、甲醇、煤氣、天然氣等燃料作為負極活性物質(zhì)，氧氣、空氣等氧化劑為正極活性物質(zhì)，通過電池反應直接把燃料中的化學能轉(zhuǎn)換成電能。理論能量轉(zhuǎn)換效率可達100％氫氧燃料電池的實際能量轉(zhuǎn)換效率可達57％．70％，而一般熱電站的轉(zhuǎn)換效率不超過40％左右。另外，由于燃料電池中的活性物質(zhì)連續(xù)通入，反應產(chǎn)物連續(xù)排出，故可連續(xù)產(chǎn)生電能,是一種連續(xù)可供電的電池。氫氧燃料電池以氫氣為燃料，氧氣為氧化劑，氫氧化鉀溶液為電解質(zhì)，電極材料用多孔碳制成,在負極中摻有細粉狀的鉑或鈀,正極中摻有鈷、金或銀的氧化物.氫氧燃料電池主要的優(yōu)點是能量轉(zhuǎn)換效率高，電池能長時間連續(xù)運行，且污染小、噪聲低，缺點是成本高,姚壽命還不夠長.氫氧燃料電池成本高的原因是發(fā)電過程中需用貴金屬做催化劑，且用量大,燃料又是純氫,它主要用于航天和軍事領域。燃料電池發(fā)展的趨勢是降低發(fā)電成本、提高發(fā)電效率，最終實現(xiàn)燃料電池的民用化。它的發(fā)展過程主要經(jīng)過了氫氧燃料電池、酸氫氧燃料電池、高溫熔鹽電解質(zhì)和高溫固體電解質(zhì)燃料電池的變化。這一切主要通過改燃料電池中的電解質(zhì)來實現(xiàn).當氫氧燃料電池的電解質(zhì)改成濃磷酸時，就成為磷酸型氫氧燃料電池.這種燃料電池，鉑催化劑的用量從60g·m屯(電極)降低到7．5g·m七（電極)，成本大大降低。4．電池與環(huán)境目前，國內(nèi)生產(chǎn)的自發(fā)電池主要有鋅錳電池、鋅汞電池、鋅銀電池、鎳鎘電池、鋰電池等。使用后的廢舊電池中含有汞、鎘、鉛、鎳等多種金屬及酸、堿、碳粉等有毒、有害物質(zhì)。我國僅1995年通過廢［13電池向環(huán)境輸汞就達97lt。另外，據(jù)專家測試,一節(jié)紐扣電池能污染6．0×10eL伏.一節(jié)一號電池能使1m2的土地失去利用價值。由此可見,若將這些廢舊電池混入生活垃圾中一起填埋，勢必會造成對土壤的污染,并在降雨徑流下，使有毒