化學 專題研習 – ( 題目 02 : 化學電池的發展和它們的結構 )

組員名單 :1. 周子俊 4D ( 07 )2. 馮晉榮 4D ( 11 )3. 許志亨 4D ( 13 )4. 麥少傑 4D ( 22 )

化學電池的發展 - 1780 年，義大利醫生路易治．賈法尼 (Luigi Galuarni 1737~1798)

1786 年 11 月 6 曰，意大利波隆那 (Bologna) 大學解剖學教授伽伐尼 (Luigi Galvani,1737-1798) 在偶然中發現放在起電機旁的一只已解剖的青蛙，當用外科手術刀觸及蛙腳上外露的神經時，蛙腳就劇烈地抽搐。他對這一 現象十分驚訝，於是著手探討這種現象的起因。當把蛙腿放在真空中時仍會發生同樣的效應；當用一個鐵鉤把青蛙腿懸在庭院中的鐵架上，一旦暴風雨雲經過時，蛙 腿又發生激烈顫動，起初他把痙攣歸因於大氣中的電。後來他把蛙腿放在金屬板上，並用鐵絲戳入小腿，另一端與金屬板接觸，結果蛙腿同樣產生了痙攣，但如果把 蛙腿放在玻璃板上，並用玻璃棒代替鐵絲，則看不出有什麼效應。若再將兩種不同的金屬，例如銅和鐵或銅和銀接在一起，而把兩端分別與死蛙的肌肉接觸，這個屍 體就會劇烈而持續地屈伸抽動。因為牠是一位生物學家，所以總著眼於肌肉和神經上，因而認為：這不能歸諸大氣電的作用，可能是蛙的神經中有一種看不見的生命 流體，它會以金屬導線為通路，順著導線在屍體脊椎骨和腿神經之問流動，他稱這種生命流體叫“動物電”或“生物電”，是這種電刺激了蛙的肌肉，發生痙攣現 象。這種含糊不清的解釋有什麼根據，他自己一時也回答不出。 1789 年他寫成了論文：《關於電對肌肉運動的作用》，於 1791 年發表。

化學電池的發展 - 伏打 (Alessandro Volta 1745~1827)

意 大利帕維亞 (Pavia) 大學物理學教授伏打 (Alessandro Volta,1745-1827) 讀到了這篇論文，因為他是位勤奮的電學實驗家 (1775 年曾發明起電盤 ) ，因此把注意點主要集中在那一對金屬上。他把一 根由兩種金屬接起來的彎桿，一端與眼睛接觸，另一端放在嘴裡，那麼在接觸的瞬間就有光亮的感覺；當舌頭同時舐著一個金幣和一個銀幣時，一旦用導線連接兩幣 就會產生苦覺。伏打猜想，在所有這些實驗中本質的東西是不同金屬的接觸。 1794年他開始著手證明這個假說。實驗證明，只要在兩種金屬片中間隔以鹽水或鹼 水浸過的吸墨紙、麻布，並用金屬線把它連接起來，不論有無青蛙肌肉，都會有電流通過，蛙腿神經只不過是一種非常靈敏的驗電器而已。為了證明自己的見解，伏 打又對各種金屬進行了試驗，從而發現了如下起電順序：

鋅－鉛－錫－鐵－銅－銀－金－石墨

化學電池的發展 - 伏打 (Alessandro Volta 1745~1827) 2

當 以上任何兩種金屬相接觸，在順序中前面的一種帶正電，後面的一種帶負電。他還發現這種隔以鹽水的“金屬對”產生的電流雖然微弱，但是非常穩定。於是他把一 對對 (40 － 60對 )圓形的銅片和鋅片相間地疊起來，每一對銅、鋅片之間隔以鹽水淋濕的麻布片。這時只要用兩條金屬線各與頂面的鋅片和底面的銅片焊接起 來，則兩金屬線端點間就會產生幾伏的電壓，足以使人感到“電震”，而金屬片對數越多，電力越強；如果把銅片換成銀片，則效果更好。這就是“伏打電堆 ” (Pile) ，而他自己稱它做“人造電氣器官”，因為他看到電鰻的“電氣器官”就是由一個個圓柱體排列起來的。

1880 年 3月 20曰，伏打向英國皇家學會會長約瑟夫．班克斯爵士(Sir Joseph Banks,1743-1820 年 )報告了他的電堆試驗，這份報告後來刊登在《哲學學報》上，從此電學研究便大為活躍起來。不久後，伏打又發現當鋅、銅片 之間的濕布逐漸乾燥時，電流也漸趨微弱。於是他改用一大串杯子，貯以鹽水或稀酸，浸入銅、鋅片，並把每個杯中的鋅片與另一杯中的銅片用金屬線連接起來，這 樣便得到了更經久的電池。他把這種電堆稱為“杯冕” (crown of cups) ，它遠比一大疊金屬片對所發生的電流強得多，這就是後來被稱之為銅鋅電池的第一具實用電池。但伏打卻從來沒有去注意在電池放電的時候有什麼化學 過程伴隨著發生了。但英國和法國的化學家立即利用這種新裝置來研究電引起的化學反應。

氧化銀電池 結構

上圖係氧化銀電池 ,叫得氧化銀電池 ,氧化銀當然係舊電既一部份喇 ~~氧化銀其實呢就係電池既正 (+)極 ,而鋅粉就係電池既負 (-)極 ,電池中仲有好多部份 , 有 :鋼製外殼、鋼帽、塑膠絕緣體和含有氫氧化鉀既電解質。

氧化銀電池 結構

負極上的氧化作用： Zn(s) ＋ 2OH － (aq) → ZnO(s) ＋ H2O(l)

＋ 2e －

正極上的還原作用： Ag2O(s) ＋ H2O(l) ＋ 2e － → 2Ag(s) ＋2OH － (aq)

電池內的整體反應： Zn(s) ＋ Ag2O(s) → ZnO(s) ＋ 2Ag(s)

氧化銀電池體積細小使用壽命長，並能產生穩定的電流，但價格較其他的乾電池為貴。

鋅碳電池 結構

鋅碳電池的總電壓為 1.5V鋅碳電池既正 (+)極係用碳棒最頂位凸起既叫黃銅金屬帽電池入面有氧化錳 (IV),碳粉混合物和糊狀氯化銨電

解質而負 (-)極唔係在電池既入面 ,反而係表面既鋅外殼 ,是釋出電子既地方接收電子的地方就係一支被碳粉及氧化錳 (IV) 的混合物包圍的碳棒

鋅碳電池 結構

負電極上發生的氧化作用 :Zn(s) → Zn2 ＋ (aq) ＋ 2e －

正電極上發生的還原作用 :2NH4

＋ (aq) ＋ 2e －→ 2NH3(aq) ＋ H2(g)

氫的導電性很差，在上述反應過程中，氫氣會在正電極積聚，會防礙反應繼續進行，減少電流。故要在電池內加入一種氧化劑氧化錳(IV) ，以除去氫氣 :2MnO2(s) ＋ H2(g) → Mn2O3(s) ＋ H2O(l)

鋅離子則與氨反應，生成絡合物 :Zn2 ＋ (aq) ＋ 2NH3(aq) ＋ 2Cl － (aq) → Zn(NH3)2Cl2(s)

電池內的整體反應：2MnO2(s) ＋ 2NH4Cl(aq) ＋ Zn(s) → Zn(NH3)2Cl2(s) ＋ H2O(l) ＋Mn2O3(s)

鎳鎘蓄電池 結構

鎳鎘蓄電池是一種可充電再用的乾電池，它的負 (-)極是鎘，正 (+) 電極是氧化鎳 (IV) 。把鎳鎘蓄電池充電時，要將與電池放電時方向相反的電流通過電池。電池的電解質是氫氧化鉀。鎳鎘蓄電池可產生約 1.25V 的電壓，所產生的電流較前述的為大，並可再充電超過 500次。但其價格較其他乾電池為貴，充電時亦要用特別的變壓器。

鎳鎘蓄電池 結構

比較鋅碳電池和鹼性錳電池的使用壽命很多廣告都稱鹼性錳電池的使用壽命比同樣大小的鋅碳電池為長。但鹼性錳電池的價格卻昂貴得多，究竟是否值得付出額外的金錢購買鹼性錳電池呢？

讓我們比較兩種電池的壽命 。

鎳鎘蓄電池 結構

把三個 2.5V 的燈泡以並聯方式連接，然後把一個 1.5V 的鋅碳電池 (AAA型號 ) 的正負電極與燈泡相接，

並通過開關。記錄電池的電壓要多久才降至 0.8V ，電池的電壓降至 0.8V 時，可視電池已被耗盡。再以同樣大小的 1.5V 鹼性錳電池重複以上實驗。我們可以在 20至 25 分鐘內，每隔兩分鍾記錄電池的電壓，再用所得數據繪製兩幅電壓和放電時間關係圖。並從這圖中找出每種電池的電壓要多久才降至0.8V 。

鹼性錳電池 結構

鹼性錳電池的負 (-)極是鋅粉，正 (+) 電極是氧化錳(IV) ，電解質是浸著鋅和偉化錳 (IV) 的氫氧化鉀。鹼性錳電池的主要化學反應是鋅在鹼性溶液內的氧化反應

鹼性錳電池 結構

負極上的氧化作用： Zn(s) ＋ 2OH － (aq) → ZnO(s) ＋ H2O(l) ＋2e －

正極上的還原作用： 2MnO 2 (s) ＋ H2O(l) ＋ 2e － → Mn2O3 (s)

＋ 2OH － (aq) 電池內的整體反應： Zn(s) ＋ 2MnO

2 (s) → ZnO(s) ＋ Mn2O3 (s) 這種電池的鋼製外殼不參與化學反應，故化學藥品不會外泄。

這種電池的使用壽命較鋅碳電池長，適用於需要電流較大的電器，如電動玩具。但並價格卻高於鋅碳電池。

化學電池的發展和它們的結構化學電池的發展和它們的結構 資料來源

http://hk.geocities.com/chem4cell/first.htm http://www2.khjh.kh.edu.tw/~r120838649/history.html http://www2.khjh.kh.edu.tw/~r120838649/products.html

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