化學能量：電池與燃料電池解構

各位同學大家好！你有沒有想過你遙控器裏面的電池是怎樣運作的呢？又或者，一些嶄新、高科技的汽車，是怎樣可以只靠氫氣行駛並只排出水蒸氣的呢？這些都離不開化學！在這個章節中，我們將會深入探討化學電池這個奇妙世界。我們會學習怎樣透過簡單的化學反應來產生電力。我們將會探討三種主要類型：

  • 日常生活中常用的鋅碳電池（你常見的AA電池）。
  • 使用不參與反應的惰性電極的特殊電池。
  • 未來科技——氫氧燃料電池。

這個課題超級重要，因為它是所有便攜式電子產品的基礎，也是我們尋求更潔淨能源的關鍵部分。就算聽起來很複雜也不用擔心 – 我們會一步步拆解！


1. 鋅碳電池：日常生活中的電池

你肯定用過其中一種。鋅碳電池，又稱乾電池，是手電筒、時鐘和玩具中標準的、不可充電的電池。它是原生電池的完美例子。

什麼是原生電池？

你可以把它想像成一次性的即棄相機。你用它直到裡面的化學物質用完為止，然後就必須將它丟棄（當然要好好處理！）。
原生電池是一種不可充電的電池。它內部的化學反應不容易逆轉。

鋅碳電池的內部構造

讓我們來看看它裡面有什麼。它看起來可能很複雜，但其實只是幾個關鍵部分互相配合運作。

  • 負極（陽極）：外殼由鋅（Zn）製成。這是氧化作用發生的地方。
  • 正極（陰極）：一根碳（石墨）棒貫穿中心。它是惰性的，這意味著它不參與反應。它只是作為還原作用發生和傳導電子的場所。
  • 電解質：這不是液體，這也是它被稱為「乾電池」的原因。它是一種濕潤的糊狀物，含有氯化銨（NH₄Cl）和二氧化錳（MnO₂）。
助記口訣：OIL RIG 及 AN OX RED CAT

要記住哪個反應在哪裡發生，可以利用這些助記口訣：
OIL RIG: Oxidation Is Loss (of electrons)，Reduction Is Gain (of electrons)。
AN OX: Anode is where Oxidation occurs。
RED CAT: Reduction occurs at the Cathode。

運作原理：化學反應

箇中奧秘就是通過氧化還原反應。

步驟一：在負極（陽極）

鋅外殼更活潑，因此它會失去電子。這就是氧化作用。隨著電池的使用，鋅外殼會變薄！這就是為什麼舊電池有時會漏液的原因。

方程式：

$$ \mathbf{Zn(s) \rightarrow Zn^{2+}(aq) + 2e^-} $$

步驟二：在正極（陰極）

鋅釋放的電子會通過你的裝置（例如燈泡）傳送到碳棒。在這裡，電解質糊狀物中的離子獲得這些電子。這就是還原作用。

方程式：

$$ \mathbf{2NH_4^+(aq) + 2e^- \rightarrow 2NH_3(g) + H_2(g)} $$

二氧化錳（MnO₂）也非常重要。它是一種除極劑，會與生成的氫氣反應，防止氣體積聚而導致電池停止運作。

重點總結：鋅碳電池

鋅碳電池是一種便宜、常用、原生（不可充電）的電池。它能產生電力（約1.5伏特），因為鋅外殼被氧化（失去電子），而電解質糊狀物中的化學物質在碳棒上被還原（獲得電子）。


2. 使用惰性電極的化學電池

有時候，產生電力的化學物質全部以離子形式溶解在溶液中，它們並非固態金屬，我們不能直接用作電極。那麼，我們應該將電線連接到哪裡呢？我們可以使用惰性電極！

什麼是惰性電極？

惰性電極是能導電但卻不參與化學反應的物質。
類比：想像一下足球比賽中的球證。他們在場上並控制比賽（傳導電子），但他們不進球也不防守（不參與反應）。
最常用的惰性電極是石墨（碳）和鉑。它們被使用是因為它們不活潑且是良好的導體。

例子：鐵(II)/鐵(III)和碘離子/碘電池

讓我們搭建一個電池來看看這是怎樣運作的。我們將連接兩個不同的半電池。

  1. 半電池一：一個燒杯，裡面含有鐵(II)離子（例如，來自FeCl₂）和鐵(III)離子（例如，來自FeCl₃）的溶液。我們將一塊鉑電極浸入其中。
  2. 半電池二：一個燒杯，裡面含有碘離子（例如，來自KI）和碘（I₂）的溶液。我們將另一塊鉑電極浸入這個燒杯中。
  3. 連接：我們用導線和伏特計連接兩個電極。為了完成電路，我們用鹽橋（例如，浸有硝酸鉀溶液的濾紙條）連接兩個溶液。
快速回顧：鹽橋

鹽橋至關重要！它讓離子在兩個燒杯之間移動以平衡電荷。沒有它，電荷會積聚，電子流動會幾乎立即停止。

預測反應（使用電化序）

那麼電子會向哪邊流動呢？我們需要查閱電化序（ECS）。電化序告訴我們哪種物質是更強的氧化劑（更有可能被還原）。

  • `Fe³⁺(aq) / Fe²⁺(aq)` 體系比 `I₂(aq) / I⁻(aq)` 體系是更強的氧化劑。
  • 這意味著 `Fe³⁺(aq)` 會從另一個半電池中抽取電子。換句話說，`Fe³⁺(aq)` 將會被還原。
  • 因此，`I⁻(aq)` 必須被氧化。

書寫方程式

現在我們可以寫出每個電極的半反應式了。

在負極（陽極）：氧化作用

碘離子失去電子，形成碘。這發生在鉑電極的表面。

$$ \mathbf{2I^-(aq) \rightarrow I_2(aq) + 2e^-} $$

觀察：無色溶液開始變成棕色，因為有碘生成。

在正極（陰極）：還原作用

鐵(III)離子獲得電子，形成鐵(II)離子。

$$ \mathbf{Fe^{3+}(aq) + e^- \rightarrow Fe^{2+}(aq)} $$

觀察：Fe³⁺的黃/棕色溶液變成Fe²⁺的淺綠色溶液。

總離子方程式

為了得到總方程式，我們需要確保電子數目互相抵消。我們需要將陰極反應式乘以2。
`2Fe³⁺(aq) + 2e⁻ → 2Fe²⁺(aq)`
現在，我們將兩個半反應式相加，並將兩邊的電子（`2e⁻`）抵消：

$$ \mathbf{2I^-(aq) + 2Fe^{3+}(aq) \rightarrow I_2(aq) + 2Fe^{2+}(aq)} $$
重點總結：惰性電極電池

當反應物是溶液中的離子時，我們使用惰性電極（如鉑或石墨）來傳導電子。我們利用電化序來預測哪種物質會被氧化（在陽極）和哪種物質會被還原（在陰極）。


3. 燃料電池：未來潔淨能源

想像一下，如果有一種電池，只要你不斷為它添加燃料，它就永遠不會耗盡。這就是燃料電池！它是一種將燃料和氧化劑的化學能直接轉化為電能的電化電池。

類比：普通電池就像一個密封的飯盒 — 食物吃完就空了。燃料電池就像一個廚師，在你吃的時候不斷給你送上更多食物 — 只要廚師（燃料供應）在，你就可以一直吃下去！

氫氧燃料電池

最著名的類型是氫氧燃料電池。

  • 燃料：氫氣（H₂）
  • 氧化劑：來自空氣的氧氣（O₂）
  • 唯一產物：水（H₂O）！
你知道嗎？

氫氧燃料電池曾用於美國太空總署的太空穿梭機和阿波羅任務。它們既為太空船提供電力，同時也為太空人提供潔淨的飲用水！

運作原理（在鹼性電解質中）

電池包含兩個電極，由鹼性電解質（如氫氧化鉀 (KOH)）隔開。

在負極（陽極）：氧化作用

氫氣被送入。它與電解質中的氫氧離子反應，並釋放電子。

$$ \mathbf{H_2(g) + 2OH^-(aq) \rightarrow 2H_2O(l) + 2e^-} $$

在正極（陰極）：還原作用

氧氣從另一邊送入。它接收（經由外電路傳送而來的）電子，並與水反應生成更多氫氧離子。

$$ \mathbf{O_2(g) + 2H_2O(l) + 4e^- \rightarrow 4OH^-(aq)} $$

驚人的總反應式

如果我們平衡並結合半反應式，除了氫氣、氧氣和水之外，所有東西都會被抵消。總反應只是：

$$ \mathbf{2H_2(g) + O_2(g) \rightarrow 2H_2O(l)} $$

這與在氧氣中燃燒氫氣的反應相同，但它並非將所有能量以熱能形式釋放，而是將很大一部分直接轉化為有用的電能。

氫燃料電池的優點與缺點

優點
  • 非常高的效率：相較於傳統內燃機，它們能將更高百分比的化學能轉化為有用的電能。
  • 無污染：唯一產物是純水。電池本身不會產生溫室氣體（如CO₂）或污染物（如氮氧化物NOx或硫氧化物SO₂）。
  • 持續供電：只要持續供應燃料（H₂）和氧氣，它們就能持續運作。
缺點
  • 成本高昂：電極需要昂貴的催化劑，例如鉑，才能有效運作。
  • 氫氣生產：目前大多數氫氣是從化石燃料生產的，這會造成污染。通過電解水清潔地生產氫氣需要大量電力。
  • 氫氣儲存與安全：氫氣是一種非常易燃的氣體，很難在車輛中安全且緊湊地儲存。
重點總結：燃料電池

燃料電池通過燃料（如氫氣）與氧化劑（如氧氣）持續反應來產生電力。氫氧燃料電池高度高效和潔淨，只產生水。然而，它的廣泛使用受到高成本以及安全生產和儲存氫氣燃料的挑戰所限制。