化学电池电流的探讨

化學電池電流的探討化材二甲丁筵祠49740014蘇彥誠49740015張言丞49740016楊育陞49740031蘇玄文49740040一、摘要化學車是以化學電池提供電力，以伏打電池的原理，將兩種不同的金屬浸泡在電解液中以鹽橋連接，將產生電流，但電流的大小將影響化學車的動力，因此在眾多化學電池中做一比較，本報告為了挑選電化學車所需的電池，將研究鋅銅電池以及鎂、鋁、銅、鋅、鐵這些作為極板，研究其活性大小對電流大小的影響，以此考慮要使用哪兩者金屬作為化學車所使用的電池極板，因此上網搜尋相關知識，並且整理網路資源，利用既有的實驗數據進行比較。二、前言Chem-E-Car競賽起源於密西根大學ScottFogler之創思，由AEChE邀請各大學之大學部學生參賽，並於AIChE年會上舉行決賽，至今已於達拉斯及洛杉磯舉辦了兩屆的比賽。澳洲仿效美國於2001年初亦邀請澳洲及紐西蘭各大學籌辦了一場Chem-E-Car競賽，並於九月底於化學工程世界大會第三天假墨爾本展覽中心舉辦決賽。此項競賽活動結合了理學與創造力，為傳統的化學工程教育和化學工程年會，帶動了蓬勃生動的氣氛。國外有眾多網站討論Chem-E-Car議題，目前已有455個網站針對Chem-E-Car熱絡討論中。我國於2002年舉行第一屆Chem-E-Car競賽。在歷屆的國際競賽過程中，每支隊伍必須設計及組裝一輛以化學反應為動力之小車子，並須做環保及安全評估，為了符合能源技術對無汙染之環保要求，不得以含有鉛、鎘、汞等具高汙染性物質之電化學反應作為車子的動力來源。競賽時，隊伍比須於不同載重與距離的條件下，讓車子能在終點線上停下來，在比賽過程中，如何使車子能在最接近終點的地方停下來，而且不須不借用任何電子儀器方面的系統，也是參加的每支隊伍最需要動頭腦的地方，利用斷電系統、馬達與車子傳動齒輪的轉速比、藥品反應完全等方法，都是值得思考的地方。三、研究動機因參加化學車競賽在此將研究各電池的電流大小，以及深入了解伏打電池的原理及應用，並將選中的兩個金屬進行實驗設計。四、本文1.伏打(鋅銅)電池的原理(註一)研究器材：毫安培計、導線(附銅夾)、燒杯(250ml)、U形管、脫脂棉花、銅、鋅片(5×3cm2)、硫酸銅、硫酸鋅溶液(0.1M)、鹽橋(用1M硝酸鉀)。實驗步驟：(1)取燒杯兩個，貼上甲、乙標籤，甲杯加入0.1M硫酸鋅至八分滿，並放入鋅板，乙杯加入0.1M硫酸銅至八分滿，並放入銅板。(2)用導線連接毫安培計和銅、鋅板，觀察其顯示的電流量。(3)在U形管中倒入1M硝酸鉀，並將兩管口用棉花塞住(不可太鬆或過緊，同時也注意管中不可有氣泡)。(4)將U形管連接於兩燒杯中，並觀察其變化。實驗圖示：實驗原理：(1)鋅片(Zn)會放出電子而形成鋅離子(Zn2┼)，溶解在甲燒杯的ZnSO4。此外，還會形成電子(e-)，電子會沿著電線而流至甲燒杯中，形成電流，並和其硫酸銅溶液(CuSO4)中的銅離子化合成銅，附著在銅片上。(2)甲燒杯中的陽離子會游向負極(鋅片)，而陰離子則會游向正極(鹽橋)；同理，在乙燒杯中也是如此。而這個反應會一直持續至鋅片或硫酸銅用完為止。伏打電池是最早的電池之一，現在市面上大多數的電池都是將伏打電池加以改良而成的，但是其基本原理都差不多。(3)反應式：負極反應：Zn→Zn2++2e-正極反應：Cu2++2e-→Cu總反應：Zn+Cu2+→Zn2++Cu2.鎂、銅、鋅、鐵、鋁活性大小和電流大小的關係(註二)實驗步驟：(1)取0.1M的HCl溶液200ml，以鋅板，銅板為電極，再以鱷魚夾將檢流計與兩極連接，如下圖，紀錄其電流大小。(2)分別改變兩極板為Mg、Al、Zn、Fe、Cu、兩兩交錯為電極，重覆實驗步驟1。(3)紀錄並分析結果。甲極板電流大小mA乙極板MgAlZnFeCuMg06893113183Al680283855Zn932805869Fe1133858033Cu1835569330數據分析：由數據可知，兩極板金屬活性差愈大者，所形成的電流愈強，尤其是電極以活性較大的金屬為負極，活性較小的金屬為正極，因活性大的金屬易游離放出電子之故，故游離度大的金屬當負極，與其活性差愈大者當正極，產生之電流愈強。五、結論由上述實驗可知，利用銅鎂這兩個金屬來製作化學車的電池將會產生很強的電流，但是因電流很強並且穩定度還是未知，還需要再進行實驗設計檢測其穩定度可否夠高，可列為考慮使用的化學電池。鋅銅的電流大小雖然沒有很強但其穩定度極高，並且廣泛被使用在化學車競賽中。鋁鋅的電流大小最小，如果考慮使用必需利用強電解質的溶液來增加其反應速率，但兩者電位差太小，成功推動化學車的機率很低，還需在設計實驗比較其與銅鎂電池，這兩組的電池還需要經過實驗後才能知道誰的可行度高。六、參考資料(註一)化學電池(註二)探討鋅-銅電池電流大小的影響變因(三)九十七學年度專題成果報告：化學電池驅動化學車之研究(四)鋅銅電池工作原理(五)電池(六)第四十五屆中小學科學展覽會作品說明書(七)伏打電池七、分工丁筵祠資料搜集蘇彥誠資料搜集張言丞資料搜集楊育陞資料匯整蘇玄文資料搜集