西元1786年 義大利大學教授賈法尼 以青蛙為材料研究電與神經肌肉功能之間的可能關係 某日 賈法尼解剖青蛙時 以金屬解剖刀碰觸青蛙的大腿 發現青蛙腿部肌肉有火花 並伴隨著抽搐現象 而僅以金屬連結蛙腿的肌肉和脊髓 蛙腿就會抽搐 賈法尼認為抽搐是因為青蛙體內的「動物電」 因金屬的連結而在肌肉中流動引起 賈法尼因而於1791年提出「動物電」理論 到了1800年 義大利物理教授伏打卻提出不同看法 伏打在多次實驗後認為 導致蛙腿抽搐的能量並非來自動物電 而是不同金屬的接觸 他用自己的舌頭取代蛙腿 結果舌頭受到普通靜電的刺激 他認為是相同的物理效應 伏打隨即提出所謂的「接觸理論」 兩種不同的金屬互相接觸即可產生電流 後來他將一系列的鋅板和銅板間隔排放 中間以鹽水浸過的布隔開後堆疊 金屬便發生化學反應並產生電流 此裝置即為後世熟知的伏打堆 根據伏打電堆的裝置原理 自發性發生氧化還原反應 把化學能轉變成電能裝置的概念 即為現今化學電池的前身 但自發性的氧化還原反應 就必定能將化學能變為電能嗎？ 那可不一定 例如 將鋅金屬片放入硫酸銅溶液中 鋅片表面會慢慢沉積出紅棕色的金屬銅 而原本藍色的硫酸銅溶液 則因為藍色的銅離子進行還原反應 銅離子濃度下降 所以藍色逐漸變淡 這卻無法讓氧化還原反應釋出的能量轉變為電能 因為氧化劑與還原劑直接接觸 電子由鋅片轉移至銅離子 此時溶液的溫度升高 為化學能轉變成熱能 伏打堆確實是一個可以自發性把化學能轉變成電能的裝置 同學們想一想 若欲將化學能轉換成電能 裝置需要甚麼條件呢？ 在伏打堆的實驗中 兩個金屬片用含有鹽水的布隔開 也就是將氧化劑與還原劑分開 再利用其他材料連接形成通路 此時電子流就可以被引導而分進 將化學能轉變為電能 電池中發生氧化反應的電極 稱為陽極 為電子流出端 故亦可稱為負極 發生還原反應的電極為陰極 為電子流入端 則標示為正極 因此 鋅銅電池裝置 鋅片放在硫酸鋅溶液中 銅片放在硫酸銅溶液中 這兩個分開來的裝置 科學家稱此為半電池 即電池是由兩個半電池組成 其中鋅半電池亦為可稱為氧化半電池或陽極半電池 銅半電池亦為可稱為還原半電池或陰極半電池 這兩個半電池 彼此以裝有飽和電解質溶液的鹽橋連接 例如 飽和硝酸鉀溶液 電極則以導線連接 即可形成一封閉迴路並測得電壓 鹽橋內的材料 為不與兩個半電池溶液反應的飽和強電解質鹽類溶液 例如硝酸鉀、硝酸銨、硝酸鈉等 可藉由離子流動溝通內電路 保持半電池溶液的電中性 下列內容均以硝酸鉀作為鹽橋成分進行介紹 連接完整個迴路後 同學們思考一下 鹽橋是如何溝通鋅銅電池內電路呢？ 因鋅的金屬活性大於銅 所以鋅銅電池放電時 鋅金屬放出電子產生鋅離子 鋅離子逐漸增多 鹽橋中的陰離子「硝酸根」會游向陽極 藉以中和電性 而銅離子比鋅離子更容易獲得電子 故銅離子得到電子生成金屬銅 溶液中銅離子逐漸減少 鹽橋中的陽離子「鉀離子」即游向陰極 以補足陰極半電池中逐漸減少的陽離子帶電量 而這就是鹽橋溝通內電路的方式 而外電路的電子流動方向又是如何呢？ 鋅片氧化放出的電子經導線流向銅片 也可說電子由陽極釋出經導電流向陰極 這就是電池經由氧化還原反應 讓化學能變為電能的原理 電池的組成與角色整理如畫面中的表格 同學們已經瞭解化學電池的放電原理 那科學家是如何用簡單的符號來表示電池呢？ 習慣上鹽橋以雙豎線表示 左半邊為陽極半電池 右半邊為陰極半電池 電極與電解液的界面 以單豎線表示 電極置於最左右兩端 鋅銅電池可如畫面寫法表示 想一想 附圖為一個銅銀電池 已知銅的活性大於銀 請試著回答下列問題 接著 請寫出此電池的表示法 以及化學反應式 關於化學電池的小常識還包含電極材料的分類 電極的種類很多 有參與反應者 被稱為活性電極 例如 鋅銅電池中的鋅片 有些電極只負責傳導電子 但本身不參與反應 被稱為惰性電極 例如 石墨、白金等 讓我們來總結一下學習內容 在自發性的氧化還原反應中 氧化劑與還原劑須適度間隔開 才能將化學能變為電能 並利用鹽橋及導線分別連接形成內電路及外電路的通路 電池中 發生氧化半反應的裝置 稱為陽極半電池 發生還原半反應的裝置則稱為陰極半電池 畫面中表格為鋅銅電池的組成與角色整理 而化學電池的表示法如畫面所示 伏打電池、鋅銅電池 都是化學能變成電能的應用 但生活中並不容易見到它們 生活中還有哪些化學能變成電能的應用呢？ 它們的材料是甚麼？ 歡迎留言和我們分享 下次見