现代化学原理-12-b

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1、化学电源氧化还原反应和电化学的一个重要应用是根据氧化还原反应设计和制造各种具有实用价值的化学电池。（i）常用的干电池：正极是与二氧化锰紧密接触的碳棒、负极是锌片做成的圆筒；二极之间用含有氯化铵的浆糊填充。放电时，电池反应和二极的半反应分别为：Zn+2MnO2+H2O=Zn(OH)2+Mn2O3正极2MnO2+H2O+2e=Mn2O3+2OH-e°=0.146V，负极Zn(OH)2+2e=Zn+2OH-e°=-1.246V；工作电压约为1.2V。做干电池的材料都比较便宜，使这种电池具有成本低，便携带的优点；缺点是使用一次，锌片完全消

2、耗，不能再生。（ii）锌-汞电池（钮扣电池）：Zn+HgO+H2O=Hg+Zn(OH)2a.干电池1.石墨棒2.糊状MnO23.金属锌外壳4.NH4Cl浆糊5.纸板6.铜帽b.锌-汞电池1.不锈钢外壳2.HgO正极3.糊状KOH4.锌负极5.不锈钢帽6.绝缘物质电池的正极是与不锈钢外壳紧密接触的固体氧化汞压片，负极是汞齐化的金属锌；二极间填充糊状的氢氧化钾作为电解质。放电时二极的半反应为：正极HgO+H2O+2e=Hg+2OH-e°=0.098V负极Zn(OH)2+2e=Zn+2OH-e°=-1.246V这种电池的工作电压为1.3

3、5V，较稳定。电池的容量大，寿命长。（iii）镍-镉电池（充电电池）电池反应为：Cd+2NiO(OH)+2H2O=Cd(OH)2+2Ni(OH)2有1.4V的恒定电压，但是镍-镉电池可以通过充电恢复原状。由于镉有毒性，近来已经发展一种以贮氢合金材料代替镉作负极，NiO(OH)为正极；电池反应为：H2+2NiO(OH)=2Ni(OH)2的镍-氢二次电池。这种二次电池具有容量高、可充电、污染小的优点，被称为“绿色电池”。（iv）碱金属电池（3V电池）为了增大电池的能量，人们还尝试用还原电势在-3V左右的碱金属作为电池的负极，以反应2N

4、a+S=2Na++S2-2Li+S=2Li++S2-设计电池。钠-硫电池a.液态金属钠b.液态硫c.b-氧化铝d.石墨由于硫是非导体，在液态硫中要加入多孔性石墨以增加导电性。在正负二极之间用组成为NaAl11O17的固体电解质b-氧化铝隔开。b-氧化铝是一种离子导体，当电子从外电路由负极向正极流动时，Na+离子就通过b-氧化铝向液态硫相迁移。由于金属钠和硫的熔点较高，电池要在高温下工作，所以钠-硫电池是一种高温电池，最佳工作温度是250°C。这种电池的特点是重量轻、比能量高、寿命长。用液态的金属锂代替金属钠作负极可以做成工作原理相

5、似的锂-硫电池。近年来，已在开发一系列以金属锂为负极的固态锂电池，固体锂电池的工作电压可高于3V。（iii）燃烧电池按H2、CH4、CO在O2中的燃烧反应设计电池，把化学能直接转变为电能，可以大幅度地降低能量的热损耗。氢-氧燃料电池a.含镍的多孔碳电极b.含镍和氧化镍的多孔碳电极c.热氢氧化钾溶液图所示的是一种最早用在阿波罗宇宙飞船上的氢-氧燃料电池构造的示意图：电池以氢为燃料，正极是含有镍和氧化镍的多孔性石墨，负极是含镍的多孔性石墨。电极除作为导电材料外还起催化电极反应的作用。氢-氧燃料电池常用浓度为1M左右的氢氧化钾或氢氧化钠

6、溶液作电解质。工作时分别将经过纯化的氢气压入负极，氧气压入正极，二极的电极反应分别为：正极O2(g)+2H2O(l)+4e=4OH-(aq)负极H2(g)+2OH-(aq)=2H2O(l)+2e电池的工作电压为1.23V。另一种按一氧化碳燃烧反应2CO(g)+O2(g)=CO2(g)设计的燃料电池，选用浓磷酸作电解质，金属铂作电极材料，工作温度大约在100°-200°C之间。天然气(CH4)也可以作为燃料用于设计燃料电池。用CH4作燃料的一种途径是通过反应：CH4(g)+H2O(g)=CO(g)+3H2(g)CO(g)+H2O(g

7、)=CO2(g)+H2(g)先把甲烷转变为氢气，而后将纯化后的氢气用于发动氢-氧燃料电池。另一种途径是将甲烷直接用作以熔融碱金属碳酸盐或磷酸为电解质的甲烷－氧燃料电池的燃料。由于碳氢化合物的资源比较丰富，直接用碳氢化合物作为燃料电池的燃料，有很大的吸引力。有一种电极反应为：正极O2(g)+4H3O+(aq)+4e=6H2O(l)，负极C3H8(g)+26H2O(l)=3CO2(g)+20H3O+(aq)+20e的丙烷-氧燃料电池已在开发之中。碳氢化物在电极表面反应较难，必须用合适的电极催化剂。不同于一般化学电池的是，燃料电池要不断

8、消耗燃料，燃烧产物也必须不断地从燃料电池中排除。这类电池更像一台机器，适宜于建造大型发电站。尽管燃料电池有效率高，污染少等许多优点，然而要获得合适的、长期有效而不中毒的电极催化剂，成本很高，这就妨碍了燃料电池的广泛运用。（vi）“纳米”级的微电池1