化学电池中的电化学反应

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绿色化学在电池和新材料中的应用

作者：陈超 余高枫

来源：《读天下》2017年第16期

摘要：21世纪人类面临着严峻的能源、资源和环境危机的挑战。绿色化学作为一个化学研究的前沿，正在迅速地崛起。本文主要探讨绿色能源在电池和新材料中的应用。

关键词：绿色化学；绿色电池；新材料

绿色化学化工技术追求采用“原子经济”反应，采用“原子经济”反应，即原料分子中的每一个原子都转化成产品，没有副产品及废物的产生，完全实现“零排放”；原材料不采用有毒或有害的材料，使用无毒无害的催化剂和溶剂，以生产环境友好产品为目标。

一、 绿色化学在绿色电池中的应用

新型绿色环保电池具有高性能、无污染的特点，其中包括金属氢化无镍蓄电池、锂离子蓄电池、燃料电池、无汞碱性锌锰原电池、电化学贮能超级电容器等等。目前已广泛应用的太阳能电池也是一种绿色环保电池。新型绿色化学电池具有巨大的市场潜力，社会多方人士，包括学术界、工业界和金融界，都在投入大量人力、物力、财力进行技术的研究以及产品研发。新型绿色化学电池不仅促使中国新兴电子产业的形成，还对国防、化工材、电子、交通、通信等多个领域带来巨大的推进作用。

（一） 氢能

氢能是一种清洁、高效的能源，用于燃料电池时其能源转化效率在50%以上，而传统高效柴油机的能源转化效率只有30%左右。近年来一些发达国家纷纷加大对氢能和燃料电池技术的研发，特别是在实现道路交通与能源安全和环境保护的可持续协调发展方面，进行了有益的探索和尝试，并取得了一定成效。

（二） 锂离子蓄电池

锂离子蓄电池由三部分构成，其碳负极具有使锂离子嵌入或脱嵌的作用，使用可逆嵌埋的金属氧化物作电池的正极，还有有机电解质。工作电压可达3～6V，也就是1个锂离子电池相当于3个镉镍或金属氢化物镍电池。锂电池使用寿命长。不含有毒有害物质，被称为绿色电池，是目前手机、笔记本、数码产品中应用最广泛的电池，也现代高性能电池的代表。

常见的原电池电极反应式的书写

书写过程归纳：列物质,标得失 列出电极上的物质变化,根据价态变化标明电子得失;

选离子,配电荷 根据介质选择合适的离子,配平电荷,使符合电荷守;

巧用水,配个数 通常介质为水溶液,可选用水配平质量守恒

一、一次电池

1、伏打电池：负极—Zn,正极—Cu,电解液—H2SO4

负极： Zn–2e－==Zn2+ 正极： 2H++2e－==H2↑

总反应离子方程式 Zn + 2H+ == H2↑+ Zn2+

2、铁碳电池析氢腐蚀：负极—Fe,正极—C,电解液——酸性

负极： Fe–2e－==Fe2+ 正极：2H++2e－==H2↑

总反应离子方程式 Fe+2H+==H2↑+Fe2+

3、铁碳电池吸氧腐蚀：负极—Fe,正极—C,电解液——中性或碱性

负极： 2Fe–4e－==2Fe2+ 正极：O2+2H2O+4e－==4OH

总反应化学方程式：2Fe+O2+2H2O==2FeOH2

4FeOH2+O2+2H2O==4FeOH3 ；2FeOH3==Fe2O3 +3 H2O 铁锈的生成过程

4.铝镍电池：负极—Al,正极—Ni,电解液——NaCl溶液

负极： 4Al–12e－==4Al3+ 正极：3O2+6H2O+12e－==12OH

总反应化学方程式： 4Al+3O2+6H2O==4AlOH3 海洋灯标电池

5、铝–空气–海水负极－－铝,正极－－石墨、铂网等能导电的惰性材料,电解液－－海水 负极 ：4Al－12e－==4Al3+ 正极 ：3O2+6H2O+12e－==12OH－

总反应式为： 4Al+3O2+6H2O===4AlOH3 铂网增大与氧气的接触面海洋灯标电池

6、普通锌锰干电池：负极——Zn,正极——碳棒,电解液——NH4Cl糊状物

负极：Zn–2e－==Zn2+ 正极：2MnO2+2NH4++2e－==Mn2O3 +2NH3+H2O

化学中的电化学反应原理

电化学反应是化学中的一种重要反应类型，它与带电粒子间的作用有关。电化学反应是分子之间，或分子与电子之间，或者分子与金属之间发生的化学反应。化学反应中的电化学反应是指因电子的转移而发生的化学反应。在电化学反应中，电化学纯度往往非常高，因为针对电化学反应，常常需要采用高度纯净的材料来保证反应的准确性和可靠性。电化学反应是一种在低温环境下进行的反应，有时需要特殊的设备或环境才能进行。以下将详细讲解化学中的电化学反应原理。

一、电化学反应的定义

电化学反应是指因电子的转移而发生的化学反应。通过导电性液体(电解质)中的化学反应充分发挥电子的作用，是电化学反应的基本方式，化学反应的过程被分解成了一个个单元反应步骤，其中包含了一个个微观过程，这些过程有着科学性和可预测性，因此被广泛应用于生产和研究领域。电化学反应是化学中的一种重要反应类型，通过利用电子的转移，可以进行许多化学反应，例如酸碱反应、氧化还原反应等。电化学反应对人类的生产和生活有着广泛的应用，包括电解液中的合成、电解加热、电解降解、电化学测量、电存储、电解析等，在各个领域都有广泛的应用。

二、电化学反应的原理

电化学反应的原理包括三个方面，分别是电解质的导电性、电子的转移以及物质的稳定性。导电性液体(电解质)的存在和适当的电势源是电化学反应进行的基础。化学电势源可以是化学反应放出或吸收的热量，也可以是外加电势源。

1、电解质的导电性

导电性液体(电解质)是电化学反应的基础，因为它们可以让电池或电容器里的正负电荷进行电子转移。导电性液体具有高度的离子化能力，即设法产生了大量的离子，这些离子可以形成一个容纳带电粒子、流体或固体直接的接触表面。直接接触表面会形成阴阳极的反应作用，同时也会缓解容器内部的电荷不平衡，使其更稳定。

2、电子的转移

电子转移可以通过导电性液体中的氧化还原反应（redox反应）完成。氧化还原反应是指在同一化学反应中发生氧化和还原反应。在氧化还原反应中，氧化剂会通过吸收电子而被还原为较苛刻的物种，而同时，还原剂则将其内部的电子转移到氧化剂中形成电荷平衡，从而完成了化学反应。氧化还原反应常常会涉及大量的能源，在化学反应中，电子是通过光或磁场等电子源进行转移的。在现实生活中，它们常常表现为物质的颜色、气味或其他物化性质的改变，同时也会释放出热量和能量。

1.原电池，就是两端电极之间氧化性的强弱导致了电子的移动，氧化性强的，迫使氧化性弱的电子流向氧化性强的那边，然后溶液中的离子也定向移动，就形成了闭合回路，这就是原电池的工作原理。因为之后就没有电势差，所以化学能在不断的减小，转化成了电能。 2.如果是电解池的话，负极就会接阴极，正极就会接阳极，也就是说，电源相当于一个原电池，但是呢，它正极和负极之间并不是直接的导线相连，而是中间插入了一个电解池，这个电解池就相当于在这个导线中间增加了一个障碍，使电子无法直接的由负极由流动向正极，他需要从电解池中发生电子的替换。当负极失去电子时，它的电子就来到了阴极。此时阴极被重重的电子围住，由于溶液无法传导电子，正极无法从负极直接得到电子，它需要从阳极获得电子，如果阳极是活泼的金属的话，也就是金属活动性顺序表银之前的，它就会直接失去电子，如果阳极不是活泼金属的话，它就会从溶液中得到电子，所以说发生了电子的替换。 3.此处附上阴阳离子的放电顺序。 阳离子得电子能力：银离子大于铜离子，大于酸中氢，大于铅离子，大于锡离子，大于亚铁离子，大于锌离子，大于水氢，大于氯离子，大于镁离子，大于钠离子。 阴离子失电子能力：硫离子大于亚硫酸根离子大于碘离子大于溴离子大于氯离子大于氢氧根离子大于含氧酸根离子。 谢谢收看Powered by TCPDF ()