再談濃差電池

李小寶 廖怡蘭

(1.四川省遂寧市第二中學(xué)校;2.四川省遂寧船山區(qū)第一人民醫(yī)院)

依靠離子濃度不同而設(shè)計(jì)的原電池稱為濃差電池(concentration cell),由于濃差電池在我們生活生產(chǎn)中發(fā)揮著重要作用,在以真實(shí)情境為測(cè)試載體的化學(xué)學(xué)業(yè)水平考試命題原則的背景下,我們常常會(huì)遇到濃差電池相關(guān)的化學(xué)試題,如2023年山東高考卷11題就出現(xiàn)了以濃差電池原理的真實(shí)情境為背景的相關(guān)考查,本文從化學(xué)熱力學(xué)出發(fā)分析濃差電池的自發(fā)原理,進(jìn)一步挖掘2023年山東卷11題的情境,結(jié)合濃差電池的分類,并列舉兩種濃差電池原理的應(yīng)用實(shí)例,以期為一線師生的教學(xué)提供參考。

一、濃差電池的化學(xué)熱力學(xué)原理

例如:如圖1(a)圖所示,將一支金屬鎳條浸入濃度為1.00×10-3mol/L的Ni2+溶液中,另一支金屬鎳條浸入濃度為1.00 mol/L的Ni2+溶液中,兩電解液用鹽橋連接并使電池形成通路放電。

圖1

由于該電池總反應(yīng)沒(méi)有化合價(jià)的改變,對(duì)于多數(shù)化學(xué)熱力學(xué)知識(shí)不豐富且沒(méi)有接觸能斯特方程的高中學(xué)生而言,他們很難理解該原電池反應(yīng)為什么能自發(fā)進(jìn)行,該過(guò)程的能量轉(zhuǎn)化又該如何理解。實(shí)際上,整個(gè)濃差電池放電過(guò)程就相當(dāng)于濃溶液的稀釋過(guò)程,稀釋過(guò)程熵增加,當(dāng)然是自發(fā)的過(guò)程了。當(dāng)左右兩燒杯離子濃度相等時(shí),放電反應(yīng)就到達(dá)極限了,此時(shí)電池電壓為0 V,如圖1(b)圖所示。所以從稀釋自發(fā)的角度入手,同學(xué)們很容易理解該過(guò)程的化學(xué)熱力學(xué)原理。

對(duì)于有化學(xué)熱力學(xué)基礎(chǔ)和接觸過(guò)能斯特方程的學(xué)生而言,濃差電池的原理就是如下過(guò)程:

熱力學(xué)關(guān)系有ΔG=-zFE,根據(jù)吉布斯方程式:ΔG=ΔH-TΔS,兩式合并得zFE=-ΔH+TΔS。雖然體系總反應(yīng)沒(méi)有熱效應(yīng)(ΔH=0),但體系熵增ΔS>0,即ΔG=ΔH-TΔS=0-TΔS=-TΔS<0,反應(yīng)自發(fā)進(jìn)行。

二、關(guān)于2023山東卷11題的濃差電池工作原理分析

【試題】利用熱再生氨電池可實(shí)現(xiàn)CuSO4電鍍廢液的濃縮再生。電池裝置如圖所示,甲、乙兩室均預(yù)加相同的CuSO4電鍍廢液,向甲室加入足量氨水后電池開(kāi)始工作。下列說(shuō)法正確的是

( )

A.甲室Cu電極為正極

B.隔膜為陽(yáng)離子膜

D.NH3擴(kuò)散到乙室將對(duì)電池電動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生影響

本題應(yīng)用的真實(shí)情境熱再生氨電池(Thermally Regenerative Ammonia Battery)是濃差電池的一種升級(jí)裝置,其完整結(jié)構(gòu)及工作原理如圖2所示:

圖2 熱再生氨電池結(jié)構(gòu)及工作原理

當(dāng)氨氣通入含有Cu2+的溶液中時(shí),Cu2+轉(zhuǎn)化為[Cu(NH3)4]2+,Cu2+的濃度降低,溶液此時(shí)為堿性,pH在9.7左右,該工作室(題中的甲室)相當(dāng)于濃差電池中含低濃度放電離子的池,作原電池的負(fù)極,單質(zhì)銅轉(zhuǎn)化為銅離子。另一工作室(題中乙池)就相當(dāng)于濃差電池中含高濃度放電離子的池,溶液此時(shí)為酸性,pH在2.6左右,該工作室為原電池的正極區(qū),銅離子轉(zhuǎn)化為單質(zhì)銅,放電后的電解液是含低濃度Cu2+的溶液,進(jìn)一步處理可以排放。

如圖2所示,電池工作時(shí)選用的陰離子交換膜AEM(Anion exchange membrane)可以減少銨根離子或帶正電荷的銅(Ⅱ)絡(luò)合物離子從電池負(fù)極電解液到電池正極電解液的轉(zhuǎn)移。當(dāng)控制好電池的負(fù)載,電池的放電能力可以得到提升,處理廢液所需的時(shí)間也可以大幅縮短,最終我們可以獲得較高的Cu2+去除率。所以該題的參考答案為CD。

為了使放電能持續(xù)進(jìn)行,技術(shù)人員利用低溫加熱(≤130℃)技術(shù)將放電后電池負(fù)極的電解液加熱,通過(guò)熱再生,[Cu(NH3)4]2+分解得到氨氣和高濃度的銅離子溶液,氨氣循環(huán)利用作為下一次放電過(guò)程的反應(yīng)物,銅離子溶液則作為下一次放電時(shí)的電池正極電解液進(jìn)行處理。

三、兩種經(jīng)典的濃差電池

四、在生活生產(chǎn)中兩個(gè)經(jīng)典的濃差電池原理應(yīng)用實(shí)例

(一)pH計(jì)

2019版的人教高中化學(xué)教材選擇性必修1在介紹測(cè)定溶液的pH時(shí),就提到可以用pH計(jì)對(duì)溶液的pH進(jìn)行測(cè)定,pH計(jì)是基于離子濃度影響而工作的。pH計(jì)常常由兩個(gè)電極和一個(gè)伏特表組成,這兩個(gè)電極一個(gè)是參比電極另一個(gè)是玻璃電極,參比電極是一個(gè)恒定電位的電極,玻璃電極的電勢(shì)則受待測(cè)液影響。

玻璃電極內(nèi)部的電解液是pH為7的緩沖液,當(dāng)玻璃電極的pH探頭浸入待測(cè)溶液時(shí),待測(cè)液中的氫離子在玻璃電極球泡周圍積聚并進(jìn)入球泡取代電解液中的金屬離子,同時(shí),一些金屬離子從玻璃電極轉(zhuǎn)移到待測(cè)溶液中。這樣,玻璃電極內(nèi)部的氫離子濃度受待測(cè)液影響而改變,氫離子的濃度(活度)又與玻璃電極的電勢(shì)成正比。所以,當(dāng)電勢(shì)穩(wěn)定的參比電極和玻璃電極連通形成一個(gè)原電池時(shí),該電池會(huì)產(chǎn)生與氫離子濃度(活性)相關(guān)的電位差,再把電信號(hào)放大,并做數(shù)據(jù)處理就可以得到待測(cè)液的pH。

(二)觸發(fā)心臟跳動(dòng)的電脈沖和濃差電池聯(lián)系密切

觸發(fā)心臟有規(guī)律跳動(dòng)的電脈沖就是濃差電池和離子泵相互結(jié)合的結(jié)果。我們體內(nèi)含有不同生理機(jī)能的離子,如Na+,K+和Ca2+,細(xì)胞壁對(duì)這些生理離子具有不同的滲透性,所以這些離子的濃度在細(xì)胞內(nèi)液和細(xì)胞外液不同。在心肌細(xì)胞工作時(shí),細(xì)胞內(nèi)液和細(xì)胞外液中K+的濃度通常分別約為135 mmol/L 和4 mmol/L。細(xì)胞內(nèi)液和細(xì)胞外液之間的離子濃度差異會(huì)產(chǎn)生一個(gè)濃差電池,我們可以使用能斯特方程計(jì)算出在37℃時(shí),生理離子從細(xì)胞內(nèi)液移動(dòng)到細(xì)胞外液的動(dòng)作電位。

放電時(shí),K+離子自發(fā)向低濃度的細(xì)胞外液移動(dòng),造成細(xì)胞內(nèi)液和細(xì)胞外液中離子濃度差減小。放電完成后,鉀離子泵通過(guò)主動(dòng)運(yùn)輸將K+運(yùn)輸?shù)郊?xì)胞內(nèi)液中,調(diào)節(jié)細(xì)胞內(nèi)液中離子的濃度,使細(xì)胞內(nèi)液和細(xì)胞外液中K+的離子濃度差增大,當(dāng)濃差電池的電勢(shì)達(dá)到心臟起搏細(xì)胞工作所需的動(dòng)作電位大小時(shí),觸發(fā)下一次放電,其他離子放電原理與K+類似。通過(guò)濃差電池工作和離子泵工作,最終使心臟有規(guī)律地工作跳動(dòng)。如果心臟的起搏細(xì)胞因疾病或損傷而出現(xiàn)故障,可以通過(guò)手術(shù)植入人工起搏器,人工起搏器包含一個(gè)小電池,也可產(chǎn)生觸發(fā)心臟收縮所需的電脈沖。