5-4 電池電動勢 1 1

5-4 電池電動勢 電動勢（electromotive force，emf）是指促使電流 流動的趨勢。 構成電化電池的兩個電極電位間的電位差，即為電化電池的電動勢； 電池藉著化學反應在兩電極間成電位差（electric potential difference），即電壓（voltage），其單位是伏特（volt）。 電池電動勢 2

電池電動勢 5-4 5-4.1 電池半反應式 5-4.2 標準還原電位與電池電壓 5-4.3 實用電池 3

電池電動勢 5-4 學習目標： 了解電池半反應式。 了解標準還原電位與電池電壓。 了解實用電池。 4

電池半反應式 5-4.1 電池是由兩個半電池（half-cell）所組成： 陽極：通常由易失去電子的金屬構成， 發生 反應， 在電池上標示為 極。（正或負） 陰極：由能接受電子的物質組成， 在基礎化學（一）4-3.1 化學電池的原理與構造 裡，已經介紹過鋅銅電池，本節將以半反應的 觀點再深入說明。 氧化 負 還原 正 5

電池半反應式 5-4.1 鋅銅電池 （又稱為丹尼耳電池） ： 陽極： 陰極： 全反應： 測得電壓約為1.10 伏特。 鋅銅電池 （又稱為丹尼耳電池） ： 陽極： 陰極： 全反應： 測得電壓約為1.10 伏特。 因為用伏特計測出的電壓為正值， 顯示鋅比銅容易失去電子。 6

標準還原電位與電池電壓 5-4.2 標準還原電位可用來計算化學電池的標準電壓， 由5-4.1 節可得知，我們只能測定鋅銅兩金屬半電 池間的電位差，卻無法經由實驗測得單獨半電池的 電位， 因此選定某一個標準半電池定為基準，即可表出其 他半電池的電位。 1953 年，國際純化學暨應用化學聯合會（IUPAC） 建議，採用標準氫電極當參考電極，作為比較的標 準。 (normal hydrogen electrode，NHE) (standard hydrogen electrode，SHE) (reference electrode) 7

標準還原電位與電池電壓 5-4.2 標準氫電極： 鍍了鉑黑的金屬鉑作為電極， 浸在氫離子濃度為 1.0 M 的 酸性溶液中， 不斷地把氫氣通入，使氫氣的 壓力在 25 ℃ 時維持 1.0 atm， 其半反應（half reaction）的電位 稱為標準電位，以E ∘表示， 其值定為 0.00 V。 標準氫電極的陰極半反應式： 8

標準還原電位與電池電壓 5-4.2 標準狀態： 離子濃度為 1.0 M， 溫度為 25 ℃， 氣體的壓力為 1.0 atm。 以氫電極與任何一個半電池組合成的電池，在標 準狀態所測得的電位差，即為該半反應的標準還 原電位。 將測得的標準還原電位依序由高到低排列成表， 稱為標準還原電位表。 標準還原電位表： 9

電化電池的電壓 標準還原電位與電池電壓 5-4.2 電化電池的電壓即為推動電子從陽極到陰極的電 動勢，可由標準還原電壓求得： 電池電壓 E°電池 ＝ ， 注意：電位與反應式的係數無關，例如： 還原電位 E°陰極－還原電位 E°陽極 Ag+(aq)＋e－ → Ag(s) E°＝ 0.80 V 2Ag+(aq)＋2e－ → 2Ag(s) E°＝ 0.80 V 10

標準還原電位與電池電壓 5-4.2 以鋅銅電池為例： 銅離子的還原電位較高，作為 ； 鋅離子的還原電位較低，作為 。 陰極 銅離子的還原電位較高，作為 ； 鋅離子的還原電位較低，作為 。 鋅銅電池的電壓 E°電池 為： 陰極 陽極 動-鋅銅電池電位 11

標準還原電位與電池電壓 5-4.2 依據電池電壓（E°電池），可判斷出該氧化還原 反應於標準狀態下是否為自發性的反應。 （傾向於逆反應的方向進行） 在非標準狀態下，氧化還原反應電壓的改變，可 運用勒沙特列原理預測： 當反應平衡向右移動時，E°電池值會 ； 當反應平衡向左移動時，E°電池值會 。 若反應已達平衡，則 E電池 值為 。 未使用的電池放置久了，自然失去電力。 ＞ ＜ 上升 下降 12

範例 5-6 鋁是地殼中含量最多的金屬元素，質地輕盈。在現代生活中，其製品如鋁箔、鋁罐等，到處可見。因此可善用廢棄的鋁，製作鋁空氣電池。已知氧氣與氫氧化鋁的標準還原電位分別為： O2(g) ＋2H2O(l) ＋4e－ → 4OH－(aq) E°＝0.40 伏特 Al(OH)3(s)＋3e－ → Al(s)＋3OH－(aq) E°＝－2.31伏特 求﹕(1) 鋁氧電池的標準電壓為多少伏特？ 　　(2) 鋁空氣電池中，氧氣的壓力並非在標準狀態， 因此可判斷鋁空氣電池的標準電壓，應比鋁氧 電池的標準電壓大或小？ 13 選修化學(上) 13

範例 5-6 解答 (1)因為氧的標準還原電位大於氫氧化鋁， 所以氧作為陰極，鋁作為陽極。 鋁氧電池的標準電壓為 2.71 伏特 (1)因為氧的標準還原電位大於氫氧化鋁， 所以氧作為陰極，鋁作為陽極。 鋁氧電池的標準電壓為 2.71 伏特 (2)由於空氣中氧氣占1/5 ，1 atm 的空氣中氧氣的分壓 大約只有 0.2 atm，在非標準狀態下，運用勒沙特列 原理預測，反應平衡向左移動， E電池值會下降， 即小於 2.71 伏特。 14 選修化學(上)

練習題 5-6 1960 年代中期，美國奇異公司參與海軍船務署與陸軍通訊兵團的一項專案，發展出一種小型燃料電池，陽極是氫、陰極是氧，在酸性溶液中，放出電能。查標準還原電位表，求出此燃料電池的標準電壓。 解答 因為氧的標準還原電位大於氫，所以，氧作為陰極，氫作為陽極。依據標準電位計算 此燃料電池的電壓為 1.23 伏特。 15 選修化學(上) 15

實用電池 5-4.3 在基礎化學（一）常見的電池裡，詳述了乾電池、 鉛蓄電池、鋰電池、燃料電池，本節將重述一些一 次電池、二次電池與燃料電池等實用電池的兩極半 反應式。 一次電池： 只能使用一次，不能充電，不可再重複使用的電池。 例如：乾電池與鹼性電池等。 二次電池： 電池放電後可再充電，反覆使用的電池， 又稱為蓄電池。 16

一次電池 實用電池 5-4.3 1. 乾電池： 2. 鹼性乾電池 乾電池的兩極反應分別為： 陽極：Zn(s) → Zn2+(aq)＋2e－ 陰極：2MnO2(s)＋2NH4Cl(aq)＋Zn2+(aq)＋2e－ → Mn2O3(s)＋Zn(NH3)2Cl2(aq)＋H2O(l) 2. 鹼性乾電池 是以鹼性氫氧化鉀溶液，取代上述乾電池裡的酸性氯化銨溶液而得名。其兩極反應分別為： 陽極：Zn(s) ＋2OH－(aq)→ ZnO(s)＋H2O(l)＋2e－ 陰極：2MnO2(s)＋H2O(l)＋2e－ → Mn2O3(s)＋2OH－(aq) 17

實用電池 5-4.3 3. 鋰二氧化錳電池（Li-MnO2）： 兩極反應分別為： 陽極：Li → Li+＋e－ 陰極：MnO2＋Li+＋e－ → LiMnO2 18

實用電池 5-4.3 二次電池 1. 鉛酸電池： 1859 年，由法國的科學家普朗特（G. Planté）所發明的鉛蓄電池，是歷史最悠久的二次電池。 其正極為 ，負極為 ， 電解液為重量百分率濃度約 37％ 的硫酸，故又名 鉛酸電池。 其電極的半反應與全反應如下： 二氧化鉛 鉛 正極： 負極： 全反應： 19

二次電池 實用電池 5-4.3 1. 鉛酸電池： 鉛蓄電池的逆反應為非自發反應，需外加電壓充電，將電能轉換成化學能。 充電時，外接電源的正極（以紅色標示）接於電池的正極，負極（以黑色標示）接於電池的負極。 鉛酸電池再生技術與電池延命復原劑 PH WATER 電視台節目專訪報導 20

實用電池 5-4.3 2. 鋰離子電池（lithium ion battery） 或鋰離子聚合物電池： 鋰離子電池主要依靠鋰離子於兩極間來回移動， 故別名搖椅式電池（rocking chair battery，RCB）； 放電時鋰離子自負極游向正極，充電則相反。 正極材料大多採用鈷酸鋰， 負極材料大多為石墨中嵌入鋰原子LixCn， 過氯酸鋰（LiClO4）溶解在有機溶劑中當作電解液。 兩極反應分別為： 正極： 負極： 21

實用電池 5-4.3 2. 鋰離子電池（lithium-ion battery） 或鋰離子聚合物電池： 鋰聚合物電池具有能量密度高、更小型化、 超薄化、輕量化，以及高安全性和低成本等 多項優點。 22

proton exchange membrane fuel cell，PEMFC 實用電池 5-4.3 燃料電池 一種利用燃料進行化學反應而產生電力的裝置，所用的燃料包括：氫、甲醇、乙醇和甲烷等。 1.以氫為燃料的質子交換薄膜燃料電池： 兩電極反應如下： proton exchange membrane fuel cell，PEMFC 陽極：2H2 → 4H+＋4e－ 陰極：O2＋4H+＋4e－→ 2H2O ① 乾淨能源 氫燃料電池 ② 節能減碳 日推氫燃料電池車-民視新聞 23

alkaline fuel cell，AFC 實用電池 5-4.3 2.鹼性燃料電池： 使用氫氧化鉀為電解質， 兩電極反應如下： alkaline fuel cell，AFC 陽極：H2 ＋2OH－→ 2H2O＋2e－ 陰極：O2＋2H2O＋4e－→ 4OH－ ① 燃料電池 ② 微生物發電 24

範例 5-7 下列有關電化電池放電反應的敘述，何者正確？ (A)皆為酸鹼中和反應 (B)必為氧化還原反應 (C)全為勻相反應 (D)屬於光電轉換的反應　 (E)必為可逆反應 25 選修化學(上) 25

練習題 5-7 下列關於鉛酸電池放電過程的敘述，何者正確？ (A) PbO2 之量增加 (B) Pb2＋被氧化為 Pb4＋ (C) SO42－同時向陰極及陽極移動　 (D)水的莫耳數減少　 (E)硫酸的莫耳數增加 26 選修化學(上) 26

學習成果評量 在電池 Zn(s)＋2Ag＋(aq) ⇌ Zn2＋(aq)＋2Ag(s)， (1)達平衡時，此電池電壓若干？ (2)在陰極之電池加水，對電壓有何影響？ (3)在陽極之電池加 Na2S(s)，電壓有何改變？ (4)在兩半電池同時加等量的水，則電壓有何改變？ (5)將鹽橋移開，則電壓有何改變？ (6)在兩個半電池同時加入 NaCl，對電壓有何影響？ (7)若溫度上升，則電壓有何改變？ E電池＝0 E電池下降 E電池增大 E電池下降 E電池＝0 E電池下降 E電池下降 27 選修化學(上) 27

學習成果評量 已知 Zn2＋＋ 2e－ → Zn，Eº＝－0.76 伏特， Ag＋＋ e－ → Ag，Eº＝0.80 伏特， 則鋅銀電池電壓Eº電池＝？ 解答： 2Ag＋＋ 2e－ → 2Ag， Eº＝0.80 伏特 Zn2＋＋ 2e－ → Zn， Eº＝－0.76 伏特 －) Zn＋2Ag＋ → Zn2＋＋2Ag，Eº電池＝1.56 伏特 28 選修化學(上) 28

學習成果評量 已知 Zn－Ag電池電壓Eº電池＝1.56 伏特， Zn－Cu電池電壓Eº電池＝1.10 伏特， 若訂 Cu → Cu2＋＋ 2e－，Eº＝0.00 伏特， 則 Ag＋＋ e－ → Ag Eº＝？ 解答： 根據 已知資料，寫出反應式，如下： Zn＋2Ag＋ → Zn2＋＋2Ag，Eº電池＝1.56 伏特 Zn＋Cu2＋ → Zn2＋＋Cu，Eº電池＝1.10 伏特 －) Cu＋2Ag＋ → Cu2＋＋2Ag，Eº電池＝0.56 伏特 因訂 Cu → Cu2＋＋ 2e－，Eº＝0.00 伏特， 故 Ag＋＋ e－ → Ag，Eº＝0.56 伏特 29 選修化學(上) 29