《废旧电池的回收利用》研究性学习案例

一、研究案例的背景：环境是人类生存和发展的基本条件，是物质文明建设的基础。环境污染和生态破坏，工作和生活环境质量恶化，威胁着人民群众的健康。保护环境，实质就是保护物质生产活动持续稳定、协调发展的物质基础。一粒小小的钮扣电池可污染600立方米水，相当于一个人一生的饮水量；一节干电池可污染12立方米水、一立方米土壤，并造成永久性公害……人们在日常生活中，使用过的废旧干电池，一直没有得到很好的回收利用，造成了浪费，也污染了环境。其实，被废弃的干电池，其锌壳只损耗了一小部分，二氧化锰也只起了一点氧化的作用，碳粉、石墨棒和铜帽还远远没有被消耗。如果能加以回收和利用，就具有很好经济效益和社会效益。二、研究的目的意义：①了解原电池的反应原理，初步掌握科学研究的基本方法；②了解干电池的基本结构；③明确废物分类回收的意义，增强环保意识。三、研究的主要内容：①查阅资料，明确干电池的基本反应原理，巩固原电池原理的相关知识。②通过解剖废干电池，了解干电池的结构，并绘制干电池的结构图。③将解剖废干电池得到的废物分类回收提纯，提高实验技能，增强环保意识。四、研究的步骤：①阅读教材中相关内容，查阅相关文献资料，明确干电池基本反应原理。②根据反应原理和相关资料介绍，结合实物绘制干电池结构原理图。③解剖几个废干电池，验证绘制的结构原理图的正确性，并作适当修改。④根据解剖废干电池得到的废物种类进行分类提纯回收，写出实验报告。⑤撰写研究心得和废物分类回收利用的重要意义等方面的论文。五、教学过程化学电池的原理化学电源是一种直接把化学能转变为电能的装置，习惯上称作电池。电池由正极、负极、电解质、隔膜和容器五个部分组成，其中最主要的是正极、负极和电解质三个部分。一般地，电池放电时，负极上总是发生氧化反应，并放出电子；而正极上总是获得电子，发生还原反应。但有些电池的反应，并不都是按氧化还原反应进行，而是以“嵌入—脱嵌”的方式进行。1．构成原电池的条件（1）电极材料是由活性物质与导电极板所构成，所谓活性物质是指在电极上可进行氧化还原的物质。两电极材料活性不同，在负极上发生氧化反应；正极上发生还原反应。（2）电解液：含电解质（3）构成回路。2．原电池正负极的确定将铜锌两种金属放在电解质溶液中，用导线连接，便构成原电池的两极，如图1．由于Cu、Zn两种金属电势高低不同，所以存在着电势差．电子总是从低电势的极流向高电势的极．电势的高低一般可根据金属的活泼性确定：金属越活泼其电极电势就越低，金属越不活泼其电极电势就越高．由于锌比铜活泼，所以电子总是从锌极流向铜极．电化学上把电子流出的极定为负极，流入的极定为正极．如图1.所示，锌为负极，铜为正极。电极反应：负极：Zn-2e-→Zn2+正极：2H+＋2e-→H2以上介绍了铜——锌原电池，我们也可以利用同样的原理，把其他的氧化还原反应设计成各种不同的电池。在这些电池中，一般都用还原性较强的物质作为负极，负极向外电路提供电子；用氧化性较强的物质作为正极，正极从外电路得到电子；在电池内部，两极之间填充电解液。放电时，负极上的电子通过导线流向用电器，从正极流回电池，形成电流。图1.铜锌原电池原理图2.干电池原理示意图下面，简单介绍一种比较常见的电池——干电池。手电筒中的干电池一般是普通的锌—锰干电池，它的结构和反应原理如下：锌—锰电池内的主要反应：负极（锌筒）：Zn-2e-=Zn2+（氧化反应）正极（碳棒）：2MnO2+2NH4++2e-=Mn2O3+2NH3+H20总反应：Zn+2MnO2+2NH4+=Zn2++Mn2O3+2NH3+H2干电池的外壳是金属锌，作负极，中心碳棒（石墨）是正极，碳律周围由一层纸质包裹的黑色物质，这是石墨粉和二氧化锰的混合物，纸质和锌壳之间填满了糊状白色电解液，其成分是氯化铵、氯化锌和淀粉糊。干电池放电主要是通过锌筒上失去电子，而被氧化成Zn2+而进入电解质溶液中，电解质溶液中的NH4+获得电子被还原成NH3，从而使灯泡在电子转移的过程中获得电能而发光。化学电池的种类化学电池：借助于化学能直接转变为电能的装置。化学电池的主要部分是电解质溶液，和浸在溶液中的正极和负极，使用时将两极用导线接通，就有电流产生，因而获得电能。化学电池放电到一定程度，电能减弱，有的经充电复原又可使用，这样的电池叫蓄电池，如铅蓄电池、银锌电池等；有的不能充电复原，称为原电池，如干电池、燃料电池等。下面介绍化学电池的种类：1．干电池：普通锌锰干电池的简称，在一般手电筒中使用锌锰干电池，是用锌皮制成的锌筒作负极兼做容器，中央插一根碳棒作正极，碳棒顶端加一铜帽。在石墨碳棒周围填满二氧化锰和炭黑的混合物，并用离子可以通过的长纤维纸包裹作隔膜，隔膜外是用氯化锌、氯化铵和淀粉等调成糊状作电解质溶液；电池顶端用蜡和火漆封口。在石墨周围填充ZnCl2、NH4Cl和淀粉糊作电解质，还填有MnO2作去极化剂吸收正极放出的H2，防止产生极化现象，即作去极剂，淀粉糊的作用是提高阴、阳离子在两个电极的迁移速率。电极反应为：负极Zn－2e＝Zn2+正极2NH4+＋2e＝2NH3＋H2H2＋2MnO2＝Mn2O3＋H2O正极产生的NH3又和ZnCl2作用：Zn2+＋4NH3＝[ZnNH34]2+干电池的总反应式：Zn＋2NH4Cl＋2MnO2＝ZnNH32Cl2＋Mn2O3＋H2O或2Zn＋4NH4Cl＋2MnO2＝[ZnNH32]Cl2＋ZnCl2＋Mn2O3＋H2O正极生成的氨被电解质溶液吸收，生成的氢气被二氧化锰氧化成水。干电池的电压15V—16V。在使用中锌皮腐蚀，电压逐渐下降，不能重新充电复原，因而不宜长时间连续使用。这种电池的电量小，在放电过程中容易发生气涨或漏液。而今体积小，性能好的碱性锌—锰干电池是电解液由原来的中性变为离子导电性能更好的碱性，负极也由锌片改为锌粉，反应面积成倍增加，使放电电流大加幅度提高。碱性干电池的容量和放电时间比普通干电池增加几倍。2．铅蓄电池：铅蓄电池可放电亦可充电，具有双重功能。它是用硬橡胶或透明塑料制成长方形外壳，用含锑5%～8%的铅锑合金铸成格板，在正极格板上附着一层PbO2，负极格板上附着海绵状金属铅，两极均浸在一定浓度的硫酸溶液密度为125—128g/cm3中，且两极间用微孔橡胶或微孔塑料隔开。放电的电极反应为：负极：Pb＋SO42-－2e＝PbSO4↓正极：PbO2＋4H+＋SO42-＋2e＝PbSO4↓＋2H2O铅蓄电池的电压正常情况下保持20V，当电压下降到185V时，即当放电进行到硫酸浓度降低，溶液密度达118g/cm3时即停止放电，而需要将蓄电池进行充电，其电极反应为：阳极：PbSO4＋2H2O－2e＝PbO2＋4H+＋SO42-阴极：PbSO4＋2e＝Pb＋SO42-当密度增加至128g/cm3时，应停止充电。这种电池性能良好，价格低廉，缺点是比较笨重。蓄电池放电和充电的总反应式：PbO2＋Pb＋2H2SO42PbSO4↓＋2H2O目前汽车上使用的电池，有很多是铅蓄电池。由于它的电压稳定，使用方便、安全、可靠，又可以循环使用，因此广泛应用于国防、科研、交通、生产和生活中。3．银锌蓄电池银锌电池是一种高能电池，它质量轻、体积小，是人造卫星、宇宙火箭、空间电视转播站等的电源。目前，有一种类似干电池的充电电池，它实际是一种银锌蓄电池，电解液为KOH溶液。常见的钮扣电池也是银锌电池，它用不锈钢制成一个由正极壳和负极盖组成的小圆盒，盒内靠正极盒一端充由Ag2O和少量石墨组成的正极活性材料，负极盖一端填充锌汞合金作负极活性材料，电解质溶液为KOH浓溶液，溶液两边用羧甲基纤维素作隔膜，将电极与电解质溶液隔开。放电充电负极：Zn＋2OH－2e＝ZnOH2正极：Ag2O＋H2O＋2e＝2Ag＋2OH银锌电池跟铅蓄电池一样，在使用放电一段时间后就要充电，充电过程表示如下：阳极：2Ag＋2OH－2e＝Ag2O＋H2O阴极：ZnOH2＋2e＝Zn＋2OH总反应式：Zn＋Ag2O＋H2OZnOH2＋2Ag一粒钮扣电池的电压达159V，安装在电子表里可使用两年之久。4．燃料电池：燃料电池是使燃料与氧化剂反应直接产生电流的一种原电池，所以燃料电池也是化学电源。它与其它电池不同，它不是把还原剂、氧化剂物质全部贮存在电池内，而是在工作时，不断地从外界输入，同时把电极反应产物不断排出电池。因此，燃料电池是名符其实地把能源中燃料燃烧反应的化学能直接转化为电能的“能量转换器”。燃料电池的正极和负极都用多孔炭和多孔镍、铂、铁等制成。从负极连续通入氢气、煤气、发生炉煤气、水煤气、甲烷等气体；从正极连续通入氧气或空气。电解液可以用碱如氢氧化钠或氢氧化钾等把两个电极隔开。化学反应的最终产物和燃烧时的产物相同。燃料电池的特点是能量利用率高，设备轻便，减轻污染，能量转换率可达70%以上。当前广泛应用于空间技术的一种典型燃料电池就是氢氧燃料电池，它是一种高效低污染的新型电池，主要用于航天领域。它的电极材料一般为活化电极，碳电极上嵌有微细分散的铂等金属作催化剂，如铂电极、活性炭电极等，具有很强的催化活性。电解质溶液一般为40%的KOH溶液。电极反应式为：负极H22H2H＋2OH－2e＝2H2O正极Ｏ2＋2H2O＋4e＝4OH电池总反应式为：2H2＋Ｏ2＝2H2O另一种燃料电池是用金属铂片插入KOH溶液作电极，又在两极上分别通甲烷燃料和氧气氧化剂。电极反应式为：负极：CH4＋10OH－－8e＝CO32-＋7H2O；正极：4H2O＋2O2＋8e＝8OH。电池总反应式为：CH4＋2O2＋2KOH＝K2CO3＋3H2O目前已研制成功的铝—空气燃料电池，它的优点是：体积小、能量大、使用方便、不污染环境、耗能少。这种电池可代替汽油作为汽车的动力，还能用于收音机、照明电源、野营炊具、野外作业工具等。5．锂电池：锂电池是金属锂作负极，石墨作正极，无机溶剂亚硫酰氯SO2Cl2在炭极上发生还原反应。电解液是由四氯铝化锂LiAlCl4溶解于亚硫酰氯中组成。它的总反应是锂与亚硫酰氯发生反应，生成氯化锂、亚硫酸锂和硫。8Li＋3SO2Cl2＝6LiCl＋Li2SO3＋2S锂是密度最小的金属，用锂作为电池的负极，跟用相同质量的其它金属作负极相比较，能在较小的体积和质量下能放出较多的电能，放电时电压十分稳定，贮存时间长，能在2163—3441K温度范围内工作，使用寿命大大延长。锂电池是一种高能电池，它具有质量轻、电压高、工作效率高和贮存寿命长的优点，因而已用于电脑、照相机、手表、心脏起博器上，以及作为火箭、导弹等的动力资源。微型电池：常用于心脏起搏器和火箭的一种微型电池是锂电池。这种电池容量大，电压稳定，能在567℃—711℃温度范围内正常工作。6．海水电池放电充电1991年，我国首创以铝─空气─海水电池为能源的新型电池，用作海水标志灯已研制成功。该电池以取之不尽的海水为电解质溶液，靠空气中的氧气使铝不断氧化而产生电流。只要把灯放入海水中数分钟，就会发出耀眼的白光，其能量比干电池高20─50倍。负极材料是铝，正极材料可以用石墨。电极反应式为：负极反应：Al－3e＝Al3+，正极反应：2H2O＋O2＋4e＝4OH。电池总反应式为：4Al＋3O26H2O＝4AlOH37．溴—锌蓄电池国外新近研制的的基本构造是用碳棒作两极，溴化锌溶液作电解液。电极反应式为：负极反应：Zn－2e＝Zn2+正极反应：Br2＋2e＝2Br电池总反应式为：Zn＋Br2＝ZnBr28．特种电池在电池家族中，不经化学反应却能产生电流的电池也异军突起。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。这种电池前景广阔，据预测，到21世纪中期，全世界电力总耗量的20%～30%将由太阳能电池提供。废旧电池的危害随着经济和科技的发展,电池在我们生活中的扮演着越来越重要的角色，使用量也正迅速增加,几乎渗透到我们生活的每一个角落,然而这些使用后的废旧电池