化学电源的研究性论文

《咏石灰》 于谦 千锤万凿出深山，烈火焚烧若等闲。 粉身碎骨浑不怕，要留清白在人间。 同学们！见过这首诗吗？如果见过，你又知道其中蕴涵的化学知识吗？也许你知道，也许你不知道。没关系，看了下文，你就会明白！ 一、 开启化学之门 我们周围的世界，是一个物质的世界。这些物质，无时无刻不在变化：巨大的岩石逐渐风化变成泥土和沙砾；由于地壳变动而埋没在地下深处的古代树木变成了煤；铁器在潮湿的空气里逐渐生锈；等等。 人类为了生活和生产，在长期跟自然作斗争的过程里，积累了许多有关物质变化的知识。从而逐渐认识到，自然界里一切物质变化的发生都有一定的原因和条件。掌握了物质变化的原因和条件，就能进一步控制物质变化的发生，以达到利用自然和改造自然的目的。 化学就是一门物质性质和物质变化规律的基础自然学科，它研究物质发生变化的原因和条件，以及随着变化发生的各种现象（例如发光、放热、发生气体等）。 二、 进入化学之门 我国社会主义现代化建设的发展和能源消费的增长密切相关。常规性能源主要为化石燃料的煤、石油、天然气等，提高这些能源的有效利用率，在进行这些技术的革新中，离不开化学知识，离不开化学工作者的努力。在开发新能源中，化学同样发挥着巨大的 优势，如核能和太阳能发电装置都离不开特殊材料的研制。 1． 实用的新能源——电池 铝-空气-海水为能源的新型电池是我国首创的，可用作水标志灯已研制成功。还有 特种电池，如太阳能电池就是利用晶体硅和非晶体硅为材料制成的一种将太阳能转化为电能的装置。这种电池的前景最为广阔，因为它没有污染，据预测到21世纪中期全世界的电力总耗量的20%~30%将由太阳能电池提供。主要用于航天领域的氢氧燃烧电池是一种高效低污染的新型电池。它的电极材料一般为活化电极，具有很强的催化活性，如铂电极、活性碳电极等，电解质溶液一般为40%的KOH溶液。电极反应如下 负极： H2====2H 2H+2OH�0�4—2e=2H2O 正极：O2+2H2O+4e ===== 4OH�0�4 电池总反应：2H2+O2 2H2O 电子手表之所以能昼夜走动，袖珍电子计算机的液晶显示器显示数字等都靠的是微型电池。电子手表用的是银锌电池，化学反应方程式为：Ag2O+2Zn ===== Ag + 2ZnO，银-锌电池安装在电子手表中可以使用长达两年之久。1958年第一个心脏起搏器在瑞典植入成功，植入人体内，使用寿命长达10年之久。这种能源起搏器的安装寿命最长、可靠性最高的是锂-碘电池。这是多么神奇呀！ 2．未来的能源——水中取“火” 目前世界各国都在探索新能源，如太阳能、潮汐能、地热、氢燃料和核能等，其中氢气是一种最有发展前途的新燃料，而氢气来自取之不尽，用之不竭的水。H2O ==== H2↑+O2↑，可用光化学法、生物方法或太阳能直接将海水转变为氢气。一旦水真正成为制氢的原料，人类又获得一种经久的能源。随着科技的发展，能提取的水将成为人类广泛使用的一种廉价能源，汽车、轮船、飞机和各种动力设备都将用氢气作燃料。更有意义的是氢气燃料又与氧气化合成水，如此循环不息，使氢气成为人类永不枯竭的能源。 三．化学之门处处开 1． 衣 随着生活水平的提高，人们都喜欢穿羊毛衫和羊毛外套。俗话说“羊毛出在羊身上”，但也有不出在羊身上的“羊毛”。这就是在百货商店大量充满毛线柜台色彩特别耀眼的腈纶毛线。腈纶有“合成毛线”之称，它的学名叫聚丙烯腈，它具有羊毛的特点，并且有优于羊毛之初。腈纶是怎样合成的呢？制取腈纶的原料是丙烯腈（CH2===CHCN），丙烯腈可以由电石制造，也可以用石油裂解和炼油废气中的丙烯来制造，丙烯经过氨氧化后，便成了丙烯腈： CH2====CH—CH3 + NH3 +3/2O2 磷钼酸铵 400~500°C CH2====CH—CN +3H2O 丙烯腈通过聚合反应变成聚丙烯腈，然后通过喷丝、纺织便成了腈纶纤维。 2 食 炸油条时，向面团里常加入纯碱和明矾，这是为什么呢？其实发明油条的 人可能并不懂得化学，但是他不自觉地利用了三个化学原理，才得到受人喜欢的油条。纯碱（NaHCO3）和氢氧化钠（NaOH），这就是做油条的第一个反应： Na2CO3+H2O ==== NaHCO3+NaOH。第二个反应是生成的碳酸氢钠受热分解成碳酸钠、水和二氧气化碳：2NaHCO3=====Na2CO3+H2O+CO2↑两个反应结果使面团里形成了许多充满二氧化碳的微小气室，气体受热会发生膨胀，所以在炸油条时，油条迅速膨胀起来。但上面两个反应结果会产生较多的氢氧化钠，因氢氧化钠是强碱，那是不能吃的，巧在发明油条的知道用明矾，来中和氢氧化钠的碱性。反应产生的氢氧化铝呈胶体形式存在，有利于包裹二氧化碳气体和使面团具有较大限度的伸胀性。氢氧化铝是胃舒平的主要成分，它能中和胃中产生过多的胃酸（盐酸），保护胃壁黏膜，因此患有胃病的人，常吃油条有好处。不但营养价值高，而且舒坦了自己的胃。 3 住 聚氯乙烯（PVC），你知道它的作用吗？它就是家居中广泛应用的墙壁装饰材料墙纸的化学原料，把它用刮刀均匀地涂在底纸，再经过一定的工序后，印刷和沟底轧花而成。我们用的肥皂盒、梳子、拖鞋、凉鞋、床单、水桶等都是由聚氯乙烯制成的，有的比丝绸还要柔软，有的比钢铁还要坚硬。在这些材料的制作中掺入不同量和质的添加剂，以至塑料制品达到人们的预计要求。 好了，就说到这儿吧，于谦的那一首诗所蕴涵的化学知识就请同学们自己去想吧，读书百遍，其意自见嘛！上面所讲的一些都是日常生活中常见到的，这是微乎其微的，如果想了解更多的化学知识，那就到生活中去看、去听、去感受吧。

化学电源又称电池，是一种能将化学能直接转变成电能的装置，它通过化学反应，消耗某种化学物质，输出电能。常见的电池大多是化学电源。它在国民经济、科学技术、军事和日常生活方面均获得广泛应用。比如以下例子干电池 干电池也称一次电池，即电池中的反应物质在进行一次电化学反应放电之后就不能再次使用了。常用的有锌锰干电池、锌汞电池、镁锰干电池等。 锌锰干电池是日常生活中常用的干电池，其结构如右图所示： 正极材料：MnO2、石墨棒 负极材料：锌片 电解质：NH4Cl、ZnCl2及淀粉糊状物 电池符号可表示为 （－） Zn｜ZnCl2、NH4Cl（糊状）‖MnO2｜C（石墨） （＋） 负极：Zn＝Zn2＋＋2e 正极：2MnO2＋2NH4＋＋2e＝Mn2O3＋2NH3＋H2O 总反应：Zn＋2MnO2＋2NH4＋＝2Zn2＋＋Mn2O3＋2NH3＋H2O 锌锰干电池的电动势为。因产生的NH3气被石墨吸附，引起电动势下降较快。如果用高导电的糊状KOH代替NH4Cl，正极材料改用钢筒，MnO2层紧靠钢筒，就构成碱性锌锰干电池，由于电池反应没有气体产生，内电阻较低，电动势为，比较稳定。 二、蓄电池 蓄电池是可以反复使用、放电后可以充电使活性物质复原、以便再重新放电的电池，也称二次电池[1]。其广泛用于汽车、发电站、火箭等部门。由所用电解质的酸碱性质不同分为酸性蓄电池和碱性蓄电池。 （－）酸性铅蓄电池 铅蓄电池由一组充满海绵状金属铅的铅锑合金格板做负极，由另一组充满二氧化铝的铅锑合金格板做正极，两组格板相间浸泡在电解质稀硫酸中，放电时，电极反应为： 负极：Pb＋SO42－＝PbSO4＋2e 正极：PbO2＋SO42－十4H＋＋2e＝PbSO4＋2H2O 总反应：Pb＋PbO2＋2H2SO4＝2PbSO4十2H2O 放电后，正负极板上都沉积有一层PbSO4，放电到一定程度之后又必须进行充电，充电时用一个电压略高于蓄电池电压的直流电源与蓄电池相接，将负极上的PbSO4还原成Pb，而将正极上的PbSO4氧化成PbO2，充电时发生放电时的逆反应： 阴极：PbSO4＋2e＝Pb＋SO42－ 阳极：PbSO4＋2H2O＝PbO2＋SO42－＋4H＋＋2e 总反应：2PbSO4＋2H2O＝Pb＋PbO2＋H2SO4 正常情况下，铅蓄电池的电动势是，随着电池放电生成水，H2SO4的浓度要降低，故可以通过测量H2SO4的密度来检查蓄电池的放电情况。铅蓄电池具有充放电可逆性好、放电电流大、稳定可靠、价格便宜等优点，缺点是笨重，常用作汽车和柴油机车的启动电源，坑道、矿山和潜艇的动力电源，以及变电站的备用电源。 （二）碱性蓄电池 日常生活中用的充电电池就属于这类。它的体积、电压都和干电池差不多，携带方便，使用寿命比铅蓄电池长得多，使用信当可以反复充放电上千次，但价格比较贵。商品电池中有镍－镉（Ni－Cd）和镍一铁（Ni－Fe）两类，它们的电池反应是： Cd＋2NiO(OH)＋2H2O 2Ni(OH)2＋Cd(OH)2 Fe＋2NaO(OH)＋2H2O 2Ni(OH)2＋Fe(OH)2 反应是在碱性条件下进行的，所以叫碱性蓄电池。 高能电池 具有高“比能量”和高“比功率”的电池称为高能电池。所谓“比能量”和“比功率”是指控电池的单位质量或单位体积计算电池所能提供的电能和功率。高能电池发展快、种类多。 （－）银一锌电池 电子手表、液晶显示的计算器或一个小型的助听器等所需电流是微安或毫安级的，它们所用的电池体积很小，有“纽扣”电池之称。它们的电极材料是Ag2O2和Zn，所以叫银一锌电池。电极反应和电池反应是： 负极：2Zn＋4OH－＝2Zn(OH)2＋4e 正极：Ag2O2＋2H2O＋4e＝Ag＋4OH－ 电池反应：2Zn＋Ag2O2＋2H2O＝2Zn(OH)2＋2Ag 利用上述化学反应也可以制作大电流的电池，它具有质量轻、体积小等优点。这类电池已用于宇航、火箭、潜艇等方面。 （二）锂－二氧化锰非水电解质电池 以锂为负极的非水电解质电池有几十种，其中性能最好、最有发展前途的是锂一二氧化锰非水电解质电池，这种电池以片状金属及为负极，电解活性MnO2作正极，高氯酸及溶于碳酸丙烯酯和二甲氧基乙烷的混合有机溶剂作为电解质溶液，以聚丙烯为隔膜，电池符号可表示为： Li｜LiClO4｜MnO2｜C（石墨） 负极反应：Li＝Li＋＋e 正极反应：MnO2＋Li＋＋e＝LiMnO2 总反应：Li＋MnO2＝LiMnO2 该种电池的电动势为，重量轻、体积小、电压高、比能量大，充电1000次后仍能维持其能力的90％，贮存性能好，已广泛用于电子计算机、手机、无线电设备等。 （三）钠＋硫电池 它以熔融的钠作电池的负极，熔融的多硫化钠和硫作正极，正极物质填充在多孔的碳中，两极之间用陶瓷管隔开，陶瓷管只允许Na＋通过。放电分二步进行： 第一步放电 负极：Na＝Na＋＋e 正极：2Na＋＋5S＋2e＝Na2S5（l） 总反应：2Na＋5S＝Na2S5（l） 负极上生成的Na＋通过陶瓷管，进入正极与硫进行作用，生成Na2S5，使正极成为S和Na2S5现混合物，直到将破全部转化成Na2S5为止，当正极的硫被消耗完之后转为第二步放电反应。 第二步放电 负极：2Na＝2Na＋2e 正极：2Na＋＋4Na2S5＋2e＝5Na2S4（l） 总反应：2Na＋4Na2S5＋2e＝5Na2S4（l） 当Na2S5作用完后，电池放电转入后期工作。 第三步放电 负极：2Na＝2Na＋2e 正极：2Na＋Na2S4＋2e＝2Na2S2（l） 总反应：2Na＋Na2S4＝N a2S2（l） 钠－硫电池的电动势为，可作为机动车辆的动力电池。为使金属钠和多硫化钠保持液态，放电过程应维持在300℃左右。六 .锂离子电池锂离子电池的工作原理就是指其充放电原理。当对电池进行充电时，电池的正极上有锂离子生成，生成的锂 离子经过电解液运动到负极。而作为负极的碳呈层状结构，它有很多微孔，到达负极的锂离子就嵌入到碳层 的微孔中，嵌入的锂离子越多，充电容量越高。同样道理，当对电池进行放电时（即我们使用电池的过程），嵌在负极碳层中的锂离子脱出，又运动回到正极。回到正极的锂离子越多，放电容量越高。我们通常所说的电池容量指的就是放电容量。不难看出，在锂离子电池的充放电过程中，锂离子处于从正极 → 负极 → 正极的运动状态。如果我们把锂离子电池形象地比喻为一把摇椅，摇椅的两端为电池的两极，而锂离子就象 优秀的运动健将，在摇椅的两端来回奔跑。所以，专家们又给了锂离子电池一个可爱的名字摇椅式电池。