乾電池 Dry Cell Batteries

化學原理啟迪281

1.        計算機、電子錶、隨身聽、收音機……，都是由小而有效的乾電池驅動，日常生活用的乾電池是100年前發明的，發明者是一個法國化學家George Leclanché。

2.        酸性乾電池the acid version dry cell battery的表面有1.鋅內層作為陽極。2.碳棒外層黏著潮濕的固體MnO2、固體NH4Cl，碳棒扮演陰極。

3.        電池的半反應如下：

陽極反應 Zn→Zn^2＋＋2e^－

陰極反應 2NH4^＋＋2MnO2＋2e^－→Mn2O3＋2NH3＋H2O

這個電池的電位差約為1.5伏特。

4.        鹼性乾電池the alkaline version dry cell battery，把酸性乾電池的固體NH4Cl更換成KOH或NaOH。鹼性乾電池的半反應如下

陽極反應 Zn＋2OH^－→ZnO＋H2O＋2e^－

陰極反應 2MnO2＋H2O＋2e^－→Mn2O3＋2OH^－

5.        鹼性乾電池的續航力比酸性乾電池久，主要是因為陽極鋅在鹼性環境下，被腐蝕的速度比較慢。

6.        其他種類的乾電池還有「銀電池silver cell」，這是鹼性電池，陽極是鋅Zn，陰極用氧化銀Ag2O當氧化劑。計算機常用的汞電池，陽極是鋅Zn，陰極用HgO當氧化劑，電池也是鹼性。

7.        有一款十分重要的乾電池是鎳鎘電池nickel-cadmium battery，反應如下：

陽極反應： Cd＋2OH^－→Cd(OH)2＋2e^－

陰極反應：NiO2＋2H2O＋2e^－→Ni(OH)2＋2OH^－

就像鉛蓄電池，鎳鎘電池發電後的產物會黏在電極上，我們可用充電的方式解決這個問題，鎳鎘電池可重複充電許多次。

8.        新研發的超級電池，陽極使用特殊鐵化合物（Ⅵ），因為6價鐵iron（Ⅵ）是強氧化劑，它的化合物非常不穩定，如果能移除鈷和鎳這些雜質，這個問題就能解決，這些超級電池據說可提供比一般乾電池多50%的電力。

n   翻譯編寫Steven S. Zumdahl 《Chemical Principles》 ；圖片來源：Wps.prenhall.com

徐弘毅：

n  酸性乾電池

陽極反應 Zn→Zn^2＋＋2e^－

陰極反應 2NH4^＋＋2MnO2＋2e^－→Mn2O3＋2NH3＋H2O

Ø  酸性乾電池的陰極反應過程：

2NH4^＋→2NH3＋2H^＋

2MnO2→（2Mn^2＋＋O2^2－＋O^2－）＋O→Mn2O3＋O

2H^＋＋O＋2e^－→H2O

以上三個反應綜合起來，得到

2NH4^＋＋2MnO2＋2e^－→Mn2O3＋2NH3＋H2O

n  鹼性乾電池

陽極反應 Zn＋2OH^－→ZnO＋H2O＋2e^－

陰極反應 2MnO2＋H2O＋2e^－→Mn2O3＋2OH^－

酸性乾電池的陽極反應過程

Zn→Zn^2＋＋2e^－

2OH^－→OH^－＋O^2－＋H^＋→H2O

Zn²⁺＋O^2－→ZnO

綜合以上三個反應過程得到

Zn＋2OH^－→ZnO＋H2O＋2e^－

酸性乾電池的陰極反應過程

2MnO2→2Mn^2＋＋2O2^2－

2O2^－→（O2^2－＋O^－）＋O

2Mn²⁺＋（O2^－＋O^－）→Mn2O3

O＋H2O＋2e^－→（O＋H^＋＋2e^－）＋OH^－→2OH^－

綜合以上四個反應過程得到

2MnO2＋H2O＋2e^－→Mn2O3＋2OH^－

n  銀電池的反應

Zn＋AgO＋H2O→Zn(OH)2＋Ag

Zn＋Ag2O＋H2O→Zn(OH)2＋2Ag

銀電池陽極反應：

Zn＋2OH^－→Zn(OH) 2＋2e^－

銀電池陰極反應：

2AgO＋H2O＋2e^－→Ag2O＋2OH^－

Ag2O＋H2O＋2e^－→2Ag＋2OH^－

Ø  銀電池的陽極與陰極反應是正確的嗎？過程中電荷如何轉移？最後電荷是平衡的嗎？

銀電極陽極反應過程

Zn＋2OH^－

→2e^－＋（Zn^2＋＋2OH^－）

→2e^－＋Zn(OH) 2

銀電極陰極反應有二種，第一種是一氧化銀AgO的還原反應過程

2AgO＋H2O＋2e^－

→（2e^－＋Ag^2＋＋Ag^2＋）＋2O^2－＋OH^－＋H^＋

→（Ag^1＋＋Ag^1＋＋O^2－） ＋（O^2－＋H^＋）＋OH^－

→Ag2O＋2OH^－

第二種是氧化銀Ag2O的反應過程

Ag2O＋H2O＋2e^－

→（Ag^1＋＋Ag^1＋＋2e^－）＋（O^2－＋H^＋）＋OH^－

→2Ag＋2OH^－

Ø  以上三個反應電荷都平衡。

附註：我在google查「銀電池反應」發現，Thomas Roy Crompton《Battery reference book》第20/3頁的(20.5) 反應式 Hg2O＋Zn＝2Ag＋ZnO 的Hg寫錯了，應該寫為Ag2O＋Zn＝2Ag＋ZnO。

n  汞電池的反應

Zn(Hg)＋HgO→ZnO＋Hg

注：Zn(Hg)意思是陽極除了可用「鋅Zn」，也可以用「汞Hg」。

汞電池陽極反應：

Zn＋2OH^－→ZnO＋H2O＋2e^－

汞電池陰極反應：

HgO＋H2O＋2e^－

→（Hg^2＋＋2e^－）＋（O^2－＋H^＋）＋OH^－

→Hg＋2OH^－

Ø  汞電池的反應是正確的，反應過程陽極的電子轉移到氧化汞HgO的汞離子，產生金屬汞。

n  鎳鎘電池的反應

陽極反應： Cd＋2OH^－→Cd(OH)2＋2e^－

陰極反應：NiO2＋2H2O＋2e^－→Ni(OH) 2＋2OH^－

Ø  鎳鎘電池陽極反應的過程：

Cd＋2OH^－

→（Cd＋2OH）＋2e^－

→Cd(OH)2＋2e^－

Ø  為什麼「鎘Cd」是直接與「氫氧原子群OH」結合，而不是先失去一些電子e^－，成為帶正電的鎘離子，再與帶負電的「氫氧根離子OH^－」結合？

(1).鎘Cd的原子序48，最外層的電子殼層是d軌域，鎘Cd的「d軌域」的10個空位剛好完全被10個電子填滿，因此非常穩定，不容易流失電子。所以鎘Cd是以原子的形式與氧原子結合，由於鎘Cd並不缺電，因此它不需要「氧O」用以子的形式提供鍵結電子。

(2).為什麼電中性的「鎘」可以與電中性的「氧」結合？電子在原子表面的分佈並不均勻，氫氧根離子的「氧」表面雖然有多餘的電子，但是也有比較帶正電的區域，這部分會吸引鎘的電子；此外，「氧」本身具有陰電性，具有喜歡吸引電子的天性，這也會促成「氧」吸引「鎘」原子結合，形成中性的共價鍵。

(3).氫氧根離子的「氧」與「鎘」原子經過無數次碰撞後，其中一次有效碰撞使它們互相吸引鍵結，因為共價電子已經使得「元素氧」與「元素鎘」的外層電子軌域填滿，因此原本在「氫氧根離子OH^－」身上的「電子e^－」顯得多餘，電子e^－會脫離系統，以維持「氫氧化鎘Cd(OH)2」分子的平衡。

Ø  鎳鎘電池陰極反應的過程：

NiO2＋2H2O＋2e^－→Ni(OH) 2＋2OH^－

2H2O→2OH^－＋2H^＋

把水解離的產物2H^＋與NiO2放在一起，得到產物氫氧化鎳Ni(OH) 2

NiO2＋2H^＋＋2e^－

→（Ni^4＋＋2e^－）＋（2O^2－＋2H^＋）

→（ Ni^2＋＋2OH^－）

→Ni(OH) 2

n   為什麼用6價鐵iron（Ⅵ）當陰極的超級電池據說可提供比一般乾電池多50%的電力？

Ø  因為電池電子流動的力量來源是陰極「氧化劑」的拉力，陰極「氧化劑」的拉力愈強，陽極被拉出來的電子愈多。陰極氧化劑的強弱怎麼比較？氧化劑離子吸收接受的電子愈多，強度愈強。

Ø  超級電池用K2FeO4或BaFeO4化合物做出6價鐵離子iron（Ⅵ），每個鐵離子能夠同時接受3個電子，與一般乾電池的離子只能接受1到2個電子相比，多出了1到2個電子。

Ø  由於超級電池陰極的6價鐵iron（Ⅵ）吸引電子的能力更強、是更強氧化劑，因此產生的電力遠比一般乾電池大。