為什麼用6價鐵iron（Ⅵ）當陰極的超級電池據說可提供比一般乾電池多50%的電力？

化學原理啟迪281

乾電池 Dry Cell Batteries

n   銀電池的反應

Zn＋AgO＋H2O→Zn(OH)2＋Ag

Zn＋Ag2O＋H2O→Zn(OH)2＋2Ag

銀電池陽極反應：

Zn＋2OH^－→Zn(OH) 2＋2e^－

銀電池陰極反應：

2AgO＋H2O＋2e^－→Ag2O＋2OH^－

Ag2O＋H2O＋2e^－→2Ag＋2OH^－

Ø  銀電池的陽極與陰極反應是正確的嗎？過程中電荷如何轉移？最後電荷是平衡的嗎？

銀電極陽極反應過程

Zn＋2OH^－

→2e^－＋（Zn^2＋＋2OH^－）

→2e^－＋Zn(OH) 2

銀電極陰極反應有二種，第一種是一氧化銀AgO的還原反應過程

2AgO＋H2O＋2e^－

→（2e^－＋Ag^2＋＋Ag^2＋）＋2O^2－＋OH^－＋H^＋

→（Ag^1＋＋Ag^1＋＋O^2－） ＋（O^2－＋H^＋）＋OH^－

→Ag2O＋2OH^－

第二種是氧化銀Ag2O的反應過程

Ag2O＋H2O＋2e^－

→（Ag^1＋＋Ag^1＋＋2e^－）＋（O^2－＋H^＋）＋OH^－

→2Ag＋2OH^－

Ø  以上三個反應電荷都平衡。

附註：我在google查「銀電池反應」發現，Thomas Roy Crompton《Battery reference book》第20/3頁的(20.5) 反應式 Hg2O＋Zn＝2Ag＋ZnO 的Hg寫錯了，應該寫為Ag2O＋Zn＝2Ag＋ZnO。

n   汞電池的反應

Zn(Hg)＋HgO→ZnO＋Hg

注：Zn(Hg)意思是陽極除了可用「鋅Zn」，也可以用「汞Hg」。

汞電池陽極反應：

Zn＋2OH^－→ZnO＋H2O＋2e^－

汞電池陰極反應：

HgO＋H2O＋2e^－

→（Hg^2＋＋2e^－）＋（O^2－＋H^＋）＋OH^－

→Hg＋2OH^－

Ø  汞電池的反應是正確的，反應過程陽極的電子轉移到氧化汞HgO的汞離子，產生金屬汞。

n   鎳鎘電池的反應

陽極反應： Cd＋2OH^－→Cd(OH)2＋2e^－

陰極反應：NiO2＋2H2O＋2e^－→Ni(OH) 2＋2OH^－

Ø  鎳鎘電池陽極反應的過程：

Cd＋2OH^－

→（Cd＋2OH）＋2e^－

→Cd(OH)2＋2e^－

Ø  為什麼「鎘Cd」是直接與「氫氧原子群OH」結合，而不是先失去一些電子e^－，成為帶正電的鎘離子，再與帶負電的「氫氧根離子OH^－」結合？

(1).鎘Cd的原子序48，最外層的電子殼層是d軌域，鎘Cd的「d軌域」的10個空位剛好完全被10個電子填滿，因此非常穩定，不容易流失電子。所以鎘Cd是以原子的形式與氧原子結合，由於鎘Cd並不缺電，因此它不需要「氧O」用以子的形式提供鍵結電子。

(2).為什麼電中性的「鎘」可以與電中性的「氧」結合？電子在原子表面的分佈並不均勻，氫氧根離子的「氧」表面雖然有多餘的電子，但是也有比較帶正電的區域，這部分會吸引鎘的電子；此外，「氧」本身具有陰電性，具有喜歡吸引電子的天性，這也會促成「氧」吸引「鎘」原子結合，形成中性的共價鍵。

(3).氫氧根離子的「氧」與「鎘」原子經過無數次碰撞後，其中一次有效碰撞使它們互相吸引鍵結，因為共價電子已經使得「元素氧」與「元素鎘」的外層電子軌域填滿，因此原本在「氫氧根離子OH^－」身上的「電子e^－」顯得多餘，電子e^－會脫離系統，以維持「氫氧化鎘Cd(OH)2」分子的平衡。

Ø  鎳鎘電池陰極反應的過程：

NiO2＋2H2O＋2e^－→Ni(OH) 2＋2OH^－

2H2O→2OH^－＋2H^＋

把水解離的產物2H^＋與NiO2放在一起，得到產物氫氧化鎳Ni(OH) 2

NiO2＋2H^＋＋2e^－

→（Ni^4＋＋2e^－）＋（2O^2－＋2H^＋）

→（ Ni^2＋＋2OH^－）

→Ni(OH) 2

n   為什麼用6價鐵iron（Ⅵ）當陰極的超級電池據說可提供比一般乾電池多50%的電力？

Ø   因為電池電子流動的力量來源是陰極「氧化劑」的拉力，陰極「氧化劑」的拉力愈強，陽極被拉出來的電子愈多。陰極氧化劑的強弱怎麼比較？氧化劑離子吸收接受的電子愈多，強度愈強。

Ø   超級電池用K2FeO4或BaFeO4化合物做出6價鐵離子iron（Ⅵ），每個鐵離子能夠同時接受3個電子，與一般乾電池的離子只能接受1到2個電子相比，多出了1到2個電子。

Ø   由於超級電池陰極的6價鐵iron（Ⅵ）吸引電子的能力更強、是更強氧化劑，因此產生的電力遠比一般乾電池大。