單元玖:伏打電池

伏打堆

1.義大利醫師賈法尼以黃銅製的解剖刀碰觸到置於鐵盤上的青蛙時,發現青蛙有抽搐現象,這是黃銅與鐵盤產生的電流通過青蛙所致。

2.義大利科學家伏打以鋅、銀兩種金屬片及浸泡食鹽水的布條交互配置成史上最早的電池,此裝置被稱為伏打堆,其裝置(如圖一):

 

3.凡是以兩種活性不同的金屬作為電極,並藉電解質水溶液導電的【化學電池】,稱為:【伏打電池】。

4.活性較大的金屬做為伏打電池的:【負極】,而活性較小者為:【正極】。

5.伏打電池在放電時會發生氧化(負極)、還原反應(正極)。

鋅銅電池

()伏打電池的原理:

1.伏打電池所運用的原理:不同的金屬具有不同的氧化活性,將種類不同的兩種金屬裝置於電解質水溶液中時,會進行化學反應而釋出電能,亦即發生「電流的化學效應」。

2.在伏打電池反應時,氧化活性較大的金屬會釋出電子,同時發生氧化反應,而氧心活性較小的金屬則因獲得電子並發生還原反應。

3.依據伏打電池的電流方向判斷電池的正、負極:

(1)電池的正極具有高電位,是電流(正電荷的流動),故伏打電池的兩金屬中,電流流出的金屬片為高電位稱為正極,亦即:氧化活性較小的金屬片:銅片是電池的正極

(2)電池的負極具有低電位,是電流經外電路釋出電能後返回的地方,故伏打電池的兩極中,電位較低的(或氧化活性較大的)金屬片:鋅片是為負極

4.以鋅銅電池為例:鋅的氧化活性較銅片為大,在放電反應中銅片為高電位,亦即電流流出的金屬片,故銅片稱為正極。反之;鋅片則為低電位,故鋅片稱為:負極

()鋅銅電池的裝置及反應:

1.鋅銅電池的裝置:取鋅片浸泡於硫酸鋅的溶液中,將銅片則浸泡於硫酸銅水溶液中,再以硝酸鉀配置成水溶液裝置於U型管中,稱為「鹽橋」跨接於兩燒杯之間,整個裝置成為通路,(如圖二所示)

2.因鋅的活性較銅為大,反應時會放出電子,鋅棒則溶於水中形成鋅離子,故稱為電池的【負極】。

3.因銅的活性較鋅為小,反應時吸引水中的銅離子,在銅棒上還原成銅金屬,故稱為電池的【正極】。

4.鋅銅電池的反應:

(1).負極】半反應:【ZnZn22e】,其中釋出的電子會沿著導線流向正極(銅片)。

(2).正極】半反應:【Cu22eCu】。

5.鹽橋中的負離子向【負極移動,而正離子向【正極移動:

(1).因為負極在通電時,鋅片逐漸溶解成正離子Zn2於水中ZnZn22e,使水溶液中的正離子多於負離子,故鹽橋中的負離子(NO3)會向甲杯(負極)移動,以維持水溶液為電中性

(2).伏打電池在放電時,乙杯中(正極)的銅離子Cu 2逐漸吸收電子而析出成為銅金屬Cu2++2e-→Cu,造成水溶液正離子減少;而水溶液中的硫酸根(SO42)數量雖不改變,但相對於銅離子而言,帶負電的硫酸根(SO42)仍多於帶正電的銅離子(Cu2),故鹽橋中的正離子(K)會向乙杯(正極)移動,以維持水溶液為電中性。

6.承上述第5點之觀念;可歸納出鹽橋具有下列二項功能:

(1).鹽橋在伏打電池放電時,正負離子分別向正、負極移動,故鹽橋具有維持水溶液為電中性的功能。

(2)鹽橋跨接於正、負兩極燒杯的水溶液中,使電路成為通路,故鹽橋具有溝通電流】和【維持水溶液為電中性】兩個功能

7.鹽橋中水溶液的正、負離子的濃度會逐漸減少,而電阻逐漸增大,終至無法導電,故電池的電壓及電流的大小都會隨著時間而變小。

8.甲杯中鋅離子濃度會漸增,會鋅離子本身為無色,故溶液顏色維持無色。乙杯中銅離子濃度漸減,溶液顏色由藍色變為淡藍色。

9.因為鋅片逐漸溶解成正離子Zn2於水中鋅棒的重量漸減。而銅棒則因銅離子Cu 2在通電時逐漸析出成銅金屬附著在銅棒上,故重量漸增。

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