電池為什麼可以發電? - 社會議題

By Charlotte
at 2005-10-07T00:00

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電池為什麼可以發電
小小一顆真是神奇
它到底是~~怎樣發電ㄚ

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By Tracy
at 2005-10-07T06:19

人類最初由物體間的摩擦發現了能夠產生『靜電』
十七世紀末時,人類發現將玻璃瓶內外貼上兩不相接金屬片,可以儲存產生的電荷,也就是所謂的萊頓瓶.當時的萊頓瓶後來的演變到最後轉變為電容其原理都是儲存負電荷用於放電.而這也是人類首次可以儲存電力
發現電池的放電現象並且使用它的歷史,其實可以推朔到埃及時代(這是最新資料歐,其他的資料都是有文字紀錄的,這個資料是考古找到的器具推斷,當時的用途是用來電療...是用水果果汁當電解液,接出來的金屬棒用來電療,我在Discovery特別節目上面看到的,那時是在講遠古時代人類的智慧特別節目)
要了解電池就要從電池發現的歷史了解而近代發現電池放電現象是從無意間發生的:
義大利波洛尼亞大學的解剖學教授賈法尼(Luigi Galvani 1737..1798)經常利用電擊研究生物反應，1780年秋天無意間發現，即使沒通電源的情況下，剝下來的青蛙腿也會發生痙攣的現象，後來經過十年的研究，在1791年發表成果。他一直認為這是一種由動本身的生理現象所產生的電，稱為動物電，因此開發了一支新的科學就是電生理學的研究。同時也帶動了電流研究的開始，觸使電池的發明。
而當時在一次尋常的閃電，使賈法尼解剖室台上的起電機發生電氣火花的同時，放在桌子上與鉗子和鑷子環連接觸的一隻青蛙腿發生痙攣，而此時起電機與青蛙腿之間並無導體連接。接著他把青蛙腿的一隻腳吊高，再用黃銅鉤刺在脊髓上，並使其接觸銀製的檯板，讓另一隻腳可以在檯板上方自由活動，當它碰到銀檯時，腳的肌肉就起收縮而離開檯板，但是離開檯板後即又再度伸長碰到銀檯，如此反覆搖擺。如果將鉤與檯改換成同一種金屬，就看不到這種現象。
而後來便引發伏特和賈法尼的爭辯(看到伏特和賈法尼的爭辯讓我感慨萬千,科學就是不斷的實驗辯論再實驗再辯論出來的,看到台灣舊式教育的背誦教育教出來的學生雖可以馬上答出所謂的"正確答案",但是思考和創造的能力卻完全被剝奪...唉!!而我就是那個時代的尾端學生):
　　義大利利帕維亞大學的物理學教授伏特(Alessandro Vlota 1745..1827)，反覆重做賈法尼的實驗，仔細觀察後發現電並不是發生於動物組織內，而是由於金屬或是木炭的組合而產生的。於是伏特完全不使用動物的組織，僅用不同的金屬相接觸，使用萊頓瓶及金箔檢電器進行實驗，發現在接觸面上會產生電壓，稱為接觸壓。這種裝置可以同時用不同的幾種的金屬，提高實驗效果，但是總無法產生連續不斷的電流。
　　伏特同時注意到賈法尼的實驗中也是使用不同的金屬，而實驗中的青蛙腿可以看作一種潮濕的物質，所以就使用能夠導電的鹽水液體代替動物組織試驗之，終於因此發現了電池的原理，做出了著名的伏特電堆與伏特電池。
　　賈法尼和伏特是朋友，賈法尼相當堅持自己的看法，伏特的反對意見觸使賈法尼更進一步的研究，這一次他乾脆不用任何金屬做導體，剝出一條青蛙腿的神經，一端縛在另一條腿的肌肉上，另一端和脊髓相接，結果腿仍然會有抽搐現象，證明了表現在青蛙腿上的電刺激，可以僅僅來自動物本身，這就是所謂的賈法尼電池、賈法尼電流(Galvanic Cell、Galvanic Current、Gagnometer)。賈法尼創造出動物電，導使電生理學的建立。
(以上的電池被發明的歷史和在發明過程所發現的現象結果導致現代更偉大的發現"電生理學"都說明了一件事,就是科學是許許多多的過程組合而成,或許現在所研發或發明的嘗試失敗,但是所研發或發明中間的過程或結果卻是打開下一個問題之鎖的鑰匙,這是題外話...不過從這裡反看我們平常看待事情的價值觀...我們認為過程重要還是結果重要呢?...)
伏特電堆與伏特電池：
　　伏特電堆是由幾組圓板對堆積而成，每一組圓板包括兩種不同的金屬板。所有的圓板之間夾放著幾張鹽水泡過的布，潮濕的布具有導電的功能。伏特進一步試驗不同金屬對所產生的電動勢效果，得到以下的關係；
Zn -- Pb -- Sn -- Fe -- Cu -- Ag -- Au
同時他也試過不同的導電液，後來就用硫酸液代替鹽水。至於電堆的原理，伏特則認為是由於金屬接觸的機械原因所導致的，一直到後來赫爾姆霍玆才指出這是錯誤，而認為這是化學作用所引起的。
1800年伏特將十幾年研究成果，寫成一篇論文「論不同金屬材料接觸所激發的電」，寄給英國皇家學會，不幸受到當時皇家學會負責論文工作的一位秘書尼克爾遜有意的擱置，後來伏特以自己名義發表，終於使尼克爾遜的竊取行為遭受學術界的唾棄。
　　當時法國國王拿破崙平素喜歡學者，1800年11月20日在巴黎召見伏特，當面觀看實驗頓覺感動，立即命令法國學者成立專門的委員會，進行大規模的相關實驗（題外話...這也可以看出西方人和東方人對科學的看法不同,西方人尋找到與眾不同的原理或技術時會開放給大家研究,研究出來的東西便是大家的,東方人尋找到與眾不同的原理或技術時,只會藏私,帝王發現有學者尋找到與眾不同的原理或技術時便找事情給那位學者做,以不要讓那些技術流出為原則,以方便愚民政策,以方便統治...）。同時也頒發6000法郎的獎金和勳章給伏特，發行了紀念金幣，而伏特也被作為電壓的單位，直到現在我們還在如此引用。
但是伏特堆體積實在太大了便有人開始研究如何將電池變小變成便於製造及提高反應效率
丹麥丹聶爾(J.F.Daniell)和盧克歇爾(Leclanche) 發明乾電池也就是傳統的碳鋅電池到現在仍是產量最大、使用最廣的一次電池。其構造是以鋅筒作負極兼電池容器，內容物為MnO2、碳粉、NH4Cl溶液、ZnCl2溶液及澱粉所調成的糊狀物，再以碳棒作為正極。在25℃時，輸出電壓約1.5伏特。反應式如下：
陽極（anode）：Zn（s） → Zn2+（aq）＋ 2e- (鋅在反應中吸收電子並且離子化,電池化學反應時電流是從迴路中從正極流到負極,但是電子卻是從負極流到正極)
陰極（cathode）：2NH4+（aq）＋2MnO2（s）＋2e- → Mn2O3（s）＋2NH3（aq）＋H2O（l） (氯化銨溶解後的產生銨離子和氯離子,銨離子和二氧化錳反應後放出電子,產生了3氧化2錳,硝酸及水
Zn2+（aq）＋2NH3（aq）＋2Cl-（aq） → Zn（NH3）2Cl2（s） (而在陽極釋放出來的鋅離子和硝酸及氯離子反應成2氯2硝酸鋅...太久沒複習化學不知這樣念對不對,不對請包涵)
全反應： 2MnO2（s）＋2NH4Cl（aq）＋Zn（s） → Zn（NH3）2Cl2（s）＋Mn2O3（s）＋H2O（l）(這就是電池內巨觀的反應式)
西元1859年普蘭第(R.L.G.Plante)發明鉛蓄電池。
負極為鉛，正極為二氧化鉛，而電解液為硫酸溶液。在25℃其工作電壓為2.0伏特。反應式如下：
陽極( anode ) ： Pb（s）＋SO42-（aq） → PbSO4（s）＋2e- (鉛和硫酸根化合成硫酸鉛吸收電子)
陰極( cathode ) ：PbO2（s）＋SO42-（aq）＋4H+（aq）＋2e- → PbSO4（s）＋2H2O（l） (2氧化鉛和硫酸根及氫離子反應後放出電子轉變成硫酸鉛和水)
全反應： Pb（s）＋PbO2（s）＋2H2SO4（aq） → 2PbSO4（s）＋2H2O（l）
(因為硫酸和鉛的反應,所以也叫鉛酸電池,這種電池普遍使用在需要反覆使用及需要較大電流的汽車,或者需要反覆充電使用的地方, 是人類發明的第一種可以逆反應充電的2次電池.
英國的化學家德斐(Humphry Davy 1778..1829)後續的研究發現了幾種鹼金屬，導致電氣化學工業的興起。而導致出現以後的種種電池的出現
像鹼性電池,汞電池(水銀電池,因環保問題現在已減少使用),氧化銀電池,鎳鎘電池,鎳氫電池,鋰電池乃至於現在最新燃料電池都是利用類似的原理..
不過不可否認的，文明的進步也替我們帶來了傷害。廢棄的電池若沒做好處理的工作，則電池中的重金屬就會污染到整個自然環境，導致無法彌補的傷害。例如汞中毒會傷害腎及肝，且侵入神經系統，造成手腳麻痺、視力及聽力衰退。而鉛中毒會影響全身，損壞神經系統及造血組織、且對兒童甚會造成死亡。而重金屬中，以鉛和鎘對人體危害最大，因其他金屬會造成農作物枯死或空穗，但鉛和鎘卻不影響作物的生長，反而使人誤食被污染的食物。例如民國77年，桃園縣基力化工廠排放含鎘廢水，造成桃園縣蘆竹鄉中福村及新興村的農地被污染、當時八十多公頃的農地被迫休耕至今，而鎘米外流亦引起社會大眾的高度關切。也就是因為人類無法將重金屬自行排出體外且經過食物鏈的生物放大作用，會在我們身體一直囤積，對人體的危害實在太大。所以重金屬的處理已是刻不容緩的重要課題。

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