铜锌协力高能量锌铜电池.docx
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铜锌协力高能量锌铜电池
铜锌协力-高能量锌铜电池
1、摘要
锌铜电池之标准氧化还原位为1.100伏特。
过去已有很多研究,大都针对离子浓度的改变与盐桥改良,来提高锌铜电池的输出功率,但这些实验设计的电池电压都低于标准氧化还原电位。
本实验构思于运用简易的组装器材,从电解质浓度、阳极使用不同的电解质与添加界面活性剂的电池液与盐桥界面等因素,试图找出改良的效果,进而提升电压。
并以实验结果为改良依据,设计与组装电池。
本研究之电池成品的电压可超过1.5伏特,在不串联的情况下,可驱动有额定电压之随身听最高达四小时,显示成品具有高度实用性。
2、研究动机
在课堂上,学到锌铜电池的时候,老师示范了锌铜电池的装置,我们一方面对这个简易的放电装置感到惊奇,也对该电池需要微安培计才可以量到电流感到有些失望,因此提高了思索研究其改良锌铜电池的欲望。
从18世纪的丹尼尔电池(Daniell’sgravitycell)被广泛使用,锌铜电池至今已有百多年历史,也是最常被提出来作为教学实验的电池之一。
过去的科学研究中,有针对提高锌铜电池的输出功率作讨论,但其焦点都只集中在离子浓度的调整与盐桥的改良,曾有人运用淀粉胶或洋菜胶取代盐桥制作电池参考文献二,但内电阻仍略偏高;而运用玻璃纸取代盐桥参考文献三,则是较简易且效果佳的方式。
而在电压方面,曾有根据勒沙特列原理,利用调高铜锌离子浓度比以提升电压的研究参考文献四,但是效果有限。
这些实验设计的电池电压都低于标准氧化还原电位1.100伏特。
虽然以往的讨论,对内电阻的降低很有帮助,但对电压的提升似乎没有任何进展。
电压偏低的电池,纵然可使灯泡发光,但是在不串联的情况下,就无法驱动许多有额定电压的电器用品,如随身听,发光二极管……等,这使其实用性已荡然无存。
电池之构成要素有三:
电极、电解质溶液与隔板界面,其中,可探讨的变因不仅只于离子浓度、盐桥改良,还有值得研究的项目。
我们希望可透过使用不同电解质种类,使电压与输出功率加以提升,并希望能使电压电流输出更稳定。
于是我们想利用一些生活素材透过自我创意思考,进而制造出能量更高、且符合一般小型电器用品电压规格的电池。
3、研究目的
1、运用简易减量的方式,从
(1)调整电解质浓度、
(2)改变阳极的电解质、(3)添加界面活性剂、(4)界面的调整等。
试图寻找提升电压的最佳效能。
2、以实验结果为改良依据,利用生活素材组装锌铜电池,比较各种改良方式的优劣,并应用于日常电器。
4、实验设备及器材
1、器材
U形管
鋅片
銅片
棉花
附鱷魚夾電線
25mL針筒
玻璃棒
隨身聽(AIWAJX809)
滴管若干
燒杯若干
小燈泡(2.2Volt,0.25A)
12Ω、100Ω電阻
EVERGREEN3號環保鹼性電池
電子天枰
三用電表(BrotherYH-600B)
2、药品
CuSO4
ZnSO4
K2SO4
Na2SO4
(NH4)2SO4
KOH
NaOH
酒石酸鉀鈉
清潔劑(沙拉脫、洗衣精)
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;0.96mA
盐桥[KNO3]=0.5M
无负载电压与电流
[Zn2+]=0.1M
[Zn2+]=0.5M
[Zn2+]=1.0M
[Cu2+]=0.1M
1.048V;2.04mA
1.044V;2.10mA
1.046V;2.12mA
[Cu2+]=0.5M
1.059V;2.08mA
1.056V;2.14mA
1.050V;2.05mA
[Cu2+]=1.0M
1.069V;2.04mA
1.067V;2.18mA
1.063V;2.19mA
盐桥[KNO3]=1.0M
无负载电压与电流
[Zn2+]=0.1M
[Zn2+]=0.5M
[Zn2+]=1.0M
[Cu2+]=0.1M
1.049V;2.30mA
1.045V;2.25mA
1.047V;2.13mA
[Cu2+]=0.5M
1.059V;2.18mA
1.062V;2.31mA
1.054V;2.29mA
[Cu2+]=1.0M
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
无负载电压与电流
[KNO3]=0.1M
[KNO3]=0.5M
[KNO3]=1.0M
[Cu2+]=0.1M
0.823V;2.18mA
0.841V;2.35mA
0.835V;2.32mA
[Cu2+]=0.5M
0.833V;1.95mA
0.860V;2.42mA
0.876V;2.76mA
[Cu2+]=1.0M
0.912V;2.41mA
0.912V;2.68mA
0.895V;2.70mA
盐桥[KNO3]=1.0M;阳极为硝酸钠溶液
无负载电压与电流
[NaNO3]=0.1M
[NaNO3]=0.5M
[NaNO3]=1.0M
[Cu2+]=0.1M
0.851V;2.18mA
0.821V;2.25mA
0.855V;2.35mA
[Cu2+]=0.5M
0.913V;2.32mA
0.869V;2.28mA
0.861V;2.33mA
[Cu2+]=1.0M
0.903V;2.46mA
0.925V;2.62mA
0.886V;2.61mA
(2)阳极使用不同浓度之硫酸盐溶液。
电压与无负载电流如下表。
盐桥[KNO3]=1.0M;阳极为硫酸钾溶液
无负载电压与电流
[K2SO4]=0.1M
[K2SO4]=0.5M
[K2SO4]=1.0M
[Cu2+]=0.1M
0.946V;2.67mA
0.940V;2.87mA
0.941V;2.88mA
[Cu2+]=0.5M
0.965V;2.74mA
0.968V;3.00mA
0.969V;2.89mA
[Cu2+]=1.0M
1.009V;2.86mA
1.001V;3.02mA
0.998V;3.06mA
盐桥[KNO3]=1.0M;阳极为硫酸钠溶液
无负载电压与电流
[Na2SO4]=0.1M
[Na2SO4]=0.5M
[Na2SO4]=1.0M
[Cu2+]=0.1M
0.972V;2.96mA
0.967V;2.93mA
0.941V;2.67mA
[Cu2+]=0.5M
0.973V;3.07mA
0.968V;2.76mA
0.950V;3.02mA
[Cu2+]=1.0M
0.978V;3.11mA
0.969V;3.19mA
0.961V;2.91mA
盐桥[KNO3]=1.0M;阳极为硫酸铵溶液
无负载电压与电流
[(NH4)2SO4]
=0.1M
[(NH4)2SO4]
=0.5M
[(NH4)2SO4]
=1.0M
[Cu2+]=0.1M
0.848V;2.38mA
1.014V;2.99mA
1.029V;3.01mA
[Cu2+]=0.5M
0.855V;2.43mA
1.016V;3.07mA
1.013V;3.04mA
[Cu2+]=1.0M
0.871V;2.61mA
1.004V;3.05mA
1.049V;3.09mA
(3)阳极使用氯盐溶液。
电压与无负载电流如下表。
盐桥[KNO3]=1.0M;阳极为氯化钾溶液
无负载电压与电流
[KCl]=0.1M
[KCl]=0.5M
[KCl]=1.0M
[Cu2+]=0.1M
0.897V;2.89mA
0.937V;3.14mA
0.939V;3.15mA
[Cu2+]=0.5M
0.905V;2.94mA
1.064V;3.28mA
1.069V;3.32mA
[Cu2+]=1.0M
0.910V;3.05mA
1.073V;3.45mA
1.083V;3.43mA
盐桥[KNO3]=1.0M;阳极为氯化钠溶液
无负载电压与电流
[NaCl]=0.1M
[NaCl]=0.5M
[NaCl]=1.0M
[Cu2+]=0.1M
0.919V;3.09mA
0.917V;3.29mA
0.920V;3.37mA
[Cu2+]=0.5M
1.001V;3.31mA
1.016V;3.30mA
0.926V;3.35mA
[Cu2+]=1.0M
1.013V;3.39mA
0.996V;3.39mA
1.005V;3.48mA
盐桥[KNO3]=1.0M;阳极为氯化铵溶液
无负载电压与电流
[NH4Cl]=0.1M
[NH4Cl]=0.5M
[NH4Cl]=1.0M
[Cu2+]=0.1M
1.057V;3.51mA
1.053V;3.43mA
1.055V;3.42mA
[Cu2+]=0.5M
1.054V;3.59mA
1.067V;3.63mA
1.059V;3.63mA
[Cu2+]=1.0M
1.004V;3.39mA
0.939V;3.49mA
0.915V;3.56mA
(4)阳极使用碱性溶液。
电压与无负载电流如下表。
盐桥[KNO3]=1.0M;阳极为氢氧化钾溶液
无负载电压与电流
[KOH]=0.1M
[KOH]=0.5M
[KOH]=1.0M
[Cu2+]=0.1M
1.243V;4.01mA
1.262V;4.43mA
1.485V;5.72mA
[Cu2+]=0.5M
1.310V;4.19mA
1.420V;5.01mA
1.479V;5.66mA
[Cu2+]=1.0M
1.353V;3.89mA
1.447V;4.95mA
1.493V;5.76mA
盐桥[KNO3]=1.0M;阳极为氢氧化钠溶液
无负载电压与电流
[NaOH]=0.1M
[NaOH]=0.5M
[NaOH]=1.0M
[Cu2+]=0.1M
1.106V;3.03mA
1.362V;3.39mA
1.469V;5.40mA
[Cu2+]=0.5M
1.213V;3.14mA
1.405V;4.94mA
1.471V;5.51mA
[Cu2+]=1.0M
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
无负载电压与电流
0﹪
1.028V3.24mA
25﹪
0.995V1.72mA
50﹪
0.990V2.02mA
洗衣精浓度
无负载电压与电流
0﹪
1.017V3.16mA
25﹪
0.976V2.32mA
50﹪
0.973V3.23mA
结果:
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
测量项目
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
测量结果
测量结果
无负载电压
1.611V
1.708V
无负载电流
2.03A
1.58A
接上小灯泡之输出电流
175mA
166mA
驱动随身听时间
约1小时
约4小时
电池装置
测量项目
四层玻璃纸分隔
中间填充饱和KNO3(aq)
中间填充
饱和KNO3(aq)
+100﹪色拉脱
测量结果
测量结果
无负载电压
1.613V
1.709V
无负载电流
1.74A
1.42A
接上小灯泡之输出电流
170mA
158mA
驱动随身听时间
约2小时
约4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
无负载电压与电流
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。
测量项目
测量结果
无负载电压
1.308V
无负载电流
0.67A
接上小灯泡之输出电流
微弱发光
137mA
驱动随身听时间
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-
log
=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
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- 协力 高能量 电池