铜锌协力高能量锌铜电池文档格式.docx

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KNO3

NaNO3

KCl

NaCl

NH4Cl

5、研究过程与方法

1、实验原理：

锌铜电池反应方程式如下：

E0

阴极Cu2＋＋2e－→Cu（S）＋0.337Volt

＋）阳极Zn（S）→Zn2＋＋2e－＋0.763Volt

净反应Zn（S）＋Cu2＋→Zn2＋＋Cu（S）＋1.100Volt

在标准情况下（1atm、25℃、1M电解液）应有1.100volt的氧化还原电位。

使用龙腾版化学课本（第四册第六章）上的实验装置，得知阳极为1M硫酸锌溶液、阴极为1M硫酸铜溶液，盐桥使用1M硝酸钾溶液时，我们可测得其电压为1.065Volt，并测得无负载时输出电流1.38mA。

2、实验装置：

设计改良式的实验装置。

如图一所示，将U形管倒置，两侧中央塞入棉花，以中段为盐桥。

此装置的设计应可减少药品用量，且因两极距离固定，配合针筒进行溶液稀释与填充、置换溶液均很方便，可在不变动盐桥之情况下连续实验。

圖一組成簡易，所需溶液量少，且便利重複實驗之鋅銅電池裝置。

3、

电池变因探讨

以改变电解质浓度、阳极的电解质种类与添加界面活性剂为变因进行实验，实验装置如图一。

（1）实验一：

电解液浓度之影响

分别针对以下三个变因做探讨：

1.硫酸铜浓度（1M、0.5M、0.1M）

2.硫酸锌浓度（1M、0.5M、0.1M）

3.盐桥浓度（1M、0.5M、0.1M）

测量不同情况下的电压与无负载电流达五次以上求平均值，结果以表格数据呈现。

（2）实验二：

阳极使用不同的电解质

因锌离子在锌铜电池中不是反应物，没有锌离子也能组成电池。

我们选取了以下几种实验室常见的盐类进行实验探讨，得其阳极在不同的电解质溶液下对电压之影响：

1.硝酸盐：

硝酸钠与硝酸钾。

2.硫酸盐：

硫酸钠、硫酸钾与硫酸铵。

3.氯盐：

氯化钠、氯化钾与氯化铵。

4.氢氧化物：

氢氧化钠与氢氧化钾。

盐桥之浓度控制为1M之硝酸钾溶液，阴极使用不同浓度的硫酸铜溶液（1M、0.5M、0.1M），配合不同阳极电解质溶液（1M、0.5M、0.1M），组成电池。

测量无负载电压与电流，结果以数据呈现。

（3）实验三：

界面活性剂之影响

锌铜电池的反应是发生在液相－固相之间的反应，界面活性剂可活化二不同物质的界面。

本实验探讨加入界面活性剂，是否可以促进锌铜电池的反应。

本实验以色拉脱和洗衣精分别进行实验，在配制溶液前先加入清洁剂，再配制成0.5M硫酸铜溶液、0.5M硫酸锌溶液与0.5M硝酸钾溶液。

本实验以清洁剂浓度为变因（体积百分率0﹪、25﹪与50﹪），测量各浓度下电压与无负载电流，结果以表格数据呈现。

4、改良方向探讨：

为探讨锌铜电池之实用性能，我们制作了可重复使用的电池槽。

其组成包含：

塑料盒、玻璃纸、胶布、以及锌片、铜片等材料（可见附录照片）。

玻璃纸隔开了阴、阳极，两侧空间可各装入约20mL之溶液，锌片与铜片的面积约为30㎝2，装置示意图如图二所示。

由实验一的结果，可知铜离子之浓度愈高愈好。

由实验二的结果，发现使用氢氧化钾作为阳极电解液的效果最佳。

且利用KOH，一方面可以提供很高的电解质浓度，一方面也可以和锌离子作用，使锌离子维持低浓度。

但铜离子在碱性作用下也会产生沉淀，为了避免铜离子沉淀，以下实验分别以「加强二极溶液分隔以减少铜离子沉淀」与「以错合离子保护铜离子不沉淀」二种不同的方式，组成碱性锌铜电池，进行实验四与实验五。

圖二低內電阻之自製電池裝置示意圖。

可用於電池配方實用性之探討。

（1）实验四：

以饱和硫酸铜溶液和10M氢氧化钾溶液组成之锌铜电池

1.单层玻璃纸分隔组成电池

测试项目包括电池初始电压、无负载电流，及12Ω的电阻负载下，长时间（100分钟）持续放电之效能（如图三所示），并测量使随身听（1.5伏特）起动录音带的时间。

在放电后拆解电池，检查铜片、锌片表面与是否有沉淀生成。

2.分别以双层玻璃纸与四层玻璃纸分隔二极溶液

利用不同层数的玻璃纸，探讨是否可提升电池效能。

并分别选用了以下溶液填充其间：

（1）硝酸钾溶液。

（2）色拉脱加入硝酸钾。

测试项目包括电池初始电压、无负载电流，及12Ω的电阻负载下持续放电效能。

实验后将100分钟持续放电的结果作图，并比较不同分隔方式之差异。

（1）

（2）

圖三

（1）電池連續放電之效能測試裝置。

（2）接上12Ω的電阻，測量輸出電壓。

（2）实验五：

斐林试液锌铜电池

1.斐林试液锌铜电池

高浓度斐林试液的配制方法如下：

配制氢氧化钾溶液→慢慢不断加入酒石酸钾钠，搅拌使之溶解，直至饱和→慢慢加入硫酸铜，使之溶解，直至饱和

以氢氧化钾溶液浓度为变因，分别以1M、5M、10M氢氧化钾溶液配置斐林试液，组成电池装置如图四，测量电压与无负载电流。

以找出最合适之氢氧化钾浓度。

圖四測試不同鹼性下，斐林試液－氫氧化鉀鋅銅電池之性能。

2.林试液锌铜电池之性能探讨

阴极以1M氢氧化钾溶液配制斐林试液，阳极为10M氢氧化钾溶液，运用自制电池槽（图二）组成电池，测量初始电压，并分别测量此装置接上12Ω与100Ω电阻时之输出电压。

圖五測量不同負載下，斐林試液鋅銅電池連續放電性能。

5、电池放电比较

实验六：

分别测试以下2种电池之12Ω负载持续放电的输出电压：

（1）旧锌铜电池配方（饱和硫酸铜－0.1M硫酸锌＋少量氨水）

（2）市售3号碱性电池

将结果与实验四、五之改良设计比较。

6、

结果

1、实验一：

电解液浓度对电池之影响

盐桥[KNO3]＝0.1M

无负载电压与电流

[Zn2+]＝0.1M

[Zn2+]＝0.5M

[Zn2+]＝1.0M

[Cu2+]＝0.1M

1.042V；

0.43mA

1.043V；

0.94mA

1.041V；

0.93mA

[Cu2+]＝0.5M

1.046V；

0.96mA

1.063V；

0.94mA

1.068V；

0.95mA

[Cu2+]＝1.0M

1.057V；

0.89mA

1.031V；

0.97mA

1.018V；

盐桥[KNO3]＝0.5M

1.048V；

2.04mA

1.044V；

2.10mA

1.046V；

2.12mA

1.059V；

2.08mA

1.056V；

2.14mA

1.050V；

2.05mA

1.069V；

1.067V；

2.18mA

1.063V；

2.19mA

盐桥[KNO3]＝1.0M

1.049V；

2.30mA

1.045V；

2.25mA

1.047V；

2.13mA

1.059V；

1.062V；

2.31mA

1.054V；

2.29mA

1.073V；

2.38mA

1.066V；

2.46mA

1.064V；

2.56mA

结果：

不论我们如何改变铜离子、锌离子与盐桥浓度，电压都未能超过标准氧化还原电位1.100伏特。

而离子浓度愈高时，电流明显上升。

2、

实验二：

阳极用不同的电解质溶液

（1）阳极使用不同浓度之硝酸盐溶液。

电压与无负载电流如下表。

盐桥[KNO3]＝1.0M；

阳极为硝酸钾溶液

[KNO3]＝0.1M

[KNO3]＝0.5M

[KNO3]＝1.0M

0.823V；

0.841V；

2.35mA

0.835V；

2.32mA

0.833V；

1.95mA

0.860V；

2.42mA

0.876V；

2.76mA

0.912V；

2.41mA

2.68mA

0.895V；

2.70mA

阳极为硝酸钠溶液

[NaNO3]＝0.1M

[NaNO3]＝0.5M

[NaNO3]＝1.0M

0.851V；

0.821V；

0.855V；

0.913V；

0.869V；

2.28mA

0.861V；

2.33mA

0.903V；

0.925V；

2.62mA

0.886V；

2.61mA

（2）阳极使用不同浓度之硫酸盐溶液。

阳极为硫酸钾溶液

[K2SO4]＝0.1M

[K2SO4]＝0.5M

[K2SO4]＝1.0M

0.946V；

2.67mA

0.940V；

2.87mA

0.941V；

2.88mA

0.965V；

2.74mA

0.968V；

3.00mA

0.969V；

2.89mA

1.009V；

2.86mA

1.001V；

3.02mA

0.998V；

3.06mA

阳极为硫酸钠溶液

[Na2SO4]＝0.1M

[Na2SO4]＝0.5M

[Na2SO4]＝1.0M

0.972V；

2.96mA

0.967V；

2.93mA

0.973V；

3.07mA

0.950V；

0.978V；

3.11mA

3.19mA

0.961V；

2.91mA

阳极为硫酸铵溶液

[（NH4）2SO4]

＝0.1M

＝0.5M

＝1.0M

0.848V；

1.014V；

2.99mA

1.029V；

3.01mA

2.43mA

1.016V；

1.013V；

3.04mA

0.871V；

1.004V；

3.05mA

3.09mA

（3）阳极使用氯盐溶液。

阳极为氯化钾溶液

[KCl]＝0.1M

[KCl]＝0.5M

[KCl]＝1.0M

0.897V；

0.937V；

3.14mA

0.939V；

3.15mA

0.905V；

2.94mA

3.28mA

1.069V；

3.32mA

0.910V；

3.45mA

1.083V；

3.43mA

阳极为氯化钠溶液

[NaCl]＝0.1M

[NaCl]＝0.5M

[NaCl]＝1.0M

0.919V；

0.917V；

3.29mA

0.920V；

3.37mA

3.31mA

3.30mA

0.926V；

3.35mA

3.39mA

0.996V；

1.005V；

3.48mA

阳极为氯化铵溶液

[NH4Cl]＝0.1M

[NH4Cl]＝0.5M

[NH4Cl]＝1.0M

3.51mA

1.053V；

1.055V；

3.42mA

3.59mA

3.63mA

3.49mA

0.915V；

3.56mA

（4）阳极使用碱性溶液。

阳极为氢氧化钾溶液

[KOH]＝0.1M

[KOH]＝0.5M

[KOH]＝1.0M

1.243V；

4.01mA

1.262V；

4.43mA

1.485V；

5.72mA

1.310V；

4.19mA

1.420V；

5.01mA

1.479V；

5.66mA

1.353V；

3.89mA

1.447V；

4.95mA

1.493V；

5.76mA

阳极为氢氧化钠溶液

[NaOH]＝0.1M

[NaOH]＝0.5M

[NaOH]＝1.0M

1.106V；

3.03mA

1.362V；

1.469V；

5.40mA

1.213V；

1.405V；

4.94mA

1.471V；

5.51mA

1.350V；

5.06mA

1.441V；

5.28mA

1.480V；

5.55mA

实验二结果：

1.阳极使用氢氧化物时，电压和电流都较高，超过其它实验的结果。

2.使用硝酸盐时，电压明显降低。

3.阳极溶液的阳离子种类改变对电压没有显著的影响。

3、实验三：

界面活性剂对电池之影响

电压与无负载电流随清洁剂浓度之变化如下表所示：

色拉脱浓度

0﹪

1.028V3.24mA

25﹪

0.995V1.72mA

50﹪

0.990V2.02mA

洗衣精浓度

1.017V3.16mA

0.976V2.32mA

0.973V3.23mA

电压随浓度下降，电流则先降后升。

4、实验四：

以硫酸铜溶液和氢氧化钾组成之锌铜电池

（1）单层玻璃纸分隔（无盐桥液）

测试结果如下表所示：

测量项目

测量结果

无负载电压

1.630V

无负载电流

1.62A

接上小灯泡之输出电流

（2.2V,0.25A）

可发光

170mA

驱动随身听时间

（额定电压1.5V，最大音量下拨放录音带）

约30分钟

12Ω的电阻100分钟连续放电之测试结果如图六。

在经过约70分钟放电后，电压下降到0.5V，并且维持在0.5V附近。

测试后，在阴极发现有许多蓝色氢氧化铜沉淀。

圖六100分鐘持續放電之測試結果

（2）以双层与四层玻璃纸分隔二极溶液

测试结果分别如下表：

电池装置

二层玻璃纸分隔

中间填充饱和KNO3（aq）

中间填充

饱和KNO3（aq）

＋100﹪色拉脱

1.611V

1.708V

2.03A

1.58A

175mA

166mA

约1小时

约4小时

四层玻璃纸分隔

1.613V

1.709V

1.74A

1.42A

158mA

约2小时

实验后发现，都有氢氧化铜沉淀物生成。

用色拉脱分隔时使用时间较长，且沉淀物较少。

在12Ω的电阻连续长时间连续放电之测试结果如图七。

圖七各種分隔方式之12Ω的電阻100分鐘持續放電之測試結果。

5、实验五：

斐林试液－氢氧化钾锌铜电池

（1）不同碱性的斐林试液的电池之研究

此时之阴极为不同浓度之氢氧化钾所配出之斐林试液，测量结果如下表。

测量项目

斐林试液之碱性浓度

1MKOH

1.252Volt；

4.33mA

5MKOH

1.199Volt；

4.62mA

10MKOH

1.121Volt；

5.19mA

（2）高浓度斐林试液锌铜电池之性能

测试斐林试液－氢氧化钾锌铜电池性能之结果如下。

1.308V

0.67A

微弱发光

137mA

无法转动录音带

实验后，电池中并无沉淀物生成。

12Ω与100Ω的电阻负载100分钟连续放电之测试中，结果如图八所示。

圖八斐林試液－氫氧化鉀鋅銅電池在不同電阻負載下100分鐘持續放電之測試結

果。

6、实验六：

电池放电比较

在12Ω的电阻负载100分钟连续放电之测试，结果如图九所示。

圖九在12Ω的電阻負載100分鐘連續放電之測試中，各電池放電結果比較。

7、

讨论

1、电解液浓度的改变对电池之影响

根据化学反应式：

Zn（S）＋Cu2＋→Zn2＋＋Cu（S）E0＝1.100Volt

利用能斯特方程式（Nernstequation），对锌铜电池而言：

E＝E0－

log

若是阴极为1.0M硫酸铜，阳极为0.1M硫酸锌，则：

E＝1.100－

＝1.130Volt

理论而言，在铜锌离子浓度比为10倍的情况下，电压变化仅0.030Volt。

因为实验时，在液态的环境中测量微小的电位的变化，会受到溶液流动，分子运动……等因素的影响，所以造成的误差足以干扰结果。

虽然我们在实验的过程中，尽量小心使每一次的控制变因都相同，但是还是难以避免误差产生，可能因实验的误差比较高，所以造成有一些数据不符合理论预期。

而浓度较高时，无负载电流上升，应是溶液导电度上升之故。

2、改变阳极电解质溶液的种类对电池的影响

若是单由能斯特方程式（Nernstequation）来看，只要

的比值更小，则理论上电动势提升会更高。

（一）所以若使用非锌离子的电解质作为阳极溶液，应该可以将电动势提升很高，但是实验的结果:

电压却没有显著升高，甚至使用硝酸盐时还下降到0.900伏特以下。

推论可能是反应过程中，锌极产生的锌离子，如果没有实时分散到整个溶液中，局部的锌离子浓度就会升高，此时若是以整个溶液的平均浓度带入能斯特方程式，就会出现误差。

而溶液中各种离子的扩散速度不一致时，也有可能会影响电池的电压，导致使用硝酸盐和氯盐时，电压反而下降。

（二）根据高中化学课程，本以为铵盐浓度够高时，可和部分锌离子作用成错合离子，使锌离子浓度不要增加太快：

Zn2＋＋4NH4＋←→Zn（NH3）42＋＋4H＋K＝4.12×

10－28

若按此理论，使用硫酸铵可能可以得到更高的电压。

但是实验的结果并未